瓷膜涂料的性能及应用
葛彦侠1，刘桂云2
(1. 长春工业大学, 吉林 长春 130012；2. 常州工程职业技术学院, 江苏 常州 213164)
前言
在家电领域，有很多小家电产品如燃气灶具、锅煲等炊具、电磁炉、烤箱、电熨斗等，多数是用铁铝等金属材料或塑料材料制成。塑料件耐温耐磨性能差，金属件外观丑陋，因此，现在一般的家电生产厂家多数希望选用合适的涂料涂装这些部件，以提高它们的耐温耐磨性、装饰性及功能性。这些电器中，绝大部分加热元件或离热源很近的工件是长期工作在100℃ 以上高温环境下的，环境中还可能有高低温、明火、频繁摩擦、以及油、水、盐、酸碱等物质存在，所以小家电要求所用涂料必须长期耐温100℃ 以上，耐高低温性、耐磨、耐水、耐明火等，并且有些小家电直接与食物接触，所以要求涂膜在使用过程中必须安全，无毒，不产生损害人体健康的物质。传统的涂料一般不能同时满足上述诸多的要求，因此，必须开发新型的、适用于小家电领域的特殊涂料。
我们知道，生活中的陶瓷用品比比皆是，它具有高硬度、耐磨、耐酸、耐碱、耐热、耐冷等优越的性能，安全、无毒，肌理富于变化，色彩丰富而且不褪色，在丰富人们的物质和精神生活，美化环境，以及提升生活品质等方面，是其他材料不可替代的。但是，陶瓷具有成型致命的缺点：高脆性和韧性差，而且陶瓷产品的加工是个绝对的高碳产业。所以，在我国及全球都在倡导发展低碳经济的大环境下，最近几年，有些研究人员提出开发瓷膜涂料，使其具有陶瓷的优越特性，同时，降低了瓷膜的固化温度，减少碳的排放，降低能耗。
瓷膜涂料使用纳米无机氧化物作为基础的成膜物质，而不使用绝大多数有机涂料都使用的树脂。它经过低温烘烤、脱水反应后，形成以“硅-氧”、“硅-铝”键为主的致密网状结构。这种分子结构非常类似搪瓷的结构，因而具有接近搪瓷的耐温、耐腐、耐水、耐候、无毒等物理性能，同时具有相当高的硬度，耐磨性也非常好，尤其是高温下硬度不变化，高温耐磨性特别好。
1 研究进展
瓷膜涂料是一种崭新的涂料种类，它现身市场不过7、8 年的时间。瓷膜涂料的技术思路和原有涂料非常不同，日本对瓷膜涂料的研究起步最早，但涂装技术始终是制约其推广应用的壁垒，未得到广泛应用；韩国瓷膜涂料的研究和技术日趋成熟，市场接受速度也相当快，韩国的家电产品特别是厨卫设备、加热电器中，瓷膜涂料使用的比例越来越高；韩国的大韩化工、大金化工、大和化工等公司的产品都先后在我国有过一定的销售，产品价格昂贵，每公斤几百元到上千元不等，涂膜150℃以下长期使用基本不变化，冷硬度达到6H 以上，热硬度在4H 以上。目前国内最近几年有高校和少数的公司做过研究，基本处于研发和实验阶段，技术很不成熟，产品的品质和性能非常不稳定。
2 瓷膜的特性
无机涂料一般耐高温、硬度高、超耐候、安全毒性小，这些性能指标远远高于有机涂料，但涂装大多需要高温、超高温，色彩种类不丰富，表面效果不佳，严重限制了其使用用途。而有机涂料（或油漆）除涂装容易外，又具有柔韧性好、色彩丰富、装饰性佳、对基材适用性强等优点。可见，无机涂料的优点多数也是有机涂料捉襟见肘之处，有机涂料的优点往往也是无机涂料的软肋。瓷膜涂料恰好将二者的优势统一在一起，瓷膜涂料有着单纯的有机、无机涂料无法比拟的独特优点：
2.1 耐热性好
一方面瓷膜涂料的涂膜以Si-O 键为主链，其键能比C-C键键能大，其耐热性较有机涂料明显提高，硅原子和氧原子形成d-pπ 键，也增加了涂膜的热稳定性；另一方面Si 原子对侧链烃基有偶极感应效应，起屏蔽作用，提高了烃基热氧化稳定的性能，即使受热氧化，硅表面能够生成富于Si-O-Si键的稳定保护层，减轻对其内部影响，也提高了其耐热温度，一般可以在100℃高温下弱酸碱腐蚀、溶剂侵蚀、利器磕碰、反复摩擦等恶劣环境下长期使用， 300℃较高温度下冷热水反复冲洗，甚至可以耐到600℃或更高温度的短期使用。
2.2 高硬度高耐磨
涂膜的硬度分为常温条件和高温条件下的硬度，一般有机涂料冷硬度可以在5H 以下，但热硬度多数不会超过2H，冷热硬度变化较大，明显影响其高温条件下使用性能。瓷膜涂料一般冷硬度可以在4H 以上，甚至可以高达9H，热硬度一般在4H（含）以上，高温下硬度几乎无变化。涂膜耐磨性与涂膜硬度密切相关，尤其是高温环境下硬度高耐磨性好，因而瓷膜是一种超耐磨的涂膜。
