DE102022000067B3 - Brat-, Grill-, Back- und/oder Kochgeschirr sowie Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Brat-, Grill-, Back- und/oder Kochgeschirr, das aus einem Grünkörper aus pulverförmigem Siliciumcarbid, Kohlenstoff, Füllkörpern, Bindemitteln und Additiven mittels keramischer Formgebungsverfahren, z. B durch Pressen, isostatisches Pressen, Warmpressen, Gießen, Druckgießen, Spritzgießen, hergestellt ist, wobei der Grünkörper verkokt und mit einer metallischen Siliciumschmelze infiltriert ist, wobei der Grünkörper mit dem Kohlenstoff eine Siliciumcarbid-Bindungsmatrix bildet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Brat-, Grill-, Back- und/oder Kochgeschirr, nachstehend auch als BGBK bezeichnet, und das BGBK selbst.
  • Heutzutage eingesetzte BGBK-Materialien und -Materialkombinationen sind diverse Metalle und deren Legierungen, Keramik, Porzellan, Ton, Glas, Silikon, die aber nur jeweils in Teilbereichen den komplexen Anforderungen genügen. Jedes bisher bekannte BGBK muss Kompromisse eingehen. Exemplarisch seien anhand gängiger Pfannen genannt:
    • PTFE („Teflon“) beschichtete Pfanne, wesentlicher Vorteil Antihafteigenschaften, aber:
      • Begrenzter Temperatureinsatzbereich
      • Problematische Stofffreisetzung bei Überhitzung
      • Empfindliche Beschichtung bei mechanischer Beanspruchung
      • Oftmals Verformung bei Erwärmung: Energieübertragung und Planheit problematisch Zerstörungsanfällig bei Thermoschock
      • Begrenzte Lebensdauer der Beschichtung
    • Keramik beschichtete Pfanne, wesentlicher Vorteil Antihafteigenschaften, aber:
      • Begrenzter Temperatureinsatzbereich
      • Begrenzte Lebensdauer der Beschichtung
      • Oftmals Verformung bei Erwärmung: Energieübertragung und Planheit problematisch Zerstörungsanfällig bei Thermoschock
      • Empfindlich gegenüber Ölen mit niedrigem Rauchpunkt - Verharzungsgefahr durch Polymerisation
    • Emaille beschichtete Pfanne, wesentlicher Vorteil Hitzebeständigkeit, aber:
      • Eingeschränkte Antihafteigenschaften
      • Schlaganfällig
      • Oberfläche nur bedingt resistent
      • Schwer
      • Zerstörungsanfällig bei Thermoschock
    • Edelstahl-Pfanne, wesentlicher Vorteil Hitzebeständigkeit, aber:
      • Schlechte Wärmeleitung
      • Eingeschränkte Antihafteigenschaften
      • Oftmals Verformung bei Erwärmung: Energieübertragung und Planheit problematisch Dauerhafte Verformungsgefahr bei Thermoschock
      • Problematisch für Allergiker
      • Säureempfindlich
      • Salzempfindlich
    • Schmiedeeisen-Pfanne, wesentlicher Vorteil Hitzebeständigkeit, aber:
      • Einbrennen notwendig
      • Nicht geschmacksneutral: Problematisch bei wechselndem Kochgut Schlechte Wärmeleitung
      • Verzugsanfällig
      • Säureanfällig
      • Rostgefährdet und pflegeintensiv
    • Gusseisen-Pfanne, wesentliche Vorteile Hitzebeständigkeit, Hitzespeicherung, aber:
      • Einbrennen notwendig
      • Nicht geschmacksneutral: Problematisch bei wechselndem Kochgut Schlechte Wärmeleitung
      • Schwer
      • Säureanfällig
      • Rostgefährdet und pflegeintensiv
      • Zerstörungsanfällig bei Thermoschock
    • Kupfer-Pfanne, wesentlicher Vorteil Reaktionsfähigkeit, aber:
      • Sehr teuer
      • Sehr pflegeintensiv
      • Verformungsanfällig
      • Eigentlich nur für Gasherd geeignet
      • Innenbeschichtung je nach Ausführung anfällig gegenüber Säure und mechanischen Einwirkungen
  • Somit bleibt die Qual der Wahl und nur die Anwendung verschiedener Versionen erfüllt bisher alle Einsatzzwecke. Dies lässt sich beliebig auf weiteres, gängiges BGBK übertragen. Benötigt werden entsprechend individueller Anforderungen somit umfangreichere oder sehr umfangreiche Ausstattungen.
  • Speziell hohe Hitze stellt besondere Anforderungen an Material und Ausführung. Dem heutzutage weitestverbreiteten, beschichteten BGBK sind hierbei vorgenannte Grenzen gesetzt. Vornehmlich die Lebensdauer der Beschichtungen ist limitiert. Umgekehrt ist unbeschichtetes BGBK mit seinen materialimmanent schlechten Antihafteigenschaften für niedrige und mittlere Hitzebereiche nicht die geeignete Wahl, da es materialbedingt schlechter regulierbar, der Fettbedarf höher und es vielfach unhandlich schwer ist. Dünnwandig und schneller regulierbar steigt die Verzugsanfälligkeit. Physikalische und technologische Eigenschaften wie Dichte, Wärme- und Temperaturleitfähigkeit, Wärmekapazität, thermische Expansion, Temperaturwechselbeständigkeit beeinflussen sich zudem durchaus gegenläufig und nehmen je nach konstruktivem Schwerpunkt Einfluss auf Robustheit, Haltbarkeit, Formstabilität, Geschmacksneutralität, biologische Unbedenklichkeit, Anhaftung etc.
