電飯煲內(nèi)鍋涂層脫落分析及改善

杜建萌 賀 雷 施清清 岳 軍

（1.珠海格力電器股份有限公司 珠海 519000；2.格力電器（中山）小家電制造有限公司 中山 52800）

引言

米飯是我國(guó)食用量較多的主食之一，隨著經(jīng)濟(jì)與科技的迅速發(fā)展，電飯煲成為家庭中烹飪米飯最常用的器具，用戶不僅要求烹飪出的米飯美味可口，更要保證食品健康安全，產(chǎn)品耐用。作為直接與食品接觸的電飯煲內(nèi)膽，其安全性、可靠性尤為重要。

電飯煲產(chǎn)品不斷升級(jí)換代，內(nèi)鍋表面也從裸露的不銹鋼、鋁合金等單一材料逐步向涂敷涂層型材料過(guò)渡。不粘涂層帶來(lái)的便利性極大的滿足了不同使用需求[1]，然而不粘涂層的使用也為消費(fèi)者帶來(lái)一定健康安全威脅，即目前電飯煲產(chǎn)業(yè)普遍存在且消費(fèi)者比較關(guān)注的內(nèi)鍋涂層脫落問(wèn)題。內(nèi)鍋涂層脫落后會(huì)導(dǎo)致糊鍋粘鍋等問(wèn)題，影響用戶使用體驗(yàn)，同時(shí)也引起了用戶對(duì)食品安全的擔(dān)憂，如果涂層不慎進(jìn)入體內(nèi)，難以分解排除體外，對(duì)身體健康有一定影響；涂層脫落后內(nèi)鍋基材直接接觸食物，部分內(nèi)鍋基材為鋁合金，鋁基材直接與食物接觸。如果食物中有酸性物質(zhì)，長(zhǎng)期作用下可能會(huì)發(fā)生反應(yīng)或遷移，不符合食品安全標(biāo)準(zhǔn)，存在食品安全風(fēng)險(xiǎn)[2]。文章結(jié)合售后案例，從涂料的特性、生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析，研究電飯煲內(nèi)鍋噴涂涂層可靠性的影響因素。

1 材料選型分析

1.1 壽命失效案例分析

針對(duì)售后反饋的脫漆內(nèi)鍋進(jìn)行分析，部分使用時(shí)間約6 個(gè)月后表面存在明顯劃痕，劃痕周?chē)休p微脫漆，其余位置測(cè)試附著力等無(wú)異常，判定為使用過(guò)程硬質(zhì)材料劃傷磨損失效；此失效模式主要由于不粘涂層較薄且硬度偏低，當(dāng)涂層受到對(duì)比涂層硬度較高的清潔工具摩擦?xí)r，涂層在摩擦過(guò)程中屬于被磨損一方，加速磨損失效。

部分內(nèi)鍋表面出現(xiàn)點(diǎn)狀或片狀脫漆，用戶使用時(shí)間約1.5年，與實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期壽命樣機(jī)最終狀態(tài)類(lèi)似，判定為壽命涂層失效，如圖1所示。用戶在正常使用過(guò)程中，反復(fù)加熱冷卻、米粒摩擦、食物弱酸或弱堿腐蝕等因素均對(duì)涂層有一定損耗，市場(chǎng)主流內(nèi)鍋涂層使用壽命也僅為1.5 ～2年左右。結(jié)合用戶實(shí)際使用場(chǎng)景及GB/T32095.1《家用食品金屬烹飪器具不粘表面性能及測(cè)試規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，選定內(nèi)鍋耐磨性、硬度、不粘性、耐酸堿性、附著力、煮飯壽命作為關(guān)鍵對(duì)比指標(biāo)，其受涂料本身差異影響較大。

圖1 壽命涂層失效樣品

1.2 常見(jiàn)噴涂材料對(duì)比

目前市面上電飯煲內(nèi)鍋噴涂涂層種類(lèi)較多，常見(jiàn)的主要為特氟龍PTFE（聚四氟乙烯）不粘涂料、特氟龍PFA（四氟乙烯與全氟丙基乙烯基醚的共聚物）粉末不粘涂料、陶瓷（晶）不粘涂料。特氟龍PTFE 不粘涂料為水性涂料，包含雙層或三層涂料體系，擁有極地的摩擦系數(shù)，且成本相對(duì)較低，是使用最廣泛的涂料。特氟龍PFA 不粘涂料是基于碳氧化合物的聚合物，在烘烤時(shí)熱熔流平形成無(wú)孔的涂膜[3]，結(jié)合了耐熱性、化學(xué)惰性、出色的絕緣線穩(wěn)定性和低摩擦性，同時(shí)具有出色的抗應(yīng)力開(kāi)裂性彎曲壽命。不粘陶瓷涂料是一種納米材料，采用先進(jìn)的納米合成技術(shù)，合成出來(lái)的陶瓷涂料具有似荷葉的雙微結(jié)構(gòu)（微米乳突 + 納米結(jié)構(gòu)表面），通過(guò)這種納米結(jié)構(gòu)，陶瓷涂料達(dá)到優(yōu)良的不粘效果。其通過(guò)低溫固化成膜后完全是無(wú)機(jī)分子結(jié)構(gòu)，涂膜具有高硬度，高耐磨，高耐溫，耐各種酸堿和化學(xué)品[4,5]。對(duì)以上3 種涂料按國(guó)標(biāo)進(jìn)行關(guān)鍵性能測(cè)試對(duì)比情況如表1。

