用最簡單的術(shù)語來說，可持續(xù)性可以定義為更少的浪費(fèi)和更高的效率。它意味著使用更少的處理步驟、更少化學(xué)物質(zhì)或其他構(gòu)建模塊，或者開發(fā)出無需持續(xù)維護(hù)即可持續(xù)數(shù)百年的產(chǎn)品。

在涂料領(lǐng)域，可持續(xù)性通常從減少化學(xué)物質(zhì)、生物材料替代、縮短或減少制造步驟或直接禁止化學(xué)物質(zhì)的角度去尋找解決方案。目前的做法是努力減少石油基的材料，同時嘗試使新的產(chǎn)品壽命至少與其前代產(chǎn)品保持一樣。

其實(shí)，還有另一種可持續(xù)性的方法。如果可以完全消除預(yù)處理化學(xué)品和涂料呢？如果氧化物也是彩色涂層呢？如果可以將不銹鋼的壽命與其氧化潛力結(jié)合起來加以利用呢？如果只需一個生產(chǎn)操作——同時進(jìn)行煉鋼和著色——即可將顏色賦予不銹鋼鋼帶呢？如果這些創(chuàng)新想法更具實(shí)際成本效益呢？

歷史上的第一步

1971年，Allegheny Ludlum鋼鐵公司朝著這個方向邁出了一步。雖然當(dāng)然不是以可持續(xù)性的名義，但該公司開發(fā)了一種生產(chǎn)黑色不銹鋼的工藝，用于成型的建筑產(chǎn)品^[1]。在這種情況下，通過氧化不銹鋼表面以形成多孔氧化物涂層，并用堿金屬硅酸鹽浸漬，然后通過在1400至 1600°F之間加熱來干燥和熔合硅酸鹽，從而生產(chǎn)出不銹鋼鋼帶。對成品進(jìn)行回火軋制是一種典型的鋼材精整工藝，可將鋼帶軋平以方便加工。

與1968年之前的原始工藝相比，此工藝是一種效率改進(jìn)，其中使用了更多的生產(chǎn)步驟。首先，對帶材進(jìn)行處理以獲得黑色氧化物，然后涂上水溶性堿金屬硅酸鹽或水基增稠或凝膠化的鈉或重鉻酸鉀溶液。下一步是去除水分，然后將涂層表面加熱到足夠高的溫度，以形成厚度為1,000–500,000 Å（1Å = 0.1納米）的均勻、黑色、多孔氧化物。然后用水擦掉多余的涂層和松散的氧化物。

除了減少處理步驟的數(shù)量外，1971年的工藝還消除了許多質(zhì)量問題。厚度均勻性更好，任何噴涂或軋制圖案的可見性更低，美觀性良好，耐冷凝濕度性能更好，鋼帶上沒有白色殘留物。此外，蒸汽測試、耐磨性、耐化學(xué)性、芯軸彎曲和沖擊測試也得到了改進(jìn)，以至于可以將這種黑色不銹鋼成型為管材或建筑面板，同時具有良好的美觀性。隨著氧化物厚度控制的提高，顏色也更加均勻。

快速前進(jìn)到2013年

自從制造黑色不銹鋼的第一步以來，已經(jīng)過去了40年，期間發(fā)生了許多材料被發(fā)明和改進(jìn)。不銹鋼本身已成為一種更均勻的產(chǎn)品，表面光潔度有所提高，可用于各種對美觀要求較高的應(yīng)用?；捉饘倩瘜W(xué)改性以及更可控的退火氣氛和溫度也提高了成型性。

隨著鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)的成熟，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且可用的納米技術(shù)的出現(xiàn)為表面改性開辟了一個巨大的窗口。納米粒子表面處理技術(shù)的進(jìn)展也減少了不銹鋼和其他合金部件在氧化和腐蝕條件下的被破壞性地氧化和腐蝕^[2]。

提高不銹鋼在高溫下的使用壽命是這項(xiàng)發(fā)展的起源。發(fā)電廠通常會遇到熔融堿金屬鹽引起的加速高溫爐膛側(cè)腐蝕造成的破壞性氧化問題。其他問題還包括低氧活度環(huán)境以及存在硫和蒸汽側(cè)氧化作用引起的加速中等溫度爐膛側(cè)腐蝕，以及化石燃料鍋爐中管道、管件和閥門的氧化作用。

發(fā)電廠面臨著提高效率、滿足嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)以及確保工廠的可靠性、可用性和可維護(hù)性的壓力，同時在理想情況下，最大限度地降低成本^[3]。

用作耐腐蝕和抗氧化表面處理的納米顆粒包括鋁、硅、鈧、鈦、釔、鋯、鈮、鑭、鉿、鉭氧化鈰（納米氧化鈰）和釷。這些納米顆粒實(shí)際上并沒有形成涂層，而作為摻雜劑，嵌入到氧化物結(jié)構(gòu)中。

隨著時間的推移，釔已成為這些類型應(yīng)用的首選納米顆粒。釔，特別是以氧化釔納米顆粒（Y2O3 NPs）的形式存在時，一般認(rèn)為是最優(yōu)越的，因?yàn)樗诟邷胤€(wěn)定性、強(qiáng)化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度和強(qiáng)耐腐蝕性方面具有卓越的性能。在可持續(xù)性方面，也許最大的優(yōu)點(diǎn)是釔的毒性較低。由于其毒性較低，這種納米顆粒通常用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

