金属基材用耐刮擦、耐高温不粘光滑底涂层的制作方法

本发明涉及一种金属基材用耐刮擦、耐高温不粘光滑底涂层，属于高分子特种工程塑料技术领域。

背景技术：

在耐高温不粘涂层方面，目前效果最好的是氟碳树脂涂料，如聚四氟乙烯均聚物(PTFE)、四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物(PFA)、四氟乙烯和六氟丙烯共聚物(FEP或F46)。在氟碳树脂分子结构中，氟元素电负性大，且氟原子紧密排布在C-C骨架的周围，C-F的键能高，氟原子对主链起屏蔽保护作用，这些特点决定了其具有独特的不粘性和低摩擦性，同时，还有摩擦系数小、不吸水、不粘、不燃、耐气候性好，使用温度范围宽和介电性能优异等特点，使得氟碳树脂涂料具备了其它涂料不具备的优良特性。但是，当使用PTFE、FEP、PFA或类似的氟树脂涂料直接涂装金属基板时，会出现粘附缺陷，用氟树脂直接涂覆金属基板是非常困难的，因为氟树脂的不粘附特性使其与基材难以粘接。因此，开发氟树脂涂料时，需要开发出相对应的底涂层涂料，以作为氟树脂涂层与基材的粘接层。使用氟树脂涂料作为底涂层来覆膜时同样存在很多问题：当多次受到热量、潮湿、腐蚀或类似的侵蚀时，涂层会逐渐失效，面涂层与底涂层之间、中间层和底涂层之间、底涂层内部或底涂层和基材之间都会出现剥离现象。同时，氟碳涂层还在耐磨性不佳、硬度不高、耐高温性能差等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种金属基材用耐刮擦、耐高温不粘光滑底涂层，解决了传统氟碳树脂涂层厚、不耐刮擦、硬度低的问题，具有与基材的附着力强、耐磨、涂层薄的特点。

本发明所述的金属基材用耐刮擦、耐高温不粘光滑底涂层所用水性涂料由以下质量百分数的原料制成：

其中：

所述PEKK超细粉是以经亲电聚合法合成得到的聚醚酮酮粗粉为原材料，经封端和高温热氧交联处理，再通过低温气流粉碎工艺而制得的超细粉，为低结晶型聚醚酮酮树脂，牌号为561，粒度为400～600目，特性粘度约为0.61～0.68dL/g，D50值约为5-10μm，D90值约为10-20μm；

所述助溶剂为乙醇、乙二醇、乙二醇乙醚、乙二醇单丙醚中的任意一种或多种；

所述增粘胶体为纤维素醚类或聚乙烯醇类增粘剂的水溶液，粘度约为100～1000cps，优选的粘度为200～500cps，增粘剂优选粘度为4000～15000cps的羟丙基甲基纤维素；

所述颜填料为金刚石微粉、钛白粉、氧化铝、亲水性二氧化硅、碳纳米管中的任意一种，粒度为600～1200目；

所述表面活性剂为阴离子型高分子量羧酸铵盐类表面活性剂或氟碳表面活性剂，优选AFCONA5071；

所述消泡剂为有机硅类消泡剂，优选AFCONA2524、BYK-021或BYK-094；

所述流平剂为水性硅基流平剂，优选AFCONA3580或AFCONA3585；

水性涂料的制备方法如下：

先向搅拌桶内依次加入配比量的去离子水、助溶剂、表面活性剂、流平剂、消泡剂进行搅拌混合，再加入PEKK超细粉和颜填料，搅拌均匀后加入增粘胶体来调制粘度，经搅拌脱泡或真空脱泡后，得到水性涂料；其中，搅拌器采用低剪切的推进式搅拌桨，搅拌转速控制在100～200r/min，喷涂前优选采用均质乳化机分散均匀，但需注意不要引入空气以致起泡；

涂层的涂覆成型方法包括以下步骤：

(1)基材前处理：

采用机械或化学表面处理方式对工件进行全面清理，处理后的表面粗糙度(Ra值)为干膜厚度(DFT)的20～25％，然后用溶剂(乙醇、丙酮等常用有机溶剂)清洗一遍，吹干表面，将处理好的工件合理放置待喷；其中，所述工件材质为铝、铜、碳钢、不锈钢等金属材料或玻璃、陶瓷等无机材料，工件的表面处理方式为机械打磨、喷砂、抛丸或者化学除锈、除油、溶剂清洗等常规表面处理手段，工件表面粗糙度根据所需膜厚控制在2-50μm之间；

(2)喷涂前，采用100目滤网对制备得到的水性涂料进行过滤，然后将其加入到喷壶中，连接压缩空气，调节空气量和进料量旋钮，将水性涂料通过喷枪均匀地喷涂到工件上，喷涂完成后，目测漆膜是否有杂质、针孔或气泡，如有缺陷，重新清理，重复上述步骤，重新喷涂，直至得到合格漆膜；