  • Besondere Ansprüche stellt die Reinigung. Vorsicht und besondere Schonung ist für beschichtetes BGBK geboten. Spülmaschinenreinigung ist generell nicht empfehlenswert. Z. B. sollen blankes Eisen und Gusseisen eingebrannt werden und nach Bildung einer Patina nicht mehr mit Reinigungsmitteln in Kontakt kommen. Überhitzung und eingebrannte Rückstände können bei beschichtetem BGBK zu Unbrauchbarkeit führen, bei unbeschichtetem BGBK sind in der Regel umfangreiche Reinigungsprozeduren und ggfs. erneutes Einbrennen notwendig.
  • Ob Pfanne, Topf, Bräter etc. - kein BGBK ist bisher für alle Einsatzzwecke und Temperaturbereiche gleichermaßen geeignet bzw. erfüllt alle gewünschten Eigenschaften umfassend.
  • Die Nachteile sind mit den bisher eingesetzten Materialien nicht beseitigbar und konnten nur mehr oder weniger aufwendig verringert werden. So ist die Konstruktion der Böden von Brat- und Kochgeschirr vielfach mehrschichtig ausgebildet, um Verzug entgegenzuwirken sowie besseren Wärmetransport und höhere Wärmekapazität zu erzielen. Kombiniert werden i. A. Aluminiumlegierungen, Kupfer und rostfreier Stahl, was entsprechend Ausführung wieder limitierend auf einzelne Eigenschaften wirkt.
  • Je nach Hersteller, Material und Ausführung des BGBKs sind dazu die Preisspannen bei den Produkten durchaus beträchtlich.
  • Die Typenvielfalt erschwert dem Anwender, die für ihn geeignete Wahl zu treffen. Je höher die Affinität zum Gesamtthema Kochen, desto größer entwickelt sich der Bedarf an spezialisiertem BGBK. Anderenfalls müssen entsprechende Kompromisse eingegangen werden. Besonders die unabdingbar benötigte, hohe Hitze sowie Art und Wirkung der Wärmeleitung sind hauptauschlaggebende Faktoren für die heutige Typenvielfalt bei BGBK. Physikalische Materialkennwerte sind nur durch Einsatz anderer Werkstoffe oder andere Werkstoffkombinationen änderbar. Die bisher erreichten Eigenschaften gelten als ausgereizt.
  • Aufgrund der Empfindlichkeit und Schadensanfälligkeit antihaftbeschichteten BGBKs werden jährlich gewaltige Mengen entsorgt. Es besteht oftmals aus verschiedenen Materialien und setzt beim thermischen Recyclingprozess vielfach problematische Stoffe frei, die vorschriftsmäßig gefiltert werden müssen.
  • Ein Verfahren zum Herstellen von Siliciumcarbid-Keramiken mittels Flüssig- oder Gasphasensilizierung ist aus der DE 10 2013 114 628 A1 und der EP 1 795 513 A1 bekannt. Ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Silicium infiltriertem, reaktionsgebundenem Siliciumcarbid ist aus der EP 0 134 254 A1 bekannt.
  • Aus dem oben Genannten ergeben sich die folgenden Ziele.
  • Ersatz der verschiedenen und unterschiedlichen, bisher gängigen Materialien, die zur Produktion von BGBK verwendet werden, durch ein einziges, technisch wie wirtschaftlich geeignetes Material, unter Einbezug, Beibehaltung und Erweiterung der positiven Eigenschaften aller bisher eingesetzten Materialien und Materialkombinationen.
  • Ersatz von PTFE („Teflon“) und anderer Antihaftbeschichtungen durch ein durchgehend homogenes, antihaftwirksames Material zur wirksamen Reduktion bisher hoher Abfallmengen aufgrund begrenzter Lebensdauer solcher Beschichtungen sowie Vermeidung problematischer Abfallprodukte durch thermische Aufbereitung bzw. Recycling von BGBK Korpussen.
  • Ersatz mineralischer, fossiler und petrochemischer Rohstoffe durch Einsatz recycelter und nachwachsender Rohstoffe im Sinn einer nachhaltigen, CO2 reduzierenden Produktion.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung von BGBK zu schaffen, das die unterschiedlichen, bisher gängigen Materialien, die zur Produktion von BGBK verwendet werden, durch ein einziges geeignetes Material ersetzt und gute Antihafteigenschaften aufweist.
  • Die obige Aufgabe wird durch das Verfahren zur Herstellung von Brat-, Grill-, Back- und/oder Kochgeschirr nach Anspruch 1 und das Brat-, Grill-, Back- und/oder Kochgeschirr nach Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen gehen aus den jeweiligen abhängigen Ansprüchen hervor.
  • Im Folgenden wird die Erfindung detailliert beschrieben.
  • Es wurden die bestimmenden Parameter für die Anwendungen von BGBK qualifiziert und quantifiziert. Ergänzend wurden weitere, qualitätsverbessernde Kriterien definiert, ebenso Ausschlusskriterien bestimmt. In Frage kommende Werkstoffe, Werkstoffkombinationen und Werkstoffadaptionen sind gezielt auf ihre technische Eignung geprüft sowie die produktionstechnische und letztendlich wirtschaftliche Realisierung und das potentielle Marktvolumen in die Entwicklung einbezogen worden.
