提高烤瓷鋁板光澤度的初步探討

張?jiān)?（上海能漠新材料有限公司，上海 201108）

0 引言

隨著人口向大都市集聚，軌道交通作為中心城市、都市圈和城市群發(fā)展的重要基礎(chǔ)，也迎來(lái)了大的發(fā)展機(jī)遇。2019 年10 月16 日在重慶召開(kāi)的“第四屆中國(guó)城市軌道交通節(jié)能技術(shù)高峰論壇”上發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，截至2019 年9 月，我國(guó)已有39 個(gè)城市開(kāi)通了軌道交通，線路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)6333.3 km。到2019 年年底，全國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)總里程已達(dá)到6600 km，發(fā)展速度迅猛。

目前，城市軌道交通車站裝飾所用的板材主要有3種：氟碳幕墻板、搪瓷鋼板和烤瓷鋁板。氟碳幕墻板耐腐蝕性優(yōu)異、可塑性好，但其耐磨性差、施工過(guò)程中會(huì)有大量的有機(jī)揮發(fā)物（VOC）排放到空氣中，加重了大氣污染及溫室效應(yīng)，更重要的是火災(zāi)發(fā)生時(shí)氟碳涂層會(huì)發(fā)生分解而釋放出十幾種有毒氣體，給乘客的生命安全造成極大的危害。搪瓷鋼板屬于無(wú)機(jī)材料，具有硬度高、裝飾性好、安全性優(yōu)異等特點(diǎn)，但由于其加工溫度高、成品率低、板材重、安裝困難等缺陷而限制了它的應(yīng)用。烤瓷鋁板是近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的軌道交通裝飾材料，其兼具搪瓷鋼板的高硬度、火災(zāi)安全性和氟碳幕墻板耐腐蝕性好、輕便易安裝的優(yōu)點(diǎn)，非常適合用作軌道交通車站的裝飾板材。表1 是軌道交通車站常用的3種裝飾板的性能比較［1］，通過(guò)比較可以看出，在軌道交通車站裝飾所用的幕墻板中，烤瓷鋁板的性能更勝一籌。

烤瓷鋁板是將陶瓷涂料噴涂在幕墻板上，烘烤固化后形成的幕墻裝飾板材，近年來(lái)它以其優(yōu)異的性能在軌道交通車站中得到越來(lái)越廣泛的使用。陶瓷涂層作為一種裝飾涂層，它的裝飾性遠(yuǎn)不如有機(jī)涂層和搪瓷，一般來(lái)說(shuō)，陶瓷涂層的表面光澤屬于亞光，其60°光澤只能達(dá)到50%～60%。一方面由于陶瓷涂層施工時(shí)為了提高附著力，需要對(duì)基材進(jìn)行噴砂處理，噴砂后基材表面形成凹凸不平的狀態(tài)，再加上陶瓷涂料施工厚度薄，只有30～50 μm，固化后涂層表面平整度不夠；另一方面陶瓷涂料大分子鏈?zhǔn)且环NSi—O—Si 的無(wú)機(jī)結(jié)構(gòu)，連接部分為—CH3基團(tuán)，不含有機(jī)鏈段。所以其表面光澤遠(yuǎn)不如有機(jī)涂層高，從而影響了烤瓷鋁板的裝飾效果。

表1 3種裝飾板的性能比較Table 1 Performance comparison of three kinds of decorative panels

為了提高烤瓷鋁板的光澤，本研究采用溶膠-凝膠法，以不同粒徑的硅溶膠作為主要成膜物質(zhì)，將MTMS 和KH-560 以不同配比混合后作為輔助成膜物質(zhì)，制備出水性無(wú)機(jī)納米陶瓷涂料，研究了MTMS 與KH560 的配比以及硅溶膠的粒徑對(duì)烤瓷鋁板光澤的影響，并綜合考查了烤瓷鋁板的其他性能，從而得到提高陶瓷涂層光澤的最佳配方。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

