CN110499077A - 一种高强度高耐磨的不粘锅涂层 - Google Patents

一种高强度高耐磨的不粘锅涂层 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度高耐磨的不粘锅涂层，所述不粘锅涂层由以下重量份数的原料组成：改性聚四氟乙烯树脂80～150重量份；改性有机硅树脂60～90重量份；去离子水100～200重量份；表面活性剂6～18重量份；无机填料5～12重量份；防沉剂1～7重量份；成膜助剂0.5～3重量份；润湿剂3～8重量份。本发明制备的不粘锅涂层不仅提高了不粘锅的耐高温耐磨性能，防止不粘锅使用过程中所出现的高温腐蚀、氧化而出现涂层开裂、脱落、凹坑等问题的产生，同时使其具有高强度抗划伤的优异性能和长使用寿命等诸多优势，更加利于大规模推广应用。

Description

一种高强度高耐磨的不粘锅涂层
技术领域
本发明涉及不粘锅涂层的技术领域，尤其涉及一种高强度高耐磨的不粘锅涂层。
背景技术
"不粘锅"的问世给人们的生活带来了很大的方便，人们不必再提心煮肉时一不小心就会烧焦，煎鱼时鱼片粘在锅壁上。这种不粘锅与普通锅的外型并没有什么关系，只仅仅是在锅的内表面多涂了一层聚四氟乙烯，利用聚四氟乙烯优异的热性能、化学性能、易清洁性能和无毒性能制成了这种深受欢迎的厨房用具。
聚四氟乙烯因存在线膨胀系数大、尺寸稳定性差、导热性低、耐磨性差，容易产生局部过热，硬度低等缺点，限制了它的实用化和功能化应用。为了更大程度发挥聚四氟乙烯作为不粘锅涂层材料的应用，克服和改变聚四氟乙烯存在的缺点，通过不同的改性手段，获得各组分性能互补，性能更加优异的新材料，从而满足不粘锅涂层材料的使用要求。
鉴于此，亟需提供一种高强度高耐磨的不粘锅涂层，使其满足酸性、高温、外力作用条件下的使用需求和食品安全需求，同时使其具有耐高温耐磨、使用寿命长的性能优势。
发明内容
鉴于以上现有技术的不足之处，本发明要解决的技术问题就是针对不粘锅其耐磨性能和涂层强度的不足，及使用寿命短的问题，提供一种高强度高耐磨的不粘锅涂层，即提高了不粘锅的耐高温耐磨性能，防止不粘锅使用过程中所出现的高温腐蚀、氧化而出现涂层开裂、脱落、凹坑等问题的产生，同时使其具有高强度抗划伤的优异性能和长使用寿命等诸多优势，更加利于大规模推广应用。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
一种高强度高耐磨的不粘锅涂层，所述不粘锅涂层由以下重量份数的原料组成：
改性聚四氟乙烯树脂 80～150重量份；
改性有机硅树脂 60～90重量份；
去离子水 100～200重量份；
表面活性剂 6～18重量份；
无机填料 5～12重量份；
防沉剂 1～7重量份；
成膜助剂 0.5～3重量份；
润湿剂 3～8重量份。
优选的，所述改性聚四氟乙烯树脂为聚甲基戊烯改性聚四氟乙烯。
优选的，所述改性有机硅树脂为环氧改性有机硅树脂。
优选的，所述表面活性剂为全氟戊酸钾、全氟己酸钠、全氟戊酸钠中的至少一种。
优选的，所述无机填料为碳化硅晶须、六钛酸钾晶须、硼酸铝晶须、氧化锌晶须、氧化铝晶须中的至少一种。