  • Die Kombination - hohe, variabel regelbare Temperatur, rasche, gleichmäßige Temperaturverteilung, plan bleibende Kontaktflächen, Antihaftwirkung bei sparsamem oder gar keinem Öl- bzw. Fetteinsatz, leichtes Handling, praxisgerechte Langzeitstabilität - bedingt die besondere materialtechnische Herausforderung, vor allem durch die wiederkehrenden, temperaturintensiven (An-)bratprozesse. Bei BGBK mit Antihaftbeschichtung sind im Alltagsbetrieb dauerhafte Funktionalität und lange Lebensdauer wegen der oft geforderten, hohen Temperaturen aber nicht vereinbar. PTFE („Teflon“), auf Siliciumoxid basierte Keramik, diamantähnliche Kohlenstoffschichten (DLC = Diamond Like Carbon) weisen als limitierende Faktoren generell eine begrenzte Temperatur- sowie Langzeitstabilität auf. Aus diesem Grund gibt es eine Reihe verschleißresistentes, für hohe Temperaturen ausgelegtes, unbeschichtetes BGBK, das aber wiederum Nachteile bei niedrigen und mittleren Temperaturen, gerade bei den Antihafteigenschaften, aufweist.
  • Der Ansatz, bisherige Entwicklungs- und Verfahrenswege zu verlassen und optimierte Materialien speziell auf Antihafteigenschaften zu prüfen, führte u. a. zu Untersuchungen und umfangreichen, praktischen Erprobungen mit dem der Erfindung zugrundeliegenden Material Siliciumcarbid und speziell dem porenfrei dichten, hochwärmeleitenden, siliciuminfiltrierten Siliciumcarbid SiSiC.
  • SiSiC, ein keramisches Material mit hoher Maßgenauigkeit, besteht i. A. zu ca. 85-95% aus Siliciumcarbid und entsprechend zu 15-5% aus metallischem Silicium. Der fertige Werkstoff ist porenfrei herstellbar und besitzt somit eine geringe spezifische Oberfläche. Dies wird erreicht, indem zunächst durch bekannte keramische Formgebungsverfahren Körper aus Siliciumcarbid, Kohlenstoff, kohlenstoffhaltigen Füllmitteln, carbonisierbaren Bindemitteln, Additiven geformt und pyrolysiert werden. Die so entstandenen Grünkörper werden anschließend i. A. mit schmelzflüssigem, metallischem Silicium > 1.414 °C kapillar infiltriert. Die Reaktion zwischen flüssigem Silicium Si und Kohlenstoff C führt mit ggfs. bereits vorhandenem Siliciumcarbid zu einer SiC-Bindungsmatrix, der Rest des Siliciums verbleibt in ungebundener Form und füllt die Porenräume. Dadurch können, quasi schwindungsfrei, höchst stabile, porenfreie Bauteile mit komplexen Geometrien, hoher Maßhaltigkeit und Wärmeleitfähigkeit hergestellt werden.
  • Alternativ sind teilweise oder vollkommen biogene Siliziumcarbidformteile herstellbar, die durch Flüssigsilicierung kohlenstoffhaltiger Vorkörper, bevorzugt auf Basis nachwachsender und/oder recycelter Rohstoffe entstehen. Dazu werden zunächst gestückelte, gemahlene und sonstig zerkleinerte bzw. aufbereitete Rohstoffe, z. B. Holz, Flachs, Hanf, Torf, Fruchtkerne, Nussschalen u. a. m. mit verkokbaren Bindemitteln wie Furan-, Phenolharz, Zuckerlösung, Wachsemulsion, Polyvinylalkoholmischung, Zellulose, Stärke, Pech, Teer u. a. m. vermischt, geformt und anschließend pyrolysiert.
  • Als besonders geeignet und wirtschaftlich erweist sich die Herstellung solcher Vorkörper aus Kohlepulver pflanzlichen Ursprungs, das durch langsame Hochtemperaturpyrolyse von Biomasse bei Temperaturen bis ca. 1.000 °C und anschließender Pulverisierung zu einer Partikelgröße ≤ 45 µm gewonnen wird. Solche Biomassekarbonisate sind somit bereits einem vollständigen Pyrolyse-/Vergasungsprozess, mit minimal verbleibenden Reststoffanteilen und einem gezielt hohen Kohlenstoffanteil von ≥ 95%, unterzogen. Die sonst hohe Schrumpfung bei der Pyrolyse thermisch unbehandelter Rohstoffe in den Formkörpern ist vorweggenommen und es werden endkonturnahe Formkörper mit silizierungsfreundlicher Porenstruktur für die anschließende Schmelzinfiltration bei > 1.414 °C gebildet.
  • Als ebenso geeignet erweist sich Aktivkohle, bei der zusätzlich zur Verkokung zur Erzielung größtmöglicher Oberflächen diese durch Gas- oder chemische Aktivierung thermisch definiert erweitert werden. Oftmals wird Aktivkohle durch (regenerierbare) Beladung weiter „veredelt“, was für die zugrundeliegende Erfindung allerdings unvorteilhaft wäre und hierfür unterbleibt. Die Wahl unbelasteter Rohstoffe hat neben der angewandten Produktionsmethode maßgeblichen Einfluss auf Reinheit und Qualität der zu pyrolysierenden Formteile. Im Sinne einer ökologischen Produktion zählen in Zentraleuropa bevorzugt Waldpflegeholz (im Besonderen Buche und Eiche), Industrierestholz, unbelastetes Alt-/Gebrauchtholz zu den geeignetsten Rohstoffen für die Gewinnung von Kohlenstoff durch Pyrolyse, um nachhaltige Silicium infiltrierte Siliciumcarbidprodukte herzustellen.
