复合高性能树脂基涂料的涂装工艺及其质量措施
复合高性能树脂基涂料的涂装工艺及其质量措施
邱波 李海波 王璞
（武汉苏泊尔炊具有限公司 湖北 武汉 430000）
摘 要：目前，以聚四氟乙烯为代表的含氟涂料是不粘涂层的主要类别之一。由于聚四氟乙烯线膨胀系数大、尺寸稳定性差、导热性低、持久耐磨性相对较低，聚四氟乙烯不粘涂层在长期使用过程中容易损坏脱落，导致其不粘性能大大降低。为了更大程度的发挥聚四氟乙烯不粘涂层在不粘锅领域的应用，本文在传统的聚四氟乙烯涂层配方中引入多种高性能树脂，开发新型的复合高性能树脂基不粘涂料以增强单一含氟涂料的耐久性和尺寸稳定性，并对该涂料的涂装工艺及其质量控制措施展开深入分析。
关键词：不粘涂层; 复合高性能树脂基涂层; 涂装工艺; 质量控制
0 引言
铸铁、不锈钢、铝以及铝合金等金属材质的锅，作为长久以来人们最普遍使用的食品烹饪工具，存在易导致食物出现粘锅、烧焦等现象的问题，不仅破坏食物外观，而且容易导致食物产生苯并芘、丙烯酰胺等有害成分，危害人体健康。此外，粘附在锅表面的食物残渣也给锅具的清洗带来难度。不粘锅的问世解决了这一问题，具有易清洁、煎/炒食物不粘锅、少油烟等优点，给人们的生活打来了极大的方便。根据统计数据，中国国内不粘锅外表面涂料总产值达20亿。
目前市场上大多数不粘锅都是涂覆了一层聚四氟乙烯树脂类的不粘涂料，聚四氟乙烯具有以下性能特点：①稳定的化学性能；②突出的不沾性，在所有的固体材料中，PTFE的表面能最低，表面张力小于0.02 N/m的液体才能润湿在其表面；③极低的摩擦系数，聚四氟乙烯分子间的范德华力非常小，十分容易引起分子间内部的相对滑动。但是，聚四氟乙烯材料除了上述优点以外，自身还存在不可避免的缺陷：一是氟涂层的强度较差，在长时间的负载使用下将会产生形变，且会随着温度的变化而发生不规律的变化，线膨胀系数大、尺寸稳定性差，容易脱落和损坏；二是具有较差的耐磨性，由于聚四氟乙烯大分子链中氟原子相互排斥，导致聚四氟乙烯分子间的吸引力较小，在受到切应力的作用下，PTFE 分子间易滑移，再加上本身的硬度低，导致其在摩擦磨损过程中消耗过大；三是聚四氟乙烯涂层的使用温度一般不能超过250℃，对于许多爆炒的菜肴，锅内温度至少也在300 500℃之间，容易因高温而损坏
为了更大程度的发挥含氟涂料在不粘锅领域的应用，本文将引入多种高性能树脂开发新型的复合高性能树脂基不粘涂料，以增强单一含氟涂料的耐久性和尺寸稳定性，重点解决聚四氟乙烯耐磨性差的问题，并对该涂料的涂装工艺及其质量控制措施展开深入分析。
1 复合高性能树脂基涂料分析
传统不粘锅涂料配方构成如下：石墨烯0.1~0.3份，聚四氟乙烯乳液50~70份，聚酰胺酰亚胺5~10份，色粉1~2份，纯净水10~15份。在传统不粘锅氟涂层中，聚四氟乙烯已经占到全组份的50~70%。
单一聚四氟乙烯不沾涂层在长时间使用后，聚四氟乙烯的不耐久性会逐渐凸显出来。复合材料能够在保持各组分材料的某些特性的基础上，具有组分间协同作用所产生的综合性能，充分弥补了单一材料的缺点。因此，为了进一步提高聚四氟乙烯涂层的某些性能，对单一的聚四氟乙烯不沾涂层进行改性，以满足其在不同工况下的使用要求。
