CN114875271A - 一种不粘涂层及其应用和制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种不粘涂层及其应用和制备方法。所述不粘涂层包括以下依次连接的涂层：与基体连接的钛层、钛硅层、钛硅铜铁锌层；所述钛硅层中硅的含量为0.1～20at.％，其余为钛；所述钛硅铜铁锌层中铜的含量为0.1～5at.％，铁的含量为0.1～5at.％，硅的含量为0.1～5at.％，锌的含量为0.1～5at.％，其余为钛。将其应用于不粘锅中制得多钛基层不粘锅，所述多钛基层不粘锅具有较好的耐腐蚀性、耐磨损性，有效解决了现有技术中钛合金复合锅耐腐蚀性和耐磨损性能不高的问题。本发明提供的多钛基层不粘锅具有良好的不粘性能且同时具有抗菌功效。有效解决了现有技术中不粘锅耐腐蚀性和耐磨损性不高的问题。

Description

一种不粘涂层及其应用和制备方法
技术领域
本发明属于炊具领域，具体涉及一种不粘涂层及其应用和制备方法。
背景技术
不粘锅因其优异不粘性备受青睐。目前市场主流不粘锅是在金属(铸铁或者不锈钢)锅底表面喷涂特氟龙不粘涂层。然而，特氟龙在锅干烧温度超过260℃时分解有毒致癌物质。此外，特氟龙与金属基体界面结合力较差，使用一段时间后特氟龙陶瓷剥落，导致锅易生锈等。后来，逐渐发展出不锈钢表面图形化不粘锅，或者金属表面陶瓷化不粘锅。
钛是一种典型无毒、且与人体生物安全性好的金属材料，已被广泛用于制造人体关节等。近年来，随人类生活水平提高，钛不粘锅引起了关注。然而，相比于不锈钢、铸铁或者铝合金，钛导热性差，易出现局部过热烧黑现象。此外，钛合金不仅材料费高，而且其强度高，冲压成型较困难，加工难度大，制造成本也高，因此，市场上钛不粘锅售价是普通不锈钢锅的10～30倍。
现有技术中为解决上述问题，采用氮化钛、碳化钛、氮铝化钛和碳氮化钛单层或多层复合，这种方法制得的不粘锅的耐腐蚀性和耐磨损能力并不算高。因此，开发一种具有较好耐腐蚀性和耐磨损能力的不粘锅具有重要的研究意义和应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种不粘涂层，所述不粘涂层有多层结构，将其应用于不粘锅中，可以有效解决现有不粘锅中耐腐蚀性和耐磨损能力不高的问题。
本发明的另一目的在于提供一种不粘涂层的应用。
本发明的另一目的在于提供一种多钛基层不粘锅。
本发明的另一目的在于提供所述多钛基层不粘锅的制备方法。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
一种不粘涂层，不粘涂层包括以下依次连接的涂层：与基体连接的钛层、钛硅层、钛硅铜铁锌层；
所述钛硅层中硅的含量为0.1～20at.％，其余为钛；所述钛硅铜铁锌层中铜的含量为0.1～5at.％，铁的含量为0.1～5at.％，硅的含量为0.1～5at.％，锌的含量为0.1～5at.％，其余为钛。
发明人通过实验发现，不粘涂层通过多层钛基层组合，引入特定元素含量的钛硅层和钛硅铜铁锌层，钛硅层的硬度和热膨胀系数介于钛层与钛硅铜铁锌层之间，可以调控界面应力和硬度分布，若界面应力较高时，不粘涂层与基体的结合力会变差，使用过程中会引起界面应力集中，不粘涂层的耐磨损性和耐腐蚀性下降；钛层-钛硅层-钛硅铜铁锌层相互协同，进一步调控界面应力使获得的多钛基层不粘锅具有较好的耐磨损能力和耐腐蚀性，且同时具备抗菌功效。进一步地，调控钛硅层中硅的含量变化，钛硅铜铁锌层中各元素的含量变化可以进一步提高不粘涂层的耐腐蚀性。