  • Ebenso einsetzbar wären pflanzliche Rohstoffe wie Frucht-/Olivenkerne, Nussschalen und andere Holzsorten etc., die entsprechend regional anderer Produktionsstandorte zur Vermeidung langer Transportwege zur Auswahl stehen.
  • Grundsätzlich sind Formteile für die Herstellung von SiSiC basiertem BGBK mit reinen, im Sinne von nicht verunreinigten und wirtschaftlich zu vertretbaren Kosten herstellbaren Kohlenstoffpulvern/-mischungen realisierbar. CO2 neutralen bzw. reduzierenden Produkten ist dabei der Vorzug zu geben. Hinsichtlich deren Gewinnung, z. B. bei der thermischen Spaltung von Methan in Wasserstoff und Kohlenstoff, sowie anderer zukunftsträchtiger Verfahren sind für die Produktion von BGBK entsprechend dargestellter Möglichkeiten weitere Varianten nutzbar.
  • Wird auch der Rohstoff Silicium aus recyceltem Material oder auf Basis nachwachsender Rohstoffe gewonnen, können die hohen, prozessbedingten CO2-Emissionen der energieintensiven Produktion von metallbasiertem BGBK wirkungsvoll in Richtung CO2-Neutralität gelenkt werden.
  • BGBK wird vom ressourcenverbrauchenden zum ressourcenerhaltenden, nachhaltigen Produkt. Werkstoffe auf Basis von Siliciumcarbid umfassen eine Reihe verschiedener Varianten, die als hochtemperaturbeständige Technische Keramik Anwendung finden. In dieser Gruppe erfüllt siliciuminfiltriertes Siliciumcarbid SiSiC die gestellten Anforderungen gemäß der Erfindung am nächsten. SiSiC wird im thermischen Anlagenbau als Brennhilfsmittel (Balken, Stützen, Rollen etc.), als Brennerbauteil (Flammrohr, Rekuperator, Strahlrohr), als Werkstoff für ballistische Schutzplatten, als Lager- und Dichtungswerkstoff für tribologische Anwendungen, als Schmelztiegel u. a. m. eingesetzt. Antihafteigenschaften waren bisher weder ein Entwicklungsziel noch ein Anwendungskriterium für den Einsatz solcher Industriekeramik. Porenfreie, nahezu diamantharte Material- und Oberflächenhärte (Vickers Härte HV10 18...22 GPa), hohe Wärmeleitfähigkeit ( λ 120...255 W/m·K) - wobei Wärmeableitung und -tausch aber nicht Erwärmung im Fokus bisheriger Produktentwicklungen mit SiSiC stehen - hohe Temperaturbeständigkeit (≤ 1.350 °C) und niedrige Wärmedehnung (Mittlerer Längenausdehnungskoeffizient α20-400 3,6...4,1 x 10-6/K) erfüllen zunächst grundlegende, technische Anforderungen. Die Dichte von 2,9 - 3,1 g/cm3 erlaubt die Produktion von BGBK Elementen mit niedrigem Gewicht und angenehmem Handling.
  • Über Partikelgrößen und -verteilung kann gezielt Einfluss auf Struktur und jeweilige Eigenschaften von Keramikwerkstoffen genommen werden. Weitere Steuerungselemente sind Füllstoffe, Bindemittel und Sinteradditive. Die Herstellung von BGBK bewegt sich dabei in den Bandbreiten bisher angewandter Stoffzusammensetzungen. SiSiC Werkstoffe bieten hierbei diverse Optionen zur Einstellung und Steuerung gewünschter Eigenschaften, wie Vergleiche technischer Parameter kommerziell verfügbarer SiSiC Keramiken zeigen.
  • Solch Technischer Keramik werden gute Gleiteigenschaften zugeschrieben, wobei diese i. A. auf tribologisch definierte Anwendungen ausgerichtet sind (Tribologie: Untersuchung von Reibung, Verschleiß und Schmierung zwischen aufeinander einwirkenden Flächen in Verbindung mit Werkstoffauswahl, Oberflächenbehandlung, -beschichtung und -topographie). Ob und inwieweit gute Gleiteigenschaften in Kombination mit nicht vorhandener Restporosität und damit geringer spezifischer Oberfläche auch vermutet vorteilhafte Antihafteigenschaften von BGBK aus siliziuminfiltriertem Siliziumcarbid zeigen, konnten mangels Erfahrungswerten nur praktische Untersuchungen zeigen.
  • Hierzu wurden besonders stärkehaltige und proteinreiche Lebensmittel, die beim Erhitzen zu starker Anhaftung neigen, auf SiSiC Bratflächen unterschiedlicher Oberflächenstruktur mit geringfügigem und ohne Fetteinsatz bei verschiedenen Temperaturen scharf angebraten, gebraten und gegart. Dabei zeigte sich, dass eine optimierte, geschliffene Oberfläche mit Mittenrauwert Ra = 0,4 µm gegenüber einer Oberfläche „as fired“ mit erreichbarem Mittenrauwert Ra ≈ 1 µm bei Anwendung, Antihaftverhalten und Reinigung keinen höheren, praktischen Nutzen aufweist. Die getesteten Esswaren zeigten auf beiden Oberflächen vergleichbare Ergebnisse wie mit Antihaftbeschichtungen ausgerüstetes BGBK, mit dem Vorteil, bereits bei geringstem, geschmacksförderndem Fett-/Öleinsatz deutlich gleichmäßigere Bräunungsgrade und damit intensivere Röstaromen erzielen zu können. Dies ist einer sehr gleichmäßigen, filmbildenden Benetzungsmöglichkeit der Bratflächen zuzuschreiben. Bei antihaftbeschichteten Pfannen ist eine flächendeckende Benetzung der Bratflächen dagegen nur mit mengenmäßig hohem, schichtbildendem Fetteinsatz möglich. Ansonsten laufen Fett und Öl unter Tröpfchenbildung zusammen und erschweren eine gleichmäßige Krustenbildung.
