CN112833548A - 一种热水器内胆及具有该内胆的热水器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热水器内胆及具有该内胆的热水器，所述内胆的内壁上涂覆有超疏水纳米层，所述超疏水纳米层由二氧化硅‑聚四氟乙烯的混合溶胶涂覆而成，可以有效避免水垢在内胆内壁上的附着和堆积；所述内胆的底部设有凹槽，用于集中水垢，所述内胆设有排污口，所述排污口设于凹槽最低处，便于将集中的水垢最大程度上从排污口排出。本发明具有结构简单、有效改善水质、便于清洗、使用寿命长、提高内胆加热效率和用户洗浴体验的特点。
Description
技术领域
本发明属于热水器技术领域，具体地说，涉及一种热水器内胆及具有该内胆的热水器。
背景技术
热水器就是指通过各种物理原理，在一定时间内使冷水温度升高变成热水的一种装置。按照原理不同可分为电热水器、燃气热水器、太阳能热水器、磁能热水器、空气能热水器、暖气热水器等。
目前，人们的生产、生活离不开热水器，热水器内胆的主要成份是铁，内胆内壁与水接触会产生水垢，这是因为我们所使用的自来水是河水、湖水或者井水经过沉降，除去泥沙，消毒杀菌后得到的，不是纯净的水，水中含有各种各样的杂质，并具有一定的腐蚀性，长期使用会慢慢腐蚀内胆。此外，热水器中水含有大量的钙镁离子，在热水器加热过程中，随着水温度的升高而析出，形成大量的CaCO3与Mg(OH)2沉淀下来，可在热水器内胆内形成各种不同密度和不同成分的固体附着物，即水垢。
水垢形成后，会堆积在内胆表面很难清除，造成内胆热胀冷缩和受力不均，极大的增加热水器爆裂漏水漏电的危险性，同时影响热水器的加热效率，浪费电能；其次，水垢堆积时，也常常附着大量重金属离子，损害人体皮肤，特别是婴幼儿皮肤较嫩，易造成婴幼儿皮肤红肿过敏。
为了解决这些问题，现有热水器的清洗一般需要专业技术人员上门清洗，但这种方式操作复杂，成本高；需要用户手动操作排污清洗装置，且清洗过程需要用户全程监控，操作较复杂，费时费力；还有的热水器通过设置排污口，通过自来水反复冲洗内胆从排污口排出污垢实现自动排污清洗，由于传统内胆为圆柱形，水垢在内胆下部堆积后集中度较差，这种清洗方法只能冲洗掉少部分浮垢和一些杂质，清洗并不彻底。
超疏水材料是一种新型材料，有很大的发展前景，可以自行清洁需要干净的地方，还可以放在金属表面防止水的腐蚀生锈等。
根据水在固体表面的浸润程度(接触角的大小)，固体可以分为亲水性和疏水性两大类，其中通常将静态接触角大于150°且滚动角小于10°的固体表面称为超疏水表面。自然界中有着大量超疏水表面的生动例子，例如许多植物叶面、花瓣表面、水禽羽毛以及昆虫脚面等等。由于超疏水表面在防水、抗冰、防雾、抗污、防腐、防雪以及自清洁等领域具有极为广阔的应用前景，因而在学术界和企业界都引起了极大的关注。
申请号为201710543553.5的中国专利公开了一种储水式电热水器的电热管，包括两端开口的不锈钢管、高温绝缘导热镁粉、电阻发热丝、引出棒和封口盖，所述不锈钢管的外表面涂覆有疏水性的纳米层。此专利在不锈钢管的外表面涂覆有疏水性的纳米层，但是没有在内胆内壁上涂覆有疏水性的纳米层，不能解决内胆上附着水垢，影响水质，且水垢不易清洁排出的问题。
申请号为201510256544.9的中国专利公开了一种电热水器内胆的清洁方法，包括以下步骤：S1：关闭进水阀，打开排污阀将内胆中的水通过排污阀排出；S2：将除垢剂装填入除垢剂添加装置，打开进水阀，使水进入除垢剂添加装置中以使水带动除垢剂进入内胆，水的进水量控制在预设容量以下使水在内胆的深度小于预设距离，关闭进水阀；S3：使内胆中的水浸泡预设时间；S4：打开排污阀，将内胆中的水全部排出；S5：启闭进水阀和排污阀，对内胆中残留的除垢剂冲洗若干次。此专利清洁内胆需要用到除垢剂，并且需要多次启闭进水阀和排污阀，对内胆中残留的除垢剂进行冲洗，不仅浪费水，且不能保证除垢剂被冲洗干净，影响水质和用户的洗浴体验。
申请号为201610007528.0的中国专利公开了一种热水器内胆清洗系统，包括用于悬挂热水器内胆的循环输送链以及设于循环输送链下方的喷淋棚体，所述喷淋棚体包括有底座以及设于底座上的机架；所述机架上设有多个用于进行热水器内胆清洗的工位；每个工位下方均设有用于对热水器内胆进行清洗的喷淋装置；相邻两工位之间设有用于防止清洗液飞溅到相邻工位的热水器内胆上的防溅装置。此专利的内胆清洗系统，结构复杂，安装与拆卸不方便，还需要安装防溅装置、滑动轴承和支架等，大大提高了成本。
