中國粉體網訊 陶瓷涂料是一種水性無機涂料，通常是以納米無機化合物為成膜物質、以水為溶劑并且輔以其它填料、助劑等配制而成的一類液體或固體材料。隨著水分的揮發，高分子顆粒互相擠壓最終交聯而成形成涂層，涂層性能與陶瓷相類似，因此被稱為陶瓷涂料。
陶瓷涂料最早由20世紀60年代出現的溶膠-凝膠(Sol-Gel)法技術制備出來。溶膠-凝膠工藝最早由德國研究人員提出，涂層是溶膠-凝膠工藝最重要的應用之一。這是因為溶膠-凝膠技術可以在各種基底上且溫度相對較低的情況下，利用液體溶液形成三維網絡結構的凝膠，形成具有廣泛化學成分的固體膜。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4H-6H。
陶瓷涂料國內外發展現狀
國外最早在20世紀60年代，通過低溫溶膠-凝膠技術加入氧化硼粉末，成功合成了硼硅酸鹽玻璃，溶膠-凝膠技術由此興起，從而此技術在涂層和纖維方面獲得了廣泛應用。
1981年，在意大利帕多瓦舉行的凝膠玻璃和陶瓷國際會議上出版的幾份刊物中見證了溶膠-凝膠的發展。Sakka和Yoko發表了一篇關于截至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總結了氧化鈦、氧化硅和雜化產品形成涂層和纖維的實際應用。在1997年，Zarzycky回顧了有機-無機雜化材料的研究進展。扎茲奇基發現，有機材料與無機材料的結合會成為新材料的門戶。
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合微觀結構，其中結晶氧化鋁顆粒通過非晶硅相連接，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于無涂層不銹鋼和傳統的氮化物鋼。同年，Castanie等人通過脈沖激光沉積技術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。實驗結果表明，在700℃高溫條件下，VB氧化形成五氧化二釩和三氧化二硼。當陶瓷涂層出現裂紋時，五氧化二釩和三氧化二硼能夠促使涂層可以實現自愈合。
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，然后通過脫水縮合過程得到Zr-O-Zr聚合物，該聚合物在剩余的有機基團熱解后形成凝膠二氧化鋯陶瓷。通過觀察涂層450℃退火處理后的形態、組成發現，退火的氧化鋯涂層透明度較高、具有均勻和無孔的表面。
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。研究結果表明，將石墨烯作為固體潤滑劑，顯著地減少了涂層的摩擦傷害。
隨著國外陶瓷涂料的發展和推廣，國內對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硅鉻涂層的增韌作用，竹狀碳化硅納米線的節點與基底機械聯鎖，抑制了涂層結構的穿透性微裂紋。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體，通過兩步溶膠－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含量的氮化硅基復合涂料，并研究了Ag在氮化硅涂料中的增韌作用。結果表明，Ag的塑性變形和裂紋橋接增強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）對化學粘結磷酸鹽陶瓷涂層的腐蝕機理。他們在3.5wt%氯化鈉溶液中進行的電化學實驗，實驗結果表明，隨著MWCNTS含量的增加，界面涂層電阻和電荷轉移阻力也隨之的增加，腐蝕電流密度降低，保護效率從先前的20.98%提高到94.06%。
在2019年，Zhu等通過分子動力學模擬研究了TiSiN/Ag多層陶瓷涂層在高溫下的自愈合機理。在高溫的驅動下，Ag的快速擴散促進了微裂紋的自愈合，從而提高了涂層的保護能力。此外，電化學腐蝕試驗表明，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
陶瓷涂料因其成膜物質的不同可以分為：硅酸鹽涂料、磷酸鹽涂料、硅溶膠涂料等。
硅酸鹽涂料
硅酸鹽水性無機涂料是由硅酸鹽作為粘結劑，并加入各種填料、助劑、固化劑配制而成。硅酸鹽水性無機涂料的粘結劑為硅酸鈉、硅酸鉀、硅酸鋰等硅酸鹽類，硅酸鹽的化學式為：R2O·nSiO2，式中R為金屬原子，n代表硅酸鹽模數n=SiO2/R2O（摩爾比）。硅酸鹽的模數越大，Si含量越多，硅酸鹽粘度和粘結力越大，易實現自固化，同時固化后的硅酸鹽耐水性也越強。
磷酸鹽涂料
磷酸鹽涂料是一種在磷酸鹽粘結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，x、y為正實數，M/P（金屬/磷原子比）一般維持在0.25-1之內，M/P的數值對涂料的貯藏穩定性、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、優異的金屬附著力、較高的粘結強度、優異的防腐性能、較好的耐水性以及耐油污性能等優點，在石油天然氣管道運輸、航空、航海等領域得到了廣泛的應用。磷酸鹽粘合劑凝結速度快、穩定性好、附著力強度高、耐高溫。涂料中不含有VOC等有害物質，而且制備過程簡單，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，可能會對環境和人體造成危害。因此，現今已經研究了一些替代的、環境友好的防腐顏料，如納米復合鈦鐵、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異防腐性能的磷酸鈣無機涂層，該顏料在環氧樹脂和丙烯酸涂料等有機涂層中表現出很強的防腐性能。
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劑，混以顏料、填料、助劑攪拌分散而成的一種無機涂料。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定，溶劑蒸發（溶劑蒸發在很大程度上受溫度和濕度等大氣條件的控制）后，溶膠可轉化為凝膠。
硅溶膠在與基材的表面進行交聯和固化后，涂層的表面是由Si-O-Si鍵所構成，Si-O鍵能很大，因此硅溶膠涂料的剛性強，涂料所構成的膜致密、堅韌、硬度高、耐磨性能好。但在凝膠化過程中，作用在薄膜內的內聚力會導致溶膠顆粒和基底表面之間的鍵收縮。拉應力的大小取決于涂層的厚度，涂層太厚或是太薄都會損壞已形成的涂層。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行涂覆，合成了混合莫來石前體溶膠。通過DTA和XRD分析研究了莫來石轉化過程，莫來石在1200℃左右形成。這種莫來石涂層顯著提高了涂層的力學性能和耐水潤濕性。
資料來源：
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
（中國粉體網編輯整理/平安）
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