  • Erst für das jeweilige Kochgut zu hohe Gartemperaturen führen beim neuen BGBK zu anbrennenden Anhaftungen, die aber einfach, ohne zusätzliche Reinigungsmittel, z. B. mittels Edelstahlspiralreiniger, ohne irgendeine Schädigung der Oberfläche restlos entfernbar sind. Bei Bedarf orientieren Gartabellen, wie sonst auch üblich, hinsichtlich jeweils adäquater Brat- und Gartemperaturen. Temperaturen der inneren Bodenflächen sind mit Hilfe eines Infrarotthermometers zusätzlich exakt messbar und somit rasch justierbar.
  • Metallene Pfannenwender mit scharfem Rand und dünner Klinge, durch die ansonsten gerade antihaftbeschichtetes BGBK sehr leicht ruiniert werden kann, erleichtern die Handhabung beim Rühren, Wenden und Zerteilen des Kochguts.
  • Planheit und Antihafteigenschaften des erfindungsgemäßen BGBKs können somit allein durch den Einsatz entsprechend feingearbeiteter Formwerkzeuge definiert werden. Auf sonst übliche und notwendige, aufwendige Nachbearbeitung (Schleifen, Honen, Läppen, Polieren), oftmals der kostenträchtigste Prozess bei der Produktion von Technischer Keramik, wird für den Einsatz als BGBK verzichtet und die Bauteile können „as fired“ entsprechend wirtschaftlich hergestellt werden.
  • Unlimitierte Rohstoffverfügbarkeit und adäquate Einstandspreise erlauben bei dem vorhandenen Marktvolumen eine ökonomische, gewinnorientierte Produktion und Vermarktung. Geeignete Produktionsverfahren sind bekannt, hinreichend erprobt und bewährt.
  • Durch eine Kombination von SiSiC mit Diamantpartikeln können bei solchen Verbundkörpern Wärmeleitfähigkeit gesteigert, Wärmeausdehnung gesenkt und Verschleißbeständigkeit durch gesteigerte Härte erhöht werden. Vorteilhaft für Anwendungen, die eine Kombination überlegener Eigenschaften erfordern, wie abrasiv hochbelastete Werkzeuge mit intensiver Wärmeableitung, Wärmesenken mit niedrigem Ausdehnungskoeffizient u. a. Durch entsprechende Wahl von Partikelvolumen und -größen lassen sich dann Parameter wie Wärmeleitfähigkeit, Elastizitätsmodul und Dichte gezielt steuern.
  • Bei der Gestaltung von BGBK mit Diamantpartikeln ist damit nochmals eine Steigerung der Wärmeleitfähigkeit oberhalb von Werten kupfernen Kochgeschirrs bei gleichzeitiger Erhöhung der Kantenfestigkeit realisierbar: Modifikationen zu „Premiumvarianten“, die, bei industrieller Serienfertigung mit hohen Stückzahlen, gehobene Einstandspreise für synthetische Diamantpartikel und das technisch aufwendigere Produktionsverfahren, das deren einsetzende Oxidation an Luft bei > 800 °C erfordert, bei ausreichend wirtschaftlicher Rentabilität rechtfertigen.
  • Der Einsatz des neuen Materials in der spezifizierten Konfigurationsbreite ermöglicht, die große BGBK-Variantenvielfalt, die aus den mannigfaltigen Eigenschaften und Zubereitungsarten unserer Lebensmittel entstanden ist, zielgemäß in erheblichem Maß zu reduzieren. Weiters können Produktvorteile generiert werden, die Anwendung, Handling und Wirtschaftlichkeit auf einen neuen, bisher nicht gekannten Level heben. Hierbei wird nicht auf einzelne Eigenschaften oder Gestaltung der vorhandenen BGBK-Elemente abgezielt, sondern ein insgesamt neues Niveau geschaffen, das eingehende Prüfungen und praktische Erprobungen positiv bestätigt haben. So lassen sich nunmehr z. B. empfindliche Fisch- und Eierspeisen bei niedrigen, Geflügel/Gemüse bei mittleren, Steaks/Kurzgebratenes bei hohen und Plancha-Grillgut bei höchsten Temperaturen gleichermaßen wirksam mit ein und derselben BGBK-Variante ohne Einschränkungen kross anbraten, braten und/oder (sanft) garen.
  • Ebenso erfolgreich sind Anwendungen als Backstein. Aus zwei mach eins - so eignen sich z. B. Grillplatten aus dem neuen Werkstoff genauso zum Backen mannigfacher Teigwaren. Bisher werden hierzu Ton-/Keramikmaterialien oder Backstahl mit ihren jeweils spezifischen Nachteilen (schlechte Wärmeleitung, Rissanfälligkeit, Verzug, aufwendige Reinigung) verwendet.
  • Topfförmige Behältnisse eignen sich gleichermaßen zum Anbraten, Schmoren, Kochen, Backen und Niedertemperaturgaren.
  • BGBKs haben eine lange Entwicklungsgeschichte. Sie gibt es heute in verschiedensten Materialausprägungen. Lehm- und Tonwerkstoffen und solchen aus Stein folgten Eisen, Bronze und Kupfer. Später Glas, Stahl, Aluminium sowie diverse Legierungen und Antihaftbeschichtungen.