有鉴于此特提出本发明。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种热水器内胆，通过在内胆的内壁上涂覆超疏水纳米层，可以有效避免水垢在内胆内壁上的附着和堆积，改善了水质，便于内胆的清洗。
为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：一种热水器内胆，所述内胆的内壁上涂覆有超疏水纳米层。
进一步的，所述超疏水纳米层包括二氧化硅1～3份、络合剂0.05～0.1份和聚四氟乙烯5～8份。
进一步的，所述超疏水纳米层为纳米二氧化硅、络合剂和聚四氟乙烯的聚合物。
进一步的，所述超疏水纳米层由二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶涂覆而成，所述二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶包括有机硅组分、溶剂、络合剂、催化剂和聚四氟乙烯乳液，所述纳米二氧化硅由有机硅组分在络合剂和催化剂的存在下制备。
或者，所述二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶包括纳米二氧化硅、络合剂和聚四氟乙烯乳液。
纳米二氧化硅为利用有机硅组分、催化剂和络合剂制备的具有疏水性能的溶胶，采用具有疏水特性的纳米二氧化硅溶胶作为涂层，是因为纳米二氧化硅溶胶具有疏水性好、稳定性高、热导率低的特点，符合热水器的使用环境。
聚四氟乙烯乳液具有优异的耐腐蚀性、耐热性及自润滑性能，符合热水器的使用环境。
将具有疏水特性的纳米二氧化硅溶胶和聚四氟乙烯乳液混合，制备成具有超疏水特性的二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶，对疏水性能起到协同作用，大大提高材料的疏水性，以及耐腐蚀性和稳定性等。
也可以使用现有的纳米二氧化硅与络合剂和聚四氟乙烯乳液混合，得到二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶。
进一步的，所述有机硅组分和络合剂的体积比为1：0.04～0.06，优选为1：0.05。
优选的，所述络合剂为乙二酸。
络合剂具有阻垢、化垢的特点，能够与水中的钙、镁、铁等离子发生螯合，被吸附在水垢结晶表面，不再继续生长而发生晶格畸变，具有分散、悬浮功能，能够有效阻止水中沉淀物的产生，使内胆保持清洁，不产生硬垢。
且选用乙二酸作为络合剂，可取代氢键参与分子之间的聚合反应，改善纳米二氧化硅溶胶的稳定性，从而制得均匀透明的溶胶，并在一定程度上减少硬团聚。
进一步的，所述有机硅组分和聚四氟乙烯乳液的体积比为1：3～7，优选为1：5。
优选的，所述聚四氟乙烯乳液的质量分数为60％。
进一步的，所述有机硅组分和溶剂以及催化剂的体积比为1：2.5～3.5：0.01～0.03，优选为1：3：0.02。
优选的，所述有机硅组分为甲基三甲氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷或甲基三乙氧基硅烷中的一种，更优选为甲基三甲氧基硅烷。
优选的，所述溶剂为甲醇、乙醇或丙酮，更优选为乙醇，有利于有机硅组分的溶解和分散，且烘干过程中易挥发且对环境无污染。
优选的，所述催化剂为氨水溶液，能够提高疏水性能，加快反应速度。
进一步的，所述二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶涂覆在内胆的内壁上后，先进行预烘干，再低温烧结，即得具有超疏水纳米层的内胆。
所述预烘干的温度为50～70℃，时间为10～20分钟。
所述低温烧结温度为180～220℃，时间为20～30分钟。
内胆的内壁可以是先涂覆，再预烘干、低温烧结，最后组合焊接；也可以是先组合焊接后，再涂覆、预烘干和低温烧结，根据实际工艺需要操作即可。
超疏水纳米层涂覆在内胆1内壁上的厚度为50～100μm，超疏水纳米层的厚度可以根据实际需要进行调整，对此不作具体限定，在保证内胆1正常使用的前提下，利用超疏水纳米层能够有效避免水垢在内胆1内壁上的附着和堆积即可。
对本发明制得的具有超疏水纳米层的内胆1内壁进行接触角测试，利用水珠的静止和滚动来测试水珠在超疏水纳米层表面的静态接触角和动态接触角。