优选地，所述钛硅层中硅的含量为1～10at.％，其余为钛。
更优选地，所述钛硅层中硅的含量为3～3.5at.％，其余为钛。
优选地，所述钛硅铜铁锌层中铜的含量为0.5～5at.％，铁的含量为0.5～5at.％，硅的含量为0.5～3.0at.％，锌的含量为1.0～5.0at.％，其余为钛。
更优选地，所述钛硅铜铁锌层中铜的含量为3～3.5at.％，铁的含量为1.5～2.0at.％，硅的含量为2.5～3.0at.％，锌的含量为2～2.5at.％，其余为钛。
一种多钛基层不粘锅，所述多钛基层不粘锅内表面沉积所述不粘涂层。
所述多钛基层不粘锅的制备方法，包括以下步骤：
S1.将金属锅依次进行毛化处理，使其表面粗糙度达到0.1～6.4μm，再依次进行清洗、吹干、检验；
S2.将检验后的金属锅进行氩离子刻蚀清洗和PVD沉积，PVD沉积依次沉积钛层、钛硅层、钛硅铜铁锌层得到多钛基层不粘锅。
本发明中不粘涂层的厚度可以根据实际应用情况选定。一般地，所述钛层厚度为2～20μm，所述钛硅层厚度为5.1～20μm。所述钛硅铜铁锌层厚度为5.1～20μm。
优选地，步骤S1.中，所述表面粗糙度达到0.8～3.2μm。
优选地，步骤S1.中，所述清洗方式为超声清洗。
优选地，步骤S2.中，所述氩离子刻蚀清洗的条件为：当PVD炉的真空室的本底真空度为小于1×10-3Pa时，通入氩气并控制流量在100～1000sccm，气压为0.2～10.0Pa，金属锅温度为350～450℃，负偏压-200～-800V，离子清洗时间为10～60min。
优选地，步骤S2.中，PVD沉积的参数为：靶材电流均为60～160A，沉积偏压为-40～-130V，沉积温度300～600℃，氩气压力为3.0～4.8Pa。
优选地，步骤S2.中，所述PVD沉积的沉积时间为5～50h。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供一种多钛基层不粘锅，所述多钛基层不粘锅由金属锅-钛层-钛硅层-钛硅铜铁锌层，其具有较好的耐腐蚀性、耐磨损性，有效解决了现有技术中钛合金复合锅耐腐蚀性和耐磨损性能不高的问题。本发明提供的多钛基层不粘锅具有良好的不粘性能且同时具有抗菌功效。
附图说明
图1为采用本发明不粘涂层应用制备的多钛基层不粘锅实物图；
图2为实施例7不粘涂层应用于304不锈钢锅制备的多钛基层不粘锅煎鸡蛋实物图；
图3为几何图案化的304L不锈钢不粘锅煎鸡蛋实物图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做出进一步地详细阐述，所述实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。
实施例中采用的靶材为：高纯钛靶(99.99wt.％)、钛硅靶(硅含量0.1～20at.％、铜铁锌合金靶(铜含量0.1～5at.％，铁含量0.1～5at.％，锌含量0.1～5at.％)为实验室自研靶材。
采用的304不锈钢锅、铝合金锅、工业纯铁锅、几何图案化的304L不锈钢不粘锅和特氟龙不沾锅均为市售。
实施例中，所述不粘涂层，通过如下方法制备，包括以下步骤：
S1.将基体依次进行毛化处理，使其表面粗糙度达到0.1～6.4μm，再依次进行清洗、吹干、检验；
S2.将检验后的基体进行氩离子刻蚀清洗和PVD沉积，PVD沉积依次沉积钛层、钛硅层和钛硅铜铁锌层。