表1 常見(jiàn)內(nèi)鍋不粘涂層的關(guān)鍵性能對(duì)比

綜合上述實(shí)驗(yàn)，PTFE 材料、PFA 材料、陶瓷涂料在耐酸堿性、附著力實(shí)驗(yàn)無(wú)明顯差別，均可滿足正常的使用要求。PFA 特氟龍粉體涂料煮飯壽命遠(yuǎn)超其他涂料，涂層硬度無(wú)明顯提升，正常使用仍需避免硬質(zhì)材料劃傷，該材料因成本較高，高端電飯煲可選擇應(yīng)用[6]。無(wú)機(jī)陶瓷涂料內(nèi)鍋硬度較優(yōu)，但不粘性差，影響用戶正常煮飯使用，同時(shí)受成本影響，多用于特殊烹飪功能。PTEE 特氟龍水性涂料成本相對(duì)較低，為市面上最廣泛應(yīng)用的材料，結(jié)合用戶實(shí)際使用需求，壽命約1 ～1.5年。

2 生產(chǎn)工藝分析

2.1 工藝失效案例分析

選擇某品牌主流飯煲機(jī)型，內(nèi)鍋使用PTEE 特氟龍水性材料，對(duì)收集到的非壽命磨損內(nèi)鍋進(jìn)行分析，主要存在兩種異常現(xiàn)象：一種為點(diǎn)狀脫漆如圖2，對(duì)故障樣品繼續(xù)壽命試驗(yàn)，點(diǎn)狀脫漆未繼續(xù)擴(kuò)散。對(duì)內(nèi)鍋脫落部位進(jìn)行200 倍放大，最大脫落部位長(zhǎng)0.75mm×0.5mm，最小為0.2mm×0.2mm，裸露基材表面未發(fā)現(xiàn)嵌砂情況，涂層其他部位未發(fā)現(xiàn)氣泡異常，繼續(xù)煮飯約300 鍋，脫落點(diǎn)大小未擴(kuò)散。驗(yàn)證原材料及化學(xué)浸泡實(shí)驗(yàn)均符合要求。判斷為涂層下存在點(diǎn)狀雜質(zhì)引起。

圖2 內(nèi)鍋點(diǎn)狀脫漆失效樣品及局部放大圖

另一種為售后內(nèi)鍋底部局部起泡，起泡點(diǎn)逐漸擴(kuò)大形成明顯的鼓包起皮，正常使用時(shí)受外力出現(xiàn)塊狀或片狀脫落。對(duì)故障件進(jìn)行測(cè)試，涂層存在局部偏厚異常，起泡及局部塊狀脫落區(qū)域內(nèi)附著力測(cè)試不合格，其余位置附著力無(wú)異常。判斷為涂層涂敷存在異常。

2.2 工藝關(guān)鍵控制點(diǎn)改善

電飯煲內(nèi)鍋生產(chǎn)工藝復(fù)雜，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需求，具體加工步驟各不相同。主要工序包括：

沖壓：制造內(nèi)鍋的基材是各種材料的板材，將板材沖壓到所需形狀。

打砂：使表面達(dá)到一定粗糙度，保證后續(xù)涂料能附著良好。

清潔：去除表面的油脂和污漬，進(jìn)入烘干房烘干。

噴涂：噴涂涂料，待表干后進(jìn)入高溫爐燒結(jié)固化。

結(jié)合售后典型異常現(xiàn)象，點(diǎn)狀脫漆異常繼續(xù)試驗(yàn)未擴(kuò)散，排查相關(guān)物料及化學(xué)浸泡實(shí)驗(yàn)均符合要求，排除涂料及前處理不良。結(jié)合內(nèi)鍋生產(chǎn)環(huán)境，分析為塵點(diǎn)雜質(zhì)導(dǎo)致，且塵點(diǎn)出現(xiàn)在內(nèi)涂底漆噴涂后工序。針對(duì)此類(lèi)異常需對(duì)生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行改善，使噴房?jī)?nèi)空氣清潔度達(dá)到10 萬(wàn)級(jí)，并定期開(kāi)展空氣清潔度測(cè)試，在物料周轉(zhuǎn)進(jìn)出口增加防護(hù)和風(fēng)淋室。除噴房外，增加車(chē)間整體環(huán)境潔凈度要求，在爐口等外運(yùn)轉(zhuǎn)線裸露大環(huán)境區(qū)域構(gòu)建潔凈小環(huán)境，增加防塵罩，爐底增加落地?fù)醢宸乐够覊m進(jìn)入爐底。

