文/王治飞，代孟元，陈武
黄山华佳表面科技有限公司
摘要：通过对不同聚氨酯树脂、固化剂以及助剂进行性能评估，并考虑成本因素选择合适的原材料制备出具有优异疏水疏油性能的粉末涂料。同时，考虑油烟机工作环境，特别对涂层耐水性能进行了改进。对所制备的涂层进行性能检测，结果表明，涂层不仅具备防油污功能，易清洁，而且机械性能、耐水性能、外观装饰性优异。
关键词：疏水疏油；机械性能；耐水蒸气性能
Preparation of hydrophobic and Oleophobic Powder
Coatings for Range Hood
Abstract: In this paper, the properties of different polyurethane resins, curing agents and addi？tives were evaluated. Meahwhile, the appropriate raw materials were selected to prepare the pow？der coatings with excellent hydrophobic/oleophobic properties. Based on the working conditions of the range hood, the water vapor resistance of the coating was modified in particular. The test re？sults showed that the coating not only had good oil prevention and easy-to-clean, but also had ex？cellent mechanical properties, water vapor resistance and appearance.
Keywords：hydrophobic/oleophobic; mechanical properties; water vapor resistance
0 引言
厨房电器等产品尤其是油烟机长期处于重油烟环境中，极易在其表面及内腔粘附油垢或食物残渣，久而久之会成为细菌、霉菌等微生物滋生的温床，进而产生异味，存在严重的健康隐患，用户体验极差[1]。近年来，在当前国家绿色环保可持续发展的背景驱动下，由于粉末涂料具有零VOC排放的优点，在整个涂料、涂装行业成为快速发展的领域。在这种情况下目前家用油烟机、厨房电器大多采用了粉末喷涂，还有金属餐桌等采用的也是粉末喷涂。所以，易清洁粉末涂料变成了必然选择。油烟机和金属餐桌等涂装上此类涂层后，油污等污染物不易黏附，具有良好的易清洁效果[2-4]。
本文针对厨房油烟机用疏水疏油粉末涂料，从疏水疏油机理出发选择合适的原材料并进行性能评估，最终制备出耐油污易清洁的粉末涂料。同时考虑油烟机长时间处于高温水蒸气环境，对涂层耐水性能进行了改善。所制备的涂层不仅具备防油污功能，易清洁，同时机械性能、耐水性性能、外观装饰性优异。
1 试验部分
1.1 主要原材料
所用原材料及其基础配方配比如表1所示。
1.2 试验设备
试验设备：电子天平:瑞安市英衡电器有限公司；高速混合机:东华原医疗；粉末专用双螺杆挤出机：烟台东源粉末设备有限公司；磨粉机：扬州日昇涂装粉末机械有限公司；静电喷枪：金马涂装（上海）有限公司；烘箱：爱斯佩克。检测设备：光泽仪：BYK；秒表：深圳市惠波工贸有限公司；冲击试验仪:BYK、水煮箱：TAISITE；盐雾试验机:翁开尔；接触角测量仪器：拓普索（北京）仪器有限公司。
1.3 试验方法