优选的，所述防沉剂为含氟异氰酸酯、八羟基笼型聚倍半硅氧烷在乙醇溶液中经过紫外光辐照后得到的聚合物。
优选的，所述含氟异氰酸酯、八羟基笼型聚倍半硅氧烷的摩尔比为8～10：1，所述含氟异氰酸酯和八羟基笼型聚倍半硅氧烷的总质量与乙醇溶液的质量比为1：1～5，所述乙醇溶液为5～10wt％含水率的乙醇。
优选的，所述含氟异氰酸酯为3-三氟甲基-4-氟苯基异氰酸酯、4-氟苯基异氰酸酯、3-氟苯甲基异氰酸酯、4-(三氟甲基l)苄基异氰酸酯中的至少一种。
优选的，所述成膜助剂为2,3-环氧丙基甲基醚、二(2,3-环氧丙基)醚、2,3-环氧丙基丁醚、甘油三(1,2-环氧)丙醚、烯丙基缩水甘油醚中的至少一种。
优选的，所述润湿剂由二异丙基二丙烯酰钛酸酯和双三乙醇胺二异丙基钛酸酯组成。
本发明的有益效果：
本发明的聚四氟乙烯树脂和有机硅树脂呈互穿网络结构，改性后的聚四氟乙烯树脂和改性后的有机硅树脂通过性能互补，使不粘锅涂层具有高强度、高耐磨、抗划伤、耐高温的优异性能；通过聚四氟乙烯树脂和有机硅树脂活性基团的改性，不仅提高了对不粘锅基材的附着力和耐介质性，而且提高了不粘锅涂层的施工性能和涂层耐久性，降低了涂层漆膜的固化温度。
无机填料增强了不粘锅涂层的漆膜强度，使其具有耐高温、耐磨、抗氧化、抗划伤等综合性能。通过润湿剂使无机填料的晶须表面涂覆一层钛酸酯，增加了晶须和树脂材料的界面结合力，避免晶须团聚现象的发生，进一步提高了不粘锅涂层整体的耐磨性、耐高温和强度等性能。
本发明的防沉剂通过异氰酸酯和八羟基笼型聚倍半硅氧烷辐射交联聚合得到，使其具有防止聚合物颗粒和无机填料沉降的作用，通过乙醇溶液的分散、活化作用，使防沉剂充分发挥增稠效果。
综合来说，本发明的不粘锅涂层不仅具有高强度、高耐磨、耐高温、抗划伤性能，而且易于施工，施工周期短，得到的不粘锅涂层整体性能优异。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
一种高强度高耐磨的不粘锅涂层，所述不粘锅涂层由以下重量份数的原料组成：
改性聚四氟乙烯树脂 80～150重量份；
改性有机硅树脂 60～90重量份；
去离子水 100～200重量份；
表面活性剂 6～18重量份；
无机填料 5～12重量份；
防沉剂 1～7重量份；
成膜助剂 0.5～3重量份；
润湿剂 3～8重量份。
优选的，所述改性聚四氟乙烯树脂为聚甲基戊烯改性聚四氟乙烯。
聚四氟乙烯乳液与不粘锅金属基材的附着性差，成膜柔软，耐磨性差，通过聚甲基戊烯改性处理后，提高了不粘锅涂层的漆膜硬度、耐磨性，并且可实现聚四氟乙烯乳液在较低温度条件下固化成膜。
优选的，所述改性有机硅树脂为环氧改性有机硅树脂。
通过在有机硅树脂主链端基和侧链上引入环氧基团，使改性后的有机硅树脂具有良好的防腐蚀性，耐高温性，提高了对不粘锅基材的附着力和耐介质性。另外通过环氧基团改性处理后，提高了不粘锅涂层的施工性能和涂层耐久性，可实现较低温度条件的固化。
通过改性聚四氟乙烯树脂和改性有机硅树脂的协同作用，使不粘锅涂层具有高强度、高耐磨、抗划伤、耐高温的优异性能，同时易于成膜、固化温度低、固化时间短，对不粘锅基材附着力强。