步骤S2.中，所述氩离子刻蚀清洗的条件为：当PVD炉的真空室的本底真空度为小于1×10-3Pa时，通入氩气并控制流量在100～1000sccm，气压为0.2～10.0Pa，基体温度为350～450℃，负偏压-200～-800V，离子清洗时间为10～60min。
步骤S2.中，PVD沉积的参数为：靶材电流均为60～160A，基体偏压沉积偏压为-40～-130V，沉积温度300～600℃，氩气压力为3.0～4.8Pa。
实施例1
一种不粘涂层，包括以下依次连接的涂层：与基体连接的钛层、钛硅层、钛硅铜铁锌层；
所述钛硅层中硅的含量为0.01at.％，其余为钛；所述钛硅铜铁锌层中铜的含量为5at.％，铁的含量为5at.％，硅的含量为5at.％，锌的含量为5at.％，其余为钛。
实施例2
一种不粘涂层，包括以下依次连接的涂层：与基体连接的钛层、钛硅层、钛硅铜铁锌层；
所述钛硅层中硅的含量为20.0at.％，其余为钛；所述钛硅铜铁锌层中铜的含量为0.1at.％，铁的含量为0.1at.％，硅的含量为0.1at.％，锌的含量为0.1at.％，其余为钛。
实施例3
一种不粘涂层，包括以下依次连接的涂层：与基体连接的钛层、钛硅层、钛硅铜铁锌层；
所述钛硅层中硅的含量为1.0at.％，其余为钛；所述钛硅铜铁锌层中铜的含量为0.5at.％，铁的含量为0.5at.％，硅的含量为0.5at.％，锌的含量为1.0at.％，其余为钛。
实施例4
一种不粘涂层，包括以下依次连接的涂层：与基体连接的钛层、钛硅层、钛硅铜铁锌层；
所述钛硅层中硅的含量为1.0at.％，其余为钛；所述钛硅铜铁锌层中铜的含量为5.0at.％，铁的含量为5.0at.％，硅的含量为3.0at.％，锌的含量为5.0at.％，其余为钛。
实施例5
一种不粘涂层，包括以下依次连接的涂层：与基体连接的钛层、钛硅层、钛硅铜铁锌层；
所述钛硅层中硅的含量为10.0at.％，其余为钛；所述钛硅铜铁锌层中铜的含量为0.5at.％，铁的含量为0.5at.％，硅的含量为0.5at.％，锌的含量为1.0at.％，其余为钛。
实施例6
一种不粘涂层，包括以下依次连接的涂层：与基体连接的钛层、钛硅层、钛硅铜铁锌层；
所述钛硅层中硅的含量为10.0at.％，其余为钛；所述钛硅铜铁锌层中铜的含量为5.0at.％，铁的含量为5.0at.％，硅的含量为3.0at.％，锌的含量为5.0at.％，其余为钛。
实施例7
一种不粘涂层，包括以下依次连接的涂层：与基体连接的钛层、钛硅层、钛硅铜铁锌层；
所述钛硅层中硅的含量为3.2at.％，其余为钛；所述钛硅铜铁锌层中铜的含量为3.2at.％，铁的含量为1.8at.％，硅的含量为2.7at.％，锌的含量为2.4at.％，其余为钛。
采用本发明方法不粘涂层应用制备的多钛基层不粘锅如图1所示，可以看出多钛基层不粘锅表面光滑。
对比例1(无钛硅层)
一种不粘涂层，包括以下依次连接的涂层：与基体连接的钛层、钛硅铜铁锌层；
由上述方法制备的对照不粘锅，所述钛硅铜铁锌层中铜的含量为3.2at.％，铁的含量为1.8at.％，硅的含量为2.7at.％，锌的含量为2.4at.％，其余为钛。
对比例2(不粘涂层的顺序为与基体连接的钛层-钛硅铜铁锌层-钛硅层)
一种不粘涂层，包括以下依次连接的涂层：与基体连接的钛层、钛硅铜铁锌层、钛硅层；
