CN115141519B - 用于不粘涂层的复合材料及其制备方法和锅具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于不粘涂层的复合材料及其制备方法和锅具。该复合材料按重量计包括5wt％‑20wt％的填料和80wt％‑95wt％的基础涂料，其中，所述填料包括：非晶合金，包括Fe基合金、Zr基合金、Cu基合金、Al基合金、Mg基合金和Ti基合金中的至少一种；以及多孔材料，被所述非晶合金包覆，其中，所述多孔材料与所述非晶合金的重量比为1:30至1:50。通过将本发明的复合材料涂覆在锅具的表面上，锅具具有低表面能，高硬度以及高温稳定性，不粘的同时具有耐高温、耐磨损等特性，达到持久不粘的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种不粘锅具领域，更具体地，涉及一种用于不粘涂层的复合材料及其制备方法以及一种包括复合材料的锅具。
背景技术
锅具的不粘技术主要从以下三个方向来实现：1)自身的低表面能；2)微观凹凸结构，形成类似于荷叶疏水疏油表面；3)多孔储油形成稳定油膜，利用油作为中介物实现不粘。
目前炊具用不粘材料主要有氟涂料、陶瓷涂料和有机硅树脂。三者主要以喷涂形式在锅内表面上制备不粘涂层，以达到加热食物时不粘的目的。氟涂料主要有PTFE(聚四氟乙烯)、PFOA(全氟辛酸铵)、PFA(全氟丙基全氟乙烯基醚与聚四氟乙烯的共聚物)、FEP(聚全氟乙丙烯共聚物)、ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)等，其不粘原理主要是含氟聚合物具有极低的表面自由能。陶瓷涂料主要包括硅氧键，且是无机硅占主要成分的涂料，其主要是在锅体表面形成纳米结构从而达到不粘的效果。有机硅树脂主要是利用其表面能低的特点达到不沾的效果。这三种涂料虽有不粘效果，但都有明显的缺陷，具体地，氟涂料不粘涂层不耐磨损，炒菜不能用铁铲，也不能用钢丝球、百洁布清洗，高温下分解可能产生有害物质，磨损后不粘性下降；陶瓷涂料不粘效果较氟涂料差，主要是利用涂料体系中的硅油实现不粘，持久不粘性也不好，一般使用3个至6个月后，涂层容易脱落；有机硅树脂形成的涂层不粘效果也较氟涂料形成的涂层差，接触高温或明火后颜色容易发黄或发灰，且高温下硬度下降，容易产生“回粘”现象。由此可见，目前不粘材料普遍存才持久不粘性不佳现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于不粘涂层的复合材料，该复合材料具有低表面能，高硬度以及高温稳定性，不粘的同时具有耐高温，耐磨损等特性，达到持久不粘的效果。
本发明的另一目的在于提供一种包括复合材料制成的不粘涂层的锅具。
根据本发明的一方面，提供一种用于不粘涂层的复合材料，该复合材料按重量计包括5wt％-20wt％的填料和80wt％-95wt％的基础涂料，其中，填料包括：非晶合金，包括Fe基合金、Zr基合金、Cu基合金、Al基合金、Mg基合金和Ti基合金中的至少一种；以及多孔材料，被非晶合金包覆，其中，多孔材料与非晶合金的重量比为1:30至1:50。该复合材料具有低表面能，高硬度以及高温稳定性。
根据本发明的实施例，基础涂料可以包括氟涂料和陶瓷涂料中的一种，多孔材料可以包括硅藻土和沸石中的至少一种。通过利用该多孔材料使非晶合金包覆在其表面上来形成填料，并且将填料添入到锅具的不粘涂层之后，锅具的表面由于该多孔材料的孔隙可以吸油储油，从而具有炒菜不粘的效果。
根据本发明的实施例，非晶合金的粒径可以为1000目至300目，多孔材料的粒径可以为25μm至100μm。通过将非晶合金和多孔材料的粒径控制在上述范围内能够很好地保证复合材料的强度。