优选的，所述表面活性剂为全氟戊酸钾、全氟己酸钠、全氟戊酸钠中的至少一种。
优选的，所述无机填料为碳化硅晶须、六钛酸钾晶须、硼酸铝晶须、氧化锌晶须、氧化铝晶须中的至少一种。
无机填料由于晶须的高度取向结构使无机填料具有高强度、高伸长率，增强了不粘锅涂层的漆膜强度，且提高了其耐高温、耐磨、抗氧化、抗划伤等综合性能。
优选的，所述防沉剂为含氟异氰酸酯、八羟基笼型聚倍半硅氧烷在乙醇溶液中经过紫外光辐照后得到的聚合物。
优选的，所述含氟异氰酸酯、八羟基笼型聚倍半硅氧烷的摩尔比为8～10：1，所述含氟异氰酸酯和八羟基笼型聚倍半硅氧烷的总质量与乙醇溶液的质量比为1：1～5，所述乙醇溶液为5～10wt％含水率的乙醇。
通过异氰酸酯和八羟基笼型聚倍半硅氧烷经过辐射交联后，得到的低分子聚合物改变了树脂体系的流变性能，使其具有防止聚合物颗粒和无机填料沉降的作用，通过乙醇溶液的分散、活化作用，使防沉剂充分发挥增稠效果；通过乙醇的快速挥发，可缩短不粘锅涂层漆膜的固化时间，灵活调节施工作业的安排。
优选的，所述含氟异氰酸酯为3-三氟甲基-4-氟苯基异氰酸酯、4-氟苯基异氰酸酯、3-氟苯甲基异氰酸酯、4-(三氟甲基l)苄基异氰酸酯中的至少一种。
优选的，所述成膜助剂为2,3-环氧丙基甲基醚、二(2,3-环氧丙基)醚、2,3-环氧丙基丁醚、甘油三(1,2-环氧)丙醚、烯丙基缩水甘油醚中的至少一种。
本发明的成膜助剂与改性聚四氟乙烯树脂和改性有机硅树脂均具有良好的相容性，可作为改性聚四氟乙烯树脂和改性有机硅树脂的良好溶剂，通过成膜助剂的溶解作用使聚合物树脂粒子表面软化，从而使聚合物易于变形，并在较小作用力下紧密靠拢。同时，由于成膜助剂玻璃化温度低，降低了聚四氟乙烯树脂和有机硅树脂的成膜温度，在较低施工温度下可使聚合物分子链相互扩散，形成漆膜。
优选的，所述润湿剂由二异丙基二丙烯酰钛酸酯和双三乙醇胺二异丙基钛酸酯组成。
通过润湿剂使无机填料的晶须表面涂覆一层钛酸酯，钛酸酯上所含有的双键和羟基增加了晶须和树脂材料的界面结合力，同时，由于晶须表面钛酸酯电性互斥作用，避免晶须团聚现象的发生，通过润湿剂作用后的无机填料更加均匀的分散在聚四氟乙烯树脂和有机硅树脂中，并且通过钛酸酯的偶联作用，使其与不粘锅金属基材更加牢固结合，进一步提高了不粘锅涂层整体的耐磨性、耐高温和强度等性能。
本发明高强度高耐磨的不粘锅涂层的制备方法，其包括以下步骤：
S1：按重量份数称取聚四氟乙烯树脂原料，将单体四氟乙烯、表面活性剂和去离子水搅拌混合均匀，加入1/2份引发剂，升温至70～90℃，压力为0.55～2.1MPa，恒温反应10～30min；所述引发剂由质量比为1：1的过硫酸铵和磷酸锌组成，所述引发剂的添加总量占单体四氟乙烯质量的0.8～1.5％；
S2：在恒温和搅拌条件下，继续加入剩余的3/8份引发剂和聚甲基戊烯，共混反应后，形成聚甲基戊烯改性聚偏氟乙烯预聚体；所述聚甲基戊烯的加入量占单体四氟乙烯质量的1.5～3.5％；
