TWI392710B - 具改良之熱轉移性質及抗磨性之氟聚合物釋離塗層 - Google Patents

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Description

具改良之熱轉移性質及抗磨性之氟聚合物釋離塗層
本發明在其上具有一增強氟聚合物釋離塗層之基板的領域中。詳言之，本發明在其上具有一釋離塗層之炊具的領域中，其中該塗層具有改良之熱轉移性質使得達到烹飪溫度所需之時間減少，同時展示改良之抗磨性。
已長期想要製造具有一具有優良之釋離性質同時展示優良之抗磨性之內部烹飪表面的經塗佈之炊具。亦想要熱能夠迅速傳移至該等烹飪表面而無需使烹飪器皿之外部底表面經受過多熱。具有一包括一增強熱轉移至且均勻散佈熱於烹飪表面周圍之熱傳導圖案的釋離塗層之炊具在Muchin等人之美國專利第6,114,028號中揭示。排列Muchin中之熱傳導圖案以使其自烹飪器皿之內部表面之中心區域向外延伸至外部周邊區域。其促進自中心區域至外部區域之熱轉移且協助保持整個烹飪表面在一均一溫度，尤其若該烹飪器皿置放於一具有比該器皿底部直徑更小之直徑的加熱元件上。
然而，如Leck之美國專利第6,248,435號中所述，通常將炊具之整個平坦表面曝露於熱以加熱該炊具。因此Leck藉由用氟聚合物及可磁化薄片(如不銹鋼)之混合物塗佈炊具內部且磁定位該等薄片以在該塗層之厚度方向上起作用來在炊具上提供改良之熱轉移釋離外覆塗層。
然而，上文所提及之專利二者均依靠磁定位薄片以獲得所揭示之釋離塗層之增強熱性質。薄片磁誘發定向之要求需要可妨礙炊具之高效商業化生產的特殊設備。
新近發明認識到將無機填充薄膜硬化劑組份加入多層非黏著塗層之內塗層之優勢。Leck之美國專利第6,248,435號揭示該組份可為一或多種金屬矽酸鹽化合物(如矽酸鋁)及金屬氧化物(如二氧化鈦及氧化鋁)。Thomas之美國專利第6,291,054號及Tannenbaum之美國專利6,761,964 A1揭示用碳化矽顆粒增強內塗層之優越之抗磨性的優勢。希望提供具有比先前技術所展示之彼等甚至更好之熱轉移性質的炊具以允許該炊具加熱甚至更快速且展示優良或改良之抗磨性同時保持優良之釋離特性。
雖然已知不銹鋼提供增加之導熱性，但發現如釋離塗層中之不銹鋼薄片的可磁化薄片可充當增強材料且實現高效之熱轉移。該薄片與作為無機填充薄膜硬化劑之碳化矽顆粒結合實現協同效應，提供極好之熱轉移性質與優越之抗磨性。因此，本發明之結構能夠比使用先前技術之已知釋離塗層的炊具加熱更快速，同時保持極好之釋離特性。"加熱更快速"意謂本發明之釋離塗層可達到400℉(204℃)之烹飪溫度的時間比不含有可磁化薄片及碳化矽顆粒之組合物之相似系統的時間更少。
因此，根據本發明，提供一包含一基板及一該基板上之經烘焙釋離塗層之結構，該塗層包含一內塗層及一氟聚合物外覆塗層，其中該內塗層含有可磁化薄片及複數個碳化矽顆粒。
