涂層鋼板是一種表面處理鋼板。涂裝的主要目的是對鋼板賦予外觀設(shè)計(jì)性和耐腐蝕性等功能，大致分為兩種：在制造工藝的成型、加工前涂裝的預(yù)涂鋼板；成型、加工后涂裝的后涂裝鋼板，如圖1所示。預(yù)涂鋼板可以省略下游用戶的涂裝工藝，使得揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）大幅減少，有效利用涂裝設(shè)備占用的空間等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，目前預(yù)涂鋼板正廣泛應(yīng)用于家電和建材領(lǐng)域。

預(yù)涂鋼板根據(jù)用途需要不同的性能，特別是與后涂裝鋼板相比，以及當(dāng)今環(huán)境和能源問題的大背景之下，迫切需要：1）成型加工性與其他性能和功能的平衡；2）提高耐腐蝕性；3）減少環(huán)境負(fù)荷物質(zhì)和提高能源效率。

本文主要介紹了日本制鐵公司家電預(yù)涂鋼板的結(jié)構(gòu)、制造工藝、所需性能的概況，以及相關(guān)的應(yīng)用案例。

2.1 預(yù)涂鋼板的結(jié)構(gòu)

圖2顯示的是家電產(chǎn)品用預(yù)涂鋼板的典型截面結(jié)構(gòu)。涂裝前的基板大多采用熱鍍鋅鋼板（GI）和電鍍鋅鋼板（EG）。近年來，為了獲得更高的涂裝后耐腐蝕性，Zn-Al-Mg合金鍍層鋼板也開始應(yīng)用于室外電器。對基板進(jìn)行化成處理，主要目的是提高涂膜粘附性，并在其上層形成涂膜，作為表面涂膜。涂上底涂料后，通常采用“二涂二烤”工藝形成雙層結(jié)構(gòu)的涂膜，即加熱固化形成底涂膜，接著涂上涂料，然后加熱固化形成頂涂膜。底涂膜賦予化成處理膜粘附性和耐腐蝕性，賦予頂涂膜外觀設(shè)計(jì)性、硬度、加工性、耐污染性等功能。涂料是由樹脂（主樹脂、交聯(lián)樹脂）、顏料（著色顏料、防銹顏料、體質(zhì)顏料）、溶劑、增塑劑、添加劑等構(gòu)成。作為主樹脂，聚酯兼具優(yōu)秀的加工性、耐污染性、硬度；交聯(lián)樹脂則采用三聚氰胺樹脂和異氰酸酯樹脂。

2.2 預(yù)涂鋼板的制造工藝

日本制鐵公司君津廠預(yù)涂鋼板連續(xù)涂裝產(chǎn)線的概況顯示：預(yù)涂鋼板一般在連續(xù)涂裝線上制造，卷成板卷的涂鍍鋼板在涂裝產(chǎn)線前被開卷，經(jīng)過脫脂、化成處理、預(yù)涂、頂涂等各工序，在涂裝后再次卷取成板卷。

為了涂覆化成處理液或各層涂料，接觸型輥涂法被廣泛采用。輥涂法是將輥浸入涂料中，另一輥在與鋼板接觸的同時(shí)涂覆涂料。盡管適用于大批量生產(chǎn)，但也會出現(xiàn)條紋和涂裝不均勻的情況，另外，金屬涂料會因涂膜中發(fā)光顏料的取向而使外觀發(fā)生較大變化，也更容易出現(xiàn)涂裝后不均勻的問題。與此相對，非接觸型的簾幕涂裝法是將涂料從縫隙中流到鋼板上進(jìn)行涂覆的方式，能夠解決接觸方式產(chǎn)生的外觀問題，涂裝外觀極其美麗，但也存在膜厚難以控制的問題。輥簾流涂方式結(jié)合了這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，通過將涂料倒入兩輥之間，將膜厚控制在輥縫決定的厚度后，再流到鋼板上進(jìn)行涂裝，這也是一種可以避免上述問題的涂裝方式。

