CN113416441A - 一种高导热耐刮擦不粘锅涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高导热耐刮擦不粘锅涂层，包含底层和面层材料，所述底层材料包括如下各组分：石墨片30‑50份、乙二醇35‑55份、纳米二氧化硅3‑5份、陶瓷纤维1‑3份、双马来酰亚胺树脂15‑25份、四甲氧基硅烷6‑10份；所述面层材料包括如下各组分：有机硅树脂40‑60份、聚醚砜25‑35份、聚芳醚腈酮4‑8份、咪唑化合物2‑4份、丙烯酸10‑20份、纳米碳酸钙3‑5份、纳米碳化硅1‑3份。通过石墨片底层+耐刮擦面层结构，得到了具备高导热性能、耐磨、耐刮擦性能优良的不粘锅涂层。

Description

一种高导热耐刮擦不粘锅涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及涂层制备技术领域，具体涉及一种高导热耐刮擦不粘锅涂层及其制备方法。
背景技术
铸铁、不锈钢、铝以及铝合金等金属材质的锅，作为长久以来人们最普遍使用的食品烹饪工具，存在易导致食物出现粘锅、烧焦等现象的问题，不仅破坏食物外观，而且容易导致食物产生苯并芘、丙烯酰胺等有害成分，危害人体健康。此外，粘附在锅表面的食物残渣也给锅具的清洗带来难度。不粘锅的问世解决了这一问题，具有易清洁、煎/炒食物不粘锅、少油烟等优点，给人们的生活打来了极大的方便。
目前市场上大多数不粘锅都是涂覆了一层聚氟树脂类的不粘涂料，通过其强疏水性和低摩擦系数的特性，来实现食物不粘的，但其存在以下问题。一是聚四氟乙烯涂层的强度较差，容易脱落和损坏，而且烹饪过程中会发生软化，只能用木铲，也不能烹饪较硬的食物；二是不宜烹饪酸性食物，否则会影响不粘锅的使用寿命；三是聚四氟乙烯涂层的使用温度一般不能超过250℃，对于许多爆炒的菜肴，锅内温度至少也在300-500℃之间，容易因高温而损坏；甚至有研究发现，在400 ℃以上的高温下会释放出十几种有害气体，对肺部有强烈的刺激作用，存在潜在的安全风险。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中不粘锅涂层在导热、耐刮擦等方面存在的不足，提供一种高导热耐刮擦不粘锅涂层的制备方法，通过石墨片底层+耐刮擦面层结构，得到了具备高导热性能、耐磨、耐刮擦性能优良的不粘锅涂层。
为了实现上述目的，本申请采用如下技术方案：
一种高导热耐刮擦不粘锅涂层，包含底层和面层材料，所述底层材料包括如下各组分：石墨片30-50份、乙二醇35-55份、纳米二氧化硅3-5份、陶瓷纤维1-3份、双马来酰亚胺树脂15-25份、四甲氧基硅烷6-10份；所述面层材料包括如下各组分：有机硅树脂40-60份、聚醚砜25-35份、聚芳醚腈酮4-8份、咪唑化合物2-4份、丙烯酸10-20份、纳米碳酸钙3-5份、纳米碳化硅1-3份。
优选的，所述底层材料包括如下各组分：石墨片40份、乙二醇50份、纳米二氧化硅4份、陶瓷纤维2份；所述面层材料包括如下各组分：有机硅树脂55份、聚醚砜30份、聚芳醚腈酮6份、咪唑化合物3份、丙烯酸15份、纳米碳酸钙4份、纳米碳化硅2份。
上述一种高导热耐刮擦不粘锅涂层的制备方法，包括如下步骤：
S1：对不粘锅锅体进行前处理；
S2：按上述份数比将石墨片、纳米二氧化硅、陶瓷纤维和乙二醇混合，加热至80-100℃，在外加磁场作用下，搅拌混合20-30min，得混合物A；
S3：按份数比将双马来酰亚胺树脂、四甲氧基硅烷和步骤S1所得混合物A混合，升高温度至120-140℃，搅拌反应15-25min，得底层材料；将所得底料均匀涂覆到步骤S1所得不粘锅锅体上，形成不粘锅涂层的底层结构；