本發明包含一包含一基板及一於該基板上之烘焙釋離塗層之結構。該釋離塗層包含一內塗層及一氟聚合物外覆塗層，其中該內塗層含有可磁化薄片及複數個碳化矽顆粒。該內塗層包含一底塗層及一安置於該底塗層與該外覆塗層之間的中間層。該內塗層可為外覆塗層以下之任何塗層，且包括一底塗層及/或一或多層安置於該底塗層與該外覆塗層之間的中間層。"外覆塗層"為亦可包含一或多層額外塗層之頂部或表面塗層。該外覆塗層包含氟聚合物，當該氟聚合物與內塗層一起經烘焙時，乃提供一非黏著、釋離性表面。內塗層，包括該中間層，較佳包含氟聚合物。
氟聚合物
為了調配組合物之簡易性之目的及基於PTFE在氟聚合物中具有最高熱穩定性之事實，可存在於底塗層、中間層及外覆塗層中之該釋離塗層之氟聚合物組份較佳為在380℃下具有至少1×108 Pa．s之熔融黏度的聚四氟乙烯(PTFE)。該PTFE亦可含有少量在烘焙(熔融)期間改良成膜能力之共聚單體改質劑，如全氟烯烴，值得注意的為六氟丙烯(HFP)或全氟(烷基乙烯基)醚，值得注意的為其中烷基含有1至5個碳原子，較佳為全氟(丙基乙烯基醚)(PPVE)。該改質劑的量將為不足以使PTFE具有熔融成形性之量，通常為不大於0.5莫耳%。PTFE(亦為了簡便之故)可具有單一熔融黏度，通常係至少1×109 Pa．s，但具有不同熔融黏度之PTFE混合物是可以用於形成氟聚合物組份的。組合物中單一氟聚合物之使用(其為較佳情形)意謂該氟聚合物具有單一化學屬性及熔融黏度。
儘管PTFE為較佳的，但該氟聚合物組份亦可為可與該PTFE組合(摻合)或替代其之熔融成形氟聚合物。該等熔融成形氟聚合物之實例包括TFE與至少一種氟化可共聚合單體(共聚單體)之共聚物，該(該等)共聚單體係以足夠量存在於聚合物中，該量係足以將共聚物之熔點降低至大體上低於TFE均聚物、聚四氟乙烯(PTFE)之熔點，例如降至不高於315℃之熔融溫度。具有TFE之較佳共聚單體包括全氟化單體，如具有3－6個碳原子之全氟烯烴，及全氟(烷基乙烯基醚)(PAVE)，其中該烷基含有1－5個碳原子，尤其為1－3個碳原子。尤其較佳之共聚單體包括六氟丙烯(HFP)、全氟(乙基乙烯基醚)(PEVE)、全氟(丙基乙烯基醚)(PPVE)及全氟(甲基乙烯基醚)(PMVE)。較佳之TFE共聚物包括FEP(TFE/HFP共聚物)、PFA(TFE/PAVE共聚物)、其中PAVE為PEVE及/或PPVE之TFE/HFP/PAVE及MFE(TFE/PMVE/PAVE，其中PAVE之烷基具有至少兩個碳原子)。熔融成形四氟乙烯共聚物之分子量不重要，然而，其應足以成膜且能夠維持模製形狀以在底塗層塗佈中具有完整性。一般地，根據ASTM D－1238，在372℃下所確定之熔融黏度至少為1×102 Pa．s且範圍可高至約60－100×103 Pa．s。
氟聚合物組份通常為市售之聚合物在水中之分散液，為易於塗佈及環境可接受性，此分散液對本發明之組合物而言係較佳形式。"分散液"意謂氟聚合物顆粒穩定分散於含水介質中，因此在使用分散液之時間內不會出現顆粒之沈澱；其藉由該等氟聚合物顆粒之小尺寸(一般在0.2微米級)及藉由分散液生產商在水性分散液中使用界面活性劑來實現。該等分散液可藉由稱為分散液聚合(視情況隨後濃縮及/或另外添加界面活性劑)之方法來直接獲得。
