CN1644760B - 制造复合铝制品的方法 - Google Patents

Abstract

一种制造复合铝制品的方法，包括：对阳极化的密封铝基体进行处理，将低摩擦材料粘附于基体上。然后采用含有至少一种盐的水溶液或悬浮液处理所得基体，所述盐具有二价金属或三价金属的阴离子、阳离子或二者皆有。该方法特别适用于制造坚硬的阳极化炊具，其具有优良的耐酸性和防污性。

Description

制造复合铝制品的方法

发明领域

本发明涉及一种制造防污(stain resistant)复合铝制品如炊具的方法，也涉及一种防污炊具。

背景技术

具有处理的氧化表面的铝制品因其表面具有低摩擦和高耐蚀性，从而被普遍应用。阳极化的铝制品具有形成在其表面的一层多孔、不规则、粗晶粒的氧化铝薄层。另外，众所周知要提供一薄涂层以密封该多孔氧化物。该涂层牢固地粘附于铝基体上，从而使该基体非常耐磨。阳极化和密封铝的方法包括美国专利4861440和4784732，其各自公开的内容在此全文引入以作参考。

经涂覆的阳极化铝表面可以用于多种用途。具体而言，由于其强度、硬度和耐蚀性而广泛应用于炊具制造中。尽管具有这些优点，但阳极化的炊具容易粘附或变污。而且酸性食物可能会与阳极化铝制炊具的表面发生反应，从而腐蚀坚硬的阳极化表面。

为了促进食物不粘、改善防污和耐酸性、并提供更容易清洁的阳极化铝表面，已经作出了许多尝试。这些尝试包括：(i)表面涂覆不同厚度的聚合物层；(ii)延长密封时间，随后包覆一聚合物层；(iii)AC阳极化以及(iv)化学接枝法。采用聚合物混合物能带来某些好处，但仍希望能获得更好的防污性、高强度、高硬度以及耐蚀性。

发明内容

本发明的一个方面涉及一种制造复合铝制品的方法，包括：

(a)对阳极化、密封的铝基体进行处理，将低摩擦材料粘附于基体上，从而制得经过低摩擦材料处理的基体；和

(b)用含有至少一种盐的水溶液或悬浮液处理上述经过低摩擦材料处理的基体，所述盐具有二价金属或三价金属的阴离子、阳离子或二者皆有；

从而制得复合铝制品。

本发明的另一个方面涉及一种制造复合铝制品的方法，包括：

(a)密封阳极化铝基体；

(b)对密封的、阳极化的铝基体进行处理，将低摩擦材料粘附于上述密封的、阳极化的铝基体上，从而制得经过低摩擦材料处理的基体；和

(c)用含有至少一种盐的水溶液或悬浮液处理上述经过低摩擦材料处理的基体，所述盐具有二价金属或三价金属的阴离子、阳离子或二者皆有；

从而制得复合铝制品。

根据本发明的一个方面，采用含有至少一种盐的水溶液或悬浮液来进行密封，其中所述盐具有二价金属或三价金属的阴离子、阳离子或二者皆有，从而制得密封的、阳极化的铝基体，其中该盐溶液或悬浮液基本上浸透上述经过低摩擦处理的基体。所述的盐可以是镍盐和/或钴盐。优选使用镍盐。更优选的，该镍盐为醋酸镍。或者，密封可以通过浸入接近沸腾水(例如200°F-210°F的水)来实现。

优选地，可用的低摩擦材料为食品级聚合物的混合物。也可以使用其它类型的低摩擦材料。

在一种优选实施方案中，于170-180°F的温度下，采用含有至少一种盐的水溶液或悬浮液对经过低摩擦材料处理的基体进行处理，所述盐具有二价金属或三价金属的阴离子、阳离子或二者皆有。优选地，该溶液的pH值为5.7-6.0，处理时间为6-15分钟。

本发明的另一方面，根据上述方法制造炊具。可以包括各种类型的炊具，例如锅、荷兰炖锅、壶、平底锅、煮锅、煎锅和华夫饼模子(waffle iron)。本发明的炊具具有改进的耐用性、耐蚀性和防污性。

具体实施方式

下面将描述本发明的某些优选实施方案。应当理解，这些描述仅仅是作为本发明的示例。

一个优选实施方案中，铝基体经四个步骤制成复合铝制品。铝基体可以是纯铝或铝合金，可以是加工件(wrought)、铸件或锻件。所述四个步骤可以概括如下：(i)阳极化；(ii)密封；(iii)采用“低摩擦材料”处理，优选使用食品级聚合物的混合物；以及(iv)采用含有二价或三价金属盐的溶液进行二次密封。

