CN102002268A - 采用溶胶-凝胶杂化技术制备的超硬不粘硅炊具涂料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用溶胶-凝胶杂化技术制备的超硬不粘硅炊具涂料，其组成为：纳米二氧化硅：30～50％、硅酸化合物：20～40％、镁、钙化合物：5～10％、氯化铵：3～5％、催化剂：0.5～2.0％、助剂：1～4％、硅烷偶联剂：0.5～2.0％、多元有机硅材料：15～25％、无水乙醇：5～10％、蒸馏水：10～20％；它利用溶胶-凝胶法，合成纳米CaO-SiO₂粉体，通过Mg对Ca的取代，开发出(Ca，Mg)SiO₃纳米粉体材料，再在熔胶中引入低烧助剂先驱体来降低陶瓷的烧结温度，并通过添加适量有机硅材料，调节陶瓷硬化温度，获得能在250℃以下烧结的低温烧结纳米陶瓷涂料。本发明的超硬不粘硅陶瓷涂料附着力强、硬度高、不易划伤、抗冲击、无毒环保，可完全取代铁氟龙不粘涂料。

Description

采用溶胶-凝胶杂化技术制备的超硬不粘硅炊具涂料

技术领域

本发明属于化工技术领域，涉及镁铝合金炊具表面处理和涂装保护的材料，具体涉及一种采用溶胶-凝胶杂化技术制备的超硬不粘硅炊具涂料。

背景技术

Teflon(铁氟龙)由四氟乙烯TFE聚合而成，它具有优异的加工性能、耐热性能(-200℃～260℃)和较高的润滑特性，广泛地用作不粘炊具表面的涂料。但进年来有许多科学研究报告指出，“铁氟龙”涂料在过分加热情况下有可能释放一种可致癌的有害物质。欧盟及美国相关机构分别于2007年及2015年相继禁止在欧洲及美国市场使用。因此，对于厨具生产商急需寻求一种能取代“铁氟龙”的涂料用作不粘炊具的表面涂敷。

富有挑战性的21世纪把人们带进了一个新的历史时期，一场以节省资源和能源、保护生态环境的新的工业革命正在兴起，材料科学扮演着举足轻重的作用，而在材料加工的革命中，溶胶-凝胶法以其设备投资简单、应用领域广泛而备受青睐。溶胶-凝胶技术是材料学和化学相结合的交叉学科，是制备有机-无机杂化材料的重要手段。其在制备纳米材料、薄膜及涂层材料、功能材料、纤维材料以及有机-无机复合材料等领域有着广泛的应用前景，将成为21世纪材料制备加工的主导技术之一。溶胶-胶凝胶技术包含了丰富的科学内涵，也给人们提供了广阔的创新空间。溶胶-凝胶技术的应用不但节省资源，而且对能源的消耗少，同时在治理环境污染方面也将发挥重要的作用，目前正向各个领域广泛渗透。

发明内容

本发明就是利用溶胶-胶凝胶技术，提供了一种采用溶胶-凝胶杂化技术制备的超硬不粘硅炊具涂料，它是先把有机硅及无机硅化合物利用溶胶-凝胶技术杂化，并加入无毒性溶剂制成溶胶-凝胶混合体，然后在低于250℃及紫外线下令混合物固化，最终制成超硬不粘硅涂料，用来取代“铁氟龙”涂料，解决了“铁氟龙”涂料涂敷在炊具上，在过分加热情况下存在的释放一种可致癌有害物质的问题。

本发明还提供了该超硬不粘硅炊具涂料的制备方法

本发明所采用的技术方案是，一种采用溶胶-凝胶杂化技术制备的超硬不粘硅炊具涂料，按其重量百分比，其组成为：

纳米二氧化硅：30～50％、硅酸化合物：20～40％、镁、钙化合物：5～10％、氯化铵：3～5％、催化剂：0.5～2.0％、助剂：1～4％、硅烷偶联剂：0.5～2.0％、多元有机硅材料：15～25％、无水乙醇：5～10％、蒸馏水10～20％；