在烘干底涂膜和表面涂膜的加熱方式上，熱風(fēng)烘干方式被廣泛采用，但也會采用高頻感應(yīng)加熱方式（IH），這種方式可以很好地控制輸入熱量。此外，使用近紅外光（NIR）加熱的方法，可以在極短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)涂膜固化，以及使用配備電子束（EB）輻照設(shè)備的生產(chǎn)線通過自由基聚合進(jìn)行固化。

2.3 預(yù)涂鋼板的演變及功能需求

預(yù)涂鋼板應(yīng)用于家電產(chǎn)品最早始于二十世紀(jì)70年代后半期，美國通用電氣公司將其用作冰箱原材料，當(dāng)時(shí)主要將冷軋鋼板用作基板，為了提高耐腐蝕性，開始使用熱鍍鋅鋼板和電鍍鋅鋼板。另外，二十世紀(jì)90年代后期，為了提高涂膜的加工性，日本將大分子量的聚酯樹脂與三聚氰胺樹脂交聯(lián)使用，隨著該技術(shù)的逐步確立，微波爐、音頻設(shè)備等家電產(chǎn)品彎曲加工的外殼開始采用預(yù)涂鋼板，進(jìn)而利用梯度組成結(jié)構(gòu)開發(fā)加工性、耐污染性以及硬度優(yōu)異的涂膜，同時(shí)利用液晶性樹脂和聚酯樹脂聚合物共混物，開發(fā)兼具加工性和硬度的技術(shù)，另一方面，隨著耐化學(xué)性的提高，預(yù)涂鋼板的應(yīng)用逐步推廣到了洗衣機(jī)和冰箱。

另一方面，針對空調(diào)室外機(jī)和熱水器室外機(jī)等室外使用的用途，90年代開始，通過積累暴露試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為了提高端面耐腐蝕性，推進(jìn)了預(yù)涂處理，同時(shí)開發(fā)了破損并不明顯的橘皮紋預(yù)涂鋼板，以此為契機(jī)，空調(diào)室外機(jī)開始推行預(yù)涂裝處理，從90年代后半期到2000年以后，預(yù)涂鋼板不僅作為箱體的作用，還需要一些附加值功能，如防止帶電性、 散熱性、吸熱性等功能系列產(chǎn)品投入實(shí)際應(yīng)用。另外，進(jìn)入2000年后，受歐盟RoHS指令的影響，開始向無鉻產(chǎn)品轉(zhuǎn)變，目前日本生產(chǎn)的家電產(chǎn)品用預(yù)涂鋼板幾乎都是不含六價(jià)鉻的無鉻產(chǎn)品。此外，近來開始使用Zn-Al-Mg鍍層鋼板作為涂裝基板，提高耐腐蝕性，實(shí)現(xiàn)了更長的產(chǎn)品壽命和免維護(hù)，由于基板具有更高的耐腐蝕性，通過使用單層表面涂膜，從而降低了總成本 。

因此，相對于現(xiàn)有技術(shù)的后涂裝鋼板，通過各種技術(shù)革新，逐步擴(kuò)大了預(yù)涂鋼板的用途。目前關(guān)鍵性問題主要包括：1）成型加工性與其他性能和功能的平衡；2）提高包括端面在內(nèi)的耐腐蝕性；3）應(yīng)對環(huán)境和能源問題。

3.1 加工性和耐污染性優(yōu)秀的預(yù)涂鋼板

預(yù)涂鋼板廣泛應(yīng)用于空調(diào)室外機(jī)和熱水器外殼的外板面板。由于這種預(yù)涂鋼板需要較高的加工性能，因而大多使用軟質(zhì)的聚酯-三聚氰胺涂膜。另一方面，安裝在室外的家電外殼由于長期使用，往往會附著尾氣、粉塵等污染物，逐漸形成雨條狀，污垢明顯。特別是軟質(zhì)涂膜的耐污染性通常偏低，另外，隨著在熱泵熱水器和家用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)等大型室外外殼上的應(yīng)用增加，外殼面板的污染逐漸變得明顯，在這種背景下，對外殼面板耐污染性的需求正在不斷提高。