或者，氟聚合物組份可為如PTFE微粉末之氟聚合物粉末。在此情形下，一般使用有機液體以獲得氟聚合物與聚合物黏合劑之均勻混合物。可選擇有機溶劑，因為黏合劑溶解於該特定液體中。若該黏合劑不溶解於此液體中，則接著可將該黏合劑精細分開且與氟聚合物分散於液體中。所得之塗層組合物可包含分散於有機液體中之氟聚合物及分散或溶解於該液體中以獲得想要之均勻混合物之聚合物黏合劑。該有機液體之特性取決於該聚合物黏合劑之屬性及是否需要其溶液或分散液。該等液體之實例包括N－甲基吡咯啶酮、丁內酯、高沸點芳族溶劑、醇類、其混合物及其它。該有機液體的量取決於對於特定塗佈操作想要之流動特性。
聚合物黏合劑
底塗層組合物較佳含有耐熱性聚合物黏合劑。該黏合劑組份由加熱熔融後成膜且亦為熱穩定之聚合物組成。此組份在非黏著外覆塗層、含有氟聚合物之底塗層黏附至基板及在底塗層中且作為其部分成膜之底塗層塗佈中為熟知的。氟聚合物自身對平滑基板具有很小或無黏著性。黏合劑通常不含氟且更不黏附於氟聚合物。較佳之黏合劑為可溶的或溶於水中或水與黏合劑之有機溶劑(該溶劑易與水混溶)的混合物中者。此溶解性有助於黏合劑與水性分散液形式中之碳氟化合物組份之摻合。
黏合劑組份之一實例為在將組合物烘焙後轉變成聚醯胺醯亞胺(PAI)以形成底塗層之聚醯胺酸鹽。該黏合劑為較佳的，因為藉由烘焙該聚醯胺酸鹽所獲得之完全亞胺化形式中，此黏合劑具有超過250℃之連續使用溫度。聚醯胺酸鹽通常可由在30℃下在N,N－二甲基乙醯胺中之0.5重量%的溶液所量測之至少0.1之固有黏度的聚醯胺酸獲得。其溶解於聚結劑(如N－甲基吡咯啶酮)及降黏劑(如糠醇)中，且與三級胺(較佳為三乙胺)反應以形成鹽，該鹽溶於水，其在美國專利4,014,834(Concannon)中更加詳細描述。所得含有聚醯胺酸鹽之反應介質接著與氟聚合物水性分散液摻合，且因為聚結劑及降黏劑可混溶於水，所以該摻合生成均一塗佈組合物。摻合可藉由將該等液體簡單混合在一起來完成而無需使用過度攪拌以避免氟聚合物水性分散液之凝聚。其它可用黏合劑包括聚醚碸(PES)及聚苯硫醚(PPS)。
無論底塗層組合物是否作為液體介質塗佈，其中該液體為水及/或有機溶劑，上文描述之黏著性質在底塗層之乾燥與烘焙以及烘焙氟聚合物之鄰近塗佈層以形成基板之非黏著塗層後表現自身。
為簡便起見，可僅將一種黏合劑用於形成本發明之組合物之黏合劑組份。然而，亦期望多種黏合劑用於本發明，尤其當希望得到某些如可撓性、硬度或防腐蝕性之最終用途之性質時。常用組合物包括PAI/PES、PAI/PPS及PES/PPS。
氟聚合物與黏合劑之比率，尤其若將該組合物用作平滑基板上之底塗層，則較佳為0.5至2.0：1之重量比。本文中所揭示之氟聚合物與黏合劑之重量比基於藉由在塗佈於其基板上之後烘焙該組合物所形成之塗佈層中的該等組份之重量。烘焙驅走存在於塗佈組合物中之揮發性材料，其包括在烘焙期間形成醯亞胺鍵時聚醯胺酸鹽中的鹽部分。為方便起見，當黏合劑為在烘焙階段轉變成聚醯胺醯亞胺之聚醯胺酸鹽時，其重量可視為起始組合物中之聚醯胺酸之重量，由此氟聚合物與黏合劑之重量比可由起始組合物中之氟聚合物與黏合劑之量決定。當本發明之組合物為較佳水性分散液形式時，該等組份組成總分散液之約5－50重量%。
碳化矽顆粒