其中，所述的硅酸化合物为：正硅酸乙酯；

所述的助剂为：流平剂、消泡剂；

本发明采用溶胶-凝胶杂化技术制备的超硬不粘硅炊具涂料，其特征还在于，

所述材料的制备方法按以下步骤进行：

步骤一、改性：取30～50％的纳米二氧化硅置于超声波清洗器，加入0.2～1.0％硅烷偶联剂，超声分散20～30分钟后转移至磁力搅拌器，加入0.1～0.5％硅烷偶联剂，高速搅拌1.0～5.0小时后过滤；

步骤二、溶胶化：先将20～40％的正硅酸乙酯、0.2～0.5％硅烷偶联剂和5～10％无水乙醇加入烧杯中，搅拌10～20分钟，使三者混合均匀；再按正硅酸乙酯与蒸馏水2∶1的比例加入10～20％的蒸馏水，搅拌25～30分钟，使二者混合均匀；

步骤三、凝胶化：向混合溶液中加入5～10％镁、钙化合物(0.2mol/L碳酸镁、碳酸钙溶液)，保持搅拌状态1.5～2.0小时，使水解反应完全，即可得到二氧化硅溶胶液，然后用塑料薄膜封口，静置24小时左右；然后将石英片放在铬酸洗液中充分浸泡以除去其表面的无机物杂质，然后放入乙醇中超声波震荡，最后用去离子水洗净；将洗净的基片垂直浸入到溶胶中，快速的从溶胶中提拉出来，提拉速度为1～20cm/分钟，浸渍提拉法所需溶胶粘度一般在2～5×10^-3Pa·s；

步骤四、预聚体：拉膜后的基片在200～250℃及紫外线下干燥固化30～40分钟；

步骤五、添加多元有机硅材料：15～25％的多元有机硅材料分多次添加，先缓慢加入所需多元硅材料的5％，然后加入多元硅材料的10％，再加入30％；再加入55％；每加入一次间隔时间为2分钟，加入时搅拌速度为500～1000r/分钟；

步骤六、交联：将经预聚体的凝胶以1000～1500r/分钟速度搅拌，搅拌时间为15～20分钟；

步骤七、助剂混合：最后分别加入0.5～2％的流平剂，0.5～2％的消泡剂进行混合，混合搅拌速度为1500～2000r/分钟，时间为20～25分钟；

步骤八、最后用400目过滤网过滤，即得超硬不粘硅炊具涂料。

本发明的有益效果是，它利用溶胶-凝胶法，合成纳米CaO-SiO₂粉体，通过Mg对Ca的取代，开发出(Ca，Mg)SiO₃纳米粉体材料，再在熔胶中引入低烧助剂先驱体来降低陶瓷的烧结温度，并通过添加适量有机硅材料，调节陶瓷硬化温度，获得能在250℃以下烧结的低温烧结纳米陶瓷涂料。本发明的超硬不粘硅陶瓷涂料在耐久性、附着强度、耐划、硬度、无毒环保等方面性能优良，可完全取代铁氟龙不粘涂料，具有很好的商业价值和社会意义。

附图说明

附图是本发明涂料制备工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种采用溶胶-凝胶杂化技术制备的超硬不粘硅炊具涂料，按其重量百分比，其组成为：

纳米二氧化硅：30～50％、硅酸化合物：20～40％、镁、钙化合物：5～10％、氯化铵：3～5％、催化剂：0.5～2.0％、助剂：1～4％、硅烷偶联剂：0.5～2.0％、多元有机硅材料：15～25％：无水乙醇：5～10％、蒸馏水10～20％；

其中，所述的硅酸化合物为：正硅酸乙酯；

所述的助剂为：流平剂、消泡剂；

一种采用溶胶-凝胶杂化技术制备的超硬不粘硅炊具涂料的方法，如附图所示，本发明材料的制备方法按以下步骤进行：

步骤一、改性：取30～50％的纳米二氧化硅置于超声波清洗器，加入0.2～1.0％硅烷偶联剂，超声分散20～30分钟后转移至磁力搅拌器，加入0.1～0.5％硅烷偶联剂，高速搅拌1.0～5.0小时后过滤；

步骤二、溶胶化：先将20～40％的正硅酸乙酯、0.2～0.5％硅烷偶联剂和5～10％无水乙醇加入烧杯中，搅拌10～20分钟，使三者混合均匀；再按正硅酸乙酯与蒸馏水2∶1的比例加入10～20％的蒸馏水，搅拌25～30分钟，使二者混合均匀；

