王 琦，李智峰，李成信

(華帝股份有限公司，廣東 中山 528415)

0 前 言

蒸烤箱由于兼具蒸和烤的功能，已成為當代廚房的“新寵”。由于其功能多樣化、省空間且操作智能化程度高，越來越受到消費者的青睞。目前，不銹鋼由于其工藝成熟、造型美觀且符合食品安全要求，很多廠家均愿意采用不銹鋼制備蒸烤箱內(nèi)膽。但是，不銹鋼內(nèi)膽受到長時間的加熱(超過250 ℃)其表面會被氧化，尤其是近加熱管區(qū)域，出現(xiàn)明顯的“發(fā)黃”現(xiàn)象，影響其使用壽命，可靠性降低；同時不銹鋼原有的易清潔性能喪失，用戶體驗變差。近年來，各廠商都展開了大量利用涂層技術解決不銹鋼的應用痛點的研究[1-3]。在低溫環(huán)境下的應用場景(如煙機油網(wǎng)、灶具面板)，目前市面上的部分易清潔涂層能夠滿足其應用要求，其耐磨性和耐久性表現(xiàn)良好[4]。而蒸烤箱的應用場景對應的是高溫和水蒸氣環(huán)境，以這兩項作為關鍵性能指標大部分涂層很難通過測試。本工作針對應用于蒸烤箱的親水易潔涂層提出了較為全面的試驗驗證方案，對比了不同親水易潔涂層的性能，考察了高溫抗黃變、耐水蒸氣水解同時符合食品安全的親水易潔涂層的應用情況，表明其在蒸烤箱產(chǎn)品中的應用具備可行性。

1 試 驗

1.1 材料與儀器

1.1.1 原料

自制親水涂料JY：成膜劑硅酸鋰，模數(shù)3.5，質(zhì)量分數(shù)5.5%；溶劑乙二醇丁醚，質(zhì)量分數(shù)3.5%；非離子表面活性劑TO-5，質(zhì)量分數(shù)0.5%；少量催化劑；其余為去離子水。涂料成品呈淡黃色液體。

市售親水涂料ZC：堿性硅酸鹽，主要成分為硅酸鉀，通過催化劑進行脫水縮合，固含量25%，呈透明無色液體。

1.1.2 儀器

SDC-100型接觸角測定儀；SX2-15-10高溫烘箱；YD-02蒸烤箱；DTS-5055高低溫試驗箱；EDX-LE X射線熒光光譜儀。

1.2 試樣制備

將堿性除油劑(由質(zhì)量分數(shù)5%NaOH、3%Na3PO4、6%表面活性劑組成)調(diào)至pH=9～10并加熱至50～60 ℃，將SUS304和SUS430不銹鋼工件或樣板放入其中處理15～20 min，經(jīng)自來水洗、純水洗后烘干待用。采用空氣壓力噴涂親水涂料，170～180 ℃烘烤25～30 min，即得到涂覆有親水易潔涂層的樣板或工件。

1.3 測試表征

1.3.1 物理性能測試

采用三菱1887硬度測試鉛筆，按GB/T 6739-2006中規(guī)定進行硬度測試試驗；附著力測試按GB/T9286-1998“色漆和清漆 漆膜的劃格試驗”中規(guī)定測試(百格法)和評級；耐冷熱沖擊經(jīng)350 ℃冷熱沖擊試驗后，按GB/T 6461評級綜合等級≥7級，親水易潔性測試合格面積≥95%；耐濕熱試驗在高溫高濕(85 ℃/85%RH)環(huán)境存儲168 h，按GB/T 6461評級綜合等級≥7級，親水易潔性測試合格面積≥95%；耐酸/耐堿性：分別在工件表面上滴10滴食用白醋(pH值為2.7)/10滴濃度為1 mol/L 的NaOH溶液(pH值為14)，并用表面皿蓋住，達到規(guī)定時間24 h/1 h時用冷水沖洗、用紙巾吸干表面水珠，放置2 h后再進行相關測試，按GB/T 6461評級綜合等級≥7級，親水易潔性測試合格面積≥95%。

