CN103205201A - 不粘陶瓷涂料及其涂覆方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于对表面涂布液体或其他流体的工艺技术领域，涉及一种不粘陶瓷涂料及其涂覆方法。一种不粘陶瓷涂料，是由A、B两组分按质量比2:0.5~2混合而成，其中：A组分：由以质量分数计的组分：硅溶胶45～100%，颜料0～30%，填料0～23%，分散助剂0~2%，混合后研磨2小时以上得到；B组分：由以下以质量分数计的组分混合而成：催化剂0.2~2%，氟硅烷3~15%，助剂2~10%，有机溶剂0~10%，余量为至少一种硅烷；所述的催化剂为甲酸或乙酸或二者混合物；所述的硅烷具有以下的分子通式RnSi(OR’)4-n，其中：R为烷基、环氧基或芳基，R’为C1-C5的烷基；n=0,1,2。采用该涂料制得的涂层不含有PTFE和PFOA等物质，环保节能，同时具有耐磨、耐刮和优异的不粘性能。
Description
技术领域
本发明属于对表面涂布液体或其他流体的工艺技术领域，涉及一种不粘陶瓷涂料及其涂覆方法。
背景技术
不粘涂料是在1958年被发明应用以后迅速发展，广泛应用于炊具、小家电等领域，给人们生活带来了便捷。现有的不粘涂层其核心是铁氟龙---聚四氟乙烯（PTFE）,但近年来许多科学研究报告指出，“铁氟龙”涂料在高温（260℃以上）情况下会释放有害物质。而且聚四氟乙烯在生产过程中会添加全氟辛酸铵（PFOA）,化学性质稳定的全氟辛酸铵（PFOA）进入自然界和人体后，会长期存在，不能很快分解，在动物实验中低剂量的全氟辛酸铵（PFOA）被证实有致癌作用和其他不良后果。因此，对于厨具生产商来说急需寻找一种能取代“铁氟龙”的涂料用作不粘炊具的表面涂覆。
具有优异不粘性的陶瓷涂料是一款以无机物为主要原料的不粘涂料，在环境保护和节约能源方面有着“铁氟龙”无法比拟的优势。但是现有的陶瓷不粘涂料在不粘性、韧性、耐磨等方面有些不足，使其在应用上有所局限。因此，需要开发一款不但在韧性、耐磨方面满足要求而且在不粘性方面有着优异表现的不粘陶瓷涂料来满足人们对环保不粘涂层的需要。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷提供一种具有优异不粘性的不粘陶瓷涂料，采用该涂料制得的涂层不含有PTFE和PFOA等物质，环保节能，同时具有耐磨、耐刮和优异的不粘性能。
本发明的另一个目的是提供一种该不粘陶瓷涂料的涂覆方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种不粘陶瓷涂料，是由A、B两组分按质量比2:0.5~2混合而成，其中：A组分：由以质量分数计的组分：硅溶胶45～100%，颜料0～30%，填料0～23%，分散助剂0~2%，混合后研磨2小时以上得到；B组分：由以下以质量分数计的组分混合而成：催化剂0.2~2%，氟硅烷3~15%，助剂2~10%，有机溶剂0~10%，余量为至少一种硅烷；所述的催化剂为甲酸或乙酸或二者混合物；所述的硅烷具有以下的分子通式RnSi(OR’)4-n，其中：R为烷基、环氧基或芳基，R’为C1-C5的烷基；n=0,1,2。
硅溶胶
本发明中的硅溶胶为纳米级的二氧化硅颗粒在水中或溶剂中的分散液。硅溶胶在本发明中作为无机成膜物质之一，和水解的硅烷缩合脱水，得到SiO2网状结构，从而使得不粘涂层具有硬度、耐腐蚀性、耐温性等性能。
颜料
在本发明中，颜料为耐温颜料，作为着色剂使用。本发明中的耐温颜料为无毒的耐温在200℃以上的有机颜料或无机颜料，可以通过ROHS检测，包括但不限于：金红石、太白、钛黄、氧化铁黑、氧化铁红、钴黑、钴蓝、钴绿、炭黑、珠光和铝银粉等。
填料
在本发明中，填料即体质填料，是耐温无毒的，选自晶须类、纤维类等无机材料，包括：石英粉、晶须硅、氧化铝等。
氟硅烷