聚醚酮酮（PEKK）作为一种优异的聚芳醚酮半结晶高性能工程树脂材料，在室温及高温下仍能维持良好的摩擦学特性及机械强度，200℃时的弯曲强度高达24 MPa，即便 250℃时仍达 12~13 MPa 左右。PEEK 材料具有极高的尺寸稳定性、耐疲劳及耐蠕变性能。除此之外，PEEK 还具有如下自润滑特性：①具有较低的摩擦阻尼，在载荷作用下易迁移形成转移膜；②PEEK 材料能通过塑性变形与摩擦副相适配，增大接触面积，缓解应力集中；③具有良好的防腐蚀及吸震功能，从而避免腐蚀磨损和冲击磨损的产生；④PEEK耐高温、耐溶剂及耐水解能力强，能在干摩擦、油或水润滑下工作。聚醚砜（PES）在200℃下的机械性能基本保持不变，且在高温下都能保持优良的抗蠕变性（线膨胀系数小）和尺寸稳定性，也有着良好的耐酸、碱性和无毒性且已被美国FDA认可。这两种高性能树脂的加入将对以氟涂料为主的不粘涂料起到替换和增强补强作用。
因此，为了提高氟涂层的持久耐用性，将聚醚酮酮和聚醚砜两种高性能树脂加入到配方中。调整后的配方构成为：炭黑0.5~1份，聚四氟乙烯乳液20~25份，聚醚酮酮15~20份，聚醚砜10~15份，表面活性剂1~3份，其余为纯净水。可以看出，氟涂料的含量由传统配方中的50-70%降低至20-25%，PEEK和PES两种高性能数据具有高的热稳定性和优异的抗蠕变性能，能有效地对以聚四氟乙烯为主要构成成分的氟涂料进行补强作用。
2 复合高性能树脂基涂料涂装工艺
不粘锅涂层的涂装施工中最为常用的方法为喷涂法，采用这一方法对锅具内外表面进行喷涂，能够保证涂膜的均匀度与适中的厚薄度，即便是存在形状各异、凹凸不平的地方能够保证分布均匀。国内的 PTFE 商用不粘涂层大多为两次喷涂，分为底漆和面漆喷涂两道工序。下文我们便对该复合高性能树脂基涂料喷涂施工工艺的操作技巧为主进行分析：
2.1 对原料进行预处理
在制备涂料之前需要将所有固体基料进行磨粉处理，且经过80-150目的筛网过滤以得到均一细小的粉末以便后续的混合处理。
为了提高涂层的粘结力，需使涂层牢固的粘在基体上，如果涂层与基体之间的粘结力不够，则在实际使用过程中涂层就会在摩擦力的作用下很快的脱落，从而失去了涂层的摩擦学性能，所以对基材表面进行预处理就显得尤为重要。需要对基体进行粗化处理，以求在喷涂过程中最大程度地提高涂层的附着力。粗化主要包括两个过程；一是对表面的处理，去除的对象是表面的灰尘、油垢和氧化物等；二是是对基体本身的进一步处理，目的是提高涂层与基底的粘结力，如对铝基的阳极氧化处理。首先对铝合金表面进行碱腐蚀处理，去除铝合金表面被空气污染的氧化膜，然后将铝合金进行中和处理，防止过多的腐蚀产物留在铝合金表面，最后对铝合金表面进行阳极氧化处理，在铝合金表面形成多孔的氧化膜，增强涂层与基底的粘结力
2.2 配比涂料
首先称取组分比例的表面活性剂，再添加对应组分的溶剂溶解待溶解后加入水，随后在电动涂料搅拌器下以1500 r/min转速均匀混合10 min。待均匀混合后在同样转速下加入对应组分的聚四氟乙烯乳液，均匀混合后在相同转速下分四次缓慢加入对应的聚醚酮酮、聚醚砜、炭黑粉末并在此状态下继续搅拌50 min后，待各物质混合均匀后，涂料配比完成。
2.3 调配粘稠度