本發明之內塗層含有碳化矽顆粒，其為無機填充薄膜硬化劑組份。較佳地，底塗層包含碳化矽顆粒。此材料對組合物中其它組份為惰性的且在氟聚合物與黏合劑熔合之最終烘焙溫度下為熱穩定的。該薄膜硬化劑不溶於水因此其一般分散均勻但不溶解於本發明之組合物之水性分散液形式中。較佳地，該等碳化矽顆粒具有在約3至約100微米範圍內之平均顆粒尺寸，更佳地在約5至約45微米範圍內。
無機薄膜硬化劑之碳化矽顆粒較佳具有2500之努普硬度(Knoop hardness)。努普硬度為描述材料對壓痕或刮痕的抵抗力之標度。礦物及陶瓷之硬度值列出於化學手冊(Handbook of Chemistry)，第77版，第12－186、187頁，基於來自Shackelford及Alexander之參考材料，CRC Materials Science and Engineering Handbook,CRC Press,Boca RatonFL,1991。薄膜硬化劑組份藉由偏轉施加於塗佈表面之研磨力及抵抗已穿透氟聚合物外覆塗層之尖銳物體之穿透來給與用作基板上之塗層的非黏著氟聚合物組合物以耐久性。
無機薄膜硬化劑之碳化矽顆粒較佳地具有不大於2.5之縱橫比(如以上定義)，且更佳地不大於1.5。能夠偏轉施加於含有該等顆粒之塗層之研磨力的本發明之較佳顆粒具有不大於2.5之縱橫比且其中該等顆粒之最大直徑的尺寸為塗層厚度之至少50%且不超過塗層薄膜厚度之125%。
在一較佳實施例(其中底塗層為內塗層且含有SiC顆粒)中，該乾燥底塗層包含至少2重量%之SiC顆粒，較佳為2－45重量%。
其它填充劑
除碳化矽顆粒之大顆粒及小顆粒以外，本發明之底塗層及中間層之非黏著塗佈組合物可含有具有大於1200之高努普硬度及小於1200之低值的填充材料。無機填充薄膜硬化劑之實例包括具有至少1200之努普硬度之無機氧化物、碳化物、硼化物及氮化物。較佳為鋯、鉭、鈦、鎢、硼、鋁及鈹之無機氧化物、氮化物、硼化物及碳化物。較佳地，中間層及/或底塗層包含氧化鋁。較佳無機組合物之典型努普硬度值為：氧化鋯(1200)、氮化鋁(1225)、氧化鈹(1300)、氮化鋯(1510)、硼化鋯(1560)、氮化鈦(1770)、碳化鉭(1800)、碳化鎢(1880)、氧化鋁(2025)、碳化鋯(2150)、碳化鈦(2470)、碳化矽(2500)、硼化鋁(2500)、硼化鈦(2850)。
較低努普硬度值之適合之額外填充劑包括玻璃薄片、玻璃珠粒、玻璃纖維、鋁或鋯之矽酸鹽、雲母、金屬薄片、金屬纖維、精細陶瓷粉末、二氧化矽、硫酸鋇、滑石等等。
可磁化薄片
內塗層含有可磁化薄片。較佳地，內塗層之中間層包含該等薄片。另外較佳地，該等薄片之至少一部分無誘發定向。可磁化薄片之定向在Muchin及Leck中揭示且聲稱其有助於施加於平坦底部(如油炸鍋)之底面的熱自底部傳導至塗層之頂部表面。曝露於磁力之薄片通常在塗層之厚度的方向上定向。