S3：按重量份数称取有机硅树脂原料，将单体质量比为1～5：1的苯基三氯硅烷和甲基三氯硅烷加入到反应釜中，再将由质量比为8～12：1～3：30～50的磷酸、磷酸锌和去离子水组成的酸液、步骤S2得到的聚甲基戊烯改性聚偏氟乙烯预聚体和剩余的1/8份引发剂加入所述反应釜中，在30～80℃下搅拌水解反应5～15min；加入3,4-环氧丁烷-1,2-二醇继续反应15～30min，继续水解30～180min，得到环氧改性有机硅树脂与聚甲基戊烯改性聚偏氟乙烯树脂的复合材料；所述3,4-环氧丁烷-1,2-二醇的加入量占单体苯基三氯硅烷和甲基三氯硅烷总量的1～5％；
S4：最后按重量份数称取无机填料、防沉剂、成膜助剂和润湿剂加入到步骤S3得到的环氧改性有机硅树脂与聚甲基戊烯改性聚偏氟乙烯树脂的复合材料中，搅拌混合均匀后，将其热喷涂与不粘锅锅底基材上，固化后得到一层高强度高耐磨的不粘锅涂层。
作为优选方案，所述不粘锅涂层厚度为15～50um，更优选的方案，所述不粘锅涂层厚度为25～30um。
作为优选方案，在所述步骤S4中，热喷涂温度为120～180℃。
本发明的不粘锅涂层原料可制备得到互穿聚合物网络结构的涂层，是两种或两种以上的共混聚合物，分子链相互贯穿，并至少一种聚合物分子链以化学键的方式交链而形成的网络结构，其不同于简单的共混、嵌段或接枝聚合物。所得到的涂层漆膜在溶剂中不会发生溶解现象，且不会发生蠕变和流动，具有高强度、高耐磨、耐高温、抗划伤的优异性能。
本发明通过有机/无机聚合物和经过分散活化的无机填料组成的有机/无机聚合物漆膜，能与不粘锅基体表面铁原子快速反应，生成具有物理、化学双重保护作用，通过化学键与基体牢固结合的有机/无机聚合物高强度高耐磨不粘锅涂层，对食品无污染，使用寿命长、符合不粘锅安全使用要求。
相应的，本发明还提供一种包括上述的高强度高耐磨不粘锅涂层的不粘锅。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
一种高强度高耐磨的不粘锅涂层，所述不粘锅涂层由以下重量份数的原料组成：
改性聚四氟乙烯树脂 120重量份；
改性有机硅树脂 70重量份；
去离子水 150重量份；
表面活性剂 12重量份；
无机填料 8重量份；
防沉剂 4重量份；
成膜助剂 1重量份；
润湿剂 5重量份。
所述改性聚四氟乙烯树脂为聚甲基戊烯改性聚四氟乙烯。
所述改性有机硅树脂为环氧改性有机硅树脂。
所述表面活性剂为全氟戊酸钾。
所述无机填料为碳化硅晶须。
所述防沉剂为含氟异氰酸酯、八羟基笼型聚倍半硅氧烷在乙醇溶液中经过紫外光辐照后得到的聚合物。
所述含氟异氰酸酯、八羟基笼型聚倍半硅氧烷的摩尔比为8：1，所述含氟异氰酸酯和八羟基笼型聚倍半硅氧烷的总质量与乙醇溶液的质量比为1：3，所述乙醇溶液为7wt％含水率的乙醇。
所述含氟异氰酸酯为3-三氟甲基-4-氟苯基异氰酸酯。
所述成膜助剂为2,3-环氧丙基甲基醚、。
所述润湿剂由质量比为1：1的二异丙基二丙烯酰钛酸酯和双三乙醇胺二异丙基钛酸酯组成。
实施例2
一种高强度高耐磨的不粘锅涂层，所述不粘锅涂层由以下重量份数的原料组成：
改性聚四氟乙烯树脂 80重量份；
改性有机硅树脂 60重量份；
去离子水 100重量份；
