KR101230733B1 - 개선된 열 전달 성질 및 내마모성을 갖는 불소중합체 이형코팅 - Google Patents

개선된 열 전달 성질 및 내마모성을 갖는 불소중합체 이형코팅 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기판; 및 자화성 플레이크 및 다수의 탄화규소 입자를 함유하는 언더코트 및 불소중합체 오버코트를 포함하는 상기 기판 상의 소성된 이형 코팅을 포함하는 구조체에 관한 것이다. 본 발명의 코팅된 기판은 개선된 열 전달 성질, 개선된 내마모성 및 양호한 이형성을 갖는다.
눌러붙지 않는 코팅, 불소중합체, 자화성 플레이크

Description

개선된 열 전달 성질 및 내마모성을 갖는 불소중합체 이형 코팅{FLUOROPOLYMER RELEASE COATING HAVING IMPROVED HEAT TRANSFER PROPERTIES AND ABRASION RESISTANCE}
본 발명은 보강된 불소중합체 이형 코팅을 위에 갖는 기판 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 개선된 내마모성을 나타내면서 조리 온도에 도달하는 데 단축된 시간이 요구되도록 개선된 열 전달 성질을 갖는 이형 코팅을 위에 갖는 조리 기구 분야에 관한 것이다.
양호한 내마모성을 나타내면서 양호한 이형 성질을 갖는 내부 조리 표면을 가지는 코팅된 조리 기구의 제조는 오랫동안 바람직한 것이었다. 또, 조리 용기의 외부 바닥 표면을 과도하게 열에 노출시킬 필요없이 열을 이러한 조리 표면에 신속하게 전달할 수 있는 것도 바람직한 것이다. 조리 표면으로의 열 전달을 증진시키고 조리 표면 여기저기에 열을 고르게 분배하는 열 전도 패턴을 포함하는 이형 코팅을 갖는 조리 기구는 무친(Muchin) 등의 미국 특허 6,114,028에 기재되어 있다. 무친의 특허에 기재된 열 전도 패턴은 조리 용기의 내부 표면의 중앙 영역으로부터 바깥쪽을 향해서 외부 주변 영역으로 뻗도록 배열된다. 이것은 중앙 영역으로부터 외부 영역으로의 열 전달을 촉진하고 전체 조리 표면을 균일 온도로 유지시키는 데 도움을 주며, 특히 조리 용기 바닥의 직경보다 더 작은 직경을 갖는 가열 소자 위에 조리 용기가 놓이는 경우에 그러하다.
그러나, 렉(Leck)의 미국 특허 6,248,435에 기재된 바와 같이, 조리 기구의 편평한 전표면의 전면 가열에 조리 기구를 노출시키는 것이 흔한 경우이다. 따라서, 렉은 조리 기구 내부를 불소중합체 및 스테인리스강과 같은 자기 플레이크의 혼합물로 코팅하고 플레이크를 코팅의 두께 방향으로 뻗도록 자기 배향시킴으로써 조리 기구에 개선된 열 전달 이형 마감을 제공한다.
그러나, 상기 두 특허는 플레이크의 자기 배향에 의존해서 기재된 이형 코팅의 증진된 열 성질을 달성한다. 플레이크의 배향을 자기적으로 유도하기 위한 요건은 조리 기구의 효율적인 상업적 제조를 방해할 수 있는 특수 장비를 필요로 한다.
최근의 발명들은 눌러붙지 않는 다층 코팅의 언더코트(undercoat)에 무기 충전제 필름 경화제 성분을 첨가하는 것이 이점이 있음을 인식한다. 렉의 미국 특허 6,248,435는 이 성분이 규산알루미늄과 같은 1 종 이상의 금속 규산염 화합물 및 이산화티탄 및 산화알루미늄과 같은 금속 산화물일 수 있음을 기재한다. 토마스(Thomas)의 미국 특허 6,291,054 및 탄넨바움(Tannenbaum)의 미국 특허 6,761,964 A1은 우수한 내마모성을 위해 언더코트를 탄화규소 입자로 보강하는 것이 이점이 있음을 기재한다. 조리 기구가 훨씬 더 빨리 가열되게 하고 양호한 이형 특성을 유지하면서 양호한 또는 개선된 내마모성을 나타내도록 하기 위해 선행 기술이 나타내는 것보다 훨씬 더 양호한 열 전달 성질을 갖는 조리 기구를 제공하 는 것이 바람직할 것이다.
발명의 요약
스테인리스강이 증가된 열 전도도를 제공한다는 것은 알려져 있지만, 본 발명자들은 이형 코팅 중의 스테인리스강 플레이크와 같은 자화성 플레이크가 보강 물질로도 작용하고 효율적인 열 전달도 달성한다는 것을 발견하였다. 이 플레이크는 무기 충전제 필름 경화제인 탄화규소 입자와 함께 상승 효과를 달성하여, 우수한 열 전달 성질 및 우월한 내마모성을 제공한다. 따라서, 본 발명의 구조체는 우수한 이형 특성을 보유하면서 선행 기술의 공지된 이형 코팅을 이용한 조리 기구보다 더 빨리 가열될 수 있다. "더 빨리 가열될 수 있다"는 것은 본 발명의 이형 코팅이 자화성 플레이크 및 탄화규소 입자의 조합을 함유하지 않는 유사한 계보다 더 짧은 시간 내에 204 ℃ (400 ℉)의 조리 온도에 도달할 수 있다는 것을 의미한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 기판; 및 자화성 플레이크 및 다수의 탄화규소 입자를 함유하는 언더코트 및 불소중합체 오버코트(overcoat)를 포함하는 기판 상의 소성된 이형 코팅을 포함하는 구조체가 제공된다.
바람직한 실시태양에 대한 상세한 설명
본 발명은 기판 및 기판 상의 소성된 이형 코팅을 포함하는 구조체를 포함한다. 이형 코팅은 자화성 플레이크 및 다수의 탄화규소 입자를 함유하는 언더코트 및 불소중합체 오버코트를 포함한다. 언더코트는 프라이머층 및 프라이머와 오버코트 사이에 위치한 중간층을 포함한다. 언더코트는 오버코트 아래에 있는 코팅이면 어느 것이라도 될 수 있고, 프라이머층 및(또는) 프라이머층과 오버코트 사이에 위치한 1 개 이상의 중간층을 포함한다. "오버코트"는 1 개 이상의 추가 코팅을 또한 포함할 수 있는 상부 또는 표면 코팅이다. 오버코트는 언더코트와 함께 소성될 때 눌러붙지 않는 이형 표면을 제공하는 불소중합체를 포함한다. 중간층을 포함하여 언더코트는 바람직하게는 불소중합체를 포함한다.
불소중합체
프라이머층, 중간층 및 오버코트에 존재할 수 있는 이형 코팅의 불소중합체 성분은 바람직하게는 조성물 제제화의 간단성 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이 불소 중합체 중에서 최고의 열 안정성을 갖는다는 사실 때문에 380 ℃에서 1 x 108 Pa.s 이상의 용융 점도를 갖는 PTFE이다. 또한, 이러한 PTFE는 퍼플루오로올레핀, 그 중에서도 특히 헥사플루오로프로필렌(HFP), 또는 퍼플루오로(알킬 비닐) 에테르, 그 중에서도 특히 알킬기가 1 내지 5 개의 탄소 원자를 함유하는 것, 바람직하게는 퍼플루오로(프로필 비닐 에테르)(PPVE)와 같은 소성(융합)시 필름 형성 능력을 개선하는 소량의 공단량체 개질제를 함유할 수 있다. 일반적으로 0.5 몰％ 이하인 이러한 개질제의 양은 PTFE에 용융 제작성(melt-fabricability)을 제공하기에는 불충분할 것이다. 또한, PTFE는 간단성을 위해 보통 1 x 109 Pa.s 이상의 단일의 용융 점도를 가질 수 있지만, 상이한 용융 점도를 갖는 PTFE의 혼합물을 사용해서 불소중합체 성분을 형성할 수 있다. 바람직한 조건인 단일의 불소중합체를 조성물에 사용한다는 것은 불소중합체가 단일의 화학적 정체성 및 용융 점도를 갖는다는 것을 의미한다.