硅溶膠：Bindzil 9950，pH=9.0，粒徑100 nm，固含量50%；Bindzil 2034DI，pH=3.0，粒徑20 nm，固含量34%；Bindzil S30/830C，pH=10.5，粒徑10 nm，固含量30%，阿克蘇諾貝爾；AS-40，pH=9.5，粒徑22 nm，固含量40%，格雷斯；甲基三甲氧基硅氧烷（MTMS，純度>99%），杭州硅寶化工有限公司；γ-（2，3 環(huán)氧丙氧基）丙基三甲氧基硅烷（KH560，純度>99%），曲阜晨光化工有限公司；甲酸（HCOOH），分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；顏料，美國(guó)薛特顏料公司；高嶺土（6250 目），上海樊釩鈦白化工有限公司。

1.2 試驗(yàn)儀器

SFJ-400 攪拌研磨分散多用機(jī)，上海現(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)股份有限公司；涂料熟化滾架，自制；P-MP0D膜厚儀，德國(guó)Fischer；NHG60 光澤度儀，3NH；NR200 色差儀，3NH；AM413ZT 數(shù)碼顯微鏡，臺(tái)灣Dino-Lite；DN-H21B 平面涂層耐磨測(cè)試儀，寧波海曙敦諾儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 陶瓷涂料的制備

（1） 色漿研磨：將硅溶膠、顏料、填料、去離子水按一定比例混合后，上研磨機(jī)研磨至細(xì)度< 20 μm，用300 目濾布過(guò)濾后出料，備用。

表2 陶瓷涂料的配方Table 2 Formula of ceramic coatings

（2） 陶瓷涂料的制備：陶瓷涂料的配方如表2所示，首先將C 組分（甲酸）加到A 組分（色漿）中，混合均勻后，再加入B 組分（硅烷），混合均勻后放至滾架上，在120～140 r/min 轉(zhuǎn)速下反應(yīng)8～10 h，待用。

1.3.2 樣板的制備

（1） 基材預(yù)處理：為提高涂層與基材間的附著力，用80～100 目的白剛玉或棕剛玉砂對(duì)基材做噴砂處理，基材表面粗糙度控制在2～5 μm；

（2） 噴涂：基材預(yù)熱至50～60 ℃，將制備好的陶瓷涂料用300 目濾布過(guò)濾后，噴涂在基材表面；

（3） 固化：先低溫（80～100 ℃）固化10 min，然后再高溫（200～250 ℃）固化10 min。

1.4 性能測(cè)試與表征

（1） 光澤度：用60°角進(jìn)行測(cè)量；

（2） 高溫黃變性：用色差儀測(cè)試涂層的起始b0值，然后將樣板放入預(yù)熱至400 ℃的馬弗爐中，2 h后取出，自然冷卻后測(cè)試涂層的b1值，用Δb=b1-b0來(lái)表征涂層的高溫黃變性；

（3） 耐冷熱沖擊性：將樣板加熱至300 ℃，保持2 min，然后用自來(lái)水沖淋，急劇降溫，擦干后用顯微鏡觀察涂層是否開(kāi)裂，計(jì)1 個(gè)循環(huán)，連續(xù)進(jìn)行10個(gè)循環(huán)；

（4） 耐磨性：3.0 kg 壓力，5 cm×5 cm 百潔布（3M 7447C），浸于5 g/L 的洗潔精溶液中，在涂層上往復(fù)擦拭，1 個(gè)往返記1 次，每250 次更換一塊百潔布，直至涂層磨透露出基材為止，記錄摩擦次數(shù)。

（5） 附著力（百格法）：用鋒利單面刀片的刀尖在涂膜上分別切平行和垂直切痕，深度要求穿透漆膜的整個(gè)厚度，其切口間距2.0 mm，用3M-898 膠帶緊貼在切割的方格上，使膠帶與涂膜間無(wú)氣泡存在，提起膠帶的一端，以與水平方向成45°的角度剝離膠帶，查看每條劃痕無(wú)鋸齒狀崩裂。

2 結(jié)果與討論

2.1 MTMS與KH560的配比對(duì)陶瓷涂層性能的影響

γ-（2，3環(huán)氧丙氧基）丙基三甲氧基硅烷（KH560）是一種重要的有機(jī)硅氧烷單體，其帶有長(zhǎng)的有機(jī)鏈段，分子結(jié)構(gòu)如下：