表面活性剂 6重量份；
无机填料 5重量份；
防沉剂 1重量份；
成膜助剂 0.5重量份；
润湿剂 3重量份。
所述改性聚四氟乙烯树脂为聚甲基戊烯改性聚四氟乙烯。
所述改性有机硅树脂为环氧改性有机硅树脂。
所述表面活性剂为全氟己酸钠。
所述无机填料为六钛酸钾晶须。
所述防沉剂为含氟异氰酸酯、八羟基笼型聚倍半硅氧烷在乙醇溶液中经过紫外光辐照后得到的聚合物。
所述含氟异氰酸酯、八羟基笼型聚倍半硅氧烷的摩尔比为10：1，所述含氟异氰酸酯和八羟基笼型聚倍半硅氧烷的总质量与乙醇溶液的质量比为1：1，所述乙醇溶液为5wt％含水率的乙醇。
所述含氟异氰酸酯为4-氟苯基异氰酸酯。
所述成膜助剂为二(2,3-环氧丙基)醚。
所述润湿剂由质量比为1：1.2的二异丙基二丙烯酰钛酸酯和双三乙醇胺二异丙基钛酸酯组成。
实施例3
一种高强度高耐磨的不粘锅涂层，所述不粘锅涂层由以下重量份数的原料组成：
改性聚四氟乙烯树脂 150重量份；
改性有机硅树脂 90重量份；
去离子水 200重量份；
表面活性剂 18重量份；
无机填料 12重量份；
防沉剂 7重量份；
成膜助剂 3重量份；
润湿剂 8重量份。
所述改性聚四氟乙烯树脂为聚甲基戊烯改性聚四氟乙烯。
所述改性有机硅树脂为环氧改性有机硅树脂。
所述表面活性剂为全氟戊酸钠。
所述无机填料为硼酸铝晶须。
所述防沉剂为含氟异氰酸酯、八羟基笼型聚倍半硅氧烷在乙醇溶液中经过紫外光辐照后得到的聚合物。
所述含氟异氰酸酯、八羟基笼型聚倍半硅氧烷的摩尔比为8：1，所述含氟异氰酸酯和八羟基笼型聚倍半硅氧烷的总质量与乙醇溶液的质量比为1：5，所述乙醇溶液为10wt％含水率的乙醇。
所述含氟异氰酸酯为3-氟苯甲基异氰酸酯。
所述成膜助剂为2,3-环氧丙基丁醚。
所述润湿剂由质量比为1：1.5的二异丙基二丙烯酰钛酸酯和双三乙醇胺二异丙基钛酸酯组成。
实施例4
本实施例高强度高耐磨的不粘锅涂层与实施例1相似，其主要不同之处在于，所述不粘锅涂层由以下重量份数的原料组成：改性聚四氟乙烯树脂120重量份；改性有机硅树脂80重量份；去离子水180重量份；表面活性剂15重量份；无机填料10重量份；防沉剂5重量份；成膜助剂2重量份；润湿剂6重量份。
所述无机填料由质量比1：1的碳化硅晶须和氧化锌晶须组成。所述润湿剂由质量比为1.5：1的二异丙基二丙烯酰钛酸酯和双三乙醇胺二异丙基钛酸酯组成。
实施例5
本实施例高强度高耐磨的不粘锅涂层与实施例1相似，其主要不同之处在于，所述不粘锅涂层由以下重量份数的原料组成：改性聚四氟乙烯树脂90重量份；改性有机硅树脂60重量份；去离子水140重量份；表面活性剂8重量份；无机填料6重量份；防沉剂2重量份；成膜助剂1重量份；润湿剂4重量份。
所述防沉剂为含氟异氰酸酯、八羟基笼型聚倍半硅氧烷在乙醇溶液中经过紫外光辐照后得到的聚合物。
所述含氟异氰酸酯、八羟基笼型聚倍半硅氧烷的摩尔比为10：1，所述含氟异氰酸酯和八羟基笼型聚倍半硅氧烷的总质量与乙醇溶液的质量比为1：1，所述乙醇溶液为10wt％含水率的乙醇。
所述含氟异氰酸酯由摩尔比为1：1.5的3-三氟甲基-4-氟苯基异氰酸酯河4-(三氟甲基l)苄基异氰酸酯组成。