1.3.2 親水易潔性

用斑馬牌(ZEBRA)油性記號筆輕輕畫在表面上并靜置1～2 min，然后在筆跡位置噴水，靜置5～10 s后，采用濕潤的抹布在表面施加5 kg以下的垂直作用力進行擦拭，筆跡應無殘留。

1.3.3 耐高溫性

將試樣或工件放入恒溫箱中在(350±5) ℃保持2 h后，取出在室溫環(huán)境放置冷卻1 h，此為1個循環(huán)，循環(huán)試驗5次，結(jié)果應符合親水易潔性要求。

1.3.4 耐蒸汽性能

以250 ℃ (或整機程序的最高溫度) 烘烤2 h→待機1 h→100 ℃蒸2 h→冷卻后抹干試樣表面水漬→待機1 h為1個循環(huán)，測試5個循環(huán)后，待試樣冷卻至室溫后按GB/T 6461評級綜合等級≥7級，試樣用水沖洗干凈、抹干，室溫放置2 h后再用濕潤的醫(yī)用棉球經(jīng)5～10 N的力來回擦拭15次，結(jié)果應符合親水易潔性要求。

1.3.5 模擬易清潔測試

在試樣或工件上均勻涂抹按質(zhì)量比例調(diào)配的醬油、油、料酒、食醋、食用鹽(4∶2∶1∶2∶1)混合物，按照烘烤程序烘烤(180 ℃/15 min)后，打開箱門，常溫冷卻，經(jīng)濕潤抹布擦拭試樣或工件表面(10～20 N的力)，表面可擦除面積不低于80%。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂料成膜性能

硅酸鹽體系親水涂料的成膜過程可以描述為：硅酸鹽發(fā)生水解反應生成正硅酸，正硅酸進一步發(fā)生脫水縮合[5]，交聯(lián)生成一種由硅氧四面體構(gòu)成的無機高分子膜，其成膜機理如下：

R2O·SiO2·nH2O+CO2+(2m-n)H2O→
R2CO3+mSi(OH)4

(1)

mSi(OH)4→HO(SiO2)H+(2m-1)H2O

(2)

空氣中的CO2與ROH繼續(xù)反應，使反應(1)繼續(xù)向右進行但僅限于涂層的表層，催化劑可以加速正硅酸的脫水反應(2)，使其轉(zhuǎn)化率提高，最終形成致密膜層。其親水易潔機理如圖1所示。從圖1可知，由于水的浸潤作用可以使油污浮起從而起到易清潔的效果。

2.2 涂層厚度

圖2為涂覆有自制JY和市售ZC親水涂層的SUS304不銹鋼的斷面SEM形貌。從圖2可以看到涂層的厚度均小于1 μm。較小的涂層厚度有利于涂層附著力的提升以及冷熱沖擊性能的改善，同時由于涂層的硬度(8 H)與基材的(3 H左右)存在較大差異，其斷面在較大的機械應力作用下基材與涂層的界面位置易發(fā)生變形或開裂。

2.3 涂層物理性能

涂層的物理性能如表1所示。304JY、304ZC分別為涂覆JY、ZC涂層的SUS304不銹鋼試樣，下同。從表1可以看出，親水涂層在硬度、附著力、耐冷熱沖擊、耐酸與耐堿性及耐濕熱試驗中均表現(xiàn)良好，且304JY和304ZC 2種涂層性能相當，沒有明顯的差異，說明2者都能夠滿足普通場景的應用要求。

表1 涂層物理性能對比

2.4 親水易潔性

圖3為親水涂層的親水易潔效果測試結(jié)果。從圖3可以看出，親水涂層在水的浸潤作用下會將油性筆筆跡浮起，最終達到良好的清潔效果(圖3d)。304ZC能夠使油性筆跡在水的流動作用下整體發(fā)生移動，而304JY基本保持在原位(圖3c)，表明以硅酸鉀體系的親水涂層其親水效果更好，優(yōu)于硅酸鋰體系親水涂層的，這與文獻[1]中的報道一致，即親水性：K+>Li+。