按配方准确称取各原材料，用高速混合机混合均匀，用双螺杆挤出机挤出，破碎后使用磨粉机进行粉碎，破碎后过200目标准筛，获得粉末涂料组合物。然后将所得的粉末涂料进行静电喷涂，固化条件为200℃×15min，然后进行各项性能测试。
1.4 性能测试
性能指标及测试标准及方法如表2所示。
不沾油性直观的测试方法及普通粉末与疏水疏油粉末在不沾油性能上的差异如图1、图2所示。
2 结果与讨论
目前常见的易清洁涂层技术主要有疏水不沾涂料和亲水易洁涂料。根据水在材料表面润湿性能的不同，把对水的接触角θ＞90°的材料称为疏水材料；θ＞150°的材料称为超疏水材料；把对水的接触角θ＜90°的材料称为亲水材料，把对水的接触角θ＜10°的材料称为超亲水材料。
疏水疏油涂层主要是有机硅涂料、氟碳涂料等，这类涂料结构中含有丰富的氟硅基团，在涂料固化过程中这些表面能较低的基团倾向于向涂层表面富集，这样形成的涂膜表面具有较低的表面自由能，水或者油滴就难以吸附、铺张在涂层的表面上。当水滴或者油滴滴落在疏水疏油涂膜上的时候会自发地聚拢成小圆球，在重力的作用下会较轻易的从疏水疏油涂膜上滑落。
2.1 不同羟值树脂在疏水疏油粉末中的运用情况
聚氨酯树脂耐溶剂性优异，固化后的涂层表面细腻，具有较高的装饰性。同时其涂层交联密度高，具有相对较低的表面自由能，因此可较好地运用在油烟机、洗碗机、地铁交通轨道线等设备上。使用不同羟值的树脂制作的涂层的交联密度、表面自由能是不一样的，表现出来的涂料成本、涂层机械性能、疏水疏油性能是有差异的。故选用了几种不同羟值的端羟基树脂进行了性能对比，其结果见表3。
由表3的结果可以得出，高羟值聚酯树脂3115的疏水疏油性最好，中羟值聚酯树脂CC2818效果中等，低羟值聚酯树脂3225效果最差。这是因为高羟值聚酯树脂的交联密度最高，整个涂层致密度高，涂膜的表面自由能相对较低，水或者油滴不容易渗透到涂层内部去。随着羟基聚酯树脂的羟值降低，涂层的致密性逐渐下降，疏水疏油性能也逐渐变差。
单独使用高羟值聚酯树脂3115的成本较高，涂层的抗冲击性能、柔韧性较差，不能满足客户对疏水疏油粉末涂料的工件进行后加工处理的性能需求，所以对几种不同的羟值聚酯树脂进行搭配，对比了其涂层的性能情况，结果见表4。从表4可以看出，由高羟值树脂与低羟值树脂按照质量比为1：1的比例搭配使用和单独使用中羟值树脂除了光泽有差异外，其他性能基本一致，从成本方面考虑中羟值树脂相对要低一点，所以选用中羟值树脂CC2818作为疏水疏油粉末涂层的主要成膜物质。
2.2 不同种类助剂在疏水疏油粉末中的运用情况
有机硅类、氟碳类物质是疏水疏油粉末涂料成膜的重要组成部分。硅氧键、氟碳键化学键能比较大，具有特别优异的各项性能，而且具有独特的低表面能和低摩擦性，添加到疏水疏油粉末中可以有效降低涂层的表面张力，降低体系熔融流平过程中的黏度，提高涂膜的不沾性能。通过在配方组成中添加不同种类的助剂来对比涂层的疏水疏油性能，其试验结果见表5。
将添加了不同助剂的疏水疏油粉末涂料喷涂在铝板上固化，得到疏水疏油涂层。使用油性笔在涂层表面上进行书写，通过比较油墨在涂层上的铺展-收缩情况来对比涂层的疏油性能，其结果见图3。
从表5及图3的试验结果可以看出，油墨在添加了硅氧烷低聚物、含氟流平剂及氟树脂的涂膜上的收缩最好，油墨在涂膜上的润湿铺展越差，涂膜的不沾油性能越好。油墨在空白涂膜以及添加聚四氟乙烯蜡粉的涂膜上铺展较好，其涂膜的疏油性能较差。综合考虑成本等因素，故选用了硅氧烷低聚物作为疏水疏油粉末的改善助剂。
2.3 评估不同种类流平剂对涂膜性能的影响
单独使用有机硅类低聚物涂膜由于润湿分散不够，容易产生缩孔问题。涂膜平整度稍差，所以搭配流平剂使用。流平剂主要是丙烯酸酯类和聚醚类，丙烯酸酯类流平剂对于涂膜表面张力均稍有提高，而聚醚类流平剂能显著降低涂膜的表面张力。粉末涂层需要拥有较低的表面张力来实现其疏水疏油性能，通过对比使用不同流平剂涂层表面张力的大小情况来看，聚醚类流平剂涂层的表面张力更低，因此选用聚醚类的流平剂搭配有机硅类低聚物以达到最佳的疏水疏油性。