S4：按份数比将有机硅树脂、聚醚砜和聚芳醚腈酮混合，加热到130-160℃，搅拌1-3h；随后加入咪唑化合物、丙烯酸、纳米碳酸钙和纳米碳化硅，超声分散30-50min，得面层材料；
S5：将步骤S4所得面层材料，涂覆到步骤S3所得底层结构的上表面，制得不粘锅涂层的面层结构，干燥冷却后，即得所述高导热耐刮擦不粘锅涂层。
优选的，步骤S1具体为：将不粘锅锅体的内表面进行喷砂处理，其表面粗糙度为Ra2.8-3.5；再对不粘锅锅体的内表面依次进行碱洗、酸洗和热水洗操作后，干燥备用。
优选的，步骤S2具体为：按上述份数比将石墨片、纳米二氧化硅、陶瓷纤维和乙二醇混合，加热至80-100℃，先在水平外加磁场作用下搅拌混合15-25min，后在垂直外加磁场作用下搅拌混合3-8min。
优选的，步骤S2具体为：按上述份数比将石墨片、纳米二氧化硅、陶瓷纤维和乙二醇混合，加热至95℃，先在水平外加磁场作用下搅拌混合20min，后在垂直外加磁场作用下搅拌混合5min。
优选的，步骤S3具体为：按份数比将双马来酰亚胺树脂、四甲氧基硅烷和步骤S1所得混合物A混合，升高温度至135℃，搅拌反应20min。
优选的，步骤S4具体为：按份数比将有机硅树脂、聚醚砜和聚芳醚腈酮混合，加热到145℃，搅拌2h；随后加入咪唑化合物、丙烯酸、纳米碳酸钙和纳米碳化硅，超声分散40min。
有益效果：
1. 本发明先制备得到高导热、耐刮擦石墨片底层材料，随后制得耐高温、耐刮擦面层材料，并通过马来酰亚胺树脂和四甲氧基硅烷将两者紧密结合起来，使得得到不粘锅涂层导热性能、耐磨、耐刮擦性能优良。
2. 在底层材料制备中，利用外加磁场作用，使石墨片沿水平和垂直方向定向排布、分布均匀；并在片层结构孔隙中嵌入纳米二氧化硅、陶瓷纤维等成分，形成互穿网络结构；三者协同作用增强了底层材料的耐磨性、强度、硬度和热稳定性；而且这种结构能够好阻隔了水分以及其他腐蚀性分子的渗透，起到了物理防腐的作用。
3. 在面层材料制备中，以有机硅树脂和聚醚砜共混物作为主体，避免了使用聚四氟乙烯的缺陷，加入纳米碳酸钙和丙烯酸，面层涂料在成膜时挥发离去所产生的毛细管效应可以拉紧熔融树脂粒子的间隙，同时纳米碳酸钙一边填充，丙烯酸一边拉紧，可使有机硅涂层微观表面紧致无孔隙，保护了基体，增强了涂层的不粘效果，同时纳米碳酸钙与碳化硅协同作用，增强了不粘锅涂层的硬度、耐刮擦和耐热性；加入聚芳醚腈酮，利用该分子主链中的环状结构使其为进一步增加耐高温性能。
4. 在金属基层、底层材料和面层材料连接问题中，本发明利用双马来酰亚胺树脂、四甲氧基硅烷，分别与金属基材表面和树脂表面产生强的作用力，大大提高了涂层的附着力，增加了稳定性。
具体实施方式
以下结合下述实施方式进一步说明本发明，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
实施例1
S1：对不粘锅锅体作如下前处理；将不粘锅锅体的内表面进行喷砂处理，其表面粗糙度为Ra2.8-3.5；再对不粘锅锅体的内表面依次进行碱洗、酸洗和热水洗操作后，干燥备用；
S2：将30g石墨片、3g纳米二氧化硅、1g陶瓷纤维和35g乙二醇混合，加热至80℃；设置外加磁场电流为2A，先在水平外加磁场作用下搅拌混合15min，后在垂直外加磁场作用下搅拌混合3min，得混合物A；
S3：将15g双马来酰亚胺树脂、6g四甲氧基硅烷和步骤S1所得混合物A混合，升高温度至120℃，搅拌反应15min，得底层材料；将所得底料均匀涂覆到步骤S1所得不粘锅锅体上，形成不粘锅涂层的底层结构；
S4：将40g有机硅树脂、25g聚醚砜和4g聚芳醚腈酮混合，加热到130℃，搅拌1h；随后加入2g咪唑化合物、10g丙烯酸、3g纳米碳酸钙和1g纳米碳化硅，超声分散30min，得面层材料；
S5：将步骤S4所得面层材料，涂覆到步骤S3所得底层结构的上表面，制得不粘锅涂层的面层结构，干燥冷却后，即得所述高导热耐刮擦不粘锅涂层。