已经发现上述步骤中的前三步可以制成具有良好强度和耐蚀性的阳极化表面。然而，发现采用二价或三价金属盐进行附加密封处理能显著而出乎预料地提高所得复合铝基体的防污性。相比于对阳极化铝基体进行单一密封步骤而言，上述方法也能提供更好的性能，即使该单一密封步骤持续更长时间。传统知识必定预计，采用含有二价或三价金属盐的溶液处理经过低摩擦材料处理的基体并不会对所得复合铝基体的防污性产生任何影响。

在复合铝制品制备方法的第一步骤中，通过电解在铝基体表面上形成一层氧化铝层。可以使用本领域技术人员所熟知的阳极化方法(包括如美国专利4861440和4784732中详细记载的内容)。这一步骤制成的氧化铝表面与基体铝是一体的，并且是不规则、粗晶粒和高度多孔的。

本领域众所周知，当铝基体浸入氧化性酸溶液中时，氧化铝层会通过电解处理在铝基体上“生长”。常规的阳极化处理过程中，基体作为阳极，采用高的电压和电流密度以形成高孔隙率的氧化铝层。在这种方法中，铝基体浸入非侵蚀性酸溶液中电解生长氧化铝晶体。例如，可以使用含有约120-310g/L浓硫酸的含水硫酸。在所述溶液中也可以使用其它本领域熟知的成分。

本领域众所周知，优选对用于进行阳极化的酸溶液进行剧烈搅拌。任选地，采用本领域熟知的空气搅拌或机械方法来进行。如果需要，也可以向溶液润湿剂中加入常用润湿剂，如烷基芳基聚醚醇。溶液优选保持在约25°-80°F温度下，特别是约26°-36°F，在电解形成氧化物层的过程中，溶液温度不允许显著升高，特别是使用高电流密度时。

为了获得适当多孔结构的氧化铝层，在从开始到结束的处理过程中逐渐升高阳极和阴极之间的电压。电压变化(ramp)方式是以电流密度为基础的，可以根据本领域熟知的技术使用不同的电压变化(ramp)方式，而且会根据应用而变化。(参见如，工具和制造工程手册(Tool and Manufacturing EngineersHandbook)，4^th版，第3卷，其中记载了电流密度应保持在每平方英尺20-50安培)。优选的，电流密度为每平方英尺20-25安培。电压方式优选在阳极化处理周期内从20伏提高到100伏，优选在同等时间增幅中从25伏提高到80伏。具体的周期时间可以根据要进行阳极处理的特定制品工艺所需的特性而变化。

在一个优选实施方案中，形成的氧化铝晶体结构厚度最高达2密尔，优选约1.5密尔。如本领域所熟知，根据所需氧化铝晶体结构的厚度和铝合金组成以及电流密度，阳极化过程可以持续约15-约60分钟。当然，应当理解，这些工艺参数仅仅是示例性的，可以进行改变以适应特定应用。

在优选实施方案中，随后采用去离子水、优选蒸馏水彻底冲洗所得阳极化铝基体，以清除附着在其表面的来自酸溶液的残留物。

在优选实施方案的第二步中，随后对阳极化步骤制成的阳极化铝基体进行“密封”或“预密封”。例如，密封可以通过用含有一种或多种盐的水溶液或悬浮液处理阳极化铝基体而进行，所述盐具有二价或三价金属的阴离子、阳离子或二者皆有，其中每一种盐均吸收到氧化铝的晶格中。可以采用其它密封方法来代替这种处理。例如可以用接近沸腾的水来密封该阳极化铝基体。

采用含有一种或多种盐的水溶液或悬浮液(所述盐具有二价或三价金属的阴离子、阳离子或这二者)进行密封的时候，优选将阳极化的铝基体浸入含有所述含有一种或多种盐的溶液或悬浮液的浴液中约20分钟。可以用来密封该阳极化铝基体的盐的非限制性例子为镍、钴、铅、锌和铜的低链烷酸盐(酯)(如乙酸盐或甲酸盐)，和铵、碱金属和碱土金属的重铬酸盐和钼酸盐，以及其它密封铝表面常用的盐。在优选实施方案中，使用镍盐如醋酸镍来密封阳极化的铝基体。

应当知道，该阳极化的铝基体可以进行多次密封。而且，(a)可以在每个密封步骤中使用盐的混合物，和(b)每个密封步骤可以采用与前次密封步骤不同的盐或多种盐的混合物。

或者，如本领域所熟知，密封可以如此进行：将阳极化的铝基体浸入接近沸腾的水(如200-210°F)中保持足够时间，优选约5分钟。

在优选实施方案的第三步中，用润滑材料或低摩擦材料处理该阳极化、密封的铝基体，从而制得经过低摩擦材料处理的基体。

润滑材料/低摩擦材料的示例包括但不限于石墨、硅树脂、二硫化钼、聚合物等。在优选实施方案中，采用食品级聚合物的混合物对该阳极化、密封的铝基体进行处理，包括将该阳极化、密封的铝基体浸入含有聚合物混合物的溶液中约5分钟。食品级聚合物的混合物优选为General Magnaplate，Linden，NJ提供的HCR-F