步骤三、凝胶化：向混合溶液中加入5～10％镁、钙化合物(0.2mol/L碳酸镁、碳酸钙溶液)，保持搅拌状态1.5～2.0小时，使水解反应完全，即可得到二氧化硅溶胶液，然后用塑料薄膜封口，静置24小时左右；然后将石英片放在铬酸洗液中充分浸泡以除去其表面的无机物杂质，然后放入乙醇中超声波震荡，最后用去离子水洗净；将洗净的基片垂直浸入到溶胶中，快速的从溶胶中提拉出来，提拉速度为1～20cm/分钟，浸渍提拉法所需溶胶粘度一般在2～5×10^-3Pa·s；

步骤四、预聚体：拉膜后的基片在200～250℃及紫外线下干燥固化30～40分钟；

步骤五、添加多元有机硅材料：分多次添加15～25％的多元有机硅材料：先缓慢加入所需多元硅材料的5％，然后加入多元硅材料的10％，再加入30％；再加入55％；每加入一次间隔时间为2分钟，加入时搅拌速度为500～1000r/分钟；

步骤六、交联：将经预聚体的凝胶以1000～1500r/分钟速度搅拌，搅拌时间为15～20分钟；

步骤七、助剂混合：最后分别加入0.5～2％的流平剂0，0.5～2％的消泡剂进行混合，混合搅拌速度为1500～2000r/分钟，时间为20～25分钟；

步骤八、最后用400目过滤网过滤，即得超硬不粘硅炊具涂料。

通过上述工艺步骤，本发明实现了：

A、钠米材料表面改性：采用物理或化学方法对钠米颗粒进行表面处理，改变其表面物理化学性质，降低纳米粒子的表面能，减少纳米粒子间的引力，防止团聚体的产生。

B、硅溶胶的制备：采用sol-gel合成硅溶胶，准确地控制硅溶胶的特性，如颗粒形貌，固含量(一般情况下为30-40％)颗粒大小：80-120nm、SiO₂颗粒的空隙率：40-60％、分散媒体：无水乙醇、Ph值：8-10。

C、添加剂：适量的添加剂不仅可以有效地改善纳米陶瓷涂料的热稳定性，对涂料的机械强度也有很显着的作用，通过天然矿物原料和高龄土、滑石、蜡石等来引入Al2O₃、SiO₂、ZrO₂、MgO等成分，提高纳米陶瓷涂料综合性能。

实施例

步骤一、改性：取40％的纳米二氧化硅置于超声波清洗器，加入0.6％硅烷偶联剂，超声分散30分钟后转移至磁力搅拌器，加入0.4％硅烷偶联剂，高速搅拌1.0～5.0小时后过滤；

步骤二、溶胶化：先将30％的正硅酸乙酯、0.4％硅烷偶联剂和10％无水乙醇加入烧杯中，搅拌20分钟，使三者混合均匀；再按正硅酸乙酯与蒸馏水2∶1的比例加入15％的蒸馏水，搅拌25分钟，使二者混合均匀；

步骤三、凝胶化：向混合溶液中加入8％镁、钙化合物(0.2mol/L碳酸镁、碳酸钙溶液)，保持搅拌状态2.0小时，使水解反应完全，即可得到二氧化硅溶胶液，然后用塑料薄膜封口，静置24小时左右；然后将石英片放在铬酸洗液中充分浸泡以除去其表面的无机物杂质，然后放入乙醇中超声波震荡，最后用去离子水洗净；将洗净的基片垂直浸入到溶胶中，快速的从溶胶中提拉出来，提拉速度为10cm/分钟；

步骤四、预聚体：拉膜后的基片在250℃及紫外线下干燥固化30分钟；

步骤五、添加多元有机硅材料：20％的多元有机硅材料分四次添加，第一次缓慢加入1％的多元硅材料，第二次加入2％的多元硅材料，第三次加入6％的多元硅材料；随后加入11％的多元硅材料；每加入一次间隔时间为2分钟，加入时搅拌速度为1000r/分钟；