  • Die Zubereitung über offenem Feuer wich dem geschlossenen, feuerbeheizten Herd. Es folgten Gasherd, Elektroherd mit Gussplatten, Elektroherd mit Strahlheizkörpern und Elektroherd mit Induktion. Parallel zum Herd entwickelten sich der moderne Backofen in seinen heutigen, auch kombinierten Ausführungen, elektro-, gas- und dampfbeheizt und die Mikrowelle.
  • Die Erfindung gemäß den Ansprüchen offeriert gleichermaßen gelegentlichen wie professionellen Nutzern ein bisher nicht gekanntes Niveau. Auf die gängigen Einsatzzwecke „Braten, Grillen, Backen, Kochen“ abgestimmt, vereint das neue BGBK sämtliche Eigenschaften gemäß den Ansprüchen dieser Patentschrift:
    • Mit dem erfindungsgemäßen BGBK aus homogenem Werkstoff können alle Gartemperaturen, in der Praxis 60 - 350 °C, und darüberhinaus Heiz- und Anheiztemperaturen bis < 1.350 °C angewendet werden. Versehentliches Überhitzen bleibt folgenlos. Die bisher notwendige Typenvielfalt schrumpft außerordentlich. Der Boden des neuen BGBK bleibt unter allen Temperaturbedingungen plan und benötigt daher keine vorgefertigte Hohlwölbung im Kaltzustand, um eine annähernde Planheit im Warm- bis Heißzustand zu erzielen.
  • Die Energieübertragung der marktanteilig weitestverbreiteten Glaskeramikkochfelder verbessert sich dadurch merklich, unabhängig von der zusätzlich hohen Wärmeleitfähigkeit und hervorragenden IR-Absorption des BGBKs. Das neue BGBK perfektioniert somit die Wärmeübertragung durch den planen Kontakt, intensive Wärmeleitung und die extrem hohe Aufnahme von Strahlung. Der plane Kontakt zwischen Glaskeramikkochfeld und neuem BGBK verringert zudem die Gefahr, dass evtl. überlaufendes Kochgut dazwischen gelangt und in die Glasoberfläche einbrennt. Bei Gaskochfeldern mit offener Flamme tragen die hohe Wärme- und Temperaturleitfähigkeit des neuen BGBKs in Abstimmung mit dessen Bodendicke zu einer nochmaligen Verbesserung der prinzipbedingt bereits guten Regelbarkeit dieser Beheizungsart bei.
  • Innenseitig kann sich Fett/Öl auf dem unter allen Temperaturbedingungen plan bleibenden BGBK-Boden gleichmäßig verteilen und läuft nicht aufgrund Verzugs zum Randbereich oder in die Mitte.
  • Die spezifische Wärmekapazität - sie beeinflusst den Temperaturabfall einer Bratfläche bei Auflage/Zugabe von „kaltem“ Kochgut - des neuen BGBKs ist konstruktiv durch die Materialdicke der Bodenfläche steuerbar. Die Bodenmasse nimmt über deren Dichte und Dicke Einfluss auf die Reaktionsfähigkeit bzw. Regelbarkeit. Als praxisgerecht erweisen sich Bodendicken von 5 - 12 mm, je nach Präferenz zugunsten schneller Regelbarkeit, z. B. Wok ≥ 5 mm, oder Wärmekapazität, z. B. Grill-, Backplatten ≤ 12 mm. Förderlich sind hierbei die hohe Wärme- und Temperaturleitfähigkeit, die für einen raschen Temperaturausgleich sorgen.
  • Je höher die Temperatur, desto empfindlicher zeigen sich die dünnen Antihaftbeschichtungen aller derzeit marktgängigen BGBKs. Dazu ist solcherart Beschichtetes beschädigungsanfällig gegenüber metallenen Kochwerkzeugen wie Schabern, Wendern und insbesondere Schneidutensilien. Das neue BGBK setzt dagegen, durch seine nahezu diamantene Härte sowie porenfreie Oberfläche, neue Standards bei Gebrauch, Widerstandsfähigkeit und Lebensdauer.
  • Die völlige Unempfindlichkeit gegenüber höchsten Temperaturen wird ergänzt durch eine definierte Thermoschockbeständigkeit ΔT > 350 °C. Kommerziell eingesetzte SiSiC Keramiken weisen eine Bandbreite ΔT von knapp unter 200°C bis über 800°C auf. Somit kein Verziehen, keine Beschädigungen oder Materialversagen von heißem Korpus und heißer Oberfläche des neuen BGBKs durch Flüssigkeitsauf- und -eintrag wie beim Aufgießen, Plancha-Grillen oder plötzlich zu kaltem Wasser bei der Reinigung.
  • Hervorragende Antihafteigenschaften bei allen Temperaturbereichen, bis zu maximal praktizierten ca. 350 °C auf der Bratfläche, perfektionieren die Anwendung des neuen BGBKs. Brattechnisch eher problematisches Kochgut wie Fisch, Eier, Bratkartoffeln, Pfannkuchen u. a. m. verhält sich im/auf dem neuen BGBK vergleichbar einer Antihaftbeschichtung. Fett-/Öleinsatz können daher entsprechend beschränkt werden. Vielfach genügt bereits ein sparsames Bepinseln des Bratguts und/oder der Bratfläche bzw. kann auf Fett/Öl sogar ganz verzichtet werden.
  • Ein Einbrennen in die Bratfläche findet auch bei versehentlich zu hoher Hitzeanwendung nicht statt. Kochgut kann lediglich an- bzw. verbrennen.