無磁力施加於塗層時，該等可磁化薄片平行於平面定向。因此，已發現當SiC顆粒存在時無需將磁力施加於薄片。令人驚訝的是，將內塗層塗佈於含有可磁化薄片與碳化矽顆粒之基板在習知釋離塗層系統上，甚至在含有定向可磁化薄片之彼等系統上實現改良之熱轉移性質。釋離塗層中之薄片應由可磁化同時不受此加熱影響之材料製成。可製得該等薄片之材料的實例包括金屬(如鐵及鎳)及含有該等金屬之合金，不銹鋼為較佳材料。釋離塗層中金屬比聚合物的熱傳導性更大。為簡單起見，當實際上在實現釋離(非黏著)特性之前烘焙階段為必需時，氟聚合物/薄片塗佈組合物在烘焙階段之前及之後皆稱為釋離塗層。
可磁化薄片包括具有最長尺寸之薄片，該最長尺寸大於及/或小於由含有薄片之塗佈組合物所形成之層的厚度。該層(塗層)厚度通常為5至40微米厚。薄片尺寸隨之取決於所要之層厚度。尤其有用的為具有20至60微米之平均最長尺寸之316L不銹鋼，且通常該薄片為較佳至少40重量%之實質部分具有至少44微米之最長尺寸之尺寸的混合物。
較佳含有可磁化薄片之乾燥內塗層組合物包括含有70至90重量%之氟聚合物，2至10重量%之可磁化薄片(更佳為2至7重量%)，及具有2至15重量%之聚合物黏合劑的2至20重量%之SiC顆粒的組合物。氟聚合物組份較佳為50至95重量%之PTFE與5至50重量%之熔融成形四氟乙烯共聚物之摻合物，如上文所描述之PTFE/PAVA，基於該等兩種氟聚合物所結合之重量。在液體形式中，液體介質通常構成液體介質與上文所描述之三種組份所結合之重量的75至95重量%。
塗佈
本發明之組合物可藉由習知手段塗佈於基板上。噴霧及滾動塗佈為最便利之塗佈方法，其取決於所塗佈之基板。包括浸漬及螺旋塗佈之其它熟知之塗佈方法亦為適合的。非黏著塗佈組合物可為單一塗層或包含一內塗層及一外覆塗層之多塗層系統。一或多個含有氟聚合物之層的外覆塗層可藉由習知方法在內塗層乾燥之前塗佈於其上。當內塗層及外覆塗層組合物為水性分散液時，外覆塗層組合物較佳地在內塗層乾燥可觸摸之後塗佈於其上。當內塗層藉由塗佈有機溶劑中之組合物製成，且鄰近層(中間層或頂部塗層)自含水介質塗佈時，該內塗層應乾燥以在塗佈該鄰近層之前移除全部與水不相容之溶劑。
可烘焙經塗佈之塗層系統以同時熔合全部塗層來在基板上形成一非黏著釋離塗層。當氟聚合物為PTFE時，快速之高烘焙溫度為較佳的，如歷時5分鐘，溫度始於800℉(427℃)且升至825℉(440℃)。當底塗層或外覆塗層中之氟聚合物為PTFE及FEP之摻合物(如50－70重量%之PTFE與50－30重量%之FEP)時，烘焙溫度可減至780℉(415℃)，在3分鐘(總烘焙時間)內升至800℉(427℃)。經烘焙之內塗層厚度由基於渦流原理(ASTM B244)或磁感應原理(ASTM B499)之薄膜厚度儀來量測。
在較佳實施例中，本發明之釋離塗層具有32至40微米之總乾燥薄膜厚度，其中內塗層具有22至30微米之較佳DFT，且外覆塗層具有8至10微米之較佳DFT。在更佳之實施例中，內塗層包含一具有7.5至10之DFT之底塗層及一15至22之中間層。
在所得結構中，基板可為能承受烘焙溫度之任何材料，如金屬及陶瓷，其實例包括鋁、陽極化鋁、冷軋鋼、不銹鋼、瓷釉、玻璃、及耐高溫陶瓷。基板可具有粗糙表面，如藉由噴鋼砂處理或化學蝕刻以產生釋離塗層可錨定之凹處。然而，該基板較佳地具有一平滑表面，其保留炊具生產商使基板變粗糙之需要。在該實施例中，含有薄片之層經由底塗層附著於基板上。