為了制造既可加工又可耐污染的預(yù)涂鋼板，日本制鐵公司在聚酯/三聚氰胺涂料中添加0-1wt%硅酸鹽，在熱鍍鋅鋼板上形成涂膜，通過濕潤處理水解涂膜表面硅酸鹽的烷氧基，然后將炭黑作為模型污染物，進(jìn)行涂膜耐污染性的評價(jià)和暴露試驗(yàn)。借助輝光放電發(fā)射分光法（GDOES）測量制作的涂膜，發(fā)現(xiàn)聚酯/三聚氰胺/硅酸鹽涂膜中，表層中來自硅酸鹽的硅比率較高，來自三聚氰胺的氮比率較低。另一方面，在聚酯/三聚氰胺涂膜中，來自三聚氰胺的氮在表層富集。可以認(rèn)為，即使添加硬質(zhì)成分硅酸鹽，也能在表層形成梯度組分，從而有助于兼顧預(yù)涂鋼板所要求的加工性。圖3是在日本沖繩進(jìn)行1年日照環(huán)境下暴露試驗(yàn)時(shí)的外觀照片?？梢钥闯觯c聚酯/三聚氰胺相比，聚酯/三聚氰胺/硅酸鹽涂膜表面的雨滴污垢較小。

圖4顯示了暴露試驗(yàn)前后涂膜與炭黑（污染物）和水粘附的計(jì)算結(jié)果。聚酯/三聚氰胺/硅酸鹽涂膜與水的粘附功大于與污染物的粘附功，在暴露試驗(yàn)后也維持了這種狀態(tài)，可以說是耐污染性良好的狀態(tài)。另一方面，聚酯/三聚氰胺涂膜在暴露前與污染物的粘附功大于與水的粘附功，但暴露1年后，粘附功情況出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，與水的粘附功大于與污染物的粘附功。通過將硅酸鹽添加到涂膜中，使其在表層上富集，發(fā)現(xiàn)氫鍵組分對與水的粘附功做出貢獻(xiàn)較大，偶極子間力對與炭黑（污染物）的粘附功做出的貢獻(xiàn)較小，可以推測，通過與水的選擇性混合，抑制了污染物的附著。也有研究顯示，該聚酯/三聚氰胺/硅酸鹽涂膜不僅具備耐污染性，耐腐蝕性、耐光性、加工性也與未添加硅酸鹽的涂膜相當(dāng)。

3.2 切割端面耐紅銹性能優(yōu)秀的預(yù)涂鋼板

2000年以后，歐盟RoHS指令要求電子電氣設(shè)備降低環(huán)境負(fù)荷，預(yù)涂鋼板的化成處理膜和涂膜也開始推行無鉻化，在無鉻酸鹽預(yù)涂鋼板應(yīng)用于室外用途的過程中，切斷端面短期內(nèi)發(fā)生紅銹的情況時(shí)有發(fā)生。預(yù)涂鋼板與后涂裝不同，在涂裝后進(jìn)行成型和加工，由此生成的切割端面沒有鍍層或涂膜。通常而言，在切割端面，從鍍層和涂膜中溶出的鍍層成分和防銹成分可以保護(hù)切割端面的鋼板，從而抑制紅銹的發(fā)生，只有當(dāng)無鉻酸鹽預(yù)涂鋼板在梅雨時(shí)期安裝于海岸線的鹽害地區(qū)時(shí)，才會產(chǎn)生紅銹。

究其原因，可能由于切割端面長期連續(xù)浸漬于不含電解質(zhì)的水中，鍍層成分鋅和鋼之間沒有形成電偶電池，鋅的溶出所產(chǎn)生的犧牲防腐作用并不充分。因此，在底涂膜中添加防銹顏料，需要滿足三大特性：1）環(huán)保型化合物；2）水中溶解度高；3）滿足涂裝烘烤過程中不熱解，從而使得預(yù)涂鋼板浸入電導(dǎo)率低的水中也可以抑制切割端面的紅銹，如圖5所示。據(jù)推測，緩蝕劑的溶出增大了端面附近的導(dǎo)電性，這反過來又導(dǎo)致電化學(xué)電流和鋅的犧牲性防腐作用。另一方面，過量的鋅溶出也會導(dǎo)致涂膜起泡，由此可見，防腐顏料能夠提供長期的端面防腐，同時(shí)也能抑制起泡。