  • Einfache Reinigung zählt damit zu den weiteren, hervorstechenden Vorzügen. Rückstände auf i. A. stark verschmutztem Grillgeschirr oder problematische Ablagerungen von versehentlich, auch heftig angebranntem Kochgut wie Milch, Reis oder Pudding können ohne Verwendung von chemischen Reinigungsmitteln, allein mittels Kochfeldschaber/Wasser und/oder Edelstahlspiralreiniger/Wasser, ggfs. dem Zusatz weniger Tropfen Spülmittels, leichtgängig und rückstandsfrei entfernt werden. Die Oberfläche behält trotzdem dauerhaft und unbeeinträchtigt ihre porenfreie Beschaffenheit und Antihafteigenschaften. Wechselndes Kochgut hat somit auch keinerlei Einfluss auf die Geschmacksneutralität. Da das neue BGBK absolut korrosionsfrei ist, erübrigen sich Schutz- und sonstige Pflegemaßnahmen. Für haushaltsmäßige wie professionelle Spülmaschinenreinigung ist es uneingeschränkt geeignet. Es zeigt sich reaktionslos gegen Säureangriff, so ist unangenehme Geschmacksübertragung, wie bei unbeschichtetem, metallenem BGBK (Gusseisen, Eisen, Aluminium, Kupfer) möglich, ausgeschlossen. Sämtliche Lebensmittel können bedenkenfrei gegart, angereichert und dauerhaft in den Behältnissen aufbewahrt werden. Lebensmittel übliche Gär- und Konservierungsverfahren sind unbegrenzt anwendbar. Ebenso ist es uneingeschränkt Allergiker geeignet, da durch Säurekontakt keine Allergie auslösenden Ionen, wie z. B. bei nickellegiertem Edelstahl, freigesetzt werden können.
  • Die Summe aller Eigenschaften bewirkt perfekte(n) Komfort, Praxiseignung, Langzeitqualität, Wirtschaftlichkeit und universelle Einsatzmöglichkeiten. Gerade das komfortabel erscheinende, beschichtete Antihaft-BGBK muss nach einiger Einsatzzeit ersetzt oder neu beschichtet werden und erweist sich somit im Zeitverlauf als deutlich teurer.
  • BGBK für hohe Hitzeanwendung bedingt bisher insbesondere Abstriche beim Komfort und höheren Fetteinsatz. Kombinierter Gebrauch verschiedener Varianten erhöht Kosten, Storagebedarf und den Bestand an Kochwerkzeug. Zusätzlich sind Kenntnisse über die Eigenschaften erforderlich, um das jeweils geeignete BGBK für ein perfektes Ergebnis auszuwählen.
  • Das erfindungsgemäße BGBK ist hochwärmeleitend. Produktionstechnisch lassen sich in die Korpusse Griffe/Henkel einfach aus dem gleichen Material integrieren. Sie würden bei kochtechnischem Gebrauch allerdings unangenehm heiß werden. Bevorzugt sind daher Griffe vorgesehen, an/in/über die gering wärmeaufnehmende/isolierende Griffe/Henkel angesetzt werden. Diese können fix oder wechselbar ausgeführt werden. Bei wechselbarer Ausführung sind Griffe/Henkel bedarfsmäßig variierbar, z. B. als Pfanne mit langem Griff, anschließend servierfertig nur mit Henkeln. Bei Backofen- und Oberhitzegrilleinsatz sind solche praxisgerecht abnehmbar.
  • Bei der Lagerung bietet die variable Lösung zudem platzsparende Vorteile.
  • Zusätzlich können die Griffe/Henkelaufnahmen als Halterung für Deckel ausgebildet werden, um diese bei der Abnahme vom Kochgefäß nicht auf der Arbeitsplatte ablegen zu müssen. Die integrierten Griffe/Henkelaufnahmen benötigen konstruktionsbedingt keine Befestigungselemente im seitlichen Kochflächenbereich. Sonst übliche, störende Nieten- oder Schraubköpfe an den Innenflächen der BGBK-Korpusse sind vermeidbar.
  • Gesintertes SiSiC ist grau-schwarz. Zur farblichen Gestaltung seitlicher Außenflächen von BGBK können diese keramisch glasiert oder durch thermisches Spritzen (Kaltgas-, Suspensionsspritzen) metallisch beschichtet werden. Materialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit und geringem Emissionsgrad verringern dabei die Wärmeabstrahlung solcherart beschichteter Flächen.
  • Ebenso sind induktionsgeeignete Versionen durch ferritische, ggfs. segmentierte Beschichtung der äußeren BGBK Bodenflächen ausführbar, z. B. durch Kaltgasspritzen.
  • Hochleistungskeramik auf Basis von SiSiC weist materialbedingt eine geringere Kantenfestigkeit auf, quantitativ durch die Bruchzähigkeit KIc = 3,0...4,0 MPa m1/2 definiert. Dieser wird bei Konstruktion und Auslegung des neuen BGBK insoweit Rechnung getragen, als keine scharfen Ränder, Enden und Ecken ausgebildet werden, die durch zu harte mechanische Einwirkung in Mitleidenschaft gezogen werden können. Diese werden gerundet geformt, was tatsächlich zusätzliche Vorteile bei Design und Gebrauch/Reinigung bietet.