KH560 水解后可以與硅溶膠發(fā)生縮聚反應(yīng)，在硅溶膠粒子表面形成柔性長(zhǎng)鏈有機(jī)基團(tuán)，一方面由于有機(jī)基團(tuán)的引入，可以有效提高陶瓷涂層的光澤，另一方面還可以適當(dāng)增加陶瓷涂層的柔韌性［2］。

MTMS 與KH560 不同配比對(duì)陶瓷涂層光澤及其他性能的影響如表3 所示。

表3 MTMS 與KH560 的配比對(duì)陶瓷涂層性能的影響Table 3 The effect of the ratio between MTMS and KH560 on the properties of ceramic coating

由表3 可以看出，MTMS 與KH560 的不同配比，對(duì)涂層的性能有較大影響。

光澤：KH560 的加入有助于提高陶瓷涂層的光澤，由52%提高到69%，效果明顯，這主要是由于KH560 屬于有機(jī)物，在陶瓷涂料分子鏈中引入了有機(jī)鏈段所致。隨著KH560 的增加，涂層光澤逐漸提高。

高溫黃變性：由于KH560 中含有環(huán)氧基團(tuán)，高溫下易引起涂層黃變。由表3 數(shù)據(jù)可知，隨著KH560用量的增加，涂層在高溫下黃變?cè)絹?lái)越明顯。這是引入KH560 對(duì)涂層產(chǎn)生的不利影響，但是只要黃變?cè)诳山邮艿姆秶鷥?nèi)，通過(guò)引入KH560 來(lái)提高涂層的光澤還是可行的。

耐冷熱沖擊性：由表3 數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)KH560的用量較低時(shí)，對(duì)涂層的耐冷熱沖擊性影響不大，當(dāng)m（MTMS）∶m（KH560）=80∶20 時(shí)，陶瓷涂層的耐冷熱沖擊性有一定程度的下降。這是由于有機(jī)分子長(zhǎng)鏈的引入，導(dǎo)致分子鏈的交聯(lián)密度降低所致。

耐磨性：由表3 數(shù)據(jù)可知，添加少量的KH560有利于提高涂層的耐磨性，這是由于KH560 所含柔性分子鏈的引入，可以適當(dāng)?shù)靥岣咛沾赏繉拥娜犴g性，使其耐磨性能有所提高。但KH560 用量過(guò)多［m（MTMS）∶m（KH560）=80∶20］時(shí)，由于分子鏈的交聯(lián)度降低而使得涂層的耐磨性能下降。

附著力：由于陶瓷涂層大分子鏈為Si—O—Si 的無(wú)機(jī)結(jié)構(gòu)，涂層脆性較大，附著力相對(duì)于有機(jī)涂層來(lái)說(shuō)較差，無(wú)法達(dá)到有機(jī)涂層的0 級(jí)水平。當(dāng)引入少量KH560 的柔性有機(jī)鏈段時(shí)，涂層的柔韌性有所改善，附著力也有一定程度的提高；但當(dāng)KH560 用量較多時(shí)，由于分子鏈的交聯(lián)度降低，會(huì)導(dǎo)致涂層附著力下降。MTMS 與KH560 的不同配比對(duì)陶瓷涂層附著力的影響見(jiàn)圖1。

圖1 MTMS 與KH560 的不同配比對(duì)陶瓷涂層附著力的影響Figure 1 Effect of different ratio between MTMS and KH560 on adhesion of ceramic coating

綜合以上數(shù)據(jù)可知，加入KH560 對(duì)提高陶瓷涂層的光澤具有顯著效果，當(dāng)m（MTMS）∶m（KH560）在95∶5～90∶10 之間時(shí)，烤瓷鋁板的綜合性能較優(yōu)。涂層耐冷熱沖擊性不受影響，涂層耐磨性、百格附著力略有提高，雖然涂層較之前有些許黃變，但是在可接受的范圍內(nèi)。只要KH560 的添加量控制在一定范圍內(nèi)，烤瓷鋁板的性能不會(huì)受到影響。