结果表明，水珠在超疏水纳米层表面的静态接触角为150°～170°，动态接触角<10°，水珠在超疏水纳米层表面可以自由滚动，水分子无法将超疏水纳米层浸湿，从而保证水垢不易在超疏水纳米层表面附着和堆积。
进一步的，所述内胆的底部设有由内向外凹陷的凹槽，用于集中水垢。
凹槽可以是内胆的底部自内胆两端向中间凹陷，也可以是内胆的底部自距离内胆两端一端距离的地方向中间凹陷等。
所述内胆设有排污口，所述排污口设于凹槽最低处。
一种热水器，具有如上所述的内胆。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明提供了一种热水器内胆，通过在内胆的内壁上涂覆超疏水纳米层，可以有效避免水垢在内胆内壁上的附着和堆积，改善了水质，便于内胆的清洗。
通过在内胆的底部设有凹槽，并将排污口设于凹槽最低处，便于将内胆中产生的水垢集中在凹槽处，进而在最大程度上从排污口排出。
本发明提供的一种热水器内胆，通过优化内胆结构，具有结构简单、有效改善水质、提高内胆加热效率、便于清洗的特点。
本发明还提供一种具有如上所述内胆的热水器，具有使用寿命长、提高用户洗浴体验的特点。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：
图1是本发明二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶制备过程的示意图；
图2是本发明内胆的结构示意图。
图中：1、内胆；2、凹槽；3、进水口；4、出水口；5、排污口；6、镁棒。
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“焊接”等应做广义理解，例如，可以是可拆卸连接，也可以是机械连接，或者也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图2所示，本发明提供一种热水器内胆，在内胆1的内壁上涂覆有超疏水纳米层，由二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶涂覆而成，制备原料包括有机硅组分、溶剂、络合剂、催化剂和聚四氟乙烯乳液。
内胆1的底部设有凹槽2，内胆1设有进水口3、出水口4和排污口5，排污口5设于进水口3和出水口4之间，位于凹槽2最低处。在排污口5处安装有镁棒6。
本发明还提供一种具有上述内胆的热水器。
实施例1
本发明提供一种热水器内胆，在内胆1的内壁上涂覆有超疏水纳米层。
超疏水纳米层由二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶涂覆而成。
如图1所示，二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶的制备原料包括有机硅组分、溶剂、络合剂、催化剂和聚四氟乙烯乳液。
二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶采用溶胶凝胶的制备方法，包括以下步骤：
S1：将有机硅组分加入到溶剂中，搅拌均匀；
S2：缓慢加入络合剂搅拌2小时；
S3：在搅拌条件下，加入催化剂继续搅拌1小时，得到具有疏水特性的纳米二氧化硅溶胶；
S4：将质量分数为60％的聚四氟乙烯乳液加入到S3的纳米二氧化硅溶胶中，搅拌2小时；
S5：在70℃下静置24小时，进行凝胶老化处理，得到具有超疏水特性的二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶。
纳米二氧化硅为利用有机硅组分、催化剂和络合剂制备的具有疏水性能的溶胶，采用具有疏水特性的纳米二氧化硅溶胶作为涂层，是因为纳米二氧化硅溶胶具有疏水性好、稳定性高、热导率低的特点，符合热水器的使用环境。
聚四氟乙烯乳液具有优异的耐腐蚀性、耐热性及自润滑性能，符合热水器的使用环境。
将具有疏水特性的纳米二氧化硅溶胶和聚四氟乙烯乳液混合，制备成具有超疏水特性的二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶，对疏水性能起到协同作用，大大提高材料的疏水性，以及耐腐蚀性和稳定性等。
其中，有机硅组分为甲基三甲氧基硅烷。
溶剂为乙醇，烘干过程中易挥发且对环境无污染。
甲基三甲氧基硅烷和乙醇的体积比为1：3，有利于甲基三甲氧基硅烷的溶解和分散。
络合剂为乙二酸。
甲基三甲氧基硅烷和乙二酸的体积比为1：0.05。