在本发明中，氟硅烷作为不粘助剂来提高涂层表面滑爽和降低表面张力，使得陶瓷涂层具有不粘和易清洁的性能，其添加量为3~15%，当添加量小于2%时，不粘性不好，当大于15%时，不粘性能提升不明显，成本相对较高。
B组分中，所述的氟硅烷的分子通式为RfnSi(OR’)4-n，Rf为含有氟的取代烷基、取代芳基，R’为C1-C5的烷基；n=0,1,2。本发明优选十三氟辛基三乙氧基硅烷。
十三氟辛基三乙氧基硅烷中的十三氟辛基不参与反应，十三氟辛基使得涂层具有氟材料的低表面张力和不粘的特性，三乙氧基在酸性条件下会发生水解形成硅醇，其与硅溶胶、水解后的硅烷以及基材表面的-OH都可以发生发应，从而使氟硅烷连接到涂层中，从而涂层的不粘性能得以良好的体现，并具有持久性。
在传统的不粘陶瓷涂料中的不粘助剂一般选择硅油，硅油做为不粘助剂有以下几个缺点：
a．加入量稍多会出现相容性不佳；
b．硅油的不粘性有一定的使用次数，不粘性能没有持久性；
c. 一般硅油不参与反应，与涂层不能紧密的结合。
本发明选择十三氟辛基三乙氧基硅烷和硅油混合搭配使用，通过使用少量硅油保证涂层初期的不粘性，通过氟硅烷参与反应保证涂层的长期不粘性。
硅烷
在本发明中，硅烷的分子通式是RnSi(OR’)4-n，其中：R为的烷基、环氧基、芳基、非氟取代烷基或非氟取代芳基，R’为C1-C5的烷基；n=0,1,2。硅烷在本发明中是除硅溶胶外的另一种成膜物质，选自甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、硅酸甲酯、硅酸乙酯或环氧基硅烷中的至少一种。
助剂
在本发明中的助剂为成膜助剂、附着力助剂、不粘助剂或流平助剂中的一种或多种。其中流平助剂是帮助涂料润湿流平的助剂，可以为硅油、表面活性剂等。成膜助剂是辅助涂料成膜，防止涂膜开裂的助剂可以为醇溶性丙烯酸树脂或活性硅烷等。助剂的添加量是涂料质量的2~10%。助剂的选择为本领域公知常识，非本发明所要研究的重点。
作为优选，A组分中，所述的硅溶胶的pH为3~11，粒径为5~100nm，硅溶胶中二氧化硅的含量为20~55%。当硅溶胶中二氧化硅的含量低于20%时，不粘陶瓷涂料的固含量较低，不利于喷涂施工，当硅溶胶中二氧化硅的含量大于55%时，硅溶胶的纳米粒径较大，不粘陶瓷涂料不能稳定保存。
作为优选，A组分中，所述的颜料选自金红石、太白、钛黄、氧化铁黑、氧化铁红、钴黑、钴蓝、钴绿、炭黑、珠光或铝银粉中的一种或多种；所述的填料是粒径小于100μm的粉末填料，选自石英粉、晶须硅、氧化铝、硅藻土、碳化硅或金刚石等的一种或多种；所述的分散助剂为BYK-190。
作为优选，B组分中，所述的催化剂添加量为A、B两组份总质量的0.2~0.7%。当催化剂的量小于0.2%时，反应不易进行，不能起到催化的作用，当催化剂的量大于0.7%时，反应速度较快，不利于产品稳定。
作为优选，B组分中，所述的有机溶剂为异丙醇，所述的助剂包含成膜助剂、附着力助剂、不粘助剂或流平助剂中的一种或多种。
作为优选，陶瓷涂层，其特征在于：是由A、B两组分按质量比2:1混合而成，其中：
A组分：由以质量分数计的组分：硅溶胶58～84.7%，颜料5～20%，填料10～20%，分散助剂0.3~2%，混合后研磨2小时以上得到；
B组分：由以下以质量分数计的组分混合而成：催化剂0.3~2%，氟硅烷3~15%，助剂2~10%，有机溶剂0~10%，余量为至少一种硅烷。
一种所述的不粘陶瓷涂料的涂覆方法，该方法包括以下步骤：
a. 前处理：将金属基材进行酸洗、碱洗、喷砂处理，使其表面干净、粗糙；
b. 涂料熟化：熟化前，先将A、B两组份各自搅拌均匀并且避免A组分中有结块；熟化按照A、B质量配比进行添加，搅拌或者滚动1~4小时，进行水解缩合反应，反应完全后得到熟化后的涂料；
c. 涂料喷涂：将a步骤处理后的金属基材预热到40~80℃，将b步骤得到的涂料喷涂在预热的金属基材上；
