易清潔涂料的制備及其在冰箱上的應用

陳吞 沈劍 楊樂庭 崔懷雷 薄小慶 黃勇

合肥美的電冰箱有限公司 安徽合肥 340100

1 引言

隨著社會的發展，人們生活水平不斷提高，消費者在追求方便的路上不斷提出新的要求。清潔的廚房衛生環境是衡量家庭生活質量的重要標準之一[1]。在食物的烹調過程中，食用油、醬油和醋等難免對冰箱面板和內部環境表面造成一定的污染[2]。若不及時清理，不僅有礙廚具的整潔美觀，也會對健康造成不良的影響。因此，在冰箱中使用易清潔的玻璃面板和擱架，對于改善老百姓的日常生活質量具有現實意義。為了滿足方便清潔冰箱內部和表面污漬的需求，筆者進行了易清潔玻璃的研究，并將其成功地應用到了冰箱上。

現有的易清潔涂層主要有親水疏油涂層、疏水疏油涂層兩種[3,4]。接觸角是指在氣、液、固三相交點處所作的氣-液界面的切線穿過液體與固-液交界線之間的夾角θc，而接觸角是衡量濕度的標準。（1）當θc=0時，完全潤濕；（2）當θc＜90°時，部分潤濕或潤濕；（3）當θc=90°時，是潤濕與否的分界線；（4）當θc＞90°時，不潤濕；（5）當θc=180°時，完全不潤濕。在玻璃的表面涂覆易清潔涂層可以有效隔離基體與污染物。一直以來，以涂層提高表面的綜合性能是研究的重點[5]。

目前國內制備涂層的工藝方法多種多樣，主要有如下幾種：

（1）涂覆法，該工藝較為簡單，易于操作，對設備和環境等無太多要求。涂覆法利用基體材料對涂料的粘附，達到涂料成功附著在基體表面的目的[6]。

（2）噴涂法也被稱為噴鍍法[7]，自1910年由瑞士的M.U.Sehoop發明至今，該方法已被廣泛應用于各個行業。噴涂法主要利用等離子能、電能或燃燒能，在高溫下將用于噴涂的材料融化，而后將熔融狀態的粒子以極高的速度噴射在基材上，通過一定次數的噴涂，在基材上堆積得到涂層。

（3）原位反應法[8]，在成型的過程中，涂覆在基材表面的物質在一定條件下通過自身的反應生成一種或者幾種涂層材料，并牢固結合在金屬基材的表面，形成一層致密的保護層。

（4）溶膠-凝膠法[5,9]，制備涂層的主要過程為：將前驅體無機鹽或是金屬醇鹽溶于溶劑（一般是有機溶劑或水）中形成混合均勻的溶液。溶質與溶劑間會產生醇解、水解等化學反應，得到納米級的粒子并形成溶膠，而后將溶膠涂覆在基材表面。凝膠化和干燥后便得到了干凝膠膜，接著用一定工藝進行燒結，這樣就完成了涂層的制備。

本文針對冰箱面板和玻璃擱架對易清潔性能的要求，以鋼化玻璃為基材，采用了輥涂的技術在鋼化玻璃表面制備親水性水易清潔涂層表面，并研究了各種工藝因素對涂層表面的易清潔性、附著力、涂層的耐油污性、耐磨性、耐候性和耐腐蝕性能的影響。首先采用不同的輥涂工藝和參數，然后進行涂層的固化，獲得了不同效果的親水性易清潔玻璃。

2 材料與方法

2.1 實驗試劑

普通鋼化玻璃、乙醇、易清潔涂料（自制）、醬油、食用油。

2.2 實驗儀器

管式爐、AUY220型電子分析天平、恒溫水浴鍋、美的冰箱BCD-511WGPZM、10微米輥涂棒。

2.3 材料準備

易清潔涂料配方如表1所示。

表1 涂料配方表

表2 水易清潔效果標準表

表3 最佳的預固化時間

材料制備工藝流程：向清洗干凈的攪拌罐中加入配方量的物料1，開動攪拌，轉速約（300±50）r/min，緩慢加入物料2，攪拌30 min至體系清澈透明；加入計量的物料3，攪拌40 min均勻后，提高轉速至（400±50）r/min，緩慢加入物料4，攪拌20 min。注意攪拌槳盡量沒入涂料中，不然易引入氣體，產生大量氣泡；再緩慢加入物料5后，轉速維持（400±50）r/min，攪拌1小時；按配方要求緩慢加入計量的物料6，轉速（400±50）r/min，攪拌2小時后，取400目濾布過濾出料；涂料全程攪拌過程中，應用蓋子蓋住防止污染及灰塵。

注意事項：HK560攪拌不均勻易導致涂料渾濁，需緩慢加入充分攪拌均勻再進行下一步；物料PG粘度大，量少，需要精確稱量（可在物料3中留部分水進行稀釋或沖洗），該物料加入易產生泡沫，攪拌速度可根據實際投料情況調整，以有輕微漩渦為準，不宜攪動太快；涂料為強堿性物質，如有接觸需要立刻使用清水沖洗。