在同一配方体系中对比了1%添加量下不同种类流平剂的涂膜表面张力情况，使用丙烯酸酯类流平剂的涂膜表面张力较大，使用聚醚类流平剂的涂膜表面张力较小，更有利于膜层实现疏水疏油的性能，结果见图4。
对比了不同添加量情况下不同聚醚类流平剂对疏水疏油涂层性能的影响，见表6。
从表6可以看出，添加了聚醚类1#、2#涂膜的疏水疏油性能较好，但聚醚类1#添加量超过0.5%会影响粉末的复喷性能，这样不利于粉末喷涂厂的施工，故选用聚醚类2#作为疏水疏油粉末体系流平剂。
2.4 涂层耐水性能的改善
聚氨酯体系涂膜在铝、镀锌板等底材上的附着力较差，经过耐水性测试之后涂膜百格直接脱落。聚氨酯树脂主要的反应基团为羟基，同时也有少量的羧基，添加少量的环氧基团参与固化反应能够明显改善涂膜的机械性能、与底材的结合力，试验对比了不同TGIC添加量下的涂层性能，见表7。试验发现，在配方中添加少量的TGIC，对涂膜的机械性能、耐水性能表面张力大小（dyn/cm）改善明显，但由于食品安全的问题，TGIC不适合使用在厨房油烟机等设备上而被放弃。后续通过添加不同类型的含环氧基团的树脂对比涂膜的耐水性，试验结果见表8。
通过试验发现，环氧丙烯酸以及普通环氧树脂的添加对涂膜的耐水性性能没有明显提高，耐水性测试后涂膜百格附着力较差，反而是多官能度的环氧树脂的添加能够明显改善涂膜的耐水性能，尤其是添加量在1.5%~2%情况下，经过耐水性测试后膜层百格附着力可以达到0级，故选用多官能团环氧树脂作为改善涂膜耐水性能的助剂，其最佳添加量控制在1.5%~2%。
图5为含不同添加涂膜经过耐水性性能测试之后，测试百格附着力的一个情况对比，从图（a）、（c）可以看出，不含助剂和添加环氧树脂、环氧丙烯的涂层经过耐水性性能测试后膜层大面积脱落，达到5级的效果；从图（d）可以看出，含有1%、3%多官能度环氧涂层经过耐水性性能测试后膜层进行百格附着力，膜层有局部的脱落，可以到达1级的效果；从图（b）、（e）可以看出，含有TGIC和1.5%~2%多官能度环氧涂层经过耐水性性能测试后膜层进行百格附着力，膜层没有脱落情况，依然可以达到0级。
2.5 对比评估不同固化条件下涂层性能的差异
固化温度高，异氰酸酯会与羟基迅速发生交联反应，形成三维网状结构，同时体系黏度增大，导致硅氧烷低聚物链段的活动性能降低，抑制硅氧烷链段的表面富集。而在相对较低的固化温度及较长的固化时间下有利于硅氧烷的表面富集，获得疏水疏油性能良好的固化膜。但过低的温度不利于聚氨酯体系的反应，其涂层的固化度较差，涂层的冲击性能有所欠缺。
2.6 疏水疏油粉末产品的综合性能情况
疏水疏油涂层性能展示如表10所示。
3 结语
研究发现，通过采用中羟值聚酯树脂，异氰酸酯固化剂，同时配合硅氧烷低聚物、聚醚类流平剂的使用，形成了一种疏水疏油性能好的粉末涂料，可用于防腐蚀、抗污要求的厨房油烟机等设备。
参考文献：
[1]王立莹,严卓华，姚俊红，等.2020年中国家用电器技术大会论文集[C].宁波:中国家用电器协会，2020：1339-1343.
[2]戴天贺，陈问号，吴坚.基于硅改性树脂的自清洁粉末涂料的研究与开发[J].涂层与防护，2018,39(3)：15-22.
[3]欧阳建群,高庆福，陈嘉壕,等.高耐候易清洁粉末涂料的研究[J].涂层与防护，2019,40(1)：21-26.
[4]何庆迪，蔡青青，史立平，等.自清洁涂料的技术发展[J].涂料技术与文摘，2012,33(7)：30-34.
文章发表于《涂层与防护》2021年12月第42卷第12期
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