  • Ergänzend können zur Erhöhung der Bruchzähigkeit, z. B. für filigranere BGBK-Versionen, alternativ/zusätzlich zum bereits aufgezeigten Einsatz von synthetischen Diamantpartikeln, dem Ausgangsmaterial faserförmige Füllstoffe zugesetzt oder dieses durch solche ersetzt werden. Geeignet sind kurzfaserig aufbereitete, bevorzugt gemahlene Kohlenstofffasern/ -fasergemische auf Basis von Polyacrylnitril, Rayon, Pech L < 500 µm. Die Länge(n) der C-Kurzfasern ist (sind) vorteilhaft so gewählt, dass mit den kombinierten Stoffen des Ausgangsmaterials ein homogenes Gemisch und daraus Formkörper mit isotropen Eigenschaften und höherer Schlagzähigkeit herstellbar sind.
  • Letztendlich genügt die Korpusstabilität in definierten Ausführungen allen praktischen Anforderungen mehr als hinreichend und widersteht den gebrauchsmäßig üblichen, mechanischen Belastungen ohne Einschränkungen.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung von Brat-, Grill-, Back- und/oder Kochgeschirr, wobei ein Grünkörper aus pulverförmigem Siliciumcarbid, Kohlenstoff, Füllkörpern, Bindemitteln und Additiven mittels keramischer Formgebungsverfahren, z. B durch Pressen, isostatisches Pressen, Warmpressen, Gießen, Druckgießen, Spritzgießen, hergestellt wird und der Grünkörper verkokt und anschließend mit einer metallischen Siliciumschmelze infiltriert wird, wobei der Grünkörper mit dem Kohlenstoff durch einen abschließenden Infiltrationsbrand eine Siliciumcarbid-Bindungsmatrix bildet, wodurch formbeständiges Brat-, Grill-, Back- und/oder Kochgeschirr höchster Stabilität ohne Restporosität und einer Temperaturbelastbarkeit bis 1.350 °C entsteht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Herstellung Rohstoffe auf Basis recycelter und/oder biogener, bevorzugt nachwachsender Rohstoffe eingesetzt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei nach dem Infiltrationsbrand keine Endbearbeitung durch Schleifen, Honen, Läppen, Polieren erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei vor dem Infiltrationsbrand Kohlenstofffasern und/oder Kohlenstofffasergemische zu dem Grünkörper hinzugefügt werden, wobei bevorzugt wiederaufbereitetes Fasermaterial mit einer Länge L < 500 µm hinzugefügt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei vor dem Infiltrationsbrand synthetische Diamantpartikel zu dem Grünkörper hinzugefügt werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Außenflächen durch keramisches Glasieren oder thermisches Spritzen, bevorzugt Kaltgasspritzen, Suspensionsspritzen, mit funktionalen und/oder metallischen Beschichtungen versehen werden.
  7. Brat-, Grill-, Back- und/oder Kochgeschirr hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Grünkörper aus pulverförmigem Siliciumcarbid, Kohlenstoff, Füllkörpern, Bindemitteln und Additiven mittels keramischer Formgebungsverfahren, z. B durch Pressen, isostatisches Pressen, Warmpressen, Gießen, Druckgießen, Spritzgießen, hergestellt ist und der Grünkörper verkokt und anschließend mit einer metallischen Siliciumschmelze infiltriert ist, wobei der Grünkörper mit dem Kohlenstoff eine Siliciumcarbid-Bindungsmatrix bildet.
  8. Brat-, Grill-, Back- und/oder Kochgeschirr nach Anspruch 7, wobei das Brat-, Grill-, Back- und/oder Kochgeschirr eine Materialhärte HV10 mit 18 bis 22 GPa aufweist.
  9. Brat-, Grill-, Back- und/oder Kochgeschirr nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Brat-, Grill-, Back- und/oder Kochgeschirr eine Wärme- und Temperaturleitfähigkeit λ von 120 bis 255 W/m K aufweist.
  10. Brat-, Grill-, Back- und/oder Kochgeschirr nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Oberflächenrauhigkeit des Brat-, Grill-, Back- und/oder Kochgeschirrs einen Mittenrauwert von Ra ≈ 1 µm aufweist.
  11. Brat-, Grill-, Back- und/oder Kochgeschirr nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das Brat-, Grill-, Back- und/oder Kochgeschirr oder die Siliciumcarbid-Bindungsmatrix synthetische Diamantpartikel aufweist.
  12. Brat-, Grill-, Back- und/oder Kochgeschirr nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das Brat-, Grill-, Back- und/oder Kochgeschirr oder die Siliciumcarbid-Bindungsmatrix Kohlenstofffasern und/oder Kohlenstofffasergemische aufweist, die bevorzugt wiederaufbereitetes Fasermaterial mit einer Länge L < 500 µm beinhalten.
  13. Brat-, Grill-, Back- und/oder Kochgeschirr nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei die Außenfläche des Brat-, Grill-, Back- und/oder Kochgeschirrs mit funktionalen und/oder metallischen Beschichtungen versehen ist.
  14. Brat-, Grill-, Back- und/oder Kochgeschirr nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei das Brat-, Grill-, Back- und/oder Kochgeschirr eines von Folgendem ist: eine Pfanne, ein Wok, eine Pfanne mit geformtem Innenbereich, eine Grill-, Brat- und/oder Feuerplatte, die glatt, geriffelt oder strukturiert ist, eine Grillpfanne, ein Rost, eine Teppanyaki, ein Plancha, ein Hot Stone, eine Pizza-, Brotback- und/oder Crepes-Platte, eine Back- und/oder Auflaufform, ein Topf, eine Kasserole, ein Bräter, eine Reine, eine Tajine, ein Dutch Oven oder ein Potije.
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