PTFE가 바람직하지만, 불소중합체 성분은 PTFE와 배합(블렌딩)되거나 또는 그를 대신하는 용융 제작성을 갖는 불소중합체일 수 있다. 이러한 용융 제작성을 갖는 불소중합체의 예는 TFE, 및 공중합체의 용융점을 TFE 단일중합체인 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)의 용융점보다 실질적으로 낮은 온도, 예를 들어 315 ℃ 이하의 온도로 감소시키기에 충분한 양으로 중합체에 존재하는 1 개 이상의 불소화된 공중합가능 단량체(공단량체)의 공중합체를 포함한다. TFE와 함께 사용되는 바람직한 공단량체는 3 - 6 개의 탄소 원자를 갖는 퍼플루오로올레핀 및 알킬기가 1 - 5 개의 탄소 원자, 특히 1 - 3 개의 탄소 원자를 함유하는 퍼플루오로(알킬 비닐 에테르)(PAVE)를 포함한다. 특히 바람직한 공단량체는 헥사플루오로프로필렌 (HFP), 퍼플루오로(에틸 비닐 에테르)(PEVE), 퍼플루오로(프로필 비닐 에테르)(PPVE) 및 퍼플루오로(메틸 비닐 에테르)(PMVE)를 포함한다. 바람직한 TFE 공중합체는 FEP (TFE/HFP 공중합체), PFA (TFE/PAVE 공중합체), TFE/HFP/PAVE (여기서, PAVE는 PEVE 및(또는) PPVE임), 및 MFA (TFE/PMVE/PAVE) (여기서, PAVE의 알킬기는 2 개 이상의 탄소 원자를 가짐)을 포함한다. 용융 제작성을 갖는 테트라플루오로에틸렌 공중합체의 분자량은 그것이 필름 형성에 충분하고 성형된 형상을 프라이머 응용에서 완전성을 갖도록 유지할 수 있다는 점을 제외하고는 중요하지 않다. 전형적으로, 용융 점도는 ASTM D-1238에 따라서 372 ℃에서 결정할 때 1 x 102 Pa.s 이상일 것이고, 약 60 - 100 x 103 Pa.s까지의 범위일 수 있다.
불소중합체 성분은 일반적으로 물 중의 중합체의 분산물로서 상업적으로 입수가능하고, 이것은 응용 용이성 및 환경적 수용도를 위해 본 발명의 조성물에 바람직한 형태이다. "분산물"은 불소중합체 입자가 수성 매질 중에 안정하게 분산되어서 분산물이 사용될 시점 이내에서 입자의 침전이 일어나지 않는 것을 의미하고; 이것은 전형적으로 0.2 ㎛ 정도의 불소중합체 입자의 작은 크기, 및 분산물 제조자가 수성 분산물에 계면활성제를 사용하는 것에 의해 달성된다. 이러한 분산물은 분산 중합으로 알려진 방법에 의해 직접 얻을 수 있고, 임의로 농축 및(또는) 추가의 계면활성제 첨가가 뒤따른다.
별법으로, 불소중합체 성분은 PTFE 미세분말과 같은 불소중합체 분말일 수 있다. 어느 경우이든, 불소중합체 및 중합체 결합제의 친밀 혼합물을 얻기 위해서는 전형적으로 유기 액체가 사용된다. 유기 액체는 한 결합제가 그 특별한 액체에 용해되기 때문에 선택될 수 있다. 결합제가 그 액체 내에 용해되지 않는다면, 결합제를 미세하게 분할해서 불소중합체와 함께 그 액체 중에 분산시킬 수 있다. 이렇게 하여 얻은 코팅 조성물은 유기 액체에 분산된 불소중합체, 및 원하는 친밀 혼합물을 얻기 위해 이 액체 중에 분산되거나 또는 용해된 중합체 결합제를 포함할 수 있다. 유기 액체의 특성은 중합체 결합제의 정체성에 좌우될 것이고, 그의 용액이 바람직한지 분산물이 바람직한지에 좌우될 것이다. 이러한 액체의 예는 그 중에서도 N-메틸피롤리돈, 부티로락톤, 고비점 방향족 용매, 알콜, 이들의 혼합물을 포함한다. 유기 액체의 양은 특별한 코팅 작업에 바람직한 유동 특성에 좌우될 것이다.
중합체 결합제
프라이머층의 조성물은 바람직하게는 내열성 중합체 결합제를 함유한다. 결합제 성분은 가열 융합시 필름을 형성하고 또한 열 안정성인 중합체로 이루어진다. 이 성분은 프라이머 적용에서 눌러붙지 않는 마감 처리, 기판에 불소중합체 함유 프라이머층 부착, 및 프라이머층의 내부에 그의 부분으로서 필름 형성을 위한 것으로 잘 알려져 있다. 불소중합체 그 자체는 매끈한 기판에 대한 부착성을 거의 또는 전혀 갖지 않는다. 결합제는 일반적으로 불소를 함유하지 않고, 불소중합체에 부착한다. 바람직한 결합제는 물에 또는 물 및 물과 혼화성이 있는 결합제용 유기 용매의 혼합물에 용해될 수 있거나 또는 가용성인 것들이다. 이 용해도는 수성 분산물 형태로 플루오로카본 성분과 결합제를 블렌딩하는 데 도움을 준다.
결합제 성분의 한 예는 조성물 소성시 폴리아미드이미드(PAI)로 전환해서 프라이머층을 형성하는 폴리아미드산염이다. 이 결합제는 폴리아미드산염의 소성에 의해 얻어지는 완전 이미드화된 형태에서 250 ℃ 초과의 연속 사용 온도를 가지기 때문에 바람직하다. 폴리아미드산염은 일반적으로 30 ℃에서 N,N-디메틸아세트아미드 중의 0.5 중량% 용액으로서 측정할 때 0.1 이상의 고유 점도를 갖는 폴리아미드산으로서 입수가능하다. 그것은 미국 특허 4,014,834(콘캐논(Concannon))에 더 상세히 기재된 바와 같이 N-메틸피롤리돈과 같은 유착제 및 푸르푸릴 알콜과 같은 점도 감소제 중에 용해시켜서 삼급 아민, 바람직하게는 트리에틸아민과 반응시킴으로써 물 중에 용해될 수 있는 염을 형성한다. 이어서, 이렇게 하여 얻은 폴리아미드산염을 함유하는 반응 매질을 불소중합체 수성 분산물과 블렌딩할 수 있고, 유착제 및 점도 감소제가 물에서 혼화성이기 때문에, 이 블렌딩은 균일한 코팅 조성물을 생성한다. 블렌딩은 불소중합체 수성 분산물의 응집을 피하기 위한 과다한 교반을 하는 일 없이 액체들을 함께 간단히 혼합함으로써 달성될 수 있다. 사용될 수 있는 다른 결합제는 폴리에테르 술폰(PES) 및 폴리페닐렌 술피드(PPS)를 포함한다.
프라이머 조성물이 물 및(또는) 유기 용매인 액체 매질로 적용되든 아니든 여하간에, 상기 부착 성질은 프라이머층 다음에 적용된 불소중합체층의 소성과 함께 프라이머층을 건조 및 소성하여 기판에 눌러붙지 않는 코팅을 형성하는 것으로 명백히 드러낼 것이다.
간단성을 위해, 본 발명의 조성물의 결합제 성분을 형성하는 데 오직 1 개의 결합제가 사용될 수 있다. 그러나, 다수의 결합제를 본 발명에 사용하는 것도 고려되고, 특히 유연성, 경도 또는 부식 보호와 같은 몇 가지 최종 용도 성질이 바람직할 때 그러하다. 흔한 조합은 PAI/PES, PAI/PPS 및 PES/PPS를 포함한다.
불소중합체 및 결합제의 비율은, 특히 조성물이 매끈한 기판 상의 프라이머층으로 사용되는 경우, 중량비로 0.5 내지 2.0 : 1이 바람직하다. 본원에 기재된 불소중합체 대 결합제의 중량비는 기판에 적용한 후 조성물을 소성함으로써 형성된 적용된 층 중의 성분들의 중량에 기초한 것이다. 소성은 소성시 이미드 결합이 형성될 때 폴리아미드산염의 염 부분을 포함하여 코팅 조성물 중에 존재하는 휘발성 물질을 날려 보낸다. 편의상, 결합제의 중량은 그것이 소성 단계에 의해 폴리아미드이미드로 전환되는 폴리아미드산염일 때는 출발 조성물 중의 폴리아미드산의 중량으로 택할 수 있고, 이렇게 함으로써 불소중합체 대 결합제의 중량비는 출발 조성물 중의 불소중합체 및 결합제의 양으로부터 결정될 수 있다. 본 발명의 조성물이 바람직한 수성 분산물 형태일 때, 이 성분들은 전체 분산물의 약 5 내지 50 중량%를 구성할 것이다.
탄화규소 입자
본 발명의 언더코트는 무기 충전제 필름 경화제 성분인 탄화규소 입자를 함유한다. 바람직하게는, 프라이머층은 탄화규소 입자를 포함한다. 이 물질은 조성물의 다른 성분들에 대해서 불활성이고, 불소중합체 및 결합제를 융합시키는 궁극적인 소성 온도에서 열 안정성이 있다. 필름 경화제는 수불용성이기 때문에, 그것은 전형적으로 본 발명의 조성물의 수성 분산물 형태에 균일하게 분산될 수 있지만 용해되지는 않는다. 바람직하게는, 탄화규소 입자는 약 3 내지 약 100 ㎛ 범위, 더 바람직하게는 약 5 내지 약 45 ㎛ 범위의 평균 입자 크기(mean average particle size)를 갖는다.
무기 필름 경화제의 탄화규소 입자는 바람직하게는 2500의 누프(Knoop) 경도를 갖는다. 누프 경도는 압입 또는 긁힘에 대한 물질의 내성을 기술하는 척도이다. 광물 및 세라믹의 경도 값은 샤켈포드(Shackelford) 및 알렉산더(Alexander)의 문헌 [CRC Materials Science and Engineering Handbook, CRC Press (미국 플로리다주 보카 래톤), 1991]으로부터의 참고 자료를 토대로 한 문헌[Handbook of Chemistry, 제77판, 12-186,187]에 실려 있다. 필름 경화제 성분은 코팅 표면에 적용되는 마모력을 편향시키고 불소중합체 오버코트를 관통한 예리한 물체의 관통에 저항함으로써 기판 상의 코팅으로 적용되는 눌러붙지 않는 불소중합체 조성물에 내구성을 부여한다.
