CN101952655A - 设有亲水涂层的蒸汽发生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种包括设有亲水涂层的蒸汽室的蒸汽发生装置。亲水涂层包括碱金属硅酸盐化合物和硼，优选地为硼与金属元素的盐。涂层促进蒸发并且耐剥落。本发明还涉及一种在蒸汽发生装置的蒸汽室中产生亲水涂层的方法，以及一种包括蒸汽发生装置的熨斗。
Description
技术领域
本发明涉及一种包括设有亲水涂层的蒸汽室的蒸汽发生装置。本发明还涉及一种在蒸汽发生装置的蒸汽室内提供亲水涂层的方法。本发明特别涉及一种包括具有亲水涂层的蒸汽室的蒸汽熨斗。
背景技术
在1个大气压下将水加热到100℃以上会将水变成蒸汽。在诸如蒸汽熨斗的蒸汽发生装置中，将水施加至热的表面以产生蒸汽。但是，蒸汽可以在表面和水滴之间形成隔离层，从而有效地减缓水的蒸发。水滴将倾向于在表面上弹跳而非蒸发为蒸汽。这一效应被称为莱顿弗罗斯特(Leidenfrost)效应并通常在160℃以上时发生。可在例如蒸汽熨斗中观察到该效应。
已经提出了多种方法以防止莱顿弗罗斯特效应，范围从在蒸汽室内设置诸如肋板的特殊结构，到在蒸汽室表面使用涂层。适合的蒸汽促进涂层是亲水且中度隔热的。涂层的中度隔热特性在无水时轻微地降低表面温度，并且防止水与热的铝基底接触。当一些水与表面接触时，表面有效地迅速降温至莱顿弗罗斯特效应的温度以下。优选地，这些蒸汽促进涂层也具有一定数量的多孔(porosity)。由于蒸汽促进涂层的亲水特性，引入的水容易地在蒸汽室的表面上扩散。适合的蒸汽促进涂层应当容易潮湿、具有吸收水的多孔结构且表面具有高的粗糙度。
US 3,499,237中公开了一种上述类型的蒸汽发生装置。已知的装置(蒸汽熨斗)具有蒸汽促进涂层成份，其主要由碱金属硅酸盐化合物和粉末状玻璃构成。特别地，使用硅酸钠(水玻璃)。可以使水玻璃干燥以形成硬质玻璃层。由于其无机物特性，水玻璃具有耐热性并且可以用作蒸汽熨斗中的蒸汽促进涂层。由于高pH值，水玻璃侵蚀铝基板，从而增加涂层与铝的粘附性。水玻璃主要的缺点是可溶于水，原因是水玻璃中有大量的碱。一旦将水添加至蒸汽熨斗的蒸汽室中，现有的蒸汽促进材料就会至少部分地溶解，并且可能从蒸汽室中浸出。当用水润洗蒸汽室使其脱去石灰质时这一效应更加显著。
发明内容
本发明的一个目的是要克服上述问题。特别地，本发明的一个目的是提供一种具有设有亲水涂层的蒸汽室的蒸汽发生装置，亲水涂层在温暖潮湿的环境下具有降低的可溶性。另一个目的是提供一种对莱顿弗罗斯特效应不敏感的蒸汽室涂层。又一个目的是提供一种在蒸汽熨斗的蒸汽室中应用亲水涂层成份以促进蒸发的方法。
通过包括设有包括碱金属硅酸盐化合物的亲水涂层的蒸汽室的蒸汽装置可以实现这些和其他目的，其中该涂层进一步包括硼。优选地，提供一种蒸汽发生装置，其包括设有包括碱金属硅酸盐化合物的亲水涂层的蒸汽室，其中涂层还包括硼与金属元素的盐，更优选地为硼酸盐。
附图说明
在附图中：
图1为根据本发明的蒸汽熨斗的局部剖视部分正视图。
具体实施方式
根据本发明，提供一种蒸汽发生装置，该装置包括设有亲水涂层的蒸汽室。亲水涂层成份包括碱金属硅酸盐化合物和硼(优选地为硼与金属元素的盐)。将碱金属硅酸盐化合物和硼与金属元素的盐结合使用所产生的涂层在固化后具有优秀的蒸汽性能。特别地，本发明的涂层具有蒸汽促进涂层的大部分希望的特征：它不仅将莱顿弗罗斯特效应移位到了更高的温度，展现出良好的润湿特性并使水扩散进入其多孔结构中，而且还防止或至少减少涂层的隔热和剥落。根据本发明的涂层成份的进一步的优点是易于喷涂。
