水性陶瓷涂料特点及应用前景

  1 陶瓷涂料国内外发展概况

陶瓷涂料涂膜的主要成分与陶瓷釉料很相似，多为金属氧化物或非金属氧化物、氮化物及少量多烷氧基有机硅烷组成的无机-有机复合涂层。涂料为双组分包装，使用前须经配料、混合、熟化，经喷涂施工、高温烘烤，形成高硬度瓷釉般的涂膜。
材料的物理、化学性能与陶瓷相像，故称之为“陶瓷涂料”。陶瓷涂料起源于20世纪60年代的溶胶-凝胶(Sol-Gel)技术，奠定了陶瓷涂料的理论基础。1971年，H.Dislich用溶胶-凝胶法以金属醇盐为前驱体开拓性地获得陶瓷氧化物材料，引起材料工业的一大飞跃。现在，此方法已在世界各地广泛发展，先后用此法合成出了多种功能陶瓷氧化物涂层、超细粉体材料、玻璃材料、光导纤维、玻璃旋涂材料、浸涂材料等，金属醇盐得到了广泛的应用。
1.1 国外发展状况

早期发现美国、日本、韩国有一些陶瓷涂料方面的研究、报道，但在其国内市场未见到相关产品。例如：美国TRITON SYSTEMS公司开发出用于玻璃的透明耐磨纳米陶瓷涂料[1]；美国FREECOM公司开发的CERAM-KOTE54陶瓷涂料；韩国专利：S.(Kim.Johng Ha等)—2000.2.15—9831088，可用于铝合金、镀锌板的“金属表面用无机涂料的制备、工艺和用途”[2]，韩国KFCC陶瓷涂料可用于建筑铝合金金属幕墙及地铁车辆内装涂层，具有很好的抗划、耐高温、防火功能。

1.2 国内发展动态

自20世纪90年代以来，我国从事涂料研发的一些单位，开始注重采用溶胶-凝胶技术研发无机-有机复合涂料、纳米超导粉体材料、高温耐蚀涂料等。水性陶瓷涂料亦属于无机-有机复合涂料中的一种。例如：以珠海旭光化工有限公司开发的“铝幕墙陶瓷涂料”、苏州纳迪微电子有限公司开发的“ND-HCS耐高温透明纳米陶瓷涂料”、上海金力泰化工有限公司开发的“KNT-陶瓷涂料”、北京红狮漆业有限公司开发的“水性纳米陶瓷涂料”等为代表性的陶瓷涂料产品。
 

2 陶瓷涂料化学反应基本原理

2.1 溶胶-凝胶法(Sol-Gel)化学反应机理

Sol-Gel化学反应通常包括烷氧基金属(或元素)化合物[M(OR)x，M=Si(硅)、Ti(钛)、Zr(锆)、Al(铝)、Mo(钼)、V(钒)、Ce(铈)等]的水解物及水解物羟基之间的低聚缩合物，是制备Sol-Gel溶胶中常用的几大类前驱体，其化学反应表达式如式(1)、式(2)。水解反应[3]：

M(OR)x＋H2O→M(OR)x-1(OH)＋ROH (1)

多烷氧基化合物 水 带羟基的水解物 醇缩合反应：

2M(OR)x-1(OH)→(OR)x-1MOM(OR)x-1＋ H2O (2)

部分水解产物  水性纳米缩合产物   水

2.2 反应过程

溶胶阶段(水解、熟化)：各组分以小分子形式分散，所以获得的杂化材料通常是纳米复合材料，具有其他传统复合材料所不具备的性质；有机组分多烷氧基硅烷通过水解、缩聚以共价键和配位键接于无机网络中，而不是简单的物理混合。

2.3 交联固化成膜机理

烘烤固化阶段(达到完全凝胶)：组分中发生硅醇羟基间的交联、硅醇与烷氧基之间的交联、硅醇与基材表面羟基之间的交联、硅醇与颜填料表面羟基的交联，以及分子间的配位键结合，最终形成陶瓷般的坚硬涂层(如图1中第三类)。

3 陶瓷涂料的主要性能特点

陶瓷涂料属于用水稀释的水性涂料，环保、低毒。其性能表现突出，具有高硬度：达4H～6H；高耐磨：抗划痕性良好；高耐温：不燃，耐温400 ℃(经火焰直接喷射试验，涂层完整保留，附着力良好，见图2)；高耐候性：QUV老化试验4 000 h；高耐腐蚀：能耐受酸、碱、盐、溶剂介质腐蚀。