由上述方法制备的多钛基层不粘锅，其中所述钛硅层中硅的含量为3.2at.％，其余为钛；所述钛硅铜铁锌层中铜的含量为3.2at.％，铁的含量为1.8at.％，硅的含量为2.7at.％，锌的含量为2.4at.％，其余为钛。
对比例3(不粘涂层钛硅铜铁层元素含量在范围外)
一种不粘涂层，包括以下依次连接的涂层：与基体连接的钛层、钛硅层、钛硅铜铁锌层；
由上述方法制备的多钛基层不粘锅，其中所述钛硅层中硅的含量为11.9at.％，其余为钛；所述钛硅铜铁锌层中铜的含量为6.0at.％，铁的含量为6.3at.％，硅的含量为4.1at.％，锌的含量为7.2at.％，其余为钛。
实验1不粘性能测试
根据上述不粘涂层制备方法，将基体替换为304不锈钢锅沉积实施例1～6所述不粘涂层得到多钛基层不粘锅1～6，将基体替换为304不锈钢锅、铝合金锅和工业铁锅沉积实施例7所述不粘涂层得到多钛基层不粘锅7～9，将基体替换为304不锈钢锅沉积对比例1～3所述不粘涂层得到对照不粘锅1～3。
对上述多钛基层不粘锅1～9、对照不粘锅1～3、几何图案化的304L不锈钢不粘锅和特氟龙不粘锅进行不粘性能测试，将上述不粘锅清洗后置于煤气灶上，然后加入2mL油，利用硅胶刷刷匀，然后加入鸡蛋，摊平，利用铁锅铲进行翻动来评价不粘锅的不粘性能，结果如表1所示。实施例7所述不粘涂层应用于304不锈钢锅的多钛基层不粘锅和几何图案化的304L不锈钢不粘锅不粘性能测试实物图如图2～3所示。
表1
不粘性能
多钛基层不粘锅1 锅底未出现鸡蛋粘结现象
多钛基层不粘锅2 锅底未出现鸡蛋粘结现象
多钛基层不粘锅3 锅底未出现鸡蛋粘结现象
多钛基层不粘锅4 锅底未出现鸡蛋粘结现象
多钛基层不粘锅5 锅底未出现鸡蛋粘结现象
多钛基层不粘锅6 锅底未出现鸡蛋粘结现象
多钛基层不粘锅7 锅底未出现鸡蛋粘结现象
多钛基层不粘锅8 锅底未出现鸡蛋粘结现象
多钛基层不粘锅9 锅底未出现鸡蛋粘结现象
对照不粘锅1 锅底未出鸡蛋粘结现象
对照不粘锅2 锅底略有现鸡蛋粘结现象
对照不粘锅3 锅底略有现鸡蛋粘结现象
几何图案化的304L不锈钢不粘锅 锅底粘满鸡蛋
特氟龙不粘锅 锅底未出现鸡蛋粘结现象
从表2可以看出，采用本发明制备方法制得的多钛基层不粘锅不粘性能良好，市售的几何图案化的304L不锈钢不粘锅的不粘性能较差。从图2～3可以看出，实施例7所述不粘涂层应用于不粘锅制得的多钛基层不粘锅锅底未出现鸡蛋粘结现象，而几何图案化的304L不锈钢不粘锅锅底粘满鸡蛋。
实验2耐腐蚀性能测试
将多钛基层不粘锅1～9、对照不粘锅1～3进行耐腐蚀性能测试。测试方法为采用3.5wt.％NaCl溶液对直接购买的304不锈钢锅、铝合金锅、工业铁锅、多钛基层不粘锅和对照不粘锅进行Tafel曲线测试，获取其自腐蚀电位，结果如表2所示。
表2
Figure BDA0003627932340000061
Figure BDA0003627932340000071
Tafel曲线测定中自腐蚀电位越高，其耐腐蚀性能越高。从表2中可以看出，本发明的多钛基层不粘锅的自腐蚀电位均明显高于未处理的金属锅的自腐蚀电位，说明本发明的多钛基层不粘锅的耐腐蚀性较好；比较对比例1～3和实施例可以看出，当不粘涂层中不含有钛硅层时制得的对照不粘锅的耐腐蚀性明显下降；当不粘涂层依次包括与基体连接的钛层-钛硅铜铁锌层-钛硅层时，对照不粘锅的不粘涂层结合力变差，耐腐蚀性较差；当不粘涂层中各元素含量发生变化时，对照不粘锅的耐腐蚀性较差。
实验3耐磨损性能测试