令人惊讶地，已经发现向水玻璃以及一般地向碱金属硅酸盐中添加硼(优选地添加硼酸盐)能够降低其溶解度。这一有益的效应据信是(部分地)由于硼酸盐与碱的反应。将硼酸盐与碱金属硅酸盐，特别地与水玻璃以一定的Si∶B∶碱的比例混合得到在混合后仍可溶于水，但干燥后不能溶解的成份。假设通过与碱(一部分)发生反应，看来添加硼能够有效地降低碱金属硅酸盐在干燥后的溶解度。所产生的碱性硼硅酸盐涂层对铝基底有良好的吸附性，基本不溶于水，此外能够提供良好的蒸汽性能。已知硼酸盐可以以不同结构存在，例如二硼酸盐、偏硼酸盐、焦硼酸盐等。但是，本发明并不限于这些结构中的任意一种。为了方便，可以以硼酸和/或硼酸与碱金属元素的盐的形式将硼酸盐添加入碱金属硅酸盐中。也可以使用硼酸酯，例如B(OCH3)3。
在本发明的一种优选的实施方式中，蒸汽发生装置的特征在于金属元素为碱金属元素。原则上可以使用任意的碱金属元素，但是优选的元素从钠、锂和钾的组中选取。如果必须改进蒸汽促进涂层成分的稳定性，那么使用锂是特别优选的。如果必须改进蒸汽促进涂层的蒸汽表现，那么使用钾是特别优选的。
为了产生有利的效果，蒸汽促进涂层成份中硼酸盐的量优选地占干燥后涂层(基本去除涂层成份中的水)的全部成份的1％到40％的重量。更优选地，硼酸盐的量占5％到30％的重量，最优选地占8％到20％的重量。
可以通过向其增加填充物来改进涂层的机械属性，特别是涂层的强度。可以使用本领域已知的任何填充物，包括诸如氧化铝和二氧化硅的金属氧化物颗粒，诸如云母、高岭土等的矿物颗粒，或其混合物。在本发明的一种更优选的实施方式中，蒸汽发生装置的亲水涂层包括二氧化硅颗粒。这些颗粒被认为能够形成更好的涂层，这可能是因为它们能够带走涂层中的一些碱性部分，例如提高硅碱比，进一步降低最终物质的溶解度。可以使用胶态二氧化硅(例如Ludox(Degussa))，但更优选地使用更粗糙的二氧化硅。例如锻制二氧化硅(例如Aerosil(Degussa))或沉淀二氧化硅(Sipernat(Degussa))。
为了产生具有改进的机械属性的涂层，蒸汽促进涂层成份中填充物的量优选地占干燥后涂层(干燥是指基本去除涂层成份中的水)的全部成份的5％到60％的重量。更优选地，填充物的量占10％到40％的重量，最优选地占15％到25％的重量。
本发明也涉及一种在蒸汽发生装置的蒸汽室内产生亲水涂层的方法。该方法包括准备碱金属硅酸盐化合物与硼和金属元素的盐的混合物，将该混合物引入蒸汽室中，并在高温下将该混合物固化以形成亲水涂层。将混合物引入蒸汽室优选地通过喷涂来执行。
特别地，本方法的特征在于将硼(优选的为硼酸盐)溶于水，再加入碱金属氢氧化物。适合的金属氢氧化物是氢氧化钠、氢氧化锂和氢氧化钾，最优选的碱性化合物是氢氧化钾。然后搅拌该溶液形成碱性硅酸盐化合物的溶液。将所得到的通常具有更高粘性的(半透明)溶液涂覆于铝基底上并在高温下固化形成亲水涂层。得到基本不可溶、多孔的硼硅酸盐涂层。所获得的涂层改进了蒸汽的形成，并且不会出现剥落和/或其他不利的效果。
