易清洁涂料的制备及其在冰箱上的应用

陈吞 沈剑 杨乐庭 崔怀雷 薄小庆 黄勇

合肥美的电冰箱有限公司 安徽合肥 340100

1 引言

随着社会的发展，人们生活水平不断提高，消费者在追求方便的路上不断提出新的要求。清洁的厨房卫生环境是衡量家庭生活质量的重要标准之一[1]。在食物的烹调过程中，食用油、酱油和醋等难免对冰箱面板和内部环境表面造成一定的污染[2]。若不及时清理，不仅有碍厨具的整洁美观，也会对健康造成不良的影响。因此，在冰箱中使用易清洁的玻璃面板和搁架，对于改善老百姓的日常生活质量具有现实意义。为了满足方便清洁冰箱内部和表面污渍的需求，笔者进行了易清洁玻璃的研究，并将其成功地应用到了冰箱上。

现有的易清洁涂层主要有亲水疏油涂层、疏水疏油涂层两种[3,4]。接触角是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线穿过液体与固-液交界线之间的夹角θc，而接触角是衡量湿度的标准。（1）当θc=0时，完全润湿；（2）当θc＜90°时，部分润湿或润湿；（3）当θc=90°时，是润湿与否的分界线；（4）当θc＞90°时，不润湿；（5）当θc=180°时，完全不润湿。在玻璃的表面涂覆易清洁涂层可以有效隔离基体与污染物。一直以来，以涂层提高表面的综合性能是研究的重点[5]。

目前国内制备涂层的工艺方法多种多样，主要有如下几种：

（1）涂覆法，该工艺较为简单，易于操作，对设备和环境等无太多要求。涂覆法利用基体材料对涂料的粘附，达到涂料成功附着在基体表面的目的[6]。

（2）喷涂法也被称为喷镀法[7]，自1910年由瑞士的M.U.Sehoop发明至今，该方法已被广泛应用于各个行业。喷涂法主要利用等离子能、电能或燃烧能，在高温下将用于喷涂的材料融化，而后将熔融状态的粒子以极高的速度喷射在基材上，通过一定次数的喷涂，在基材上堆积得到涂层。

（3）原位反应法[8]，在成型的过程中，涂覆在基材表面的物质在一定条件下通过自身的反应生成一种或者几种涂层材料，并牢固结合在金属基材的表面，形成一层致密的保护层。

（4）溶胶-凝胶法[5,9]，制备涂层的主要过程为：将前驱体无机盐或是金属醇盐溶于溶剂（一般是有机溶剂或水）中形成混合均匀的溶液。溶质与溶剂间会产生醇解、水解等化学反应，得到纳米级的粒子并形成溶胶，而后将溶胶涂覆在基材表面。凝胶化和干燥后便得到了干凝胶膜，接着用一定工艺进行烧结，这样就完成了涂层的制备。

本文针对冰箱面板和玻璃搁架对易清洁性能的要求，以钢化玻璃为基材，采用了辊涂的技术在钢化玻璃表面制备亲水性水易清洁涂层表面，并研究了各种工艺因素对涂层表面的易清洁性、附着力、涂层的耐油污性、耐磨性、耐候性和耐腐蚀性能的影响。首先采用不同的辊涂工艺和参数，然后进行涂层的固化，获得了不同效果的亲水性易清洁玻璃。

2 材料与方法

2.1 实验试剂

普通钢化玻璃、乙醇、易清洁涂料（自制）、酱油、食用油。

2.2 实验仪器

管式炉、AUY220型电子分析天平、恒温水浴锅、美的冰箱BCD-511WGPZM、10微米辊涂棒。

2.3 材料准备

易清洁涂料配方如表1所示。

表1 涂料配方表

表2 水易清洁效果标准表

表3 最佳的预固化时间

材料制备工艺流程：向清洗干净的搅拌罐中加入配方量的物料1，开动搅拌，转速约（300±50）r/min，缓慢加入物料2，搅拌30 min至体系清澈透明；加入计量的物料3，搅拌40 min均匀后，提高转速至（400±50）r/min，缓慢加入物料4，搅拌20 min。注意搅拌桨尽量没入涂料中，不然易引入气体，产生大量气泡；再缓慢加入物料5后，转速维持（400±50）r/min，搅拌1小时；按配方要求缓慢加入计量的物料6，转速（400±50）r/min，搅拌2小时后，取400目滤布过滤出料；涂料全程搅拌过程中，应用盖子盖住防止污染及灰尘。