实施例2
S1：对不粘锅锅体作如下前处理；将不粘锅锅体的内表面进行喷砂处理，其表面粗糙度为Ra2.8-3.5；再对不粘锅锅体的内表面依次进行碱洗、酸洗和热水洗操作后，干燥备用；
S2：将50g石墨片、5g纳米二氧化硅、3g陶瓷纤维和55g乙二醇混合，加热至100℃；设置外加磁场电流为2A，先在水平外加磁场作用下搅拌混合25min，后在垂直外加磁场作用下搅拌混合8min，得混合物A；
S3：将25g双马来酰亚胺树脂、10g四甲氧基硅烷和步骤S1所得混合物A混合，升高温度至140℃，搅拌反应25min，得底层材料；将所得底料均匀涂覆到步骤S1所得不粘锅锅体上，形成不粘锅涂层的底层结构；
S4：将60g有机硅树脂、35g聚醚砜和8g聚芳醚腈酮混合，加热到160℃，搅拌3h；随后加入4g咪唑化合物、20g丙烯酸、5g纳米碳酸钙和3g纳米碳化硅，超声分散50min，得面层材料；
S5：将步骤S4所得面层材料，涂覆到步骤S3所得底层结构的上表面，制得不粘锅涂层的面层结构，干燥冷却后，即得所述高导热耐刮擦不粘锅涂层。
实施例3
S1：对不粘锅锅体作如下前处理；将不粘锅锅体的内表面进行喷砂处理，其表面粗糙度为Ra2.8-3.5；再对不粘锅锅体的内表面依次进行碱洗、酸洗和热水洗操作后，干燥备用；
S2：将40g石墨片、4g纳米二氧化硅、2g陶瓷纤维和50g乙二醇混合，加热至95℃；设置外加磁场电流为2A，先在水平外加磁场作用下搅拌混合20min，后在垂直外加磁场作用下搅拌混合5min，得混合物A；
S3：将25g双马来酰亚胺树脂、10g四甲氧基硅烷和步骤S1所得混合物A混合，升高温度至135℃，搅拌反应20min，得底层材料；将所得底料均匀涂覆到步骤S1所得不粘锅锅体上，形成不粘锅涂层的底层结构；
S4：将55g有机硅树脂、30g聚醚砜和6g聚芳醚腈酮混合，加热到145℃，搅拌2h；随后加入3g咪唑化合物、15g丙烯酸、4g纳米碳酸钙和2g纳米碳化硅，超声分散40min，得面层材料；
S5：将步骤S4所得面层材料，涂覆到步骤S3所得底层结构的上表面，制得不粘锅涂层的面层结构，干燥冷却后，即得所述高导热耐刮擦不粘锅涂层。
对比例1
与实施例1的区别在于，步骤S2中不加入外加磁场，其他步骤和条件不变。
比照对比例1和实施例1可知，缺少外加磁场作用，石墨片没有沿特定的方向定向排布，分布杂乱无序、不够均匀；纳米二氧化硅、陶瓷纤维等成分与石墨片没有形成良好的互穿网络结构，造成涂层的导热性能、耐磨、耐刮擦性能下降明显。
对比例2
与实施例1的区别在于，步骤S2中仅采用水平方向外加磁场作用，其他步骤和条件不变。
比照对比例2和实施例1可知，仅采用水平外加磁场作用，石墨片仅沿水平方向定向排布，与纳米二氧化硅、陶瓷纤维等成分的互穿网络结构较为松散，不紧密，涂层的导热性能、耐磨、耐刮擦性能有所降低。
对比例3
与实施例1的区别在于，步骤S3中不加入丙烯酸、纳米碳酸钙，其他步骤和条件不变。
比照对比例3和实施例1可知，由于缺少丙烯酸的毛细管效应和纳米碳酸钙的填充效应作用，面层材料微观表面存在孔隙结构，不紧致，涂层的不粘效果有所下降，同时无法与碳化硅协同作用，涂层硬度、耐热等性能有所降低。
对比例4
与实施例1的区别在于，步骤S3中不加入双马来酰亚胺树脂、四甲氧基硅烷，其他步骤和条件不变。
比照对比例4和实施例1可知，缺少双马来酰亚胺树脂、四甲氧基硅烷，底层材料与金属基材表面和面层表面无法产生强的作用力，结合力明显降低、易脱落和开裂。
性能测试方法：
涂层的附着力测试方法为GB9286-1998；耐磨性的测试方法为GB1768-1979，负载总重量为500g，砂轮转数设定为300圈；硬度的测试方法为GB/T6739-1996；耐冲击性的测试方法为GB1732-93；热稳定性的测试方法为GB/T 1735-2009，保温时间3h，以达到指定温度无明显软化或破损为标准；导热系数测试，采用ISO8301，Hot-disk TPS1500型导热仪测量。