2.4 測試方法

將同一批次的鋼化玻璃用無水乙醇和清水清洗表面，保持表面的干凈并烘干待用，用10微米輥涂棒將易清潔涂料均勻的輥涂在鋼化玻璃表面，分別用不同的固化溫度來處理輥涂后的鋼化玻璃。之后采用硬度、水易清潔效果、耐久性測試、耐酸堿測試4個標準對制備的易清潔玻璃進行檢測。

3 結果與分析

3.1 不同固化條件對易清潔玻璃影響

易清潔效果和硬度標準是檢驗易清潔玻璃涂層是否涂覆固化上去的標準，在不同的固化時間和固化溫度的條件下，易清潔效果和硬度測試結果是不一樣的。

硬度的測試標準為用6H鉛筆在制件涂層面按45°方向以500 g負重劃3 mm以上，用軟橡皮擦去劃痕，涂層應無劃傷現象，易清潔效果標準見表2。

在不同固化和預固化條件下，以表2的標準和硬度的測試作為判定條件，最佳的預固化條件為100℃，10 min；最佳的固化條件為210℃，15 min，見表3。固化溫度過低會導致硬度不夠，表面涂層易出現爆皮現象，固化溫度過高會導致涂層易清潔效果不夠優秀。總體趨勢上，在預固化溫度一定的條件下，固化溫度越高，則固化所需時間越短，但不是固化溫度越高越好。最優的固化條件為預固化溫度為100℃，預固化時間為10 min，固化溫度為210℃，固化時間為15 min。

3.2 水易清潔效果

水易清潔性能檢測：實驗前應當檢查涂層表面有無油污、灰塵等沾附物，確保涂層表面潔凈（表面臟物質請采用清水沖洗并晾干）。在涂層任意位置用小刀劃出長30 mm寬15 mm的區域，使用油性記號筆將所畫區域涂滿，涂畫時保證筆跡應當超過小刀所劃出的區域。筆跡的涂滿方式采用畫圈的方法，逐步將長30 mm寬15 mm的區域涂滿，保證筆跡所經過處一次涂滿。

將筆跡靜置5 min，在表面以水潤濕1 min后，采用水濕潤后的3M百潔布（不粘鍋、不銹鋼專用）海綿部分以一定的力可以將筆跡擦拭干凈。往復擦拭的次數應不大于5次。易清潔效果按表2標準執行。如圖1所示，預固化條件為100℃，10 min，固化條件為210℃，15 min的易清潔玻璃。發現將筆跡靜置5 min，在表面以水潤濕1 min后，油性筆跡出現了懸浮狀態，極易脫落，水易清潔效果圖如圖2所示。

3.3 易清潔耐久性測試

測試中采用往復式摩擦試驗機器進行測試，垂直增重2.0 kg，在涂層上方使用聚酯纖維或者純棉的抹布蘸取5%的洗潔精溶劑進行往復式擦拭。

在涂層上用小刀劃出與受壓區域等寬，長大于200 mm的區域，在小刀劃定的區域內做來回摩擦運動。一次來回的時間控制在1～2 s左右，摩擦過程中保持抹布與涂層接觸面之間的潤濕狀態。在擦拭過程中保證擦拭的接觸表面有溶劑潤濕存在，需要每200次換新抹布。

試驗中來回摩擦的次數應當大于1000次，將表面的洗潔精清洗干凈，按照表4的方法檢查涂層耐久性能。將涂層耐久性分為優秀、良好、合格三個等級。

經過10000次的反復摩擦，表面的易清潔涂層沒有變色、脫落現象發生，易清潔效果也沒有受到影響，如圖3所示。

3.4 耐油污性測試

在易清潔玻璃表面滴加醬油并用容器封蓋24小時，然后取出觀察涂層面應不變色、起泡、脫落。經過測試發現24小時后觀察到易清潔涂層表面沒有發生變色、起泡、脫落的現象并且易清潔效果沒有任何的影響，如圖4所示。

圖1 制造工藝圖

圖2 易清潔玻璃水易清潔效果圖

圖3耐久性測試效果圖

圖4 耐油污測試效果對比圖

表4 易清潔耐久性

4 結論

通過實驗研究了玻璃表面易清潔涂層最優的固化條件為預固化溫度為100℃，預固化時間為10 min，固化溫度為210℃，固化時間為15 min。制備出了易清潔效果優異，耐久性和耐油污合格的水易清潔玻璃。制備出來的易清潔玻璃已經成功應用于冰箱內部玻璃擱架和冰箱表面玻璃門板上。結果表明，水易清潔涂層已經具備應用的可行性，尤其在冰箱家電產品上的應用前景將十分廣闊。