3.3 采用Zn-Al-Mg鍍層鋼板基板的預(yù)涂鋼板

在涂鍍鋼板領(lǐng)域，近年來，耐腐蝕性優(yōu)異的Zn-Al-Mg合金鍍層鋼板成為了開發(fā)的熱點(diǎn)。Zn-11%Al-3%Mg-0.2%Si和Zn-6%Al-3%Mg合金鍍鋅鋼板等典型產(chǎn)品具有很高的耐腐蝕性 。2000年以后，在預(yù)涂鋼板領(lǐng)域，主要在家電產(chǎn)品上進(jìn)行了無鉻酸鹽處理，但改善端面耐腐蝕性依舊是一大課題。為了提高端面耐腐蝕性，不僅要開發(fā)化成處理膜和底涂膜，也可以從母材涂鍍的角度進(jìn)行改善。

日本制鐵對無鉻酸鹽預(yù)涂Zn-11%Al-3%Mg-0.2%Si合金鍍層鋼板在沖繩進(jìn)行了9.5年的長期暴露試驗(yàn)，并與無鉻酸鹽預(yù)涂Zn-0.2%Al鍍層（GI）鋼板進(jìn)行比較，進(jìn)行了端面耐腐蝕性的考察和切割端面附近的腐蝕產(chǎn)物的顯微分析（圖6）。其結(jié)果顯示，從沖繩暴露試驗(yàn)材料的端面腐蝕幅度來看，在腐蝕開始初期（暴露2.5年），涂裝基板在Zn-Al-Mg鍍層鋼板和GI鋼板的邊緣蠕變寬度方面沒有發(fā)現(xiàn)大的差異，但隨著時(shí)間的推移，兩者的差異擴(kuò)大，與預(yù)涂的GI鋼板相比，在長期暴露中預(yù)涂Zn-Al-Mg鍍層鋼板邊緣蠕變寬度更小。預(yù)涂層GI鋼板從端面開始的紅銹寬度也隨著暴露期推移而變大，與此相對，預(yù)涂Zn-Al-Mg鍍層鋼板即使暴露9.5年，端面也幾乎不發(fā)生紅銹。

另外，電子探針微分析儀（EPMA）上分析端面附近的截面，預(yù)涂GI鋼板在腐蝕部位主要檢測到Zn、O，因此，曾被認(rèn)為是氫氧化鋅或絕緣性較低的、以氧化鋅為主體的腐蝕產(chǎn)物，預(yù)涂Zn-Al-Mg鍍層鋼板中檢測到Zn、Mg、O、Cl，推測致密的腐蝕產(chǎn)物正在堆積。另外,剝離預(yù)涂Zn-Al-Mg鍍層鋼板的涂膜,利用X射線衍射（XRD）對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析，切割端面揭示了Zn6Al2（OH）16CO3·4H2O的存在，并暗示了耐腐蝕產(chǎn)物碳酸鋅鋁的保護(hù)作用。另外，由于沒有檢測出含有Mg的腐蝕產(chǎn)物，因此推定Mg以非晶態(tài)形式存在。通過將Zn-Al-Mg鍍層鋼板作為預(yù)涂鋼板的基板使用，可以認(rèn)為穩(wěn)定的腐蝕產(chǎn)物覆蓋切斷端面，發(fā)揮屏障效應(yīng)，進(jìn)而抑制始于端面的腐蝕。