对上述各实施例和对比例进行测试，结果如下：
Figure 284359DEST_PATH_IMAGE002
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高导热耐刮擦不粘锅涂层，其特征在于，包含底层和面层材料，所述底层材料包括如下各组分：石墨片30-50份、乙二醇35-55份、纳米二氧化硅3-5份、陶瓷纤维1-3份、双马来酰亚胺树脂15-25份、四甲氧基硅烷6-10份；所述面层材料包括如下各组分：有机硅树脂40-60份、聚醚砜25-35份、聚芳醚腈酮4-8份、咪唑化合物2-4份、丙烯酸10-20份、纳米碳酸钙3-5份、纳米碳化硅1-3份。
2.根据权利要求1所述的一种高导热耐刮擦不粘锅涂层，其特征在于，所述底层材料包括如下各组分：石墨片40份、乙二醇50份、纳米二氧化硅4份、陶瓷纤维2份；所述面层材料包括如下各组分：有机硅树脂55份、聚醚砜30份、聚芳醚腈酮6份、咪唑化合物3份、丙烯酸15份、纳米碳酸钙4份、纳米碳化硅2份。
3.根据权利要求1或2所述的一种高导热耐刮擦不粘锅涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：对不粘锅锅体进行前处理；
S2：按上述份数比将石墨片、纳米二氧化硅、陶瓷纤维和乙二醇混合，加热至80-100℃，在外加磁场作用下，搅拌混合20-30min，得混合物A；
S3：按份数比将双马来酰亚胺树脂、四甲氧基硅烷和步骤S1所得混合物A混合，升高温度至120-140℃，搅拌反应15-25min，得底层材料；将所得底料均匀涂覆到步骤S1所得不粘锅锅体上，形成不粘锅涂层的底层结构；
S4：按份数比将有机硅树脂、聚醚砜和聚芳醚腈酮混合，加热到130-160℃，搅拌1-3h；随后加入咪唑化合物、丙烯酸、纳米碳酸钙和纳米碳化硅，超声分散30-50min，得面层材料；
S5：将步骤S4所得面层材料，涂覆到步骤S3所得底层结构的上表面，制得不粘锅涂层的面层结构，干燥冷却后，即得所述高导热耐刮擦不粘锅涂层。
4.根据权利要求3所述的一种高导热耐刮擦不粘锅涂层的制备方法，其特征在于，步骤S1具体为：将不粘锅锅体的内表面进行喷砂处理，其表面粗糙度为Ra2.8-3.5；再对不粘锅锅体的内表面依次进行碱洗、酸洗和热水洗操作后，干燥备用。
5.根据权利要求3所述的一种高导热耐刮擦不粘锅涂层的制备方法，其特征在于，步骤S2具体为：按上述份数比将石墨片、纳米二氧化硅、陶瓷纤维和乙二醇混合，加热至80-100℃，先在水平外加磁场作用下搅拌混合15-25min，后在垂直外加磁场作用下搅拌混合3-8min。
6.根据权利要求5所述的一种高导热耐刮擦不粘锅涂层的制备方法，其特征在于，步骤S2具体为：按上述份数比将石墨片、纳米二氧化硅、陶瓷纤维和乙二醇混合，加热至95℃，先在水平外加磁场作用下搅拌混合20min，后在垂直外加磁场作用下搅拌混合5min。
7.根据权利要求3所述的一种高导热耐刮擦不粘锅涂层的制备方法，其特征在于，步骤S3具体为：按份数比将双马来酰亚胺树脂、四甲氧基硅烷和步骤S1所得混合物A混合，升高温度至135℃，搅拌反应20min。
8.根据权利要求3所述的一种高导热耐刮擦不粘锅涂层的制备方法，其特征在于，步骤S4具体为：按份数比将有机硅树脂、聚醚砜和聚芳醚腈酮混合，加热到145℃，搅拌2h；随后加入咪唑化合物、丙烯酸、纳米碳酸钙和纳米碳化硅，超声分散40min。
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