络合剂具有阻垢、化垢的特点，能够与水中的钙、镁、铁等离子发生螯合，被吸附在水垢结晶表面，不再继续生长而发生晶格畸变，具有分散、悬浮功能，能够有效阻止水中沉淀物的产生，使内胆1保持清洁，不产生硬垢。
且选用乙二酸作为络合剂，可取代氢键参与分子之间的聚合反应，改善纳米二氧化硅溶胶的稳定性，从而制得均匀透明的溶胶，并在一定程度上减少硬团聚。
催化剂为10mol/L的氨水溶液。
甲基三甲氧基硅烷和氨水溶液的体积比为1：0.02。
催化剂为氨水溶液，能够提高疏水性能，加快反应速度。
聚四氟乙烯乳液的质量分数为60％。
甲基三甲氧基硅烷和聚四氟乙烯乳液的体积比为1：5。
二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶涂覆在内胆1内壁上的方法包括以下步骤：
S1：在内胆1的内壁上喷淋脱脂剂，然后进行水洗、烘干，去除表面油污；
S2：对内胆1内壁进行打砂处理；
S3：利用喷枪将制备得到的二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶喷涂在内胆1的内壁上；
S4：先进行预烘干，再低温烧结，将内胆1的内壁焊接完毕后，即得具有超疏水特性的内胆1。
其中，预烘干的温度为60℃，时间为20分钟。
低温烧结温度为200℃，时间为30分钟。
将采用溶胶凝胶法制备的二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶涂覆在内胆1内壁上，经预烘干和低温烧结处理后，得到具有超疏水纳米层的内胆1。
制得的超疏水纳米层包括二氧化硅1份、络合剂0.05份和聚四氟乙烯5份。
超疏水纳米层涂覆在内胆1内壁上的厚度为80μm，能够有效避免水垢在内胆1内壁上的附着和堆积即可。
对本发明制得的具有超疏水纳米层的内胆1内壁进行接触角测试，利用水珠的静止和滚动来测试水珠在超疏水纳米层表面的静态接触角和动态接触角。
结果表明，水珠在超疏水纳米层表面的静态接触角为170°，水珠在超疏水纳米层表面可以自由滚动，水分子无法将超疏水纳米层浸湿，从而保证水垢不易在超疏水纳米层表面附着和堆积。
如图2所示，内胆1的底部设有由内向外凹陷的凹槽2，用于集中水垢。
内胆1设有进水口3、出水口4和排污口5，所述排污口5设于进水口3和出水口4之间，位于凹槽2最低处，便于将集中的水垢最大程度上从排污口5排出。
在排污口5处安装有镁棒6，当内胆1中的水加热到一定温度时，镁棒6先被分解于水中产生氧化镁，并于水中的杂质进行融合，或和其它负离子进行中和，生成块质沉淀，且不会再次发生反应，起到保护内胆1不被腐蚀的作用，同时，形成的沉淀也会集中在凹槽2处，当打开排污口5时，同水垢一起排出。
实施例2
本发明提供一种热水器内胆，在内胆1的内壁上涂覆有超疏水纳米层。
超疏水纳米层由二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶涂覆而成。
二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶按照实施例1的溶胶凝胶法制备，不同的是：甲基三甲氧基硅烷和乙二酸的体积比为1：0.04。
制得的超疏水纳米层包括二氧化硅1份、络合剂0.04份和聚四氟乙烯5份。
对本发明制得的具有超疏水纳米层的内胆1内壁进行接触角测试，结果表明，水珠在超疏水纳米层表面的静态接触角为161°。
实施例3
本发明提供一种热水器内胆，在内胆1的内壁上涂覆有超疏水纳米层。
超疏水纳米层由二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶涂覆而成。
二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶按照实施例1的溶胶凝胶法制备，不同的是：甲基三甲氧基硅烷和聚四氟乙烯乳液的体积比为1：3。
制得的超疏水纳米层包括二氧化硅1份、络合剂0.05份和聚四氟乙烯3份。
对本发明制得的具有超疏水纳米层的内胆1内壁进行接触角测试，结果表明，水珠在超疏水纳米层表面的静态接触角为160°。
实施例4
按照实施例1的方法制备具有疏水特性的纳米二氧化硅溶胶，将纳米二氧化硅溶胶涂覆在内胆1的内壁上，经过预烘干和低温烧结后，得到具有疏水纳米层的内胆1。
对本发明制得的具有疏水纳米层的内胆1内壁进行接触角测试，结果表明，水珠在疏水纳米层表面的静态接触角为110°。
实施例5