2.2 硅溶膠粒徑對(duì)陶瓷涂層性能的影響

通常，納米硅溶膠的粒徑為5～150 nm，二氧化硅顆粒的固含量在20%～50%不等。隨著其粒徑的增大，硅溶膠的外觀狀態(tài)由透明到半透明乃至微乳狀，一般來(lái)說(shuō)固含量越高，SiO2顆粒粒徑越大、透明性越差、相容性和穩(wěn)定性也越差。

不同粒徑硅溶膠對(duì)陶瓷涂層的光澤及其他性能的影響如表4 所示。

表4 硅溶膠粒徑對(duì)陶瓷涂層性能的影響Table 4 The effect of the particle sizes of silica gel on the properties of ceramic coating

由表4 可以看出，硅溶膠粒徑不同，對(duì)涂層的性能也會(huì)產(chǎn)生一些影響。

光澤：在涂層膜厚相差不大的情況下，隨著硅溶膠粒徑的減小，涂層的光澤略有增加，但是差異不大。用粒徑較小的硅溶膠作為主要成膜物質(zhì)，有利于提高陶瓷涂層的光澤。

耐磨性：硅溶膠粒徑的大小對(duì)涂層的耐磨性有一定影響，粒徑較大的硅溶膠，由于比表面積小，成膜后粒子之間的結(jié)合力相對(duì)較弱，涂層的致密性也略差，導(dǎo)致涂層的耐磨性略差；而粒徑較小的硅溶膠，比表面積大，成膜后粒子之間的結(jié)合力強(qiáng)，涂層致密性好，強(qiáng)度高、耐磨性好，所以要提高陶瓷涂層的耐磨性，應(yīng)選用粒徑較小的硅溶膠作為成膜物質(zhì)。

附著力：硅溶膠的粒徑大小對(duì)涂層的附著力略有影響，粒徑較小的硅溶膠滲透力強(qiáng)，成膜后與基底表面易產(chǎn)生機(jī)械咬合與化學(xué)鍵合，可以形成更為牢固致密的涂層，百格附著力相對(duì)較好（圖2）。

綜合表4 的數(shù)據(jù)可知，硅溶膠的粒徑對(duì)陶瓷涂層的性能也會(huì)產(chǎn)生一定影響，要得到性能較優(yōu)的陶瓷涂層，應(yīng)選用粒徑較小的硅溶膠，但是小粒徑硅溶膠制備工藝復(fù)雜，技術(shù)主要掌握在國(guó)外幾家大公司，如Akzo-Nobel 手里，價(jià)格相對(duì)較高，無(wú)形中提高了陶瓷涂料的成本，所以綜合考慮，選用粒徑為20 nm 或者22 nm，固含量為40%或者34%的硅溶膠較好，其綜合性能也可達(dá)到使用要求。

圖2 硅溶膠的粒徑對(duì)陶瓷涂層附著力的影響Figure 2 Effect of silica sol particle size on adhesion of ceramic coating

3 結(jié)語(yǔ)

采用溶膠-凝膠法，以甲酸為催化劑，以不同粒徑的硅溶膠作為主要成膜物質(zhì)，將甲基三甲氧基硅烷（MTMS）和γ-（2，3-環(huán)氧丙氧基）丙基三甲氧基硅烷（KH560）以不同比例混合后作為輔助成膜物質(zhì)，制得陶瓷涂料，研究了MTMS 與KH560 不同配比和硅溶膠的粒徑對(duì)陶瓷涂層光澤度及其他性能的影響，結(jié)果表明：

（1） 在配方中加入少量KH560，烤瓷鋁板的光澤從52%增加到69%，說(shuō)明KH560 能夠有效地提高陶瓷涂層的光澤；KH560 的添加會(huì)對(duì)陶瓷涂層的高溫黃變性和附著力產(chǎn)生一定的影響，當(dāng)m（MTMS）∶m（KH560）在95∶5～90∶10 范圍內(nèi)時(shí)，烤瓷鋁板的綜合性能最優(yōu)；

（2） 硅溶膠的粒徑對(duì)陶瓷涂層的光澤會(huì)產(chǎn)生一定影響，小粒徑的硅溶膠，可以更有效地提高陶瓷涂層的光澤度，考慮到成本和涂層的綜合性能，使用粒徑20 nm 左右的硅溶膠作為成膜物質(zhì)為最佳。