根据本发明的另一方面，提供一种制备用于不粘涂层的复合材料的方法，该方法包括以下步骤：将非晶合金、多孔材料和有机溶剂混合，以得到混合物；对混合物进行球磨，以得到非晶合金包覆的多孔材料；以及对非晶合金包覆的多孔材料进行冷却，以得到填料；以及按重量计将5wt％-20wt％的填料和80wt％-95wt％的基础涂料混合，以得到复合材料，其中，非晶合金包括Fe基合金、Zr基合金、Cu基合金、Al基合金、Mg基合金和Ti基合金中的至少一种，多孔材料与非晶合金的重量比为1:30至1:50。通过该方法得到的复合材料具有低表面能，高硬度以及高温稳定性。
根据本发明的实施例，可以在惰性气体保护下在转速为1000r/min至5000r/min和球料比为2:1至10:1下执行球磨的步骤20小时至50小时。在上述条件下执行球磨步骤能够提高生产效率。
根据本发明的实施例，可以在真空度为5×10-3Pa和温度为120℃至200℃下执行冷却的步骤2小时至4小时。在上述条件下执行冷却步骤能够保证冷却速率。
根据本发明的又一方面，提供一种锅具，该锅具包括：本体，包括承载物品的内表面以及背对内表面的外表面；以及不粘涂层，设置在本体的内表面上，并且包括根据如上所述的复合材料。该锅具具有高硬度以及高温稳定性，不粘的同时具有耐高温，耐磨损等特性，达到持久不粘的效果。
根据本发明的实施例，不粘涂层的厚度可以为40μm至100μm。通过将不粘涂层的厚度保持在该范围内能够提高涂层的耐磨性能。
根据本发明的实施例，不粘涂层可以包括：第一子不粘涂层，设置在本体的内表面上；以及第二子不粘涂层，设置在第一子不粘涂层上，其中，第一子不粘涂层中的非晶合金的粒径小于第二子不粘涂层中的非晶合金的粒径，并且第一子不粘涂层中的复合材料的含量小于第二子不粘涂层中的复合材料的含量。通过控制第一子不粘涂层和第二子不粘涂层中的非晶合金的粒径以及复合材料的含量能够在不破坏结合力的情况下提高涂层的耐磨性以及持久不粘的效果。
根据本发明的实施例，在第一子不粘涂层中，非晶合金的粒径可以为1000目至500目，并且复合材料的含量可以在5wt％至10wt％的范围内，在第二子不粘涂层中，非晶合金的粒径可以为500目至300目，并且复合材料的含量可以在5wt％至20wt％的范围内。通过在与本体直接接触的第一子不粘涂层中添加更细更少的非晶合金，对锅具的本体本身的强度影响较小，并且在与第一子不粘涂层直接接触的第二子不粘涂层中添加更粗更多的非晶合金，提高了涂层的耐磨性及持久不粘效果。
通过将本发明的复合材料涂覆在锅具的表面上，锅具具有低表面能、高硬度以及高温稳定性，不粘的同时具有耐高温、耐磨损等特性，达到持久不粘的效果。
附图说明
通过结合附图对实施例的描述，本发明的上述和/或其它特征和方面将变得清楚和易于理解。
图1是示出根据本发明的实施例的锅具的示意图。
图2是示出根据本发明的另一实施例的锅具的示意图。
图3是示出根据本发明的实施例的制备用于不粘涂层的复合材料的方法的流程图。
图4和图5分别是实施例1和实施例2的填料(复合粉末)的SEM图片。
具体实施方式
下面将通过参照附图来描述实施例，以解释本发明。然而，本发明可以以多种不同的形式来实施，不应该被理解为局限于在此提出的示例性实施例。提供这些实施例使本发明的公开将是彻底的和完整的，并将本发明的范围充分地传达给本领域的技术人员。
本发明提供了一种用于不粘涂层的复合材料，该复合材料按重量计包括5wt％-20wt％的填料和80wt％-95wt％的基础涂料，或者该复合材料按重量计由5wt％-20wt％的填料和80wt％-95wt％的基础涂料组成。
基础涂料的含量在80wt％-95wt％的范围内，例如，可以在82wt％-93wt％、84wt％-91wt％、86wt％-89wt％的范围内，或者上述数值的任一范围内，例如82wt％-91wt％、86wt％-93wt％的范围内。基础涂料可以包括氟涂料和陶瓷材料中的一种。
填料的含量在5wt％-20wt％的范围内，例如，可以在7wt％-18wt％、9wt％-16wt％、11wt％-14wt％的范围内，或者上述数值的任一范围内，例如7wt％-16wt％、9wt％-14wt％的范围内。如果填料的含量低于5wt％，则所形成的涂层的耐磨作用不明显；如果填料的含量高于20wt％，则对复合材料体系影响较大，形成的涂层的结合强度降低。