(3)将上述合格工件在室温下放置5～10min，待工件晾干后清洁工件未喷涂区域粉末，然后将其移入80～120℃(优选120℃)的烘箱中烘干5～10min，再将烘干喷涂工件移入设定温度为340～380℃(优选350℃)的高温烘箱中烘烤成膜，当工件基材温度达到设定温度后，烘烤5～10min，待涂层呈光亮漆膜时即可；

(4)将成品工件由高温烘箱中取出，自然冷却至室温即可，如果需要多层涂层，重复步骤(2)～(3)即可，检测成膜厚度及涂层品质，包装入库。

优选的技术方案如下：

喷枪采用高流量低气压空气喷枪(HVLP)，如ANEST公司的W77-21S喷枪，喷嘴口径为0.8-1.8mm，优选1-1.5mm；喷涂空气压力为0.2-0.34MPa，优选0.25-0.3MPa；喷涂距离为200-300mm，涂料喷出量为95-300mL/min，喷幅为100-265mm，调节喷枪时尽可能在较低的气压下达到理想的雾化情况，喷涂时枪身尽量与喷涂表面保持垂直，喷枪运行轨迹与喷涂表面平行。

压缩空气必须干净，不含杂质、油或者水分，否则，改造压缩空气干燥系统或者加油水分离器，以免出现杂质、针孔等缺陷，影响涂层品质。

单层涂层的厚度为5-50μm，多层涂层厚度为50-150μm，多层涂层的每一次喷涂应较单层涂层的膜薄。

本发明的有益效果如下：

本发明的金属基材用耐刮擦、耐高温不粘光滑底涂层与基材粘结力强，涂层薄，可防止因热量、水分、化学腐蚀等侵蚀使涂层从基材剥离，从而提高耐腐蚀性、耐蒸汽和耐久性等性能，长期使用温度240℃以上，非常适合应用于耐高温不粘涂层领域，相比静电喷涂，涂层厚度容易控制，表面针孔等缺陷少，相比氟碳树脂涂料，具有耐磨、耐刮擦、硬度高、耐化学性优、不粘接性好、耐热性高等优异性能，相比其他氟涂料复合涂层，又具有涂层单一、多层涂层结合性好、喷涂操作性好等优点，可进行单层或多层喷涂，尤其适用于壁厚较薄(厚度不大于5mm)的工件，可广泛应用于烹饪和食品加工器具、办公设备、化工防腐等耐高温不粘涂层。

附图说明

图1为实施例1的样板涂层在200倍显微镜下的图片；

图2为实施例2的样板涂层在200倍显微镜下的图片；

图3为实施例3的样板涂层在200倍显微镜下的图片；

图4为实施例4的样板涂层在200倍显微镜下的图片；

图5为实施例5的样板涂层在200倍显微镜下的图片；

图6为实施例6的样板涂层在200倍显微镜下的图片；

图7为实施例7的样板涂层在200倍显微镜下的图片；

图8为实施例8的样板涂层在200倍显微镜下的图片。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步描述。

实施例

涂层性能测试方法：

1、涂层厚度测试

参考标准《GBT 13452.2-2008色漆和清漆漆膜厚度的测定》，具体测试方法如下：①查看样板基材将金属涂层测厚仪按基材调到“Fe”或“NFe”并在相应的校准板上归零；②在锅内层平底处取5个不同的点分别测试膜厚，记录数据；③去掉一个最大值和一个最小值，最后取范围值分析数据。

2、百格法测试涂层附着力：

参考标准《GBT 9286色漆和清漆漆膜的划痕实验》，具体测试方法如下：①用壁纸刀和百格板在测试样本表面划10*10个(100个)1mm*1mm的小网格，每一条划线都应深及涂层底层；②用毛刷将涂层表面碎屑清理干净；③用3M600号胶带牢固粘结被测试小网格，并用橡皮擦用力擦拭胶带，以加大胶带与被测试区域的接触面积及力度；④用手抓住胶带一端，在垂直方向上迅速扯下胶带，同一位置进行两次实验；⑤去掉一个最大值和一个最小值，最后取范围值，分析数据。

附着力评价标准：

0级：切割边缘完全平滑，无一格脱落；

1级：在切口交叉处有少许涂层脱落，但交叉切割面积受影响不能明显大于5％；

2级：在切口交叉处和/或沿切口边缘有涂层脱落，受影响的交叉切割面积明显大于5％，但不能明显大于15％；

3级：涂层沿切口边缘部分或全部以大碎片脱落，和/或在格子不同部位上部分或全部剥落，受影响的交叉切割面积明显大于15％，但不能明显大于35％；

4级：涂层沿切口边缘大碎片剥落，和/或一些方格部分或全部出现剥落，受影响的交叉切割面积明显大于35％，但不能明显大于65％；

5级：剥离的程度超过4级。

3、耐温不粘性测试：

参考标准《GBT 32095.2家用食品金属烹饪器具不粘表面性能及测试规范第2部分不粘性及耐磨性测试规范》，具体测试方法如下：①将样板用带植物油的软布擦拭，然后用55℃～65℃含洗洁剂的温水洗净擦干；②将擦洗干净的样板平放于电热炉上加热，温度控制在150℃～180℃；③用红外测温仪测量样板温度，当温度达到规定范围内后，将新鲜鸡蛋打在样板表面，时刻注意样板表面温度变化，保持范围温度，待鸡蛋蛋白凝固后，用木铲将蛋铲起；④观察样板涂层表面有无粘附物，并记录测试结果；⑤重复在同一位置操作，做数据比较。