涂層起泡影響因素較多，失效機(jī)理主要有2 種：①內(nèi)鍋面涂表面相當(dāng)于一層半透膜，當(dāng)涂料偏薄或噴涂不均勻時(shí)，半透膜有微觀孔隙，因膜兩側(cè)存在濃度差，小分子或者離子自發(fā)由高濃度到低濃度進(jìn)行滲透作用，直至半透膜兩側(cè)無(wú)濃度差。水分子透過(guò)涂層侵蝕到基材表面，反復(fù)冷熱作用導(dǎo)致吸收的水分子累積變成水蒸氣蒸發(fā)沖破涂層，表現(xiàn)為涂層起泡失效。②當(dāng)基材前處理不足、燒結(jié)溫度不足或過(guò)度燒結(jié)時(shí)，使得底涂不能完全涂覆在基材表面，涂層附著力不足，在客戶反復(fù)使用過(guò)程中，基材和底涂的熱膨脹系數(shù)不同，缺陷位置不停的進(jìn)行冷熱沖擊，兩者之間的間隙空間越大、附著力越小，最終達(dá)到間隙極限，涂層起泡點(diǎn)狀失效。

對(duì)內(nèi)鍋各工序進(jìn)行排查，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)不同內(nèi)鍋的燒結(jié)溫度采用了同一溫度，實(shí)際因內(nèi)鍋材料種類(lèi)、厚度差異較多，不同內(nèi)鍋的的熱傳導(dǎo)系數(shù)不同，必須針對(duì)不同種類(lèi)內(nèi)鍋制定詳細(xì)的燒結(jié)溫度。此外內(nèi)鍋拉伸后會(huì)產(chǎn)生一定內(nèi)應(yīng)力，應(yīng)力主要集中在內(nèi)鍋R 角位置，如生產(chǎn)時(shí)內(nèi)鍋拉伸后沒(méi)有應(yīng)力釋放工序立即進(jìn)行噴涂，將存在一定比例因應(yīng)力影響導(dǎo)致噴涂開(kāi)裂，因此內(nèi)鍋基材拉伸后需增加一定時(shí)間的老化放置或加溫工序進(jìn)行應(yīng)力釋放。

基材前處理的粗糙度、清潔度影響涂料與基材的結(jié)合能力，需對(duì)工藝參數(shù)、方案嚴(yán)格執(zhí)行，定期檢查生產(chǎn)過(guò)程使用的打砂工具和清洗液pH 值，對(duì)各工序制造件制定驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)定期抽檢。

圖3 局部起泡脫漆失效樣品

圖4 底涂涂敷不良失效示意圖

3 結(jié)論

文章結(jié)合售后內(nèi)鍋失效具體案例，通過(guò)對(duì)電飯煲噴涂?jī)?nèi)膽的不同涂料樣品對(duì)比測(cè)試、內(nèi)鍋制造工藝關(guān)鍵梳理分析，得出內(nèi)鍋涂層的選型建議及工藝關(guān)鍵控制點(diǎn)。

1）內(nèi)鍋噴涂涂料影響內(nèi)鍋可靠性。結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)比情況，PFA 特氟龍粉體涂料整體性能優(yōu)于PTFE 特氟龍水性涂料，煮飯壽命可達(dá)PTFE 涂料的3 倍。無(wú)機(jī)陶瓷涂料內(nèi)鍋硬度較優(yōu)，但不粘性稍差，可根據(jù)產(chǎn)品定位及用戶需求選用最佳內(nèi)鍋涂料。

2）內(nèi)鍋制造工藝控制影響內(nèi)鍋可靠性。結(jié)合售后故障分析，工藝關(guān)鍵控制點(diǎn)主要為環(huán)境清潔度、涂料厚度、基材清潔度及粗糙度、燒結(jié)溫度、基材應(yīng)力等，應(yīng)量化工藝參數(shù)并定期檢查重點(diǎn)管控。

此外，具有不沾涂層內(nèi)鍋無(wú)法有效避免異物劃傷，終端用戶的非正常使用對(duì)涂層的破壞也是內(nèi)鍋脫漆的一大影響因素。生產(chǎn)商可通過(guò)在說(shuō)明書(shū)中增加內(nèi)鍋使用方法、警告提示來(lái)指導(dǎo)用戶正確使用，延長(zhǎng)內(nèi)鍋使用壽命。