混合物。

随后，在进行本发明优选实施方案的第四步骤之前，采用去离子水、优选热蒸馏水彻底冲洗制得的经过低摩擦材料处理的基体。使用热水(如180°F左右)加热基体，以使水更快蒸发，但这种加热并非必需。经水洗后，烘烤经过低摩擦材料处理的基体，以去除可能残留在润滑材料/低摩擦材料中的水。优选地，在约500°F-约700°F温度下进行烘烤，最优选约680°F。烘烤持续一段适当的时间以进行固化，一般至少6-90分钟，这取决于如温度因素。

将上述三个步骤应用于制造阳极化铝炊具中时，已发现其可以使产品具有改善的食物不粘性、耐酸性、并更易于清洗。但是，试验表明产品的防污性却是不可接受的。

在优选实施方案的第四步、即最后一步中，如前文所述，采用含有一种或多种盐的水溶液或悬浮液对所得的经过低摩擦材料处理的基体再次进行密封或“后密封”，所述盐具有二价或三价金属的阴离子、阳离子或二者皆有。优选地，将所述经过低摩擦材料处理的基体浸入醋酸镍溶液中，在170°F-180°F温度下浸泡约6-15分钟，其中醋酸镍溶液的pH值为5.7-6.0。最后这一步骤制成的复合铝制品具有改善的特性。特别是，已经发现有利地应用这最后一个步骤可以制成防污性显著提高的坚硬的阳极化炊具。

虽然决不将本发明限制于这种改善的结果背后的任何理论，但相信所述经过低摩擦材料处理的基体随后用上述盐溶液处理时，复合铝制品会包含两层保护层：第一保护层是由低摩擦材料形成的；第二保护层是当该盐被吸收进低摩擦材料(特别是当所述低摩擦材料是聚合物或聚合物的混合物时)的孔中时形成的。虽然不希望受理论约束，但这两层保护层结合起来会使复合铝制品具有所观察到的提高的防污性。制成的产品还进一步具有优良的强度、硬度和耐蚀性。

用此处所述方法制成的复合铝制品的表面对于制造炊具(例如锅、荷兰炖锅、壶、平底锅、煮锅、煎锅和华夫饼模子及类似产品)是很理想的，对于这些炊具来说，防污性、高强度、高硬度和耐蚀性都是很重要的。该复合铝制品的表面具有优良的防污性。另外，该复合铝制品的表面具有优良的耐酸性、并且易于清洁。本发明优选实施方案的复合铝制品制造方法中的第四步骤能显著而出乎预料地提高所得复合铝基体对于蓝莓酱、咖喱酱、食用油和番茄的防污性。

优选实施方案的复合铝制品可以以未阳极化的铝基体为原料，采用上述四个步骤(即阳极化、预密封、润滑材料/低摩擦材料处理，后密封)制得。但是可以理解，优选实施方案的复合铝制品也可以以从例如第三方来源获得的阳极化铝基体为原料制得。然后采用本方法(或本领域已知的方法)将该阳极化的铝基体预密封，用润滑材料或低摩擦材料进行处理，并根据前述方法进行后密封。

或者，本发明另一实施方案的方法可以包括提供密封的、阳极化的铝基体，并采用前述方法对所述密封的、阳极化的铝基体进行密封。

虽然已经开发了制造防污性铝制品的替代方法，但其中许多方法并不能成功地制造出防污性能与该优选实施方案中复合铝制品同样优良的产品。已经尝试过的替代方法包括：

(a)在未密封的阳极化基体上涂覆聚合物，随后进行密封；

(b)在阳极化的铝基体上化学枝接含氟聚合物；

(c)将密封的阳极化铝基体浸入聚合物溶液中，保持较长时间以产生较厚的聚合物覆层，用冷水冲洗所得的经过低摩擦材料处理的基体较短时间(如在室温下持续5-10秒)，接下来不对所得的经过低摩擦材料处理的基体进行密封；

(d)对初始铝基体进行AC阳极化。

这些可供选择的方案并不能带来本发明所产生的优势或特点。

相信通过前述内容可以理解本发明及其带来的诸多优点，很显然，在不脱离本发明的精神和范围或不损失其全部实质优势的情况下，可以对本发明所述复合铝制品和制造该制品的方法作出多种改变和改进，而上文中记载的产品和制造方法仅仅是优选实施方案。

Claims (34)