将包括实施例1～5制备得到的涂层的不粘锅和涂层材质为聚四氟乙烯的市售不粘锅作为对比例进行涂层的性能测试，其性能结果如表1所示：
表1
附着力 硬度 耐冲击性,kg*cm 耐磨性 热稳定性
实施例1 0级 5H 248 0.0013g 590℃
实施例2 0级 5H 252 0.0018g 585℃
实施例3 0级 5H 256 0.0016g 567℃
实施例4 0级 5H 253 0.0014g 572℃
实施例5 0级 5H 261 0.0015g 561℃
对比例 1级 4H 218 0.0044g 310℃
涂层的附着力测试方法为GB9286-1998，硬度的测试方法为GB/T6739-1996，耐冲击性的测试方法为GB1732-93，耐磨性的测试方法为GB1768-1979，以250g砝码下砂轮打磨200圈后失重作为耐磨性的评价标准。
涂层的热稳定性通过测定其5％热失重温度来表征，所用仪器为梅特勒公司的同步热分析仪TGA/DSC1进行测试表征，样品测试条件为：在空气气氛下。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种高强度高耐磨的不粘锅涂层，其特征在于：所述不粘锅涂层由以下重量份数的原料组成：
2.如权利要求1所述的高强度高耐磨的不粘锅涂层，其特征在于，所述改性聚四氟乙烯树脂为聚甲基戊烯改性聚四氟乙烯。
3.如权利要求1所述的高强度高耐磨的不粘锅涂层，其特征在于，所述改性有机硅树脂为环氧改性有机硅树脂。
4.如权利要求1所述的高强度高耐磨的不粘锅涂层，其特征在于，所述表面活性剂为全氟戊酸钾、全氟己酸钠、全氟戊酸钠中的至少一种。
5.如权利要求1所述的高强度高耐磨的不粘锅涂层，其特征在于，所述无机填料为碳化硅晶须、六钛酸钾晶须、硼酸铝晶须、氧化锌晶须、氧化铝晶须中的至少一种。
6.如权利要求1所述的高强度高耐磨的不粘锅涂层，其特征在于，所述防沉剂为含氟异氰酸酯、八羟基笼型聚倍半硅氧烷在乙醇溶液中经过紫外光辐照后得到的聚合物。
7.如权利要求6所述的高强度高耐磨的不粘锅涂层，其特征在于，所述含氟异氰酸酯、八羟基笼型聚倍半硅氧烷的摩尔比为8～10：1，所述含氟异氰酸酯和八羟基笼型聚倍半硅氧烷的总质量与乙醇溶液的质量比为1：1～5，所述乙醇溶液为5～10wt％含水率的乙醇。
8.如权利要求6所述的高强度高耐磨的不粘锅涂层，其特征在于，所述含氟异氰酸酯为3-三氟甲基-4-氟苯基异氰酸酯、4-氟苯基异氰酸酯、3-氟苯甲基异氰酸酯、4-(三氟甲基l)苄基异氰酸酯中的至少一种。
9.如权利要求1所述的高强度高耐磨的不粘锅涂层，其特征在于，所述成膜助剂为2,3-环氧丙基甲基醚、二(2,3-环氧丙基)醚、2,3-环氧丙基丁醚、甘油三(1,2-环氧)丙醚、烯丙基缩水甘油醚中的至少一种。
10.如权利要求1所述的高强度高耐磨的不粘锅涂层，其特征在于，所述润湿剂由二异丙基二丙烯酰钛酸酯和双三乙醇胺二异丙基钛酸酯组成。
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