按照实施例1的方法制备二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶，与实施例1不同的是，本实施例不加络合剂。
将二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶涂覆在内胆1的内壁上，经过预烘干和低温烧结后，得到具有疏水纳米层的内胆1。
对本发明制得的具有疏水纳米层的内胆1内壁进行接触角测试，结果表明，水珠在疏水纳米层表面的静态接触角为115°。
通过实施例1～5的测试结果，表明在催化剂存在条件下，络合剂提高了纳米二氧化硅溶胶的疏水性，进而提高了二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶的疏水性；聚四氟乙烯乳液本身的自润滑性能也提高了二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶的疏水性；具有疏水性的纳米二氧化硅溶胶与聚四氟乙烯乳液反应制得的二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶，对疏水性能起到协同作用，大大提高材料的疏水性。同时，络合剂和聚四氟乙烯乳液的加入量也影响超疏水纳米层的成分，进而影响超疏水纳米层的疏水性能。
作为一种实施方案，本发明还提供一种具有如上所述内胆1的热水器。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。
Claims (10)
1.一种热水器内胆，其特征在于：所述内胆(1)的内壁上设置有超疏水纳米层。
2.根据权利要求1所述的一种热水器内胆，其特征在于：所述超疏水纳米层包括纳米二氧化硅1～3份、络合剂0.05～0.1份和聚四氟乙烯5～8份。
3.根据权利要求2所述的一种热水器内胆，其特征在于：所述超疏水纳米层为纳米二氧化硅、络合剂和聚四氟乙烯的聚合物。
4.根据权利要求2所述的一种热水器内胆，其特征在于：所述超疏水纳米层由二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶涂覆而成，所述二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶包括有机硅组分、溶剂、络合剂、催化剂和聚四氟乙烯乳液，所述纳米二氧化硅由有机硅组分在络合剂和催化剂的存在下制备；
或者，所述二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶包括纳米二氧化硅、络合剂和聚四氟乙烯乳液。
5.根据权利要求4所述的一种热水器内胆，其特征在于：所述有机硅组分和络合剂的体积比为1：0.04～0.06，优选为1：0.05；
优选的，所述络合剂为乙二酸。
6.根据权利要求4所述的一种热水器内胆，其特征在于：所述有机硅组分和聚四氟乙烯乳液的体积比为1：3～7，优选为1：5；
优选的，所述聚四氟乙烯乳液的质量分数为60％。
7.根据权利要求4所述的一种热水器内胆，其特征在于：所述有机硅组分和溶剂以及催化剂的体积比为1：2.5～3.5：0.01～0.03，优选为1：3：0.02；
优选的，所述有机硅组分为甲基三甲氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷或甲基三乙氧基硅烷中的一种，更优选为甲基三甲氧基硅烷；
优选的，所述溶剂为甲醇、乙醇或丙酮，更优选为乙醇；
优选的，所述催化剂为氨水溶液。
8.根据权利要求4-7任一所述的一种热水器内胆，其特征在于：所述二氧化硅-聚四氟乙烯的混合溶胶涂覆在内胆(1)的内壁上后，先进行预烘干，再低温烧结，即得具有超疏水纳米层的内胆(1)；
所述预烘干的温度为50～70℃，时间为10～20分钟；
所述低温烧结温度为180～220℃，时间为20～30分钟。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种热水器内胆，其特征在于：所述内胆(1)的底部设有由内向外凹陷的凹槽(2)，用于集中水垢；
所述内胆(1)设有排污口(5)，所述排污口(5)设于凹槽(2)最低处。
10.一种热水器，其特征在于：具有如权利要求1-9任一所述的内胆(1)。
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