填料包括非晶合金(或称为液态金属)和被非晶合金包覆的多孔材料，也即，非晶合金包覆在多孔材料的表面上。
非晶合金包括Fe基合金、Zr基合金、Cu基合金、Al基合金、Mg基合金和Ti基合金中的至少一种。例如，非晶合金可以包括Fe、Zr、Cu、Al、Mg、Ti、Sn、Ni、Pb、Zn、Nd、Ga、Mo、Hf、Cr、Ca、Y、Si、P、B和C中的至少一种。具体地，非晶合金可以包括Fe、Zr、Cu、Al、Mg和Ti中的至少一种与Sn、Ni、Pb、Zn、Nd、Ga、Mo、Hf、Cr、Ca、Y、Si、P、B和C中的至少一种的组合(例如，高熵非晶合金(其是指由5种或5种以上元素以等原子比或近等原子比制备而成))。具体地，非晶合金可以包括Zr60-Cu23-Al10-Ni5-Hf2、Zr65-Ti5-Ni10-Al10-Cu10、Fe-Sn-Pb-P-C、Fe80-Cr5-Mo6-B4-Si5、Fe50-Zr20-Cr9-B6-Cu10-Y5。
可以采用雾化制粉法来制备非晶合金，具体地，以Fe基合金为例，将熔融状态的Fe基合金射向高速旋转(表面线速度可达100m/s)的铜制急冷盘上，在离心力的作用下，合金雾化后凝固成的细粒就会向四周散开，通过装在盘上四周的气体喷嘴喷吹惰性气体以加速冷却(冷却速率可达106K/s)，使合金组织来不及结晶以过冷态凝固，从而形成非晶合金。
多孔材料可以包括硅藻土和沸石中的至少一种，例如，可以使用纯度高于99.5％的硅藻土作为多孔材料。
多孔材料与非晶合金的重量比为1:30至1:50，例如，可以为1:32至1:48、1:34至1:46、1:36至1:44、1:38至1:42，或者上述数值的任一范围内，例如1:32至1:38、1:34至1:42。在本发明的实施例中，将多孔材料与非晶合金的重量比控制在上述范围内，能够得到包覆状态清晰且包覆结构完整性较好的包覆材料。
在本发明的实施例中，非晶合金的粒径可以为1000目至300目，例如，900目至400目、800目至500目、700目至600目。在本发明的实施例中，如果非晶合金的粒径高于1000目，则颗粒太细耐磨作用不明显，且成本增加；如果非晶合金的粒径低于300目，则颗粒太粗导致涂层表面粗糙，光泽较暗，大颗粒容易崩掉。
在本发明的实施例中，多孔材料的粒径可以为25μm至100μm，例如，35μm至90μm、45μm至80μm或55μm至70μm。
通过将非晶合金和多孔材料的粒径控制在上述范围内能够很好地保证复合材料的强度。
根据本发明的复合材料的粒径可以为500目至100目。
下面将参照图1和图2详细描述根据本发明的复合材料在锅具中的应用。
图1是示出根据本发明的实施例的锅具的示意图。
参照图1，根据本发明的锅具100包括本体110以及设置在本体110上的不粘涂层120。
本体110(或者也可以称为锅体)可以具体凹进的形状，也即，本体110可以具有用于承载物品(例如食物)等的内表面以及背对内表面的外表面。本体110可以由不锈钢等材料制成；然而本发明的实施例不限于此。
不粘涂层120设置在本体110的内表面上。不粘涂层120包括如上所述的复合材料。可以通过在如下条件下将根据本发明的复合材料(例如，可以使用粒径为500目至300目的复合材料)喷涂在本体110的内表面上来形成不粘涂层120：喷涂距离150mm至170mm；空气压力0.2MPa至0.4MPa，流量6L/min至10L/min。
不粘涂层120的厚度可以为40μm至100μm，例如，45μm至95μm、50μm至90μm、55μm至85μm、60μm至80μm或65μm至75μm。如果不粘涂层120太薄，则无法覆盖强化改性颗粒；如果不粘涂层120太厚，则容易流挂，导致厚度不均。因此，通过将不粘涂层120的厚度保持在该范围内能够提高涂层的耐磨性能。
参照图2，在另一实施例中，不粘涂层120可以包括第一子不粘涂层121和第二子不粘涂层122。
第一子不粘涂层121(即，内层)设置在本体110的内表面上，具体地，第一子不粘涂层121与本体110的内表面直接接触。