根据本发明的涂层的额外的优点是可以在广泛的厚度范围内得到适合的涂层。由于本发明的涂层成份的有利的流变能力，特别是相对低的粘性，能够容易地涂覆非常薄的涂层。由此，可以根据所使用的蒸汽促进材料的特定类型来调节涂层的厚度。厚的多孔涂层将防止莱顿弗罗斯特效应直至高温度。但是，如果涂层过厚，涂层的热传导会过分限制蒸发率。特别在较低的温度和高的进水速率下，水可能会从蒸汽发生装置中泄漏。如果涂层过薄，则低温下的蒸发率更高。但是，在这种情况下蒸汽发生装置更容易产生莱顿弗罗斯特效应，且接触表面的水会弹开，导致高温时蒸汽发生装置的喷溅。对于多孔涂层，能够实现在低温下(由于更好的散布)和在高温下的高蒸发率。涂层厚度还可以由涂层材料的机械属性限制。如果涂层超过一定的临界厚度可能会出现剥落。一般来说，优选的涂层厚度在1到100微米之间，更优选地在20到80微米之间，最优选地在30到60微米之间。
为了改进涂层和铝基底之间的吸附性，可以通过有机溶剂漂洗和/或通过诸如喷砂的机械方法来对铝进行清洁。也可以通过在涂层混合物中加入表面活性剂来改进铝表面的润湿。
涂层成份的固化是在高温下执行的，特定的固化(或干燥)温度取决于涂层的成份。可以通过在烤炉中加热或通过诸如红外线、超声波等任何其他加热源将未固化的涂层成份加热至固化温度。但是，优选的固化方法包括加热蒸汽室表面本身。这样涂层从内侧到外侧表面固化，这对所产生的涂层的属性具有有利的效果。内侧表面是最靠近铝基底的表面，外侧表面是最远离铝基底的表面。涂层成份过快干燥/固化可能导致固化后涂层的沸腾标记(boiling mark)。因此可选地在涂覆涂层成份之前对蒸汽室进行预热。
现在将通过公开的附图及下述示例对本发明进行更具体的解释，但是本发明并不限于这些附图和示例。
图1所示的蒸汽熨斗包括壳体1，壳体1在底部侧由铝质底板2封闭，铝制底板的下表面3设有不锈钢薄层。底板的内侧设有竖直的肋4，该肋4上设有铝质板5使得板5和底板2的内侧之间形成蒸汽室6。蒸汽室由弹性硅树脂橡胶7密封。蒸汽熨斗还包括储水器8。通过泵送机构9可以将储水器8中的水直接喷涂在待熨的衣服上。通过泵送机构10可以将水从储水器8泵入蒸汽室5，从而增加蒸汽输出。这些水经过板5中的小孔到达蒸汽室6的底部。蒸汽室6的底部设有亲水蒸汽室涂层11。如下述示例所述地制造和设置亲水涂层11。
在所有示例中，水悬浮液由所指示的成分通过简单的混合制成。随后，将这样获得的悬浮液涂覆于蒸汽室6的底部，然后通过干燥和/或固化使其变厚。这样获得亲水蒸汽室涂层11(图1)。
示例1-硼酸盐的量的影响
在本系列实验中，分析硼酸盐的量对固化涂层的溶解度的影响。如表1所示，使用不同量的硼酸。将20克量的水玻璃(Aldrich)与0.5、1、1.5和2克硼酸以及额外的水进行混合以溶解硼酸。在加入2克硼酸的情况下，即使当加入55克水时仍形成一些不溶解的沉淀物。然后将所得到的材料涂覆于铝基板上并在220℃下进行固化。固化2分钟后，将水短时间地滴到受热的材料上。视觉地观察涂层的完整性。在不添加硼酸的情况下，水玻璃溶解。随着硼酸量的增加，溶解度下降。在约2.8∶1的硅∶硼时，涂层不可溶。
表1准备的溶液和结果
| 水玻璃 | 硼酸 | 水 | Si | Na | B | 溶解 |
| 20克 | 0克 | - | 2.76 | 2.1 | - | 是 |
| 20克 | 0.5克 | 10 | 2.76 | 2.1 | 0.25 | 部分 |
| 20克 | 1克 | 10 | 2.76 | 2.1 | 0.5 | 部分 |
| 20克 | 1.5克 | 20 | 2.76 | 2.1 | 0.75 | 部分 |
| 20克 | 2克 | 55 | 2.76 | 2.1 | 1 | 否 |
示例2-碱的量的影响