d. 烧结固化：将c步骤得到的金属基材在140~180℃下流平烘干，在280-300℃下烧结后冷却即可。
作为优选，d步骤中，流平烘干的时间为8-10分钟，烧结的时间为8-10分钟。
本发明的有益效果是：采用本发明的不粘陶瓷涂料制得的涂层环保节能，不但硬度高，耐温性能好，而且具有优异不粘性，由于不含有PTFE和PFOA等物质，因此环保安全、符合于食品接触的FDA相关标准。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。
在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所有的设备和原料等均可从市场购得或是本行业常用的。
实施例1-8
一种不粘陶瓷涂料，由A、B两组分按质量比2:0.5~2混合而成，其中：
A组分：根据表1的组分和含量，将硅溶胶、颜料、填料和分散助剂，混合后研磨2小时以上得到；
硅溶胶的粒径为5~100nm，硅溶胶中二氧化硅的含量为20~55%（重量）。
颜料根据生产需要选自金红石、太白、钛黄、氧化铁黑、氧化铁红、钴黑、钴蓝、钴绿、炭黑、珠光或铝银粉中的一种或多种；填料是粒径小于100μm的粉末填料，选自石英粉、晶须硅、氧化铝、硅藻土、碳化硅或金刚石等的一种或多种； 颜料和填料对产品品质无影响。
B组分：根据表2的组分和含量，将催化剂、氟硅烷、助剂、有机溶剂，以及硅烷混合。
表1 ：A组分组成配比（单位：kg）
表2：B组分组成配比（单位：kg）
表1和表2中的材料具体为：
（1）硅溶胶——日产公司SNOWTEX-0；
（2）体质颜料——5微米粒径的氧化铝；
（3）分散助剂——BYK-190；
（4）氟硅烷——十三氟辛基三乙氧基硅烷；
（5）有机溶剂——分别是异丙醇、双丙酮醇、乙基溶纤剂；
（6）硅油——道康宁公司，DOWCORNING?1-9770；
（7）催化剂——分别是甲酸、乙酸、甲酸和乙酸混合物；
（8）助剂——成膜助剂、附着力助剂、不粘助剂或流平助剂，此为本领域常用试剂，根据产品性能进行选择加入。
将实施例1-8得到的不粘陶瓷涂料按照A：B=2：1的重量比混合，通过下述方法涂覆在压铸铝基材上：
a．前处理：将金属基材酸洗、碱洗、喷砂等使其表面除油、粗糙，以增加涂层的致密性与附着力。
b．涂料熟化：熟化前，先将A、B两组份各自搅拌均匀（A组分中不能有结块）；熟化按照A、B组分的质量配比进行添加，搅拌或者滚动1~4小时，进行水解缩合反应，得到涂料。
C．涂料喷涂：将经a步骤处理的基材预热到40~80℃范围内，将步骤b得到的涂料通过压缩空气喷涂在预热的基材上。
d．烧结固化：将c步骤得到的基材在140~180℃下流平烘干10分钟，在280-300℃下，烧结10分钟后冷却，得到不粘陶瓷涂层，按如下方法检测其性能，检测结果见表3。
性能检测方法：
铅笔硬度：试验中华铅笔硬度，GB/T 6739;
涂膜厚度：膜厚仪，GB/T 13452.2-1992;
光泽：60°光泽仪，JIS K 6893-1995;
附着力：2mm×2mm，方格，100×100,3M胶带10次，JIS K 6894-1996;
涂膜开裂：80倍放大镜观察涂膜开裂情况；
耐碱性：5%的碳酸钠水溶液泡24小时，JIS K 5600 8.21;
耐酸性：5%的硫酸水溶液泡24小时，JIS K 5600 8.22;
耐盐水性：5%的氯化钠水溶液泡24小时，JIS K 5600 8.23;
耐溶剂性：MEK溶剂1公斤力来回擦拭100次；
耐热性：300℃恒温24小时，观察色差变化，JIS K 5600 8.13;
不粘性：170±10℃煎鸡蛋，BS 70069：1988。
表3