将配比完成后的涂料与增稠剂进行调配，确保粘度适合进行喷涂。一般来讲最佳粘度在 20～30s 左右。涂料的黏度测试一般用条件黏度来表征，即涂料从单位容积的黏度杯中流出所用的时间以秒为单位。取涂-4黏度杯用手指堵住杯下端口，或将杯底阀门关闭而后将涂料倒于杯中涂料表面与杯面平齐。测试时松开手指或打开下端口阀门并同时计时，直至涂料流完的时间停止。所得时间为涂料的条件黏度，此条件需要达到46-50s。
2.4 涂料喷涂
涂料喷涂涉及到空气压力的控制、喷涂距离的把控以及喷涂速度和面积的控制，涂层好坏依赖于三者之间的配合。其中，喷涂压力和喷涂距离控制不得当会导致涂层出现麻点或者出现流挂，不仅浪费材料，也会对人员健康带来影响。喷涂操作时最好保持匀速，同时保证喷枪嘴和物体表面垂直。对于本复合高性能树脂基涂料而言，在0.3~0.4 MPa的空气压力下雾化范围100~150 mm，10 min不间断喷涂下喷涂完100 mL涂料为佳，且保证喷涂的手臂或物体为匀速状态一般为10~12 m/min。
2.5 涂层固化
固化方式对涂层的影响非常之大，所以选择合适的方式进行固化是十分必要的。如果涂层在固化过程中出现温度的过大变化，涂层表面会出现气泡、空鼓和裂纹等缺陷，所以选择阶梯式的固化方式。经过前期试验，最终制定的固化方式分为四个阶段①10 min均匀升温到 120 ℃；②120 ℃保温 20 min；③10 min 均匀升温到 380 ℃；④380 ℃保温20 min。
3 复合高性能树脂基涂料质量关键分析及措施
涂料在涂装过程中常常会出现各种问题，导致喷涂物体表面存在缺陷，整体效果不良且影响涂料使用寿命。因此，我们需要对复合涂料涂装中容易出现的质量问题严加控制，下文便对影响质量的关键因素控制措施展开分析。
3.1涂料成膜性
涂料的成膜性需要考虑的是溶剂的挥发性，当溶剂挥发速度过快时，涂膜粘度增加太快，表面收缩过快且向上靠拢，则涂膜容易出现皱纹、桔皮等问题；而溶剂挥发太慢涂膜时易造成流挂现象而影响整体涂膜的干燥速度。为防止此现象的产生，可采取的措施有以下几点：
①共溶剂的选择：由于水的蒸发热较高，特别是在高温和低温情况下，水的挥发较慢，会影响涂覆层的干燥，延长表面实干时间，这时需要加入共溶剂进行调节。共溶剂加入后，可以使涂料的成膜时间在低温下缩短，同时共溶剂还可调节涂料体系的黏度，改善流平性以及最终成膜的外观质量。
在选用溶剂的过程中，要优选表面张力更低的溶剂。由于复合高性能树脂基涂料质的主要溶剂是水，表面张力较大，利用水和具有表面张力较低的有机共溶剂进行混合后，可将涂料的表面张力控制在适宜范围内。
②各类试验表明施工环境的温度变化对固化反应影响较大，因而在配制成膜乳液(涂料)时，考虑环境中温度的变化、湿度的变化、通风条件的变化对成膜过程中的扩散、固化反应程度、小分子以及水分子的气体的挥发速度、膜层表面的流延(俗语挂珠)等因素的影响。主要解决①膜层的表、实干时间；②膜层的厚度；③膜层的表观质量(如光泽、色泽、平整性等)。对于通风条件较差的环境，一般采用适宜的抽风系统，促进干燥过程的挥发材质逃逸；同时有效调节环境的温度以及湿度。
在恒温的空间下进行配料和喷涂操作，以防环境温度过高或过低造成溶剂挥发的不一致影响其涂料的成膜性。
3.2涂料流平性