무기 필름 경화제의 탄화규소 입자는 바람직하게는 2.5 이하, 더 바람직하게는 1.5 이하의 장단축비(위에서 정의함)를 갖는다. 이 입자를 함유하는 코팅에 적용되는 마모력을 편향시킬 수 있는 본 발명의 바람직한 입자는 2.5 이하의 장단축비를 가지고, 입자의 최대 직경이 코팅 두께의 50% 이상이고 코팅 필름 두께의 125%를 초과하지 않는 크기를 갖는다.
프라이머가 언더코트이고 SiC 입자를 함유하는 바람직한 실시태양에서, 건조한 프라이머는 2 중량% 이상, 바람직하게는 2 - 45 중량%의 SiC 입자를 포함한다.
다른 충전제
탄화규소 입자의 큰 입자 및 작은 입자에 추가하여, 본 발명의 프라이머층 및 평균층의 눌러붙지 않는 코팅 조성물은 1200 초과의 높은 누프 경도 뿐만 아니라 1200 미만의 낮은 경도를 갖는 다른 충전제 물질을 함유할 수 있다. 무기 충전제 필름 경화제의 예는 1200 이상의 누프 경도를 갖는 무기 산화물, 탄화물, 붕화물 및 질화물을 포함한다. 바람직한 것은 지르코늄, 탄탈, 티탄, 텅스텐, 붕소, 알루미늄 및 베릴륨의 무기 산화물, 질화물, 붕화물 및 탄화물이다. 바람직하게는, 중간층 및(또는) 프라이머층은 산화알루미늄을 포함한다. 바람직한 무기 조성물의 전형적인 누프 경도 값은 지르코니아 (1200); 질화알루미늄 (1225); 베릴리아 (1300); 질화지르코늄 (1510); 붕화지르코늄 (1560); 질화티탄 (1770); 탄화탄탈 (1800); 탄화텅스텐 (1880); 알루미나 (2025); 탄화지르코늄 (2150); 탄화티탄 (2470); 탄화규소 (2500); 붕화알루미늄 (2500); 붕화티탄 (2850)이다.
더 낮은 누프 경도 값의 적당한 추가 충전제는 유리 플레이크, 유리 비드, 유리 섬유, 규산알루미늄, 규산지르코늄, 운모, 금속 플레이크, 금속 섬유, 파인 세라믹 분말, 이산화규소, 황산바륨, 활석 등을 포함한다.
자화성 플레이크
언더코트는 자화성 플레이크를 함유한다. 바람직하게는, 언더코트의 중간층이 플레이크를 포함한다. 더 바람직하게는, 상기 플레이크의 적어도 일부는 유도된 배향을 갖지 않는다. 무친 및 렉의 문헌에는 자화성 플레이크의 배향이 기재되어 있고, 후라이팬과 같은 편평한 바닥의 아랫면에 적용된 열을 프라이머로부터 코팅의 상부 표면으로 전도하는 데 도움을 준다고 주장한다. 자기력에 노출된 플레이크가 일반적으로 코팅 두께의 방향으로 배향된다.
자기력을 코팅에 적용하지 않아도, 자화성 플레이크는 그 평면에 대해 평행하게 배향한다. 따라서, SiC 입자가 존재할 때는 플레이크에 자기력을 적용할 필요가 없음을 발견하였다. 놀랍게도, 탄화규소 입자와 함께 자화성 플레이크를 함유하는 언더코트를 기판에 적용하면 통상의 이형 코팅계, 심지어는 배향된 자화성 플레이크를 함유하는 계에 비해 개선된 열 전달 성질을 성취한다. 이형 코팅 중의 플레이크는 자화할 수 있으면서 이러한 가열에 의해 영향받지 않는 물질로 제조되어야 한다. 플레이크를 제조할 수 있는 물질의 예는 철 및 니켈과 같은 금속 및 이들 금속을 함유하는 합금을 포함하고, 스테인리스강이 바람직한 물질이다. 금속은 이형 코팅 중의 중합체보다 열 전도성이 훨씬 높다. 실제로는 이형 (눌러붙지 않는) 특성이 실현되기 전에 소성 단계가 필요한데도, 간단성을 위해 불소중합체/플레이크 코팅 조성물은 소성 단계 전과 후 두 경우 모두에서 이형 코팅이라고 부른다.
자화성 플레이크는 플레이크를 함유하는 코팅 조성물로부터 형성된 층의 두께 초과 및(또는) 미만의 최장 치수를 갖는 플레이크를 포함한다. 층(코팅) 두께는 일반적으로 5 내지 40 ㎛일 것이다. 플레이크 크기는 원하는 층 두께에 좌우될 것이다. 평균 최장 치수가 20 내지 60 ㎛인 316L 스테인리스강 플레이크가 특히 유용하고, 정상적으로, 플레이크는 실질적인 비율, 바람직하게는 40 중량% 이상이 44 ㎛ 이상의 최장 치수를 갖는 크기의 혼합물일 것이다.
바람직한 자화성 플레이크를 함유하는 건조한 언더코트 조성물은 70 내지 90 중량%의 불소중합체, 2 내지 10 중량%, 더 바람직하게는 2 내지 7 중량%의 자화성 플레이크 및 2 내지 20 중량%의 SiC 입자를 2 내지 15 중량%의 중합체 결합제와 함께 함유하는 것들을 포함한다. 불소중합체 성분은 바람직하게는 50 내지 95 중량%의 PTFE 및 5 내지 50 중량%의 상기 PTFE/PAVE와 같은 용융 제작성을 갖는 테트라플루오로에틸렌 공중합체의 블렌드이고, 이때 중량%는 이들 두 불소중합체의 중량의 합을 기준으로 한다. 액체 형태에서, 액체 매질은 일반적으로 액체 매질 및 상기 세 가지 성분의 중량의 합의 75 내지 95 중량%를 구성한다.
적용
본 발명의 조성물은 통상의 수단에 의해 기판에 적용될 수 있다. 코팅되는 기판에 의존해서, 스프레이 및 롤러 적용이 가장 편리한 적용 방법이다. 침지 및 코일 코팅을 포함하는 다른 잘 알려진 코팅 방법들이 적당하다. 눌러붙지 않는 코팅 조성물은 단일 코트이거나, 또는 언더코트 및 오버코트를 포함하는 다중 코트 계일 수 있다. 1 개 이상의 불소중합체 함유 층들의 오버코트는 통상의 방법에 의해 언더코트가 건조되기 전에 언더코트에 적용될 수 있다. 언더코트층 및 오버코트층 조성물이 수성 분산물일 때, 오버코트 조성물은 바람직하게는 언더코트가 만져 봐서 건조하다고 느껴지는 시점 이후에 언더코트에 적용될 수 있다. 언더코트층이 유기 용매로부터의 조성물을 적용함으로써 제조되고 그 다음 층(중간층 또는 상부코트)이 수성 매질로부터 적용되는 경우, 이러한 다음 층들이 적용되기 전에 모든 수불상용성 용매가 제거되도록 언더코트층이 건조되어야 한다.
적용된 코팅계를 소성시켜서 모든 코팅을 동시에 융합시켜서 눌러붙지 않는 이형 코팅을 기판 상에 형성할 수 있다. 불소중합체가 PTFE일 때, 신속하게 높은 소성 온도로 상승하는 것, 예를 들어 5 분 동안에 온도가 427 ℃ (800 ℉)에서 시작해서 440 ℃ (825 ℉)로 상승하는 것이 바람직하다. 프라이머 또는 오버코트 중의 불소중합체가 PTFE 및 FEP의 블렌드, 예를 들어 50 - 70 중량% PTFE 및 50 - 30 중량% FEP일 때, 소성 온도는 415 ℃(780 ℉)로 감소될 수 있고, 3 분 이내(총 소성 시간) 내에 427 ℃ (800 ℉)으로 상승할 수 있다. 소성된 언더코트층 두께는 맴돌이 전류 원리 (ASTM B244) 또는 자기 유도 원리 (ASTM B499)를 토대로 하는 필름 두께 측정 기기로 측정한다.
바람직한 실시태양에서, 본 발명의 이형 코팅은 32 내지 40 ㎛의 총 건조 필름 두께를 가지고, 언더코트의 바람직한 DFT는 22 내지 30 ㎛이고, 오버코트의 바람직한 DFT는 8 내지 10 ㎛이다. 가장 바람직한 실시태양에서, 언더코트는 7.5 내지 10의 DFT를 갖는 프라이머 및 15 내지 22의 DFT를 갖는 중간층을 포함한다.
생성된 구조체에서, 기판은 예를 들어 알루미늄, 양극산화 알루미늄, 냉간압연강재, 스테인리스강, 에나멜, 유리 및 파이로세람을 포함하는 금속 및 세라믹과 같이 소성 온도에 견딜 수 있는 어떠한 물질이라도 될 수 있다. 기판은 이형 코팅이 앵커링할 수 있는 캐비티를 생성하는 그리트 블라스팅(grit blasting) 또는 화학적 식각과 같은 것에 의한 거칠어진 표면을 가질 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 기판은 조리 기구 제조자가 기판 표면을 거칠어지게 해야 하는 필요를 없애주는 매끈한 표면을 갖는다. 이 실시태양에서, 플레이크를 함유하는 층은 프라이머층을 매개로 하여 기판에 고착된다.
