陶瓷涂料的化学反应基本原理及主要性能特点

    陶瓷涂料的化学反应基本原理

    1. 溶胶-凝胶法(Sol-Gel)化学反应机理

    Sol-Gel化学反应通常包括烷氧基金属(或元素)化合物[M(OR)x，M=Si(硅)、Ti(钛)、Zr(锆)、Al(铝)、Mo(钼)、V(钒)、Ce(铈)等]的水解物及水解物羟基之间的低聚缩合物，是制备Sol-Gel溶胶中常用的几大类前驱体，其化学反应表达式如式(1)、式(2)。 

    2. 反应过程

    溶胶阶段(水解、熟化)：各组分以小分子形式分散，所以获得的杂化材料通常是纳米复合材料，具有其他传统复合材料所不具备的性质；有机组分多烷氧基硅烷通过水解、缩聚以共价键和配位键接于无机网络中，而不是简单的物理混合。

    3. 交联固化成膜机理

    烘烤固化阶段(达到完全凝胶)：组分中发生硅醇羟基间的交联、硅醇与烷氧基之间的交联、硅醇与基材表面羟基之间的交联、硅醇与颜填料表面羟基的交联，以及分子间的配位键结合，最终形成陶瓷般的坚硬涂层(如图1中第三类)。

    陶瓷涂料的主要性能特点

    陶瓷涂料属于用水稀释的水性涂料，环保、低毒。其性能表现突出，具有高硬度：达4H～6H；高耐磨：抗划痕性良好；高耐温：不燃，耐温400 ℃(经火焰直接喷射试验，涂层完整保留，附着力良好，见图2)；高耐候性：QUV老化试验4 000 h；高耐腐蚀：能耐受酸、碱、盐、溶剂介质腐蚀。

    陶瓷涂料的涂层性能与PVDF高温氟碳涂料都执行GB/T 23443—2009《建筑装饰用铝单板》国标，盐雾、湿热、老化都为4 000 h。而陶瓷涂料的硬度、耐高温性大大优于高温氟碳涂料。陶瓷涂层按GB/T23443—2009《建筑装饰用铝单板》国家标准中性能要求检测的实测数据。陶瓷涂料的产品标准，中国涂料工业协会已立项正在组织参编单位制定中。

    陶瓷涂料化学结构特点赋予涂层高性能。太阳辐射到地球表面的紫外线能量为441 kJ/mol，由表1可知，只有碳氟(C—F)键和硅氧(Si—O)键的键能高于441 kJ/mol，键能愈高，耐热性和耐老化性愈好。高交联度聚硅氧烷结构中，硅原子与氧原子有4个化学键结合之外，还有2个配位键结合，形成刚性的六面立体网状大分子，赋予涂层高硬度、高耐候、高耐温性能。

    有机硅氧烷组分对涂层性能贡献颇多。常用的烃基硅烷有：甲基、乙基、苯基、乙烯基多烷氧基硅烷。它们赋予涂层低表面能、柔韧性、抗划痕、抗开裂、抗沾污、增光泽等性能，以弥补无机聚硅氧烷涂层刚性太强韧性之不足。

    通过调整配方的R/Si值(表示每个硅原子上所连接烃基的平均数目)，由此可以评估陶瓷涂料的预期性能，如：烘干温度、交联密度、涂膜硬度、光泽、抗划性、耐高温程度等。一般陶瓷涂料的R/Si值小于1.2。此外，陶瓷涂料烘烤温度低，节能、减排效果显著，见表2。