由于表面活性剂的存在，涂料在其形成湿膜时的表面张力超过了整体平衡状态，在形成初始期出现不断扩大的趋势，则容易造成涂膜表面出现凹陷、气孔等问题。倘若要实现与平衡状态的时间相符，则需要延长整体流平时间。而流平时间和涂料的流平性直接相关。流平性是在涂料喷涂后无气泡涂膜流平成平坦且光滑的能力，涂料的流平性是重力、表面张力和剪切力相互作用的综合结果。根据GB 1750-79(89)方法按照《漆膜一般制备法》（GB 1727-79）中的喷涂法，在马口铁板表面上喷涂漆膜。将样板至于恒温恒湿条件下，观察其涂料表面达到均匀、光滑、无皱状态所需的时间本方法需要在5 min内完成。
在涂料中通过加入润湿流平剂来改变体系的表面张力，可解决涂膜润湿和流平的问题。流平剂根据作用效果分为两大类：一类主要提供流平作用，如不易挥发的溶剂或其他化合物；另一类主要通过降低涂料体系的表面张力来改善涂料对底材的润湿性。流平剂根据化学结构的不同，主要分为丙烯酸类、有机硅类和氟碳化合物等，其中含氟、含硅类流平剂在体系中主要通过降低涂料体系的表面张力使涂膜趋于流平，而丙烯酸类流平剂主要与体系中的树脂、助溶剂形成有限的相容性，最终在成膜时可以迁移至气液界面处，发挥涂膜表面流平的作用。因此流平剂使用时需要满足以下两点：①流平剂本身的表面张力要低于涂料体系的表面张力。②与体系中各物质有限相容。相容性太好，会导致流平剂溶在涂膜中，不能在涂膜表面形成新的界面，不能提供流平作用。相容性太差，容易产生缩孔等涂膜缺陷。这两点都影响流平剂的迁移，当流平剂迁移到涂膜表面，这时才能产生流平作用，有助于涂膜的流平，并在涂料表面形成一个单分子膜，最终使涂料的表面张力处于平衡状态，克服因表面张力差造成的表面缺陷。不同类型的流平剂的相容性和迁移行为不同，会直接影响涂膜的表面张力梯度，因此，合理地选择流平剂对面漆外观至关重要。
涂膜流平的主要动力是表面张力，所以要想控制涂膜的表面状态，必须控制和调整涂膜的表面张力，涂膜的表面张力越大越有助于流平。因此，改善涂料的流平性，需合理使用表面活性剂，在对表面活性剂进行选用时要更加注意其动态表面张力，倘若动态表面张力滞后过大，很有可能会出现更多漆膜问题，一旦缩孔形成，要想彻底解决则非常难。
4 结语
综上所述，本文在典型的聚四氟乙烯涂层配方中引入PEKK和PES高性能树脂，降低涂料中聚四氟乙烯的用量，以增强单一含氟涂料的耐久性和尺寸稳定性。经过实际操作和重复实验，通过本文中所提及的复合高性能树脂基涂料配方以及涂装工艺可以制备出具有良好成膜性和流平性的复合高性能树脂基不沾涂层，对扩大含氟不沾涂层的应用领域具有重要意义。
参考文献：
[1] 上海承一化学科技有限公司. 一种含有不粘涂层的锅:CN202011147198.8[P]. 2021-02-02.
[2] 张少雷, 赵趁妮. 水性涂料的涂装工艺及其质量措施[J]. 中国机械, 2019(4):82-83.
[3] 洪啸吟, 冯汉保. 涂料化学（第二版）[M]. 北京: 科学出版社, 2005:22-24, 81-93.
[4] 王艳艳，沈莉，陈月珍 . 流平剂对漆膜外观的影响[J]. 上海涂料，2014,52（8）17-20.
[5] 文康．水性丙烯酸树脂涂料的改性研究进展[J]．石化技术2019,26(11)：226,228