기판은 매끈할 수 있고, 즉, 프로필로미터(profilometer), 예를 들어 마르 게엠베하(Mahr GmbH)(독일 고팅겐)에 의해 제조된 포켓서프(등록상표)(PocketSurf?) 모델 표면 시험기에 의해 측정한 표면 프로파일이 1.25 ㎛(50 마이크로인치) 미만이고, 깨끗할 필요가 있다. 파이로세람 및 몇몇 유리의 경우, 육안으로 보이지 않는 약한 화학적 식각과 같은 것에 의한 기판 표면의 활성화에 의해(즉, 표면은 여전히 매끈함) 개선된 결과가 얻어진다. 또, 기판은 탄넨바움의 미국 특허 5,079,073에 기재된 것과 같은 폴리아미드산염의 미스트 코트(mist coat)와 같은 고착제로 화학적 처리될 수 있다. 언더코트층이 프라이머일 때, 그것은 기판 상의 제 1 불소중합체 함유 층으로 여길 수 있고, 바람직하게는 프라이머층이 직접 기판에 결합된다.
성능 특성
본 발명의 구조체의 개선된 열 전달은 구조체의 아랫면에 열이 일단 적용될 때 조리 온도에 달성하는 데, 예를 들어 실시예에서는 204 ℃(400 ℉)로 가열되는 데 필요한 램프업(ramp up) 시간이 단축되는 것으로 입증된다.
본 발명의 증진된 열 성능은 IR 모니터링과 함께 조절된 열원을 사용해서 예시할 수 있다. 알루미늄 기판(후라이팬)를 본 발명에 기재된 언더코트 및 표준 오버코트로 코팅한다. 이 구조체를 동일한 알루미늄 베이스 기판 상의 표준 오버코트 및 동일한 코팅 두께를 갖는 전형적인 선행 기술의 눌러붙지 않는 불소중합체 언더코트와 비교한다. 이 구조체들을 병렬 비교한다. 사용된 온도 모니터링 장치는 가열되는 팬의 비디오를 기록하는, 온도 및 시간 성능을 갖는 인프라메트릭스(Inframetrics)에서 제조한 써마캠(Thermacam) PM280 IR 써모그래프 비디오 카메라이다. 팬을 세라믹 표면을 가로질러서 204 ℃(400 ℉)로 보정된 와지(Waage) 전기 스토브 DDSF15 (550 - 1100 와트 - 이중 소자) 위에 놓는다. 주위 실온에서는 두 팬이 비디오에 검게 나타난다. 열원으로부터의 열이 팬을 통해 전달될 때, 보이는 표면의 외관이 밝아지기 시작하여 결국 그것은 발광성 황금빛 외관에 도달한다. 본 발명의 언더코트로 코팅된 알루미늄 팬은 눌러붙지 않는 표준 불소중합체 코팅보다 더 빠른 속도로 설정점 온도(set point temperature) 및 밝은 황금빛 외관에 도달한다.
동일한 병렬 비교를 알루미늄 피복 스테인리스강 기판(후라이팬)에 대해 반복한다. 기록된 비디오는 눌러붙지 않는 표준 불소중합체 코팅이 팬의 한 구역이 본 발명보다 더 빠른 속도로 가열되기 시작하게 한다는 것을 보여준다. 그러나, 시험이 진행됨에 따라, 본 발명의 언더코트를 갖는 팬은 눌러붙지 않는 표준 불소중합체 코팅과 비교할 때 팬의 전표면을 가로질러서 더 균일하게 가열되고 더 빠른 속도로 조리 온도에 도달하는 것으로 나타난다. 눌러붙지 않는 표준 불소중합체 코팅은 전형적으로 "핫 스폿"(hot spot)으로 불리고 균일하게 가열되지 않는 것임을 나타낸다. 본 발명의 더 나은 열 분배 효과는 모든 기판 및 코팅 유형에서 일관된다. 이것은 표준 불소중합체 코팅 팬과 대조적으로 본 발명의 가시 표면을 가로질러서 동일 구배의 색 변화가 일어나는 것으로 보여준다. 고른 열 분배의 이점은 코팅된 팬이 팬의 전표면을 가로질러서 더 고르게 음식을 조리할 수 있게 한다.
본 발명의 코팅된 기판은 후라이팬, 냄비, 캐서롤, 웍(wok), 그리들(griddle), 밥솥 및 그의 삽입물과 같은 많은 조리 기구 물품 형태 뿐만 아니라 다리미 밑판 등과 같은 신속한 가열 시간이 이익이 되는 조리 기구 이외의 물품의 형태일 수 있다.
시험 방법
SBAR 시험
코팅된 기판을 SBAR 시험을 이용해서 눌러붙지 않는 코팅의 내마모성에 대해 평가한다. 이 시험은 왕복 수평 운동(reciprocal horizontal movement)을 하는 수직 팔(arm)에 부착된 마모 패드로 코팅계를 처리하는 조리 기구에 관한 영국 규격 사양서(British Standard Specification) BS 7069:1988을 토대로 한다. 이 장치는 실린더 중앙으로부터 ± 10 m/분의 평균 속도로 100 mm ± 5 mm (4 in. +/- 0.25 in.)의 팔 왕복 수평 운동을 한다. 마모 패드(3M 스카치-브라이트(Scotch-Brite) 07447)는 페놀 수지가 함침된 랜덤 나일론 웹이고, 산화알루미늄을 실린더에 고정해서 로딩하여 ± 15 N의 총 힘(팔의 질량 + 실은 중량(dead weight) = 0.5 kg 또는 10 lbs)을 코팅 위에 적용한다. 시험 샘플은 실시예에 설명된 대로 기판을 코팅하고 명시된 대로 건조 및 소성하여 제조한다. 코팅된 기판은 시험하기 전에 깨끗한 물로 세척하고 서서히 건조시킨다. 시험은 아래에서 설명한 바와 같이 건조 및 습윤 기판에 대해 실시한다.
코팅된 기판을 고정된 지지체 상에 고정하고, 로딩된 마모 패드를 눌러붙지 않는 표면에 적용한다. 습윤 기판에 대한 절차를 실시하기 위해서는, 1 L (33 oz) 용액 중에 5 g의 순한 세제를 함유하는 식기 세척 용액 50 ml를 첨가함으로써 표면을 윤활시킨다. 건조 기판에 대한 절차는 세제 용액을 첨가하지 않고 실시하고, 다른 모든 절차는 동일하다. 표본을 정지 상태로 두고, 마모 패드 팔을 실린더 중앙 지점의 양쪽에서 50 mm ± 2.5 mm (2 in. +/- 0.1 in.)의 거리를 전후 이동시킨다.
마모 패드는 250 사이클 후에 뒤집고, 다시 250 사이클 후에 교체한다. 이 절차는 금속이 눈에 보일 때까지 계속하고, 금속이 눈에 보이면 코팅 파괴에 소요된 사이클 수를 기록한다. 코팅 파괴는 시험의 최종점이다. 파괴 패턴은 부속물의 그림과 유사하여야 한다.
접촉 방법 - 조리 온도로 램프업하는 데 걸리는 시간
접촉 방법에 의한 온도 램핑(ramping) 및 열 분배의 효과를 측정하기 위한 시험을 다음과 같이 기술한다.
에너지원은 웨네스코(Wenesco)(미국 일리노이주 시카고)의 특수 제작된 세라믹 표면 핫 플레이트이다. 이 핫 플레이트는 높은 균일성 조절을 가져서, 어떠한 지점-대-지점 플레이트 온도 변화도 설정점의 2% 정도로 가깝게 감소시킬 것이다. 데이터 획득은 데이터팩(Datapaq)(영국 캠브리지)(윌밍톤, MA)으로부터의 온도 프로파일러를 이용하여 편집한다. 이 모델은 6 개의 온도 입력을 갖는 데이터팩 9000 트랙커 (Datapaq 9000 트랙커) 시스템이다. 핫 플레이트를 210 ℃ (410 ℉) 범위의 온도로 보정한다. 6 개의 "K"형 열전쌍 와이어를 하나의 중앙선을 가로질러서 4 개의 접촉점 및 다른 하나의 중앙선의 서로 마주보는 외부 지점에서 2 개의 접촉점을 갖는 십자형 모양으로 팬의 내부에 연결한다.
열전쌍 커넥터를 변환기 인터페이스에 삽입하고, 그 인터페이스를 데이터 로거(logger)(메모리 팩)에 연결한다. 팬을 보정된 핫 플레이트의 중앙에 10 분 동안 놓는다. 이어서, 팬을 제거하고, 데이터 로거를 데이퍼팩 통계 소프트웨어 프로그램으로 다운로드한다. 이 프로그램의 핵심적인 분석 기능은 데이터팩 값, 최대/최소 온도, 온도에서의 시간, 기울기 계산, 상승 및 하강 계산, 및 피크 차를 포함한다. 결과는 204 ℃ (400 ℉)의 조리 온도에 도달하는 데 걸리는 시간(초 단위)으로 기록한다. 각 시험으로부터의 데이터를 다른 실시의 데이터 획득과 직접 비교할 수 있다.
기계적 타이거 포( Mechanical Tiger Paw ; MTP ) 마모 시험
탄넨바움의 미국 특허 6,781,964 A1에 기재된 바와 같이, 진탕 테이블 위에서 코팅된 기판이 가열되고 전후로 진동하는 동안 코팅된 기판의 표면 위에서 3 개의 가중된 볼펜 끝을 계속 회전시킴으로써 내마모성에 대해 평가한다. 시험에 사용된 장비는 구동 모터가 장착되는 프레임을 포함한다. 플라이휠(구동 디스크)이 놓인 중앙 플라이휠 구동 섀프트가 모터로부터 뻗어 있다. 구동 디스크는 직경 18 cm (7 inch) 및 두께 0.64 cm(0.25 inch)를 갖는 알루미늄 시팅(sheeting)이다. 핫 플레이트가 위에 장착된 진탕 테이블은 프레임 내에 하우징(housing)한다. 핫 플레이트의 상부는 후라이팬과 같은 시험 기판을 놓기 위한 표면을 제공한다. 구동 디스크의 표면과 바닥 사이의 수직 거리는 약 15 cm (6 inch)이다. 시작 위치에서, 플라이휠 구동 섀프트는 핫 플레이트에 대해 수직이고 핫 플레이트의 중앙에 있다. 진탕 테이블은 왕복 운동의 중심이 플라이휠 구동 섀프트의 중심과 일치하도록 프레임에 장착한다. 왕복 운동의 방향은 전후 방향이다.