基板可為平滑的，意即具有小於50微英吋(1.25微米)之表面輪廓，其藉由表面輪廓儀量側，如Mahr GmbH(Gottingen,Germany)所製造之PocketSurf模型表面檢測器，且需要清潔。對於耐高溫陶瓷及有些玻璃，改良之結果藉由如經輕微化學蝕刻活化基板表面來獲得，其為肉眼不可見的，意即表面仍為平滑的。該基板亦可用黏著劑(如聚醯胺酸鹽之流平罩光塗層)進行化學處理，如Tannenbaum之美國專利5,079,073所揭示。當內塗層為底塗層時，可認為其為基板上第一層含有氟聚合物之層，且較佳地該底塗層直接與基板結合。
性能特徵
本發明之結構的改良之熱轉移性藉由一旦將熱施加於該結構之底面以獲得烹飪溫度則所需上升時間減少來表現，如在加熱至400℉(204℃)之實例中證明。
本發明之增強之熱性能可使用IR監控之受控熱源來說明。一鋁基板(油炸鍋)用本發明所描述之內塗層及一標準外覆塗層來塗佈。將該結構與一典型先前技術之氟聚合物非黏著內塗層作比較，該內塗層在相同鋁基板上具有標準外覆塗層且具有相同塗層厚度。將該等結構並排作比較。所用之溫度監控裝置為由Inframetrics所製造之Thermacam PM280 IR熱像儀，其具有記錄受熱之平底鍋的視訊之時間及溫度性能。將該等平底鍋置放於沿著陶瓷表面校準至400℉(204℃)的Waage電爐DDSF15(550－1100 watt－dual元件)上。在周圍室溫下兩個平底鍋在視訊中出現黑色。當來自源之熱轉移貫穿平底鍋時，所觀察之表面之外觀開始變亮，直到其達到發金黃色光之外觀。以本發明之內塗層塗佈之鋁鍋以比標準氟聚合物非黏著塗層更快之速率達到設定溫度點及明亮、金色之外觀。
同樣之並排比較在鋁鍍不銹鋼基板(油炸鍋)上重複。記錄之視訊展示標準氟聚合物非黏著塗層使得該平底鍋之一部分以比本發明更快之速率開始加熱。然而，在測試過程中，與標準氟聚合物非黏著塗層相比，具有本發明之內塗層之平底鍋展示加熱更加均勻且平底鍋之整個表面以更快速率達到烹飪溫度。標準氟聚合物非黏著層展示一般稱為"熱點"者且加熱不均勻。本發明之較好熱分佈之效應在整個基板及塗層類型為一致的。其藉由與標準經氟聚合物塗佈之平底鍋對比在本發明之整個可視表面之色彩變化的等分梯度來展示。平均熱分佈之優勢允許經塗佈之平底鍋在整個平底鍋之表面更加均勻地烹飪食物。
本發明之經塗佈之基板可為炊具之衆多物品之形式，如油炸鍋、罐、焙盤、鑊、烤盤、電飯煲及襯墊，因而亦可為受益於快速加熱時間之非炊具物品，如鐵底板及其類似物。
測試方法 SBAR測試
使用SBAR測試來評估一經塗佈之基板之非黏著塗層之抗磨性。此測試基於炊具之英國標準說明書BS 7069：1988，其中將塗層系統經受一附著於一具有相反水平運動之垂直臂上之研磨墊。該裝置自圓筒中心以±10 m/min之平均速度執行100 mm±5 mm(4 in.＋/－0.25 in.)之臂相反水平運動。該研磨墊(3M Scotch－Brite 07447)為充滿酚類樹脂之無規尼龍織物且氧化鋁緊固於圓筒且負載以施加±15 N(臂之質量＋靜重＝5 kg或10 lbs)之總力於塗層上。