中國(guó)粉體網(wǎng)訊 陶瓷涂料是一種水性無(wú)機(jī)涂料，通常是以納米無(wú)機(jī)化合物為成膜物質(zhì)、以水為溶劑并且輔以其它填料、助劑等配制而成的一類(lèi)液體或固體材料。隨著水分的揮發(fā)，高分子顆�；ハ鄶D壓最終交聯(lián)而成形成涂層，涂層性能與陶瓷相類(lèi)似，因此被稱(chēng)為陶瓷涂料。
陶瓷涂料最早由20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的溶膠-凝膠(Sol-Gel)法技術(shù)制備出來(lái)。溶膠-凝膠工藝最早由德國(guó)研究人員提出，涂層是溶膠-凝膠工藝最重要的應(yīng)用之一。這是因?yàn)槿苣z-凝膠技術(shù)可以在各種基底上且溫度相對(duì)較低的情況下，利用液體溶液形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，形成具有廣泛化學(xué)成分的固體膜。水性陶瓷涂層具有耐水、耐醇、耐磨、抗劃痕性、耐高溫的特性，漆膜硬度可達(dá)4H-6H。
陶瓷涂料國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)外最早在20世紀(jì)60年代，通過(guò)低溫溶膠-凝膠技術(shù)加入氧化硼粉末，成功合成了硼硅酸鹽玻璃，溶膠-凝膠技術(shù)由此興起，從而此技術(shù)在涂層和纖維方面獲得了廣泛應(yīng)用。
1981年，在意大利帕多瓦舉行的凝膠玻璃和陶瓷國(guó)際會(huì)議上出版的幾份刊物中見(jiàn)證了溶膠-凝膠的發(fā)展。Sakka和Yoko發(fā)表了一篇關(guān)于截至1992年多種溶膠-凝膠涂層的研究綜述，其中介紹了溶膠-凝膠衍生涂層的眾多功能，包括導(dǎo)電性、耐腐蝕性、耐磨性和選擇性氣體滲透屏障等。在1993年，Sakka總結(jié)了氧化鈦、氧化硅和雜化產(chǎn)品形成涂層和纖維的實(shí)際應(yīng)用。在1997年，Zarzycky回顧了有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化材料的研究進(jìn)展。扎茲奇基發(fā)現(xiàn)，有機(jī)材料與無(wú)機(jī)材料的結(jié)合會(huì)成為新材料的門(mén)戶。
在2011年，Touzin等人采用溶膠-凝膠法制備了50μm以上的厚涂層。將氧化鋁粉末分散在硅溶膠-凝膠溶液中，然后浸在基底上，所獲得的涂層具有復(fù)合微觀結(jié)構(gòu)，其中結(jié)晶氧化鋁顆粒通過(guò)非晶硅相連接，硅基體使涂層與基底具有良好的粘附性。
在2016年，Tlili等人采用溶膠-凝膠法在不銹鋼表面上成功制備了氧化鋁陶瓷涂層，并研究了氧化鋁陶瓷涂層在不銹鋼表面的磨損行為。結(jié)果表明，采用溶膠-凝膠法制備的氧化鋁涂層在硬度和耐磨性方面均優(yōu)于無(wú)涂層不銹鋼和傳統(tǒng)的氮化物鋼。同年，Castanie等人通過(guò)脈沖激光沉積技術(shù)制備了一種新型的自愈合陶瓷涂層，該涂層由納米玻璃和硼化釩（VB）交替層組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在700℃高溫條件下，VB氧化形成五氧化二釩和三氧化二硼。當(dāng)陶瓷涂層出現(xiàn)裂紋時(shí)，五氧化二釩和三氧化二硼能夠促使涂層可以實(shí)現(xiàn)自愈合。
在2018年，Zanurin等人用酸性或堿性催化劑在水中水解制備了鋯溶膠-凝膠，然后通過(guò)脫水縮合過(guò)程得到Zr-O-Zr聚合物，該聚合物在剩余的有機(jī)基團(tuán)熱解后形成凝膠二氧化鋯陶瓷。通過(guò)觀察涂層450℃退火處理后的形態(tài)、組成發(fā)現(xiàn)，退火的氧化鋯涂層透明度較高、具有均勻和無(wú)孔的表面。
在2020年，Maminskas等人將石墨烯作為氧化鋁溶膠-凝膠添加劑，使用浸鍍法將涂層沉積在不銹鋼基底上。研究結(jié)果表明，將石墨烯作為固體潤(rùn)滑劑，顯著地減少了涂層的摩擦傷害。
隨著國(guó)外陶瓷涂料的發(fā)展和推廣，國(guó)內(nèi)對(duì)陶瓷涂料的研究也逐步深入。在2013年，Li等人介紹了竹狀碳化硅納米線對(duì)硅鉻涂層的增韌作用，竹狀碳化硅納米線的節(jié)點(diǎn)與基底機(jī)械聯(lián)鎖，抑制了涂層結(jié)構(gòu)的穿透性微裂紋。與普通的碳化硅納米線相比，其賦予了涂層更好的韌性。
在2014年，Cai等人將正硅酸乙酯、甲基三甲氧基硅烷作為前驅(qū)體，通過(guò)兩步溶膠－凝膠法得到了具有低折射率和防潮性能的疏水性抗反射涂料。在2018年，Liu等人制備了不同Ag含量的氮化硅基復(fù)合涂料，并研究了Ag在氮化硅涂料中的增韌作用。結(jié)果表明，Ag的塑性變形和裂紋橋接增強(qiáng)了氮化硅陶瓷涂層的韌性。