지지체 섀프트 튜브 안에 있는 부동 섀프트에 의해 타이거 포 헤드를 구동 디스크에 장착한다. 지지체 튜브를 구동 디스크를 통해 O-고리를 이용해서 디스크의 양쪽에 있는 세척기 및 너트(nut)와 유연성 있게 연결한다. 이 연결 위에, 추가의 세척기를 섀프트에 추가하여 추가 중량을 제공한다. 지지체 튜브를 중심에서 벗어나서 플라이휠 구동 섀프트로부터 약 5 cm (2 inch) 되는 곳에 장착한다. 조정 나사가 지지체 섀프트 튜브에 있어서, 지지체 섀프트 튜브 내에 연결된 부동 섀프트의 정렬을 허용한다. 또, 평형추를 디스크 위에 지지체 튜브로부터 180°를 이루는 곳에 놓는다.
타이거 포 헤드는 중앙으로부터 동일 각도(즉, 약 0°, 120°, 240°)로 디스크 주변 근처에 위치하는 3 개의 채널을 갖는 회전 디스크이다. 채널들은 각각 볼펜 리필을 하우징할 수 있는 크기로 맞춘다. 각 채널의 위치에서 디스크의 옆벽에 설정 나사가 있어서 작업시에 펜 리필을 제자리에 고정시킨다. 나타낸 회전 디스크는 직경 6.4 cm(2.5 inch) 및 두께 1 cm (0.4 inch)를 갖는 스테인리스강이다. 디스크의 중앙은 볼 베어링을 수용하고, 디스크가 커플링에 의해 부동 섀프트에 부착될 수 있게 한다. 타이거 포 헤드는 부동 섀프트 주위를 자유롭게 회전한다.
작업시, 코팅된 알루미늄 기판을 갖는 후라이팬을 순한 세제에서 세척하여 먼지 또는 오일을 제거한다. 중앙 드라이브 섀프트에 임시 설치된 제거가능 센터링(centering) 막대의 도움으로 핫 플레이트 상에 시험 팬을 놓는다. 센터링 막대는 핫 플레이트의 표면에 팬을 놓기 위한 연직선 역할을 하고, 그 후 센터링 막대는 제거한다. 각 시험에 대해, 3 개의 새로운 펜 리필을 각 리필이 디스크 바닥으로부터 1.9 cm(3/4 inch) 아래쪽으로 뻗도록 타이거 포 헤드의 채널 안에 설치한다. 타이거 포 헤드를 드라이브 섀프트에 부착된 드라이브 디스크로부터 아래로 뻗은 부동 섀프트에 부착한다. 타이거 포 헤드 및 부동 섀프트의 중량을 조정한다. 예시된 장비에서, 중량은 약 400 g이다. 부동 섀프트 및 세척기 (모두 약 115 g), 타이거 포 헤드 (약 279 g), 및 볼펜 포인트 (약 10 g)의 중량의 합은 404 g이다. 또한, 평형 유지(counterbalancing) 중량도 합계가 약 400 g이다.
핫 플레이트를 켜서 시험 기판 (팬)을 204 ℃ +/- 6 ℃ (400 ℉ +/- 10 ℉)의 온도로 가열한다. 팬이 기판 표면에 대한 적외선 온도 측정으로 결정해서 시험 온도에 도달할 때, 펜 리필을 팬 위로 낮추고 장비를 작동시켜서 진탕 테이블 진동 및 타이거 포 헤드 회전을 시작한다. 이 방법에서, 시험 장비는 펜을 코팅된 기판 표면에 마주 대고 그 둘레를 회전시킨다. 타이거 포 헤드 회전의 속도는 분당 30 회전으로 조절한다. 진탕 테이블의 속도는 분당 30 회의 전후 진동을 하도록 조절한다. 카운터가 완료된 사이클의 수를 기록한다. 타이거 포 헤드가 한 특정 방향으로 15 분간 회전할 때마다 그 기간을 타이머가 카운트다운한다. 데이터는 15분 간격으로 기록된다. 타이거 포 헤드의 회전은 15 분 후마다 바뀐다. 코팅의 빌드업(build-up)에 대해 펜 리필 포인트를 주기적으로 검사한다. 빌드업된 코팅은 필요하다면 제거한다.
기판 상의 코팅의 파손 여부는 펜 리필의 포인트가 코팅을 관통해서 나금속 기판에 도달할 때 점진적으로 전개하는 타원형 경로를 관찰함으로써 모니터한다. 기판을 가열함으로써 파손에 이르는 시간이 단축된다. 파손에 이르는 시간이 길수록, 눌러붙지 않는 코팅의 내구성은 더 좋다.
15 분간의 각 사이클을 마칠 때마다, 팬을 하기 MTP 점수식 평정법(numerical rating)에 따라서 평가한다:
10 - 새로운 팬
9 - 코팅 중의 홈(groove)
8 - 금속에까지 이르는 최초의 닉(nick) (매끈한 기판의 경우)
표면의 거침 (그리트 블라스팅된 기판의 경우)
7 - 금속에까지 이르는 선 (외부 및(또는) 내부)
6 - 외부에서 시작하는 타원형
5 - 완전한 타원형
가속화된 타이거 포 조리 (ATP)
가속화된 타이거 포 조리 시험은 위에서 설명한 타이거 포 조리 시험의 가속화된 저온 변형 시험이다. 이 시험은 코팅계를 산, 소금 및 지방, 및 세제의 사이클에 노출시킴으로써 조리 성능 및 내마모성에 대해 후라이팬과 같은 기판을 평가한다. 기판을 열 처리하고, 조리하는 동안 타이거 포 헤드를 수동 회전시킨다. 아래에서 설명하는 바와 같이 음식 사이클, 온도 조건 및 타이거 포 헤드의 회전 수를 변경시킨다.
각 시험에 있어서, 코팅된 팬들과 대조 팬을 모든 팬을 동시에 조리하기에 충분한 버너를 갖는 상업용 가스 스토브 위에서 시험한다. 대조 팬은 판정되는 표준 성질들이 여러 차례에 걸쳐 이미 결정되어 있는 공지된 상업용 조리 기구 코팅계로 코팅된 표준 팬이다. 시험 동안의 온도는 기판 표면에 대해 접촉식 고온계로 측정해서 138 ℃ (280 ℉) 내지 149 ℃ (300 ℉)에서 유지시킨다. 팬을 모든 버너에서 규칙적으로 회전시킨다.
작업시, 시험 팬들을 버너 위에 놓고, 명시된 온도 범위 내로 가열시킨다. 팬으로 다음 조리 과정을 행한다.
달걀을 길들지 않은(unseasoned) 팬에서 후라이한다. 달걀을 3 분 동안 조리한다. 달걀을 주걱으로 들어올리고 팬을 기울여서 달걀이 미끄러지게 한다. 달걀이 얼마나 쉽게 미끄러지는지를 평가한다. 팬을 다시 버너 위에 올려 놓고, 달걀을 뒤집는다. 달걀의 노른자를 주걱으로 부수고, 달걀을 2 분 더 조리한다. 다시 달걀을 주걱으로 들어올리고, 달걀이 얼마나 쉽게 미끄러지는지를 상기 "이형성"이라고 지정된 척도를 기준으로 하여 결정한다. 또, 팬을 긁힘에 대해서도 평정한다. 팬을 뜨거운 물에서 헹구고 종이 타월로 닦는다.
조리 1 : 옥수수유 1 Ts(tablespoon)를 팬의 중심에 넣는다. 한쪽 면에 소금 1/4 ts(teaspoon)을 친 미리 만든 햄버거 패티를 오일 위에 소금을 친 면이 아래로 향하게 해서 놓는다. 패티를 3 분 동안 조리한다. 이어서, 후라이팬에 뚜껑을 덮고, 뚜껑을 덮은 채로 4 분 더 패티를 조리한다. 스푼의 가장자리로 패티를 먼저 4 등분하여 자르고, 4 등분한 각 조각을 3 등분하여 자른다. 고기를 꺼내고, 팬을 종이 타월로 닦는다.
준비된 토마토 소스 혼합물 (토마토 소스 30 oz, 소금 1/2 컵, 물 3 쿼트) 2 컵 (16 oz)을 각 팬에 첨가하고, 20 분간 부글부글 끓인다. 20 분간 부글부글 끓이는 동안, 타이거 포 헤드를 이용해서 긁힘 혹사 시험(scratch abuse test)을 수행한다. 각 팬에 있는 혼합물을 타이거 포 헤드로 원형 패턴으로 시계 방향으로 50회, 시계 반대 방향으로 다시 50 회 휘젓는다. 20 분간 부글부글 끓이는 기간이 끝났을 때, 팬을 버너로부터 내려 놓고 내용물을 비우고, 각 팬을 세제 용액으로 철저하게 세척한다. 팬을 깨끗한 물에서 헹구고 마르게 닦는다.
팬을 다시 버너에 올려놓고, 팬 중앙에 오일 1 Ts을 놓는 것부터 시작해서 조리 절차를 반복한다.
4회 조리 후, 달걀을 상기한 바와 같이 후라이해서, 팬을 이형성 및 긁힘에 대해 평정한다. 7 회 조리가 끝났을 때(또는 7 회 조리가 완료될 수 없는 경우에는, 그날 종료시에), 각 팬에 물 2 컵, 액체 세제 1 ts 및 소금 3 ts의 세제 용액을 채운다. 세제를 끓이고, 뚜껑을 팬 위에 놓는다. 버너에서 팬을 내려 놓고 하룻밤 동안 방치해 둔다. 다음날, 달걀을 후라이하고 팬을 평정하는 것부터 시작해서 사이클을 시작한다. 시험은 팬의 긁힘 평정 점수가 5로 결정될 때까지 계속하고, 긁힘 평정 점수가 5일 때 시험을 중지한다. 긁힘은 TP 시험에서 사용된 것과 동일한 척도를 이용한다. 이형성 척도의 목록을 아래에 기재한다.