3.4 高反射性預(yù)涂鋼板

隨著業(yè)內(nèi)對環(huán)境和能源問題愈發(fā)關(guān)注，在電子電氣設(shè)備中使用的預(yù)涂鋼板中，對無環(huán)境負(fù)荷物質(zhì)和產(chǎn)品節(jié)能提出了更高的要求。照明器具的反射材料就是一個(gè)典型案例。在日本國內(nèi)，在家庭用電量中，冰箱占比14.2%，位居第一，照明器具占13.4%，在用電量中所占的比例較高，照明器具的效率提升對節(jié)能的貢獻(xiàn)很大。因此，對照明反射板專用預(yù)涂層鋼板進(jìn)行高反射率的研究及開發(fā)也在不斷進(jìn)行。考慮到光的反射率取決于構(gòu)成涂膜的樹脂與顏料的折射率差異，日本制鐵采用折射率大的二氧化鈦顏料來提高反射率。反射率隨著顏料粒徑變小、表面積增大而變高。

另一方面，如果粒徑在光的波長的1/2以下，就會發(fā)生光的散射和衍射現(xiàn)象，反射率變低。因此，考慮到一般在亮處反射光的比視感度在波長555nm時(shí)最大，使用平均粒徑為200-300nm的二氧化鈦顏料，實(shí)現(xiàn)了高反射率。關(guān)于表面積的增大，通過增大涂膜中的顏料的添加濃度，反射率提高，相當(dāng)于臨界顏料濃度，達(dá)到極大值。如果超過極限顏料濃度，顏料之間就會接觸，反射光的界面就會減小，反射率也會降低。但是，預(yù)涂層鋼板與后涂裝不同，由于在涂裝后進(jìn)行成型加工，因此，涂膜中的顏料濃度在一定值以上時(shí)，一般耐彎曲性降低，但是通過控制涂膜樹脂的分子量和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），設(shè)計(jì)了在常溫下軟質(zhì)且延伸率高的涂膜，在耐彎曲性能上，即使超出顏料添加濃度的極限值，也能抑制彎曲部位的龜裂（圖7），達(dá)到了擴(kuò)散反射率92%的目標(biāo)。

在薄膜行業(yè)中，擴(kuò)散反射率在97%以上的高反射薄膜正逐步成為熱點(diǎn)。這種情況下，在預(yù)涂鋼板中，如果膜過厚，有時(shí)會產(chǎn)生被稱為“起泡”的涂裝缺陷，除了使涂料中部分溶劑沸點(diǎn)過高以外，在顏料的超高濃度添加中，通過在涂膜中添加樹脂和顏料形成空隙（空氣），在二氧化鈦顏料和空氣界面上還產(chǎn)生折射率差更大的反射，通過表面積效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)散反射率的提高（圖8）。通過從預(yù)涂鋼板涂膜本身的設(shè)計(jì)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了更高的擴(kuò)散反射率，通過應(yīng)用于壁材和頂棚材，有助于提升照明器具的效率（圖9）。

本文介紹了家電外殼使用的預(yù)涂鋼板的結(jié)構(gòu)、制造工藝、所要求的性能等概況，并以此為基礎(chǔ)，對最近的研發(fā)進(jìn)展進(jìn)行了介紹。

預(yù)涂鋼板與后涂裝材料相比，由于在涂裝后進(jìn)行成型加工，因而要求兼具成型加工性和其他性能，以及端面耐腐蝕性，但同時(shí)可以省略鋼板用戶的涂裝工序，具備揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）的大幅減少，以及涂裝設(shè)備空間有效利用等優(yōu)點(diǎn)。在全球范圍內(nèi)，伴隨著新興國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，預(yù)涂鋼板在家電市場的份額進(jìn)一步擴(kuò)大。與此同時(shí)，日本國內(nèi)市場進(jìn)入成熟期，隨著下游用戶的海外本土制造和技術(shù)能力的提高，也在持續(xù)推進(jìn)材料的就地采購。另外，預(yù)計(jì)今后與樹脂等其他材料的競爭也將進(jìn)一步加劇。

在此情形之下，日本制鐵在充分發(fā)揮預(yù)涂鋼板的再利用性、加工性、強(qiáng)度、價(jià)格等優(yōu)勢的同時(shí)，迅速把握用戶的需求，靈活且及時(shí)地供貨，積極應(yīng)對環(huán)境和能源問題。