耐温不粘性评价标准：

煎蛋规定次数，记录将鸡蛋从涂层表面剥落的难易程度。评价标准如下：

5级(非常好)：在鸡蛋的中心和边缘均没有粘连，轻易的滑落；

4级(好)：在鸡蛋的边缘有轻微的粘连，轻易滑落；

3级(中等)：边缘粘连稳固，中心易滑落，只有在倾斜或震荡时会滑落；

2级(差)：需要很大的力度才能使鸡蛋滑落，但是是完整的。不能滑落；

1级(非常差)：鸡蛋不能完整的从表面滑落。

4、耐磨性测试

参考标准《GBT 32095.2家用食品金属烹饪器具不粘表面性能及测试规范第2部分不粘性及耐磨性测试规范》，具体测试方法如下：①将试板安装在重3kg的往复支撑物上并将安装好的3M-7447B百洁布置于不粘涂层表面上。(7447B百洁布尺寸(70±5)mm*(30±5)mm*5mm。)；②用浓度5g/l的餐具清洁剂50ml，润滑不粘涂层表面；③保持耐磨垫静置，在中心点两侧以100mm为间距前后往复移动支撑物250次，每250次更换一次耐磨垫；④用清水清洗研磨表面，在日光灯下目视检查试板长度中间8cm区域的涂膜，观察其是否破损并露出底材；以涂层露出基材或划痕超过5条为终止点。⑤同一试样制备两块板或试件进行平行试验，擦拭至规定次数时，以两块试板或试件中有一块未露出基材即评为“通过”，分析数据。

5、耐刮擦测试

试验方法：①将样板放在加热盘上面，用弹簧钩扣紧，然后安装金属圆珠笔芯，利用水平仪使圆珠笔芯尖端保持在同一水平面上；②固定负载砝码(约400g)恒重测试；③开启电源开关升温，同时设定测试时间和测试温度：样品的测试时间为30min(圆珠笔芯更换时间也是半小时)，样品测试时的底面实际温度为200±10℃；④待温度达到测定值后，开启仪器运行。防止温度设定值与实际测试值不一致，可用测温仪辅助测温；⑤仪器运行后，观察和记录样品表面开始起皮时间和样品开始露基材时间；⑥测试结束后，在日光灯下或光线明亮的地方目视样品被磨损情况，是否露出基材，做好记录并做数据分析。

耐刮擦评价标准：

(1)开始(明显)起皮时间：记录开始(明显)起皮的时间，是否在五分钟后。

(2)判别露出底材：测试中如果能判断明显露底，测试结束，记录测试时间，产品不合格。测试结束后如若未露底材，产品为合格；露底材，产品不合格。

涂层所用水性涂料的原料质量百分数配比见表1。

表1 水性涂料的组分及质量百分数配比

对铝试片进行喷砂、机械细砂纸打磨，并用乙醇等溶剂清洗铝试片，吹干表面，将处理好的工件挂起放置待喷；将预配的水性涂料倒入搅拌桶，采用水或者增粘胶体调节水性分散液的粘度，利用旋转粘度计测试粘度(3号转子，20转/分钟)，然后低速搅拌约10分钟，过100目滤布后抽真空脱泡3-5分钟，气泡基本脱除，装桶备用；连接压缩空气，气压约0.3MPa，向喷壶内倒入半壶约200g水性涂料，调节空气量和进料量旋钮以达到最佳雾化效果，然后喷涂铝试片，喷涂完成后，目测漆膜是否有杂质、针孔、气泡等缺陷，如有缺陷，重新清理，再重复上述步骤，重新喷涂，直至得到合格漆膜；将上述合格工件在室温下放置约10分钟，待工件液膜晾干后，清洁工件未喷涂区域的粉末，然后将其移入80-120℃的烘箱中烘干10分钟，再将烘干喷涂工件移入设定温度为350℃-380的高温烘箱中烘烤成膜，烘烤约5-10分钟，待涂层呈光亮漆膜时即可；将成品工件从高温烘箱中取出，自然冷却至室温即可，检测成膜厚度及各项性能，检测结果见表2。

表2 检测结果

由表2能够看出，选用不同系列和特性黏度的PEEK时，涂层的性能和工艺实用性差别明显，选用牌号为561的低结晶型PEEK树脂时能够使涂层的附着力、不粘性、耐刮擦性等性能更加优越。同时，相关配方的最佳配比为：表面活性剂含量约为2-5％，固含量约为25-28％，增粘胶体含量约为5％，消泡剂约为2-3％。