이형성 (0 - 5) : 이형성 평정 점수는 달걀이 얼마나 쉽게 미끄러지고 달걀이 얼마나 많이 팬에 달라붙는지를 평가함으로써 결정한다.
5 - 우수함
4 - 매우 양호함
3 - 양호함
2 - 그저 그런 편임
1 - 심각함
0 - 매우 심각함
AIHAT
후라이팬과 같은 코팅된 기판을 통상의 가정용 금속 조리 용품 (포크, 주걱, 거품기, 칼)을 이용하는 일련의 고온 조리 사이클을 거치게 한다. 이 시험에 대한 설명은 미국 특허 5,250,356(배트자르(Batzar)), 칼럼 3, 라인 11 - 64에 기재되어 있다. 이 시험은 흔한 조리 혹사로부터의 손상 및 긁힘을 측정하는 것이다.
건조 필름 두께 ( DFT )
소성된 코팅 두께는 맴돌이 전류 원리 (ASTM B244)를 토대로 하는 필름 두께 측정 기기, 예를 들어 피셔스코프 (Fisherscope)로 측정한다.
불소중합체
PTFE 분산물 : 듀폰 TFE 불소중합체 수지 분산물 등급 30, 듀폰 컴파니(DuPont Company)(미국 델라웨어주 윌밍톤)로부터 입수 가능함.
FEP 분산물 : 54.5 - 56.5 중량%의 고형물 함량 및 150 - 210 nm의 RDPS를 갖는 TFE/HFP 불소중합체 수지 분산물. 이 수지는 HFP 함량이 9.3 - 12.4 중량%이고, 미국 특허 4,380,618에 기재된 바와 같이 변형된 ASTM D-1238의 방법에 의해 372 ℃에서 측정한 용융 유속이 11.8 - 21.3이다.
PFA 분산물 : 듀폰 PFA 불소중합체 수지 분산물 등급 335, 듀폰 컴파니(미국 델라웨어주 윌밍톤)로부터 입수 가능함.
중합체 결합제
PAI는 토를론(등록상표)(Torlon?) AI-10 폴리(아미드-이미드)(아모코 케미칼즈 코프.(Amoco Chemicals Corp.)), 6 - 8 %의 잔류 NMP를 함유하는 고체 수지 (폴리아미드산염으로 바뀔 수 있음).
폴리아미드산염은 일반적으로 30 ℃에서 N,N-디메틸아세트아미드 중의 0.5 중량% 용액으로서 측정할 때의 고유 점도가 0.1 이상인 폴리아미드산으로서 입수가능하였다. 미국 특허 4,014,834(콘캐논(Concannon))에 더 상세히 기재된 바와 같이, 그것을 N-메틸피롤리돈과 같은 유착제 및 푸르푸릴 알콜과 같은 점도 감소제 중에 용해시켜서, 3급 아민, 바람직하게는 트리에틸 아민과 반응시켜서 물에 용해될 수 있는 염을 형성하였다.
탄화규소 입자
ESK(Elektroschmelzwerk Kempten GmbH)(독일 뮌헨)에서 공급하는 탄화규소는 다양한 크기 및 혼합물로 사용하였다.
P1200 = 3.0 ± 0.5 ㎛ 평균 입자 크기
P1000 = 4.5 ± 0.5 ㎛ 평균 입자 크기
P 800 = 6.5 ± 1.0 ㎛ 평균 입자 크기
P 600 = 9.3 ± 1.0 ㎛ 평균 입자 크기
P 400 = 17.3 ± 1.5 ㎛ 평균 입자 크기
P 320 = 29.2 ± 1.5 ㎛ 평균 입자 크기
P 280 = 36.5 ± 1.5 ㎛ 평균 입자 크기
P 240 = 44.5 ± 2.0 ㎛ 평균 입자 크기
평균 입자 크기 (ds50)은 공급자가 제공한 정보에 따라서 FEPA-스탠더드-43-GB 1984R 1993 resp. ISO 8486을 이용한 침강에 의해 측정하였다.
다른 무기 필름 경화제
산화알루미늄 (작은 입자)은 알루미늄 코포레이션 오브 어메리카(Aluminum Corporation of America)에서 공급한 평균 입자 크기가 0.35 - 0.50 ㎛인 그레이드(Grade) SG A-16이었다.
본 발명을 대표하는 눌러붙지 않는 3중 코트 계를 그리스를 제거하기 위해 세척 처리만 하고 기계적 거칠게 하기 처리는 하지 않은 매끈한 알루미늄제 시험 팬들 위에 분무하였다. 프라이머, 중간 코트 및 오버코트의 수성 분산물 조성물을 사용하였다. 프라이머/중간층/오버코트의 건조된 코팅 두께 (DFT)는 맴돌이 전류 분석으로부터 10.2 ㎛ (0.4 mil)/17.8 ㎛ (0.7 mil)/7.6 ㎛(0.3 mil)인 것으로 결정되었다.
프라이머층 및 중간층을 각 실시예의 표에 기재하였다. 모든 실시예의 불소중합체 오버코트는 표 1에 기재하였다.
프라이머를 알루미늄 기판 위에 분무하고, 66 ℃ (150 ℉)에서 5 분간 건조시켰다. 이어서, 중간 코트를 건조된 프라이머 위에 분무하였다. 상부코트를 중간 코트에 습윤 상태에서 적용(분무)하였다. 코팅을 427 ℃ (800 ℉)의 온도에서 5 분 동안 소성하여 경화시켰다.
팬들에 대해 1) 내마모성, 2) 조리 온도로 램프업하는 데 걸리는 시간, 및 3) 이형성을 결정하는 시험을 행하였다. 모든 계의 시험 결과를 하기 표 16에 기재하였다.
오버코트
성분 중량%
PTFE (수성 분산물 중의 고형물) 39.677
물 36.591
옥틸페놀폴리에톡시 계면활성제 4.612
PFA (수성 분산물 중의 고형물) 2.089
운모 이리오딘(Iriodin) 153 (머크(Merck)) 0.371
세륨 옥토에이트 0.590
올레산 1.030
트리에탄올아민 4.591
부틸카르비톨 2.395
아크릴 수지 5.170
탄화수소 용매 2.884
100.000
비교예 1 - SiC 입자 무함유 , 자화성 플레이크 무함유
프라이머 조성물 - 비교예 1
성분 중량%
PAI - 1 5.089
물 68.438
PTFE (수성 분산물 중의 고형물) 4.908
FEP (수성 분산물 중의 고형물) 3.232
푸르푸릴 알콜 3.982
디에틸에탄올아민 0.718
트리에틸아민 1.436
트리에탄올아민 0.003
N-메틸피롤리돈 3.051
울트라마린 블루 안료 7.181
루독스 AM 폴리실리케이트 1.073
소듐 나프탈렌술폰산 0.011
알킬페놀에톡시 계면활성제 0.617
운모/이산화티탄/산화주석 0.044
카올린 0.217
100.000
중간층 조성물 - 비교예 1
성분 중량%
PTFE (수성 분산물 중의 고형물) 31.428
물 40.423
옥틸페놀폴리에톡시 계면활성제 4.963
PFA (수성 분산물 중의 고형물) 5.681
카본 블랙 0.764
운모/이산화티탄/산화주석 0.704
울트라마린 블루 안료 0.235
세륨 옥토에이트 0.550
올레산 1.206
트리에탄올아민 4.366
부틸카르비톨 2.285
아크릴 수지 4.540
탄화수소 용매 2.798
소듐나프탈렌술폰산 0.057
100.000
비교예 2 - SiC 입자 무함유
프라이머 조성물 - 비교예 2
성분 중량%
PAI - 1 5.089
물 68.438
PTFE (수성 분산물 중의 고형물) 4.908
FEP (수성 분산물 중의 고형물) 3.232
푸르푸릴 알콜 3.982
디에틸에탄올아민 0.718
트리에틸아민 1.436
트리에탄올아민 0.003
N-메틸피롤리돈 3.051
울트라마린 블루 안료 7.181
루독스 AM 폴리실리케이트 1.073
소듐 나프탈렌술폰산 0.011
알킬페놀에톡시 계면활성제 0.617
운모/이산화티탄/산화주석 0.044
카올린 0.217
100.000
중간층 조성물 - 비교예 2
성분 중량%
PTFE (수성 분산물 중의 고형물) 33.980
물 37.319
옥틸페놀폴리에톡시 계면활성제 4.248
PFA (수성 분산물 중의 고형물) 6.132
스테인리스강 플레이크 316L 워터 등급 1.592
비결정성 실리카 0.184
PAI-1 0.052
세륨 옥토에이트 0.590
올레산 1.030
트리에탄올아민 4.646
부틸카르비톨 2.424
아크릴 수지 4.880
탄화수소 용매 2.889
소듐나프탈렌술폰산 0.034
100.000
비교예 3 - 자화성 플레이크 무함유
프라이머 조성물 - 비교예 3
성분 중량%
PAI - 1 4.646
물 62.629
PTFE (수성 분산물 중의 고형물) 4.192
FEP (수성 분산물 중의 고형물) 2.850
푸르푸릴 알콜 3.579