陶瓷涂料的涂层性能与PVDF高温氟碳涂料都执行GB/T 23443—2009《建筑装饰用铝单板》国标，盐雾、湿热、老化都为4 000 h。而陶瓷涂料的硬度、耐高温性大大优于高温氟碳涂料。陶瓷涂层按GB/T23443—2009《建筑装饰用铝单板》国家标准中性能要求检测的实测数据见图3[4]。陶瓷涂料的产品标准，中国涂料工业协会已立项正在组织参编单位制定中。

陶瓷涂料化学结构特点赋予涂层高性能。太阳辐射到地球表面的紫外线能量为441 kJ/mol，由表1可知，只有碳氟(C—F)键和硅氧(Si—O)键的键能高于441 kJ/mol，键能愈高，耐热性和耐老化性愈好。高交联度聚硅氧烷结构中，硅原子与氧原子有4个化学键结合之外，还有2个配位键结合，形成刚性的六面立体网状大分子，赋予涂层高硬度、高耐候、高耐温性能.

有机硅氧烷组分对涂层性能贡献颇多。常用的烃基硅烷有：甲基、乙基、苯基、乙烯基多烷氧基硅烷。它们赋予涂层低表面能、柔韧性、抗划痕、抗开裂、抗沾污、增光泽等性能，以弥补无机聚硅氧烷涂层刚性太强韧性之不足。

通过调整配方的R/Si值(表示每个硅原子上所连接烃基的平均数目)，由此可以评估陶瓷涂料的预期性能，如：烘干温度、交联密度、涂膜硬度、光泽、抗划性、耐高温程度等。一般陶瓷涂料的R/Si值小于1.2。此外，陶瓷涂料烘烤温度低，节能、减排效果显著，见表2。

4 陶瓷涂料的应用领域及市场前景

4.1 陶瓷涂料的应用领域

陶瓷涂料具有优异的性能特点及节能环保优势，可在广阔的建筑金属装饰材料领域大显身手，特别适合于铝合金幕墙、型材、壁板、包立柱挂板等建筑内外装饰工程，例如：地铁站、火车站、机场大楼、商业大厦、宾馆、酒店、会议大厅、体育场馆、演艺剧场等人流聚集的场所。涂膜耐磨、抗划、耐擦洗、阻燃、防火、耐高温，具有很好的装饰、保护效果。其与高温氟碳涂料、搪瓷钢板综合性能比较见表3。

根据表3中3种材料的综合性能比较结果，可以看出陶瓷涂料的大部分性能都优于高温氟碳涂料和搪瓷钢板，基本可以完全取代它们。另外，经户外曝晒1年4个月后，ΔE=0.94，光泽无变化，见图4。按GB/T 1766—2008评定：变色等级0，失光等级0，均达到最高级。

北京地铁4号线、5号线地下站包立柱挂板原采用搪瓷钢板，后建的亦庄线、大兴线、房山线站内立柱及壁板则采用了喷涂陶瓷涂层的铝合金装饰板，效果很好(见图5)。上海、南京、苏州等部分城市的地铁车站也采用了陶瓷涂层铝合金板作为内装饰材料。

4.2 水性陶瓷涂料的市场发展前景

我国水性陶瓷涂料的开发与应用尚处于起步阶段，特别是下游用户大多数还不了解这一种新材料，生产厂家的宣传、推广工作也很不够，甚至工程设计单位也知之甚少。2004年以来，韩国的地铁车辆内装饰材料大量采用了陶瓷涂料[5]，达到很好的防火效果。高温氟碳涂料进入我国市场已经20多年了，产品的推广应用已经很成熟，下力气开发水性陶瓷涂料应用领域，逐步替代溶剂型高温氟碳涂料，还需要一个市场培育过程。水性陶瓷涂料在耐高温炊具，以及耐高温防腐领域也具有良好的发展前景。其他的潜在应用领域包括烧烤炉、炊具等(见图6)。

5 结语

水性陶瓷涂料是用于金属装饰、保护的一款全新的多功能、环保、节能型涂料新产品，有丰富的原材料资源和广阔的市场发展空间，产品具有较好的经济效益和社会效益。在市场推广过程中，也遇到一些问题，比如陶瓷涂层硬度太高、拉伸强度欠佳、在光滑表面成膜性差、涂膜容易开裂等。因此，要求基材必须采取喷砂方法进行前处理，对于较小的工件容易做到，对于大工件或是薄板材质就无法进行，影响了产品推广。为了解决必须喷砂处理的难题，北京红狮公司开发出一种特制配套底漆[6]，底材可以不喷砂，陶瓷涂层对此底漆有很好的附着力，解决了不能喷砂工件使用陶瓷涂料的难题，有利于新产品的推广应用工作。陶瓷涂料取代高温氟碳涂料，从性能和经济效益评价，都是完全可能的，因为这个领域的市场是巨大的，需要我们开阔思路，敢于探索，不断前行。

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