在本系列实验中，分析碱的量对涂层的溶解度的影响。因为硼酸在水玻璃中的溶解度是受限的，所以使用额外的碱来预先溶解硼酸，并将所产生的溶液加入水玻璃中。实验中，在8克水中将2克硼酸与一定量的氢氧化物(如表2和表3所示)混合。硼酸溶解。在一些情况下，产生的硼酸盐又一次沉淀。
将产生的溶液或悬浮液加入20克水玻璃中，形成清澈的溶液。将涂层溶液涂覆于蒸汽熨斗的蒸汽室内并在220℃下固化。在220℃下通过滴水并视觉验证以测试涂层的溶解情况。
在使用NaOH(表2)的情况下，当加入多于0.8克NaOH时溶解度开始增加。换算为硼的量，相应于2.76∶2.72∶1的硅∶钠∶硼比。更少量的钠导致在所使用的水量中硼酸不充分溶解。
表2准备的溶液和结果
| 水玻璃 | 硼酸 | NaOH | Si | Na1 | B | Na2 | Na1+Na2 | 溶解 |
| 20克 | 2克 | 0.4 | 2.76 | 2.1 | 1 | 0.33 | 2.43 | 否 |
| 20克 | 2克 | 0.6 | 2.76 | 2.1 | 1 | 0.46 | 2.56 | 否 |
| 20克 | 2克 | 0.8 | 2.76 | 2.1 | 1 | 0.62 | 2.72 | 否 |
在使用LiOH(表3)的情况下得到类似的结果。当加入多于1克LiOH.H2O时，在滴水测试中观察到部分溶解。换算为硼的量，相应于2.76∶2.84∶1的硅∶(钠+锂)∶硼比。更少量的锂导致在所使用的水量中硼酸不充分溶解。
表3准备的溶液和结果
| 水玻璃 | 硼酸 | LiOH | Si | Na | B | Li | Na+Li | 溶解 |
| 20克 | 2克 | 0.5 | 2.76 | 2.1 | 1 | 0.37 | 2.47 | 否 |
| 20克 | 2克 | 0.6 | 2.76 | 2.1 | 1 | 0.44 | 2.54 | 否 |
| 20克 | 2克 | 0.8 | 2.76 | 2.1 | 1 | 0.59 | 2.69 | 否 |
| 20克 | 2克 | 1.0 | 2.76 | 2.1 | 1 | 0.74 | 2.84 | 否 |
对于KOH(表4)溶解度略为增加，可加入的碱的量更少。加入多于1克KOH导致涂层在滴水测试中部分溶解。换算为硼的量，相应于2.76∶2.65∶1的硅∶(钠+钾)∶硼比。更少量的钾导致在所使用的水量中硼酸不充分溶解。
表4准备的溶液和结果
| 水玻璃 | 硼酸 | KOH | Si | Na | B | K | Na+K | 溶解 |
| 20克 | 2克 | 0.99 | 2.76 | 2.1 | 1 | 0.54 | 2.65 | 否 |
这里所示的实验并不是穷尽的，而是表明在给定的成分量下，添加碱的实际工作范围从钾到锂变大。
实验3-填充物的影响
通过在硼硅酸盐混合物中填充二氧化硅或氧化铝可以实现机械强度的进一步提高。根据涂层工业的一般实践也可以使用其他填充物。加入填充物对于所涂覆的涂层的蒸汽表现也是有利的。在这些实验中，可以使用例如精细颗粒尺寸的二氧化硅颗粒。二氧化硅颗粒可以从Degussa(Aerosil)或Grace(Syloid)购买到。铝颗粒可以从例如Degussa(例如Alu-C)或从Baikowski(Baikolox)获得。
在一个示例中，将2克硼酸和1.4克KOH溶解于8克水中。将所得到的溶液加入20克水玻璃中，得到低粘度的透明溶液。将15克水中含2.8克Syloid C809的分散体加入该溶液中。将得到的浆体喷涂于蒸汽熨斗的蒸汽室内。通过将底板直接加热至220℃使得涂层固化。白色的层具有良好的蒸汽表现并且能良好地吸附于铝质底板。获取当使用同样量的Degussa的Alu-C(铝)时的对比结果。