注意事项：HK560搅拌不均匀易导致涂料浑浊，需缓慢加入充分搅拌均匀再进行下一步；物料PG粘度大，量少，需要精确称量（可在物料3中留部分水进行稀释或冲洗），该物料加入易产生泡沫，搅拌速度可根据实际投料情况调整，以有轻微漩涡为准，不宜搅动太快；涂料为强碱性物质，如有接触需要立刻使用清水冲洗。

2.4 测试方法

将同一批次的钢化玻璃用无水乙醇和清水清洗表面，保持表面的干净并烘干待用，用10微米辊涂棒将易清洁涂料均匀的辊涂在钢化玻璃表面，分别用不同的固化温度来处理辊涂后的钢化玻璃。之后采用硬度、水易清洁效果、耐久性测试、耐酸碱测试4个标准对制备的易清洁玻璃进行检测。

3 结果与分析

3.1 不同固化条件对易清洁玻璃影响

易清洁效果和硬度标准是检验易清洁玻璃涂层是否涂覆固化上去的标准，在不同的固化时间和固化温度的条件下，易清洁效果和硬度测试结果是不一样的。

硬度的测试标准为用6H铅笔在制件涂层面按45°方向以500 g负重划3 mm以上，用软橡皮擦去划痕，涂层应无划伤现象，易清洁效果标准见表2。

在不同固化和预固化条件下，以表2的标准和硬度的测试作为判定条件，最佳的预固化条件为100℃，10 min；最佳的固化条件为210℃，15 min，见表3。固化温度过低会导致硬度不够，表面涂层易出现爆皮现象，固化温度过高会导致涂层易清洁效果不够优秀。总体趋势上，在预固化温度一定的条件下，固化温度越高，则固化所需时间越短，但不是固化温度越高越好。最优的固化条件为预固化温度为100℃，预固化时间为10 min，固化温度为210℃，固化时间为15 min。

3.2 水易清洁效果

水易清洁性能检测：实验前应当检查涂层表面有无油污、灰尘等沾附物，确保涂层表面洁净（表面脏物质请采用清水冲洗并晾干）。在涂层任意位置用小刀划出长30 mm宽15 mm的区域，使用油性记号笔将所画区域涂满，涂画时保证笔迹应当超过小刀所划出的区域。笔迹的涂满方式采用画圈的方法，逐步将长30 mm宽15 mm的区域涂满，保证笔迹所经过处一次涂满。

将笔迹静置5 min，在表面以水润湿1 min后，采用水湿润后的3M百洁布（不粘锅、不锈钢专用）海绵部分以一定的力可以将笔迹擦拭干净。往复擦拭的次数应不大于5次。易清洁效果按表2标准执行。如图1所示，预固化条件为100℃，10 min，固化条件为210℃，15 min的易清洁玻璃。发现将笔迹静置5 min，在表面以水润湿1 min后，油性笔迹出现了悬浮状态，极易脱落，水易清洁效果图如图2所示。

3.3 易清洁耐久性测试

测试中采用往复式摩擦试验机器进行测试，垂直增重2.0 kg，在涂层上方使用聚酯纤维或者纯棉的抹布蘸取5%的洗洁精溶剂进行往复式擦拭。

在涂层上用小刀划出与受压区域等宽，长大于200 mm的区域，在小刀划定的区域内做来回摩擦运动。一次来回的时间控制在1～2 s左右，摩擦过程中保持抹布与涂层接触面之间的润湿状态。在擦拭过程中保证擦拭的接触表面有溶剂润湿存在，需要每200次换新抹布。

试验中来回摩擦的次数应当大于1000次，将表面的洗洁精清洗干净，按照表4的方法检查涂层耐久性能。将涂层耐久性分为优秀、良好、合格三个等级。

经过10000次的反复摩擦，表面的易清洁涂层没有变色、脱落现象发生，易清洁效果也没有受到影响，如图3所示。

3.4 耐油污性测试

在易清洁玻璃表面滴加酱油并用容器封盖24小时，然后取出观察涂层面应不变色、起泡、脱落。经过测试发现24小时后观察到易清洁涂层表面没有发生变色、起泡、脱落的现象并且易清洁效果没有任何的影响，如图4所示。

图1 制造工艺图

图2 易清洁玻璃水易清洁效果图

图3耐久性测试效果图

图4 耐油污测试效果对比图

表4 易清洁耐久性

4 结论

通过实验研究了玻璃表面易清洁涂层最优的固化条件为预固化温度为100℃，预固化时间为10 min，固化温度为210℃，固化时间为15 min。制备出了易清洁效果优异，耐久性和耐油污合格的水易清洁玻璃。制备出来的易清洁玻璃已经成功应用于冰箱内部玻璃搁架和冰箱表面玻璃门板上。结果表明，水易清洁涂层已经具备应用的可行性，尤其在冰箱家电产品上的应用前景将十分广阔。