由上述数据可知，在加入氟硅烷3-15%时不粘性提高很多，在加大用量时，成本增加，不粘性提高有限。当氟硅烷和硅油配合使用，不粘性也可以有所提高，但是硅油用量小于2%，否则会出现硅油浮出涂层表面的副作用。另本发明不粘陶瓷涂料经涂覆得到的涂层，耐磨好、韧性好、易于清洁和不粘特性突出。符合RHOS指令，同时，也符合于食品接触的FDA相关标准。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (10)
1.一种不粘陶瓷涂料，其特征在于：是由A、B两组分按质量比2:0.5~2混合而成，其中：
A组分：由以质量分数计的组分：硅溶胶45～100%，颜料0～30%，填料0～23%，分散助剂0~2%，混合后研磨2小时以上得到；
B组分：由以下以质量分数计的组分混合而成：催化剂0.2~2%，氟硅烷3~15%，助剂2~10%，有机溶剂0~10%，余量为至少一种硅烷；所述的催化剂为甲酸或乙酸或二者混合物；所述的硅烷具有以下的分子通式RnSi(OR’)4-n，其中：R为烷基、环氧基或芳基，R’为C1-C5的烷基；n=0,1,2。
2.根据权利要求1所述的不粘陶瓷涂料，其特征在于：A组分中，所述的硅溶胶的pH为3~11，粒径为5~100nm，硅溶胶中二氧化硅的含量为20~55%。
3.根据权利要求1或2所述的不粘陶瓷涂料，其特征在于：A组分中，所述的颜料选自金红石、太白、钛黄、氧化铁黑、氧化铁红、钴黑、钴蓝、钴绿、炭黑、珠光或铝银粉中的一种或多种；所述的填料是粒径小于100μm的粉末填料，选自石英粉、晶须硅、氧化铝、硅藻土、碳化硅或金刚石等的一种或多种；所述的分散助剂为BYK-190。
4.根据权利要求1或2所述的不粘陶瓷涂料，其特征在于：B组分中，所述的催化剂添加量为A、B两组份总质量的0.2~0.7%。
5.根据权利要求1或2所述的不粘陶瓷涂料，其特征在于：B组分中，所述的氟硅烷的分子通式为RfnSi(OR’)4-n，Rf为含有氟的取代烷基、取代芳基，R’为C1-C5的烷基；n=0,1,2。
6.根据权利要求1或2所述的不粘陶瓷涂料，其特征在于：B组分中，所述的有机溶剂为异丙醇，所述的助剂包含成膜助剂、附着力助剂、不粘助剂或流平助剂中的一种或多种。
7.根据权利要求1或2所述的不粘陶瓷涂料，其特征在于：B组分中，所述的硅烷选自甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、硅酸甲酯、硅酸乙酯或环氧基硅烷中的至少一种。
8.根据权利要求1或2所述的不粘陶瓷涂料，其特征在于：陶瓷涂层，其特征在于：是由A、B两组分按质量比2:1混合而成，其中：
A组分：由以质量分数计的组分：硅溶胶58～84.7%，颜料5～20%，填料10～20%，分散助剂0.3~2%，混合后研磨2小时以上得到；
B组分：由以下以质量分数计的组分混合而成：催化剂0.3~2%，氟硅烷3~15%，助剂2~10%，有机溶剂0~10%，余量为至少一种硅烷。
9.一种权利要求1所述的不粘陶瓷涂料的涂覆方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
a. 前处理：将金属基材进行酸洗、碱洗、喷砂处理，使其表面干净、粗糙；
b. 涂料熟化：熟化前，先将A、B两组份各自搅拌均匀并且避免A组分中有结块；熟化按照A、B质量配比进行添加，搅拌或者滚动1~4小时，进行水解缩合反应，反应完全后得到熟化后的涂料；
c. 涂料喷涂：将a步骤处理后的金属基材预热到40~80℃，将b步骤得到的涂料喷涂在预热的金属基材上；
d. 烧结固化：将c步骤得到的金属基材在140~180℃下流平烘干，在280-300℃下烧结后冷却即可。
10.根据权利要求9所述的涂覆方法，其特征在于：d步骤中，流平烘干的时间为8-10分钟，烧结的时间为8-10分钟。
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