2.5 涂層的水接觸角與表面成分分析

圖4為不同親水涂層在SUS304和SUS430基材表面的水接觸角大小關系。430JY，430ZC分別為涂覆JY，ZC涂層的SUS430不銹鋼試樣，下同。從圖4可以看出，總體而言，涂層在SUS304不銹鋼表面的親水角要小于SUS430不銹鋼的，理論上其親水易潔效果更優(yōu)。對于同一涂層體系，不同基材的接觸角變化也較為明顯，430ZC的水接觸角比304ZC的大45.2°，430JY的水接觸角比304JY的大35.9°；對于同一基材，涂覆有不同涂層時其水接觸角關系為304JY的水接觸角比304ZC的大26.0°，430JY的水接觸角比430ZC的大16.7°。綜上所述，可以看出基材對材料表面接觸角的影響更為顯著。XRF的測試結(jié)果表明304ZC與430ZC表面的硅元素相差不大(見圖5，二者相差4.5%)，但接觸角大小卻存在較大差異。對于硅酸鋰體系的親水涂層其表面硅元素較低，430JY的只有2.7%，這使得其親水性不好(水接觸角較大)。而對于相同基材，材料的親水性主要由涂層中金屬離子(如K+、Li+)和硅元素的含量(具體為Si-OH)的數(shù)量決定。

2.6 模擬易清潔測試

圖6和圖7分別為SUS304不銹鋼和SUS430不銹鋼模擬易清潔的測試結(jié)果。

從圖6可知，2種親水涂層在304基材上沒有表現(xiàn)出明顯的模擬易清潔效果的差異。而從圖7可知，430ZC經(jīng)過涂抹的模擬混合物測試后，其表面出現(xiàn)了白色析出物，這是由于金屬離子從涂層中析出至表面，形成洗不掉的白斑，這可能是由于涂層中金屬離子的比例較高造成了涂層的發(fā)白現(xiàn)象[4]。

2.7 耐蒸汽性能

圖8和圖9分別為SUS304和SUS430不銹鋼基材的耐蒸汽性能測試結(jié)果。從圖8和圖9可以看出，對于304不銹鋼基材，2種涂層的差異不明顯，但在430不銹鋼基材上存在顯著差異，ZC涂層發(fā)生了明顯的發(fā)白現(xiàn)象，這進一步表明K+的耐水性比Li+的差。在高溫(250 ℃)和蒸汽的循環(huán)作用下，涂層發(fā)水了水解(圖9a)，金屬離子析出，涂層遭到破壞，導致其親水易潔性能喪失。

2.8 耐溫性測試

由于SUS304不銹鋼的食品接觸安全性、耐蝕性以及成型加工性等優(yōu)于SUS430不銹鋼，產(chǎn)品應用中會優(yōu)先使用SUS304不銹鋼，因此，只對SUS304不銹鋼進行高溫測試。圖10為SUS304不銹鋼的耐高溫測試結(jié)果。從圖10可知，304JY樣板在耐高溫測試后，其色差△E為1.4，而304ZC樣板在高溫測試后的色差△E為3.5，一般色差△E<1.5是可接受的范圍。結(jié)果表明，JY涂層的耐溫性優(yōu)于ZC涂層的，能夠在350 ℃的極限溫度下保持原有性能，其高溫抗氧化性能更優(yōu)。這一方面與涂膜的形態(tài)(如致密度)相關，同時也跟涂層與基材的界面組分密切相關[6]，例如是否生成耐高溫的陶瓷相或在高溫下發(fā)生相變，這需要進一步的研究來說明原因。

3 結(jié) 論

通過試驗驗證了在不同基材上制備的親水涂層的性能差異，結(jié)果表明基材對材料表面接觸角的影響更為顯著，而親水涂層的親水性由金屬離子和硅元素的含量共同決定，ZC涂層的親水性優(yōu)于JY涂層的，但其耐溫性和耐蒸汽性能比JY涂層的差。在蒸烤箱的應用場景中，由于高溫與蒸汽的共同作用使得涂層的金屬離子容易析出而導致其親水易潔性失效，自制的硅酸鋰體系的JY親水涂層能夠保持較高的可靠性，可滿足應用要求。