在2019年，Xu等分析了改性多壁碳納米管（MWCNTS）對(duì)化學(xué)粘結(jié)磷酸鹽陶瓷涂層的腐蝕機(jī)理。他們?cè)?.5wt%氯化鈉溶液中進(jìn)行的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著MWCNTS含量的增加，界面涂層電阻和電荷轉(zhuǎn)移阻力也隨之的增加，腐蝕電流密度降低，保護(hù)效率從先前的20.98%提高到94.06%。
在2019年，Zhu等通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了TiSiN/Ag多層陶瓷涂層在高溫下的自愈合機(jī)理。在高溫的驅(qū)動(dòng)下，Ag的快速擴(kuò)散促進(jìn)了微裂紋的自愈合，從而提高了涂層的保護(hù)能力。此外，電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)表明，固化后的TiSiN/Ag涂層的耐腐蝕性與原沉積涂層相似。
陶瓷涂料的分類(lèi)
陶瓷涂料因其成膜物質(zhì)的不同可以分為：硅酸鹽涂料、磷酸鹽涂料、硅溶膠涂料等。
硅酸鹽涂料
硅酸鹽水性無(wú)機(jī)涂料是由硅酸鹽作為粘結(jié)劑，并加入各種填料、助劑、固化劑配制而成。硅酸鹽水性無(wú)機(jī)涂料的粘結(jié)劑為硅酸鈉、硅酸鉀、硅酸鋰等硅酸鹽類(lèi)，硅酸鹽的化學(xué)式為：R2O·nSiO2，式中R為金屬原子，n代表硅酸鹽模數(shù)n=SiO2/R2O（摩爾比）。硅酸鹽的模數(shù)越大，Si含量越多，硅酸鹽粘度和粘結(jié)力越大，易實(shí)現(xiàn)自固化，同時(shí)固化后的硅酸鹽耐水性也越強(qiáng)。
磷酸鹽涂料
磷酸鹽涂料是一種在磷酸鹽粘結(jié)劑中添加金屬及金屬氧化物填料而形成的涂料。磷酸鹽通式為MmOnxP2O5yH2O，式中M為金屬原子，m和n分別為正整數(shù)，x、y為正實(shí)數(shù)，M/P（金屬/磷原子比）一般維持在0.25-1之內(nèi)，M/P的數(shù)值對(duì)涂料的貯藏穩(wěn)定性、與底材的附著力、耐水性和耐腐蝕性等性能都有直接的影響。
磷酸鹽涂料具有良好耐磨損性能、耐燃性能、優(yōu)異的金屬附著力、較高的粘結(jié)強(qiáng)度、優(yōu)異的防腐性能、較好的耐水性以及耐油污性能等優(yōu)點(diǎn)，在石油天然氣管道運(yùn)輸、航空、航海等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。磷酸鹽粘合劑凝結(jié)速度快、穩(wěn)定性好、附著力強(qiáng)度高、耐高溫。涂料中不含有VOC等有害物質(zhì)，而且制備過(guò)程簡(jiǎn)單，便于涂刷。為了提高防腐效果，常在涂料中加入防腐顏料。然而，一些防腐顏料中含有重金屬，如紅鉛和鋅鉻黃，可能會(huì)對(duì)環(huán)境和人體造成危害。因此，現(xiàn)今已經(jīng)研究了一些替代的、環(huán)境友好的防腐顏料，如納米復(fù)合鈦鐵、磷酸鋅、磷酸鈣、磷酸鋁、磷酸鋯和三聚磷酸鋁。值得一提的是，使用三聚磷酸鋁顏料可以制備具有優(yōu)異防腐性能的磷酸鈣無(wú)機(jī)涂層，該顏料在環(huán)氧樹(shù)脂和丙烯酸涂料等有機(jī)涂層中表現(xiàn)出很強(qiáng)的防腐性能。
硅溶膠涂料
硅溶膠涂料是以膠體二氧化硅水分散溶液為粘結(jié)劑，混以顏料、填料、助劑攪拌分散而成的一種無(wú)機(jī)涂料。硅溶膠是一種納米粒徑的二氧化硅懸浮液。由于溶膠中顆粒的表面電荷穩(wěn)定，溶劑蒸發(fā)（溶劑蒸發(fā)在很大程度上受溫度和濕度等大氣條件的控制）后，溶膠可轉(zhuǎn)化為凝膠。
硅溶膠在與基材的表面進(jìn)行交聯(lián)和固化后，涂層的表面是由Si-O-Si鍵所構(gòu)成，Si-O鍵能很大，因此硅溶膠涂料的剛性強(qiáng)，涂料所構(gòu)成的膜致密、堅(jiān)韌、硬度高、耐磨性能好。但在凝膠化過(guò)程中，作用在薄膜內(nèi)的內(nèi)聚力會(huì)導(dǎo)致溶膠顆粒和基底表面之間的鍵收縮。拉應(yīng)力的大小取決于涂層的厚度，涂層太厚或是太薄都會(huì)損壞已形成的涂層。Saeidabadi等人使用水合硝酸鋁和正硅酸乙酯，采用溶膠-凝膠法在基體表面進(jìn)行涂覆，合成了混合莫來(lái)石前體溶膠。通過(guò)DTA和XRD分析研究了莫來(lái)石轉(zhuǎn)化過(guò)程，莫來(lái)石在1200℃左右形成。這種莫來(lái)石涂層顯著提高了涂層的力學(xué)性能和耐水潤(rùn)濕性。
資料來(lái)源：
隋瑋紅：水性納米陶瓷涂料的制備及其性能研究，青島科技大學(xué)
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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