Minimox®是一種基于釔的自保護(hù)合金處理方法，可最大限度地減少合金在高溫下的氧化。它改變了熱氧化物的結(jié)構(gòu)和/或化學(xué)性質(zhì)，使其比沒有Minimox®摻雜的熱氧化物更致密且更具附著力。消除了剝落、突出物和微孔，從而形成光滑、致密、具有附著力的表面^[4]。根據(jù)退火過程的時間和溫度，可以控制薄膜氧化物的厚度生長，其厚度可以控制在500至9,000 Å之間。用釔摻雜的氧化表面具有優(yōu)異的循環(huán)和等溫氧化，在惡劣環(huán)境中具有耐腐蝕性，并且對極端高溫和化學(xué)環(huán)境具有高耐受性。額外的好處是，可以在高溫退火氣氛中控制氧化物的厚度，以便有目的地將顏色賦予金屬表面。

現(xiàn)代彩色鋼

本文前面提到的用于建筑的黑色不銹鋼并未大量推廣到到該領(lǐng)域。盡管表面改性帶來了優(yōu)異的性能，但對于普通的建筑應(yīng)用來說，不銹鋼太貴了。然而，不需要涂漆的黑色表面這個想法始終再被考量中。能夠使用現(xiàn)有的在線退火方法對表面進(jìn)行著色成為一個誘人的想法。在 2018年，使用現(xiàn)有在線退火工藝制造的黑色不銹鋼成功完成了，且無需添加油漆或摻雜劑^[5]。但是，對于許多應(yīng)用來說，不銹鋼仍然是一種極其昂貴的基材。

人們認(rèn)為，其他更符合行業(yè)成本限制的基材（例如家電和汽車）也應(yīng)該從這種氧化物改性方法中受益。電鍍鋅鋼 (EG) 經(jīng)過紋理處理，達(dá)到所需的產(chǎn)品光潔度，隨后對鋅涂層進(jìn)行退火處理，由此產(chǎn)生的黑色基材能滿足包括冰箱門應(yīng)用在內(nèi)的所有家電表面處理規(guī)范要求（冰箱門是家電領(lǐng)域中最嚴(yán)格的要求）。將這種“仿不銹鋼”EG產(chǎn)品與黑色拋光不銹鋼和GE黑色 PVD標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)它滿足所有要求，包括顏色（圖1）、光澤度、污漬/老化、防指紋、耐腐蝕性和機(jī)械性能——所有這些都以低得多的成本實(shí)現(xiàn)。

圖 1. 標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品、黑色不銹鋼和“仿不銹鋼”紋理電鍍鋅鋼之間的黑色顏色比較

表1. 釔摻雜不銹鋼，在不同生產(chǎn)線速度下，退火所得的顏色

最后，在前年，終于開發(fā)出了一種使用釔摻雜和退火對不銹鋼進(jìn)行著色的方法。為了驗(yàn)證這一概念，實(shí)驗(yàn)將不銹鋼卷材涂上水性釔預(yù)處理溶液，并進(jìn)行批量退火幾個小時以氧化表面。退火由于批次的關(guān)系并不是特別均勻，也不算首選的簡化工藝，但已經(jīng)有足夠的卷材表現(xiàn)出所需的特性，可以繼續(xù)優(yōu)化工藝。

圖 2. 田納西州納什維爾地區(qū)建筑物上的彩色不銹鋼面

基本思路是使用在線輥涂機(jī)用含水釔納米溶液摻雜表面，然后連續(xù)退火帶材，同時改變退火爐中的時間和/或溫度，以生長氧化物并獲得所需的顏色^[6]。即使保持退火爐氣氛恒定，改變生產(chǎn)線速度（退火時間），也可以有效地生產(chǎn)不同的顏色（參見表 1） 。

這些彩色不銹鋼卷材被制造出來并放置在田納西州納什維爾地區(qū)的建筑物上（圖 2），并且至今仍在使用。

寫在最后

所有上述工作最終都減少了浪費(fèi)，提高了效率。基材質(zhì)量、鋼材加工和納米技術(shù)方面的技術(shù)改進(jìn)促進(jìn)了各種產(chǎn)品的開發(fā)，這些產(chǎn)品以前被認(rèn)為是不可能的、過于昂貴的，或者質(zhì)量不足以進(jìn)行商業(yè)生產(chǎn)。但通過尋找新的替代方法，可以通過處理氧化物和完全去除有機(jī)涂層來獲得顏色。

參考文獻(xiàn)：
[1]  Helgert, Harold. L; et.al. Method of Making Black Stainless Steel Sheet. U.S. Patent 3,556,871, January 19, 1971.
[2]  Kerber, Susan J. Nanoparticle Surface Treatment. U.S. Patent 8,568,538 B2.
[3]  Stott, F. H. Influence of Alloy Additions on Oxidation. Materials Science Tech. 1989, 5 (8), 734.
[4]  Material Interface Inc. Protecting Furnace Components with Minimox® Alloy Treatment. Minimox® Product Data Bulletin. 2016.
[5]  Myers, F.A. Black Steel. AK Steel Presentation, 2018.
[6]  Myers, F. A.; Price, L. R. Method of Colorizing Stainless Steel Using Strip Anneal Processing. U.S. Patent 11,584,997 B2, February 21, 2023.

 作者：Cynthia A. Gosselin博士，The ChemQuest

來源：榮格-《涂料與油墨—中國版》

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