有利地，也可以使用胶体二氧化硅颗粒。它们是可购买到的，例如商标为Ludox或Bindzil。例如添加Ludox As40改善原有的硼硅酸盐溶液的机械强度。
在根据本发明的另一个示例中，将2克硅酸与0.5克LiOH.H2O分散于8克水中。将该混合物与20克水玻璃进行搅拌。然后，将10.8克来自Degussa的二氧化硅分散体(Aerodisp 1226，pH值9.5，颗粒尺寸0.25微米)加入该混合物中。将所得到的涂层成份喷涂于蒸汽熨斗的底板内并在220℃下固化2分钟。在得到的涂层上滴水立刻形成蒸汽，显示莱顿弗罗斯特温度大于220℃。
在又一个示例中，将2克硅酸与0.5克LiOH.H2O分散于8克水中。将该混合物与20克水玻璃进行搅拌。然后，在其中加入7克LudoxAS40(pH值9.5，20nm)与7克水的混合物。将所得到的涂层成份喷涂于蒸汽熨斗的底板内并在220℃下固化2分钟。在得到的涂层上滴水立刻形成蒸汽，显示莱顿弗罗斯特温度大于220℃。
替代地，可以将填充物直接分散于硼酸盐溶液中，而非使用预先分散的填充物。
例如，将2克硼酸与1.4克KOH溶解于12克水中。然后在搅拌的同时加入2.8克Aerosil OX50，得到具有一致平滑性的粘性材料。将所得到的材料加入20克水玻璃中。由此获得的涂层成份被喷涂于底板内并在220℃下固化2分钟。在得到的涂层上滴水立刻形成蒸汽，显示莱顿弗罗斯特温度大于220℃。
需要强调，示例中所使用的成分的具体量可以根据使用的水玻璃的类型而改变。商品等级的水玻璃的固体含量和硅/钠比可以变化。
根据本发明的涂层成份也可以用于具有独立的蒸汽室的熨斗，其中独立的蒸汽室通过软管连接至熨斗。
本发明涉及包括设有亲水涂层的蒸汽室的蒸汽发生装置。亲水涂层包括碱金属硅酸盐化合物和硼，优选地为硼与金属元素的盐。涂层促进蒸发并耐剥落。本发明还涉及在一种蒸汽发生装置的蒸汽室内产生亲水涂层的方法，以及一种包括蒸汽发生装置的熨斗。
Claims (10)
1.一种蒸汽发生装置，包括设有亲水涂层成份的蒸汽室，所述涂层成份包括碱金属硅酸盐化合物，其中，所述涂层成份还包括硼。
2.根据权利要求1所述的蒸汽发生装置，其中，所述涂层成份还包括硼与金属元素的盐。
3.根据权利要求2所述的蒸汽发生装置，其中，所述金属元素为碱金属元素。
4.根据权利要求3所述的蒸汽发生装置，其中，所述碱金属元素为锂和/或钾。
5.根据前述权利要求中的任意一项所述的蒸汽发生装置，其中，所述碱金属硅酸盐化合物包括硅酸钠化合物。
6.根据前述权利要求中的任意一项所述的蒸汽发生装置，其中，所述硼与金属元素的盐的量优选地占干燥后涂层的全部成份的1％到40％之间的重量。
7.根据前述权利要求中的任意一项所述的蒸汽发生装置，其中，所述亲水涂层包括二氧化硅颗粒。
8.一种在蒸汽发生装置的蒸汽室内产生亲水涂层的方法，该方法包括准备碱金属硅酸盐化合物以及硼与金属元素的盐的混合物，将所述混合物引入所述蒸汽室内，并且在高温下使所述混合物固化，以形成耐酸的亲水涂层。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，通过加热蒸汽室表面使所述混合物达到高温。
10.一种蒸汽熨斗，其包括根据权利要求1至7中的任意一项的蒸汽发生装置。
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