디에틸에탄올아민 0.656
트리에틸아민 1.311
트리에탄올아민 0.012
N-메틸피롤리돈 2.785
탄화규소 입자(amps* = 10 ㎛) 5.326
카본 블랙 안료 0.311
울트라마린 블루 안료 1.762
산화알루미늄 (0.35 - 0.50 ㎛) 8.153
루독스 AM 폴리실리케이트 0.946
소듐 나프탈렌술폰산 0.176
알킬페놀에톡시 계면활성제 0.642
히드록시프로필 셀룰로오스 0.024
100.000
* amps = 평균 입자 크기
중간층 조성물 - 비교예 3
성분 중량%
PTFE (수성 분산물 중의 고형물) 28.486
물 39.107
옥틸페놀폴리에톡시 계면활성제 3.722
PFA (수성 분산물 중의 고형물) 5.012
산화알루미늄 6.562
카본 블랙 1.046
울트라마린 블루 안료 0.279
운모/이산화티탄/산화주석 0.734
히드록시프로필 셀룰로오스 0.019
세륨 옥토에이트 0.491
올레산 0.921
트리에탄올아민 3.907
부틸카르비톨 2.037
아크릴 수지 5.130
탄화수소 용매 2.490
소듐나프탈렌술폰산 0.057
100.000
하기 실시예는 중간층에 SS 플레이크를 갖고 이와 함께 프라이머층에 다양한 양 및 크기의 SiC 입자를 갖는다.
실시예 1 - 중간층에 SS 함유
프라이머 조성물 - 실시예 1
성분 중량%
PAI - 1 4.646
물 62.629
PTFE (수성 분산물 중의 고형물) 4.192
FEP (수성 분산물 중의 고형물) 2.850
푸르푸릴 알콜 3.579
디에틸에탄올아민 0.656
트리에틸아민 1.311
트리에탄올아민 0.012
N-메틸피롤리돈 2.785
탄화규소 입자(amps* = 10 ㎛) 5.326
카본 블랙 안료 0.311
울트라마린 블루 안료 1.762
산화알루미늄 (0.35 - 0.50 ㎛) 8.153
루독스 AM 폴리실리케이트 0.946
소듐 나프탈렌술폰산 0.176
알킬페놀에톡시 계면활성제 0.642
히드록시프로필 셀룰로오스 0.024
100.000
* amps = 평균 입자 크기
중간층 조성물 - 실시예 1
성분 중량%
PTFE (수성 분산물 중의 고형물) 33.980
물 37.319
옥틸페놀폴리에톡시 계면활성제 4.248
PFA (수성 분산물 중의 고형물) 6.132
스테인리스강 플레이크 316L 워터 등급 1.592
비결정성 실리카 0.184
PAI-1 0.052
세륨 옥토에이트 0.590
올레산 1.030
트리에탄올아민 4.646
부틸카르비톨 2.424
아크릴 수지 4.880
탄화수소 용매 2.889
소듐나프탈렌술폰산 0.034
100.000
실시예 2- 중간층에 SS 및 Al 2 O 3 함유
프라이머 조성물 - 실시예 2
성분 중량%
PAI - 1 4.646
물 62.629
PTFE (수성 분산물 중의 고형물) 4.192
FEP (수성 분산물 중의 고형물) 2.850
푸르푸릴 알콜 3.579
디에틸에탄올아민 0.656
트리에틸아민 1.311
트리에탄올아민 0.012
N-메틸피롤리돈 2.785
탄화규소 입자(amps* = 10 ㎛) 5.326
카본 블랙 안료 0.311
울트라마린 블루 안료 1.762
산화알루미늄 (0.35 - 0.50 ㎛) 8.153
루독스 AM 폴리실리케이트 0.946
소듐 나프탈렌술폰산 0.176
알킬페놀에톡시 계면활성제 0.642
히드록시프로필 셀룰로오스 0.024
100.000
* amps = 평균 입자 크기
중간층 조성물 - 실시예 2
성분 중량%
PTFE (수성 분산물 중의 고형물) 27.309
물 39.687
옥틸페놀폴리에톡시 계면활성제 3.600
PFA (수성 분산물 중의 고형물) 4.802
카본 블랙 1.002
울트라마린 블루 안료 0.267
산화알루미늄 6.285
스테인리스강 플레이크 316L 워터 등급 1.557
운모/이산화티탄/산화주석 0.703
비결정성 실리카 0.180
히드록시프로필 셀룰로오스 0.079
PAI-1 0.051
세륨 옥토에이트 0.470
올레산 0.882
트리에탄올아민 3.743
부틸카르비톨 1.952
아크릴 수지 4.914
탄화수소 용매 2.291
소듐나프탈렌술폰산 0.226
100.000
실시예 3- 중간층에 SS 함유
프라이머 조성물 - 실시예 3
성분 중량%
PAI - 1 4.784
물 61.795
PTFE (수성 분산물 중의 고형물) 2.868
FEP (수성 분산물 중의 고형물) 1.937
푸르푸릴 알콜 4.605
디에틸에탄올아민 0.675
트리에틸아민 1.350
트리에탄올아민 0.172
N-메틸피롤리돈 2.866
탄화규소 입자(amps* = 20 ㎛) 9.990
카본 블랙 안료 0.178
울트라마린 블루 안료 0.721
산화알루미늄 (0.35 - 0.50 ㎛) 6.580
루독스 AM 폴리실리케이트 0.744
소듐 나프탈렌술폰산 0.013
에톡실화 아세틸렌 디올 0.370
알킬페놀에톡시 계면활성제 0.152
코팅된 운모 플레이크 0.200
100.000
* amps = 평균 입자 크기
중간층 조성물 - 실시예 3
성분 중량%
PTFE (수성 분산물 중의 고형물) 33.980
물 37.319
옥틸페놀폴리에톡시 계면활성제 4.248
PFA(수성 분산물 중의 고형물) 6.132
스테인리스강 플레이크 316L 워터 등급 1.592
비결정성 실리카 0.184
PAI-1 0.052
세륨 옥토에이트 0.590
올레산 1.030
트리에탄올아민 4.646
부틸카르비톨 2.424
아크릴 수지 4.880
탄화수소 용매 2.889
소듐나프탈렌술폰산 0.034
100.000
실시예 4 - 중간층에 SS 플레이크 함유
프라이머 조성물 - 실시예 4
성분 중량%
PAI - 1 4.710
물 66.159
PTFE (수성 분산물 중의 고형물) 4.310
FEP (수성 분산물 중의 고형물) 2.880
푸르푸릴 알콜 3.469
디에틸에탄올아민 0.665
트리에틸아민 1.329
트리에탄올아민 0.011
N-메틸피롤리돈 2.823
탄화규소 입자(amps* = 20 ㎛) 2.571
카본 블랙 안료 0.278
울트라마린 블루 안료 1.614
산화알루미늄 (0.35 - 0.50 ㎛) 7.390
루독스 AM 폴리실리케이트 0.867
소듐 나프탈렌술폰산 0.159
에톡실화 아세틸렌 디올 0.222
알킬페놀에톡시 계면활성제 0.522
히드록시프로필 셀룰로오스 0.021
100.000
* amps = 평균 입자 크기
중간층 조성물 - 실시예 4
성분 중량%
PTFE (수성 분산물 중의 고형물) 33.980
물 37.319
옥틸페놀폴리에톡시 계면활성제 4.248
PFA (수성 분산물 중의 고형물) 6.132
스테인리스강 플레이크 316L 워터 등급 1.592
비결정성 실리카 0.184
PAI-1 0.052
세륨 옥토에이트 0.590
올레산 1.030
트리에탄올아민 4.646
부틸카르비톨 2.424
아크릴 수지 4.880
탄화수소 용매 2.889
소듐나프탈렌술폰산 0.034
100.000
성능 시험 - 마모, 손상, 조리 온도로 램프업하는 데 걸리는 시간 및 이형성
비교예 1 - 3 및 실시예 1 - 4에 기재된 바와 같이 코팅된 시험 팬에 대해 AIHAT 긁힘 시험, MTP 마모 시험, SBAR, 및 가속화된 조리 시험을 수행하였다. 그 결과를 하기 표 16에 나타내었다. SBAR 시험 (습윤 및 건조 두 경우 모두) 및 MTP 시험은 본 발명의 실시예 1 - 4의 우월한 내마모성을 알려준다. AIHAT 시험은 양호한 손상 및 긁힘 내성을 입증한다. 본 발명의 이들 실시예의 이형성은 통상의 선행 기술 조리 기구만큼 양호하다. 접촉 시험의 결과는 본 발명의 실시예의 팬이 훨씬 단축된 시간 내에 204 ℃ (400 ℉)의 조리 온도로 가열됨을 보여준다. 조리 기구에 사용된 코팅계의 언더코트(들) 중의 SiC 입자 및 스테인리스강 플레이크의 상승 효과는 훨씬 개선된 내마모성, 조리 온도로의 더 빠른 가열을 제공하고, 여전히 양호한 이형성을 제공한다.
성능 성질
비교예 1 비교예 2 비교예 3 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4