步骤六、交联：将经预聚体的凝胶以1000r/分钟速度搅拌，搅拌时间为20分钟；

步骤七、助剂混合：最后分别加入1％的流平剂，1％的消泡剂进行混合，混合搅拌速度为2000r/分钟，时间为20分钟；

步骤八、最后用400目过滤网过滤，即得超硬不粘硅炊具涂料，并用专用涂料桶盛装。

用本发明制备得到的超硬不粘硅炊具涂料经检测具有以下特点：

A、涂层硬度为(3-7H)，耐磨性极佳，不易划伤，抗冲击力强、且涂层附着力好，韧性高。

B、含有纳米材料，有很好的抗菌防污效果，易清洗，具有疏水不粘性。

C、加工容易，采用空气喷涂，一次性烘烤成膜，可在250℃左右低温烧结。

D、涂敷的炊具耐高温，可在400℃以下长期使用，且高温下颜色稳定。

E、用在不粘锅上，能够保证持久的不粘性能。

F、不含PFOA、PTFE等致癌物质，安全无毒，是类似陶瓷的纯无机材质，可与食物直接接触。

上述实施方式只是本发明的一个实例，不是用来限制本发明的实施与权利范围，凡依据本发明申请专利保护范围所述的内容做出的等效变化和修饰，均应包括在本发明申请专利范围内。

Claims (2)

1.一种采用溶胶-凝胶杂化技术制备的超硬不粘硅炊具涂料，按其重量百分比，其组成为：

纳米二氧化硅：30～50％、硅酸化合物：20～40％、镁、钙化合物：5～10％、氯化铵：3～5％、催化剂：0.5～2.0％、助剂：1～4％、硅烷偶联剂：0.5～2.0％、多元有机硅材料：15～25％、无水乙醇：5～10％、蒸馏水：10～20％；

其中，所述的硅酸化合物为：正硅酸乙酯；

所述的助剂为：流平剂、消泡剂；

2.一种采用溶胶-凝胶杂化技术制备的超硬不粘硅炊具涂料的方法，其特征在于，所述材料的制备方法按以下步骤进行：

步骤一、改性：取30～50％的纳米二氧化硅置于超声波清洗器，加入0.2～1.0％硅烷偶联剂，超声分散20～30分钟后转移至磁力搅拌器，加入0.1～0.5％硅烷偶联剂，高速搅拌1.0～5.0小时后过滤；

步骤二、溶胶化：先将20～40％的正硅酸乙酯、0.2～0.5％硅烷偶联剂和5～10％无水乙醇加入烧杯中，搅拌10～20分钟，使三者混合均匀；再按正硅酸乙酯与蒸馏水2∶1的比例加入10～20％的蒸馏水，搅拌25～30分钟，使二者混合均匀；

步骤三、凝胶化：向混合溶液中加入5～10％镁、钙化合物(0.2mol/L碳酸镁、碳酸钙溶液)，保持搅拌状态1.5～2.0小时，使水解反应完全，即可得到二氧化硅溶胶液，然后用塑料薄膜封口，静置24小时左右；然后将石英片放在铬酸洗液中充分浸泡以除去其表面的无机物杂质，然后放入乙醇中超声波震荡，最后用去离子水洗净；将洗净的基片垂直浸入到溶胶中，快速的从溶胶中提拉出来，提拉速度为1～20cm/分钟，浸渍提拉法所需溶胶粘度一般在2～5×10^-3Pa·s；

步骤四、预聚体：拉膜后的基片在200～250℃及紫外线下干燥固化30～40分钟；

步骤五、添加多元有机硅材料：15～25％的多元有机硅材料分多次添加，先缓慢加入所需多元硅材料的5％，然后加入多元硅材料的10％，再加入30％；再加入55％；每加入一次间隔时间为2分钟，加入时搅拌速度为500～1000r/分钟；

步骤六、交联：将经预聚体的凝胶以1000～1500r/分钟速度搅拌，搅拌时间为15～20分钟；

步骤七、助剂混合：最后分别加入0.5～2％的流平剂，0.5～2％的消泡剂进行混合，混合搅拌速度为1500～2000r/分钟，时间为20～25分钟；

步骤八、最后用400目过滤网过滤，即得超硬不粘硅炊具涂料。

Images