測試樣品藉由如在具有指定的烘焙及乾燥之實例中解釋塗佈一基板來製得。將該經塗佈之基板在測試前用清潔水洗滌且溫和乾燥。該測試如以下解釋在乾燥及潮濕之基板上進行。將經塗佈之基板固定於一固定支撐物上且將負載之研磨墊施加於非黏著表面上。為進行潮濕程序，該表面藉由加入含有5 g溫和清潔劑之洗碗盤的溶液50 ml至一公升(33 oz)之溶液中來潤滑。進行乾燥程序不加入該清潔劑溶液且所有其它程序保持相同。將樣品保持固定且研磨墊之臂在圓筒中心點之兩邊之50 mm±2.5 mm(2 in＋/－0.1 in)的距離上來回移動。
該研磨墊在250個循環後改變方向且在另一250個循環後更新。繼續該程序直到可見金屬且接著記錄塗層突破之循環數。塗層突破為測試之最終點。突破圖案必須與附著之圖畫相似。
接觸方法－至烹飪溫度之上升時間
以下描述用於藉由接觸方法量測溫度上升及熱散佈之效應的測試：能量來源為來自Wenesco,Chicago,IL之特別製造之陶瓷表面加熱板。該加熱板具有高均一性控制，將減少任何點對點之盤溫度變化至規定點之2%附近。資料獲取物使用來自Datapaq,Cambridge,UK(Wilmington,MA)之溫度曲線儀來彙編。模型為具有6個溫度輸入之Datapaq 9000 Tracker系統。校準加熱板使溫度在410℉(210℃)之範圍內。將6條"K"類型熱電偶導線以交叉形狀連接至平底鍋內部，其中4個觸點分佈於一整條中線而2個觸點在另一中線之相對外部點。
將該熱電偶連接器插入傳感器介面及連接至資料記錄器(記憶體paq)之介面中。將平底鍋置放於經校準之加熱板中心達10分鐘。接著移除該平底鍋且將資料記錄器下載至Datapaq統計軟體程式。程式之關鍵分析函數為Datapaq值、最大/最小溫度、溫度對應時間、斜率計算、上升及下降計算、及頂點差異。在達到400℉(204℃)之烹飪溫度很短時間內記錄結果。各測試之資料可直接與其它回合之資料獲取物相比較。
機械虎爪磨損測試(MTP磨損測試)
如Tannenbaum之美國專利6,761,964 A1中所描述，藉由當將基板加熱且在振動臺上來回振動時在一經塗佈之基板表面上連續旋轉三個負重之圓珠筆尖來評估該經塗佈之基板之抗磨性。用於測試之設備包含一其上安裝驅動馬達之框架。自該馬達延伸的為一其上安置一飛輪(驅動盤)之中心飛輪驅動軸。該驅動盤為具有7英吋(18 cm)之直徑及0.25英吋(0.64 cm)之厚度的鋁金屬片。容納於該框架中的為一其上安裝一加熱板之振動臺。該加熱板之頂部提供一表面用於置放一如一油炸鍋之測試基板。該驅動盤之表面與底部之間的垂直距離為約6英吋(15 cm)。在起始位置，該飛輪驅動軸為垂直的且以加熱板為中心。振動臺安裝於框架上以使其來回運動之中心與飛輪驅動軸之中心一致。來回運動之方向為由前至後。
一虎爪頭藉由一安置於一支撐軸管中的浮動軸來安裝於驅動盤上。該支撐管經驅動盤借助於該盤兩邊之密封圈(O－ring)、墊圈及螺母可撓地連接。在連接以上，加入額外之墊圈至軸以提供額外之重量。將該支撐管遠離中心安裝，離飛輪驅動軸約2英吋(5 cm)。一調節螺桿擠壓支撐軸管且允許對準樞接於該支撐軸管中之浮動軸。同時，將一平衡重量與支撐管成180度安置於盤上。