第二子不粘涂层122(即，外层)设置在第一子不粘涂层121上，具体地，第二子不粘涂层122与第一子不粘涂层121直接接触。
第一子不粘涂层121中的非晶合金的粒径可以小于第二子不粘涂层122中的非晶合金的粒径，并且第一子不粘涂层121中的复合材料的含量可以小于第二子不粘涂层122中的复合材料的含量。通过控制第一子不粘涂层和第二子不粘涂层中的非晶合金的粒径以及复合材料的含量能够在不破坏结合力的情况下提高涂层的耐磨性以及持久不粘的效果。
在第一子不粘涂层121中，非晶合金的粒径可以为1000目至500目，并且复合材料的含量可以在5wt％至10wt％的范围内；在第二子不粘涂层中，非晶合金的粒径可以为500目至300目，并且复合材料的含量可以在5wt％至20wt％的范围内。通过在内层中添加更细更少的非晶合金，对锅具的本体本身的强度影响较小，并且在外层中添加更粗更多的非晶合金，从而在不破坏原有涂料结合力的情况下，提高了涂层的耐磨性及持久不粘效果。
通过将本发明的复合材料涂覆在锅具的表面上，锅具具有低表面能、高硬度以及高温稳定性，不粘的同时具有耐高温、耐磨损等特性，达到持久不粘的效果。
下面将参照图3详细描述根据本发明的制备复合材料的方法。
图3是示出根据本发明的实施例的制备用于不粘涂层的复合材料的方法的流程图。
参照图3，根据本发明的制备复合材料的方法包括：将非晶合金、多孔材料和有机溶剂混合的步骤S100；对混合物进行球磨的步骤S200；对非晶合金包覆的多孔材料进行冷却的步骤S300；以及将填料和基础涂料混合的步骤S400。
在步骤S100中使用的非晶合金和多孔材料的相关信息可以参照如上记载，因此，将不再对其进行赘述。
有机溶剂可以使用无水乙醇和聚乙烯醇中的至少一种；然而，本发明不限于此，可以使用任何合适的有机溶剂。
在步骤S200中，可以在惰性气体(例如，99.999％的氩气)保护下在转速为1000r/min至5000r/min和球料比为2:1至10:1下执行球磨的步骤20小时至50小时。在上述条件下执行球磨步骤能够提高生产效率。
在步骤S300中，可以在真空度为5×10-3Pa和温度为120℃至200℃下执行冷却的步骤2小时至4小时。在上述条件下执行冷却步骤能够保证冷却速率。
在步骤S400中，将填料和基础涂料混合，从而得到复合材料。
经上述制备得到的复合材料的粒径为500目至100目。
通过将本发明的复合材料涂覆在锅具的表面上，锅具具有低表面能、高硬度以及高温稳定性，不粘的同时具有耐高温、耐磨损等特性，达到持久不粘的效果。
下面将结合实施例对本发明的制造锅具的方法进行详细的描述。
实施例1
将硅藻土与Fe基非晶合金(具体地，Fe-Sn-Pb-P-C)按重量比为1:30在无水乙醇中混合，并放入球磨机中，在氩气保护下在转速为1000r/min，球磨比为2:1下球磨22小时；在真空度为5×10-3Pa和温度为150℃下执行冷却2小时，以得到粒径为300目的复合粉末。将15wt％的复合粉末与85wt％的氟涂料混合，以得到复合材料。在喷涂距离150mm，空气压力0.2MPa，流量6L/min的条件下将复合材料喷涂到锅体表面，以形成厚度为50μm的不粘涂层。在本发明中，通过扫描电子显微镜对实施例1的复合粉末进行了检测，从图4的SEM图片可以看出，Fe基非晶合金包覆在硅藻土上，形成了结构完整性较好的复合粉末。
实施例2
与实施例1不同之处在于硅藻土与Fe基非晶合金按重量比为1:40。在本发明中，通过扫描电子显微镜对实施例2的复合粉末进行了检测，从图5的SEM图片可以看出，Fe基非晶合金包覆在硅藻土上，形成了结构完整性较好的复合粉末。
实施例3
与实施例1不同之处在于硅藻土与Fe基非晶合金按重量比为1:50。
实施例4
与实施例1不同之处在于将10wt％的复合粉末与90wt％的氟涂料混合。
对比例1
与实施例1不同之处在于将25wt％的复合粉末与75wt％的氟涂料混合。
对比例2
与实施例1不同之处在于将15wt％的Fe基非晶合金与85wt％的氟涂料混合。
对比例3
不添加复合粉末，直接由氟涂料制备涂层。