将多钛基层不粘锅1～9、对照不粘锅1～3、几何图案化的304L不锈钢不粘锅和特氟龙不粘锅进行耐磨损性能测试，测试方法为采用清洁球对不粘锅进行擦拭2min，观察不粘锅表面现象，并记录，结果如表3所示。
表3
Figure BDA0003627932340000072
Figure BDA0003627932340000081
从表3中可以看出，采用本发明的多钛基层不粘锅的耐磨损性能良好，不粘锅表面仅出现轻微划伤，并无涂层剥落；仅由钛层和钛硅铜铁锌层组成不粘涂层的不粘锅，表面出现微划伤，局部区域存在涂层剥落；不粘涂层由内层到外层依次为钛层-钛硅铜铁锌层和不粘涂层中各元素含量发生变化时制得的对照不粘锅耐磨损能力均较差，在清洁球清洗后不粘涂层会大面积的出现剥落；市售的几何图案化的304L不锈钢不粘锅表面严重划伤；特氟龙不粘锅表面出现严重划伤，甚至局部剥落。说明本发明方法制备的多钛基层不粘锅的耐磨损性能良好，明显优于市售不粘锅。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种不粘涂层，其特征在于，不粘涂层包括以下依次连接的涂层：与基体连接的钛层、钛硅层、钛硅铜铁锌层；
所述钛硅层中硅的含量为0.1～20at.％，其余为钛；所述钛硅铜铁锌层中铜的含量为0.1～5at.％，铁的含量为0.1～5at.％，硅的含量为0.1～5at.％，锌的含量为0.1～5at.％，其余为钛。
2.根据权利要求1所述不粘涂层，其特征在于，所述钛硅层中硅的含量为1～10at.％，其余为钛。
3.根据权利要求1所述不粘涂层，其特征在于，所述钛硅铜铁锌层中铜的含量为0.5～5at.％，铁的含量为0.5～5at.％，硅的含量为0.5～3.0at.％，锌的含量为1.0～5.0at.％，其余为钛。
4.根据权利要求1所述不粘涂层，其特征在于，所述钛硅层中硅的含量为3～3.5at.％，其余为钛。
5.根据权利要求1所述不粘涂层，其特征在于，所述钛硅铜铁锌层中铜的含量为3～3.5at.％，铁的含量为1.5～2.0at.％，硅的含量为2.5～3.0at.％，锌的含量为2～2.5at.％，其余为钛。
6.根据权利要求1～5任一项所述不粘涂层在不粘锅中的应用。
7.一种多钛基层不粘锅，其特征在于，所述多钛基层不粘锅内表面沉积权利要求1～5任一项所述不粘涂层。
8.根据权利要求7所述多钛基层不粘锅的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将金属锅依次进行毛化处理，使其表面粗糙度达到0.1～6.4μm，再依次进行清洗、吹干、检验；
S2.将检验后的金属锅进行氩离子刻蚀清洗和PVD沉积，PVD沉积依次沉积钛层、钛硅层、钛硅铜铁锌层得到多钛基层不粘锅。
9.根据权利要求8所述制备方法，其特征在于，步骤S2.中，所述氩离子刻蚀清洗的条件为：当PVD炉的真空室的本底真空度为小于1×10-3Pa时，通入氩气并控制流量在100～1000sccm，气压为0.2～10.0Pa，金属锅温度为350～450℃，负偏压-200～-800V，离子清洗时间为10～60min。
10.根据权利要求8所述制备方法，其特征在于，步骤S2.中，PVD沉积的参数为：靶材电流均为60～160A，沉积偏压为-40～-130V，沉积温度300～600℃，氩气压力为3.0～4.8Pa。
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