SBAR 습윤
183
사이클
148
사이클
4350
사이클
7200
사이클
14,500 사이클
11,000 사이클
10,500 사이클

SBAR 건조
263
사이클
338
사이클
21,750
사이클
32,000 사이클
23,500 사이클
29,000 사이클
31,000 사이클

조리 온도 204℃
(400℉)로 램프업
하는 데 걸리는
시간 (초)

570

525

510

305

309

375

335

MTP
5(100분)
5(105분)
5(105분)
5(110분)
5(310분)
5(210분)
8(300분)
5(270분)
9(375분)
9(420분)
9(420분)
9(420분)
9(420분)

AIHAT
(10 사이클 후)
5
5
6,6
6,6
7,8,8
5,5
6,7

Claims (15)

  1. 기판 및 상기 기판 상의 소성된 이형 코팅을 포함하는 구조체로서, 상기 코팅은 언더코트 및 불소중합체 오버코트를 포함하고, 상기 언더코트는 다수의 탄화규소 입자 및 적어도 일부가 유도된 배향을 갖지 않는 자화성 플레이크를 함유하는 것인 구조체.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 자화성 플레이크가 스테인리스강인 구조체.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 언더코트가 프라이머층 및 상기 프라이머와 상기 오버코트 사이에 위치하는 중간층을 포함하고, 상기 중간층이 상기 플레이크를 함유하는 구조체.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 탄화규소 입자가 상기 프라이머층을 매개로 하여 이형 코팅에 공급된 구조체.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 중간층이 불소중합체를 더 포함하는 구조체.
  7. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 프라이머층이 불소중합체를 더 포함하는 구조체.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 자화성 플레이크가 상기 중간층을 매개로 하여 공급된 구조체.
  9. 삭제
  10. 제 4 항에 있어서, 상기 프라이머층이 산화알루미늄을 더 함유하는 구조체.
  11. 제 4 항에 있어서, 상기 중간층이 산화알루미늄을 더 함유하는 구조체.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 기판이 알루미늄인 구조체.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 기판이 스테인리스강인 구조체.
  14. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 탄화규소 입자가 3 내지 100 ㎛ 범위의 평균 입자 크기를 갖는 구조체.
  15. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 탄화규소 입자가 5 내지 45 ㎛ 범위의 평균 입자 크기를 갖는 구조체.
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