2.3 耐候性好
即涂膜的户外耐久性，主要指涂膜暴露在户外环境条件下涂膜的模量、强度、粘结性，保色、保光性可能的变化程度，以及是否发生脆化、粉化和酸蚀等现象，主要有光引发氧化降解和水解两种。有机涂膜的光降解、光老化明显，一般有机外墙涂膜使用周期不超过七、八年而瓷膜涂料属于“永久型”的涂层；具有优良的耐候性，在紫外线及其它射线作用下非常稳定， 耐候性能大于20 年。
2.4 具有远红外功能
加热时释放出远红外射线，特别适合加热领域，升温快，加热均匀，加热效率高，有效节省能源，且对人体无害。
2.5 耐腐蚀绝缘性好
瓷膜具有搪瓷相似的结构，能耐一般无机酸、有机酸、弱碱液、有机溶剂等介质的腐蚀，防腐防锈性能优异，耐电压，绝缘性非常好。
2.6 抗菌，防霉，无毒，非常安全，使用期限长。
2.7 原材料资源丰富，主要原材料是地壳中含量丰富的硅及氧化硅等。
2.8 憎水（疏水/憎水，和水的接触角60-100 度），不粘，耐人工污染（污迹、黏附物极易清理）。
2.9 色彩丰富鲜艳，光泽可以从亚光到高光。
3 瓷膜涂料的用途
3.1 小家电领域
3.1.1 电磁炉
现在国产的电磁炉微晶玻璃面板价格低廉因而被大量采用。但因为工艺技术的问题，面板表面微孔较多，不能挡住油污、灰尘等，防污能力很差，疏水疏油性也较低，且非常容易黄变，这是目前国产微晶玻璃板和进口面板的主要差距。因为电磁炉与锅体接触的部位，温度在300℃以上，瞬间能达到500℃或更高，常见的有机涂料—如有机硅涂料或氟碳—都不能同时保证耐温和硬度两个指标。在微晶玻璃板表面上涂装瓷膜涂料后，可以封住微孔，加上瓷膜涂料本身良好的不粘性，增强了面板的防污效果；涂膜附着力好，耐高温，高温下硬度不变，耐磨，因而可以长期使用；还可以利用涂料改换面板的颜色、增加金属质感、提高光泽等，提升面板的外观。
3.1.2 燃气灶具
燃气灶的炉头要长期工作在600℃以上，而且是明火，目前几乎没有什么有机涂料能够满足这样的要求。目前基本都使用有机硅涂料，但往往用后不久涂层就会褪色或划伤。使用瓷膜涂料涂装灶头，保色性和耐划伤性能良好，同时瓷膜涂料在中高档燃气灶的阀体上也开始使用。
3.1.3 烫发器
烫发器的应用越来越广泛，不仅限于美发店，也走入千家万户中。烫发器主体一般由涂有涂膜的金属材料制成，工作时通电源加热金属件，达到一定温度后，用来固定已经涂有烫发水、定型剂等产品的头发的形状，所以对这种涂膜的要求是耐温，高温下耐溶剂、耐磨，尤其是金属件的边缘部位的耐磨性能，绝大多数的有机涂膜都不能满足这种要求，在高温下拉头发1000 次就会磨穿涂膜。而瓷膜涂料由于卓越的热硬度，耐冲击性，耐磨性，一般可以拉头发10000 次以上。
3.1.4 电烫斗
电烫斗的工作温度一般在100℃以上，并且在织物上来回摩擦，有时还有水蒸气存在，所以对这种涂膜的要求是耐温，耐热水、耐磨，尤其是喷气孔的部位的耐磨性能优。目前常用的是氟碳涂料和有机硅涂料，这两类涂料的耐温耐磨性较好，但这类涂料大多数是油性的，用大量的有机溶剂如苯类，烃类、醚类溶剂，对环境的污染较重。而瓷膜涂料的良溶剂是醇类和水等水性化溶剂，基本不用纯油性溶剂，对环境和人身的危害很小，安全级别高。瓷膜涂料还可用于很多小家电品种，如炒锅、电饭煲、汤锅等等，这里不在一一例举。
3.2 汽车涂料
瓷膜涂料不仅应用在小家电领域，在建筑业，汽车行业的应用也逐渐增多，因其耐温、耐磨、阻燃、安全、毒性小等显著的优越性而被业内人士普遍看好的应用于建筑涂料，汽车面皮漆及汽车灯具漆等方面，这是瓷膜涂料亟待开发的又一广大市场。
4 瓷膜涂料现存的问题和发展前景
瓷膜涂料在市场上使用时间较短，还存在许多亟待解决的问题：柔韧性、耐冷热温变比有机涂料还有不足；容易做亚光到中光，但不容易做高光，丰满度低；多为多组份，涂装技术要求高，不适合流水线长期连续辊涂；附着力和不粘性比氟碳涂料还有所差距；重涂性不理想等等，因此瓷膜涂料技术还需要不断改进和提升，同时进口瓷膜涂料的价格还相当高。瓷膜涂料综合了有机涂料和无机涂料的优点，可以预见，随着瓷膜涂料技术的提高和完善必将成为涂料领域重要的分支。