1.一种制造复合铝制品的方法，包括：

(a)用第一组合物对阳极化的、密封的铝基体进行处理，其中，所述第一组合物是粘附于该基体上的低摩擦材料，从而制得经过低摩擦材料处理的基体；

(b)彻底冲洗经过所述低摩擦材料处理的基体；和

(c)采用与所述第一组合物不同的第二组合物对所述经过低摩擦材料处理的基体进行处理，所述第二组合物为含有至少一种盐的水溶液或悬浮液，所述盐选自镍、钴、铅、锌和铜的低链烷酸盐，和铵、碱金属和碱土金属的重铬酸盐和钼酸盐。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述低摩擦材料是食品级聚合物的混合物。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述彻底冲洗经过所述低摩擦材料处理的基体的步骤使用去离子水。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述彻底冲洗经过所述低摩擦材料处理的基体的步骤使用热蒸馏水。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述含有至少一种盐的水溶液或悬浮液基本上浸透该经过低摩擦材料处理的基体。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述盐是镍盐和钴盐中的一种或两种。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述盐是镍盐。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述镍盐是醋酸镍。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述低摩擦材料是聚合物材料。

10.如权利要求1所述的方法，其中在170℉-180℉的温度下，采用含有至少一种盐的水溶液或悬浮液对该经过低摩擦材料处理的基体进行处理，所述盐选自镍、钴、铅、锌和铜的低链烷酸盐，和铵、碱金属和碱土金属的重铬酸盐和钼酸盐。

11.如权利要求10所述的方法，其中该溶液的pH值为5.7-6.0。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述采用含有至少一种盐的水溶液或悬浮液对该经过低摩擦材料处理的基体所进行的处理持续6-15分钟。

13.一种采用权利要求1所述方法制备的产品。

14.如权利要求13所述的产品，其中该产品是炊具。

15.如权利要求14所述的产品，其中所述炊具为锅。

16.如权利要求14所述的产品，其中所述炊具选自：荷兰炖锅、壶、平底锅、煮锅、煎锅和华夫饼模子。

17.一种制造复合铝制品的方法，包括：

(a)密封阳极化铝基体；

(b)用第一组合物对所述密封的、阳极化的铝基体进行处理，其中，所述第一组合物是粘附于该密封的、阳极化的铝基体上的低摩擦材料，从而制得经过低摩擦材料处理的基体；

(c)彻底冲洗经过所述低摩擦材料处理的基体；和

(d)采用与所述第一组合物不同的第二组合物处理该经过低摩擦材料处理的基体，所述第二组合物为含有至少一种盐的水溶液或悬浮液，所述盐选自镍、钴、铅、锌和铜的低链烷酸盐，和铵、碱金属和碱土金属的重铬酸盐和钼酸盐。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述低摩擦材料是食品级聚合物的混合物。

19.如权利要求17所述的方法，其中所述彻底冲洗经过所述低摩擦材料处理的基体的步骤使用去离子水。

20.如权利要求17所述的方法，其中所述彻底冲洗经过所述低摩擦材料处理的基体的步骤使用热蒸馏水。

21.如权利要求17所述的方法，其中密封包括浸入含有至少一种盐的水溶液或悬浮液中，该盐选自镍、钴、铅、锌和铜的低链烷酸盐，和铵、碱金属和碱土金属的重铬酸盐和钼酸盐，从而制得密封的、阳极化铝基体。

22.如权利要求17所述的方法，其中密封包括浸入在加热至接近沸腾的水中。

23.如权利要求17所述的方法，其中所述含有至少一种盐的水溶液或悬浮液基本上浸透该经过低摩擦材料处理的基体。

24.如权利要求17所述的方法，其中所述盐是镍盐和钴盐中的一种或两种。

25.如权利要求24所述的方法，其中所述盐为镍盐。

26.如权利要求25所述的方法，其中所述镍盐为醋酸镍。

27.如权利要求17所述的方法，其中所述低摩擦材料为聚合物材料。

28.如权利要求17所述的方法，其中在170℉-180℉的温度下，采用含有至少一种盐的水溶液或悬浮液对该经过低摩擦材料处理的基体进行处理，所述盐选自镍、钴、铅、锌和铜的低链烷酸盐，和铵、碱金属和碱土金属的重铬酸盐和钼酸盐。

29.如权利要求28所述的方法，其中该溶液的pH值为5.7-6.0。

30.如权利要求29所述的方法，其中所述采用含有至少一种盐的水溶液或悬浮液对该经过低摩擦材料处理的基体所进行的处理持续6-15分钟。

31.一种采用权利要求17所述方法制备的产品。

32.如权利要求31所述的产品，其中该产品是炊具。

33.如权利要求32所述的产品，其中所述炊具是锅。

34.如权利要求32所述的产品，其中所述炊具选自：荷兰炖锅、壶、平底锅、煮锅、煎锅和华夫饼模子。