对上述实施例和对比例进行涂层强度测试以及持久不粘测试。
涂层强度测试由机械冲击测试方法评价：
机械冲击测试采用苏泊尔内控标准：500g钢球从50cm高处自由下落，砸到锅内涂层表面，连砸5个不同点，涂层无开裂，破损现象为合格，否则为不合格。
持久不粘性测试方法：
参照GB/T32095中耐磨测试方法，每磨1000次进行国标煎蛋，直到涂层磨穿露底或者连续2000次国标煎蛋III级，记录耐磨次数。
表1
| 方案 | 涂层强度 | 持久不粘性/次 | 失效形式 |
| 实施例1 | 合格 | 19000 | 连续国标煎蛋III级 |
| 实施例2 | 合格 | 25000 | 连续国标煎蛋III级 |
| 实施例3 | 合格 | 28000 | 连续国标煎蛋III级 |
| 实施例4 | 合格 | 24000 | 连续国标煎蛋III级 |
| 对比例1 | 不合格 | 30000 | 涂层磨穿露底 |
| 对比例2 | 合格 | 15000 | 连续国标煎蛋III级 |
| 对比例3 | 合格 | 7000 | 连续国标煎蛋III级 |
从表1可以看出，本申请的实施例1至实施例4的涂层强度明显高于对比例1。本申请的实施例1至实施例4的持久不粘性明显高于对比例2和对比例3。
综上，通过将本发明的复合材料涂覆在锅具的表面上，锅具具有低表面能、高硬度以及高温稳定性，不粘的同时具有耐高温、耐磨损等特性，达到持久不粘的效果。
虽然已经参照本发明的示例性实施例具体地示出并描述了本发明，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离如权利要求和它们的等同物所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在此做出形式和细节上的各种改变。应当仅仅在描述性的意义上而不是出于限制的目的来考虑实施例。因此，本发明的范围不是由本发明的具体实施方式来限定，而是由权利要求书来限定，该范围内的所有差异将被解释为包括在本发明中。
Claims (7)
1.一种制备用于不粘涂层的复合材料的方法，所述方法包括以下步骤：
将非晶合金、多孔材料和有机溶剂混合，以得到混合物；
对混合物进行球磨，以得到非晶合金包覆的多孔材料；
对非晶合金包覆的多孔材料进行干燥，以得到填料；以及
按重量计将10wt%-20wt%的填料和80wt%-90wt%的基础涂料混合，以得到所述复合材料，
其中，非晶合金包括Fe基合金、Zr基合金、Cu基合金、Al基合金、Mg基合金和Ti基合金中的至少一种，
所述多孔材料与所述非晶合金的重量比为1:30至1:50，
其中，所述基础涂料包括氟涂料和陶瓷涂料中的一种。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多孔材料包括硅藻土和沸石中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述非晶合金的粒径为1000目至300目，所述多孔材料的粒径为25μm至100μm。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在惰性气体保护下在转速为1000r/min至5000r/min和球料比为2:1至10:1下执行球磨的步骤20小时至50小时。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在真空度为5×10-3Pa和温度为120℃至200℃下执行干燥的步骤2小时至4小时。
6.一种锅具，所述锅具包括：
本体，包括承载物品的内表面以及背对所述内表面的外表面；以及
不粘涂层，设置在所述本体的所述内表面上，并且包括根据权利要求1至5中任一项所述的方法制备得到的复合材料。
7.根据权利要求6所述的锅具，其中，所述不粘涂层的厚度为40μm至100μm。
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