該虎爪頭為一旋轉盤，其具有以與中心成等距之角度(意即，約0、120、240度)安置於該盤周長附近處之三個通道。確定該等通道之尺寸以各容納一圓珠筆替換物。將固定螺絲安置於位於各通道之盤的側壁中以在操作期間將該筆替換物鎖定在適當位置。所示之旋轉盤為具有2.5英吋(6.4 cm)之直徑及0.4英吋(1 cm)之厚度的不銹鋼。盤的中心容納一滾珠軸承且允許該盤藉由耦合附著於浮動軸上。該虎爪頭可圍繞該浮動軸自由旋轉。
在操作中，一具有經塗佈之鋁基板的油炸鍋在溫和清潔劑中洗滌以移除任何污垢或油。借助於一臨時安裝於一中心驅動軸之可移動的對中桿將測試之平底鍋置放於加熱板上。該對中桿作為鉛垂線用於加熱板表面上平底鍋之置放，在此之後移除對中桿。對於各測試，將三個新的筆替換物安裝於虎爪頭之通道中以使各替換物自盤之底部向下延伸3/4英吋(1.9 cm)。該虎爪頭附著於自附著於驅動軸上之驅動盤向下延伸之浮動軸上。調節虎爪頭及浮動軸之重量。所說明之設備中，該重量為約400 g。浮動軸及墊圈(全部約115 g)、虎爪頭(約279 g)、及圓珠筆尖(約10 g)所結合之重量合計404 g。平衡重量亦合計約400 g。
打開加熱板且加熱測試基板(平底鍋)至400℉＋/－10℉(204℃＋/－6℃)之溫度。當平底鍋達到藉由在基板表面上之紅外測溫所確定之測試溫度時，將筆替換物降至平底鍋上且激活設備以開始振動臺之振動及虎爪頭之旋轉。以此方式，測試設備緊靠且環繞經塗佈之基板表面旋轉該等筆。將虎爪頭旋轉的速度控制在每分鐘30圈。振動臺的速度控制在每分鐘30個來回之振動。一計數器記錄完成之週期數。一計時器在虎爪以特定方向旋轉之週期每15分鐘倒計時。以15分鐘之時間間隔記錄資料。虎爪頭之旋轉在每15分鐘之週期後反轉。定時檢測筆替換物尖端之塗層堆積。必要時移除堆積之塗層。
藉由觀察筆替換物之尖端穿透塗層到達裸露金屬基板逐漸形成之橢圓形軌道來監控基板上塗層之破壞。藉由加熱該基板，加速破壞之時間。破壞之時間越長，非黏著塗層之耐久性越好。
在各15分鐘之週期的結束，根據以下MTP數字等級評估平底鍋：10－－新平底鍋9－－塗層中之凹槽8－－金屬之第一刻痕(對於平滑基板上)表面粗糙(對於經噴砂之基板)7－－到達金屬之線(外部及/或內部)6－－始於外部之橢圓形5－－完全橢圓形
加速之虎爪烹飪(ATP)
加速之虎爪烹飪測試為上文所解釋之虎爪烹飪測試之加速之較低溫度的形式。該測試藉由將塗層系統曝露於酸、鹽及油脂以及清潔劑之循環來評估基板(如油炸鍋)之烹飪性能及抗磨性。該基板在烹飪期間經受熱及虎爪頭之人工旋轉。食物循環、溫度條件及虎爪頭旋轉數如下文解釋改變。
對於各測試，經塗佈之平底鍋與一對照平底鍋在具有足夠燃燒器以同時烹飪所有平底鍋之商業瓦斯爐頂部上測試。對照平底鍋為用已知之商業炊具塗層系統所塗佈之標準平底鍋，對於該系統經評價之標準性質已多次預先測定。將測試之溫度保持在藉由基板表面上之接觸式高溫計所量測之280℉(138℃)至300℉(149℃)。該等平底鍋在所有燃燒器中有系統地旋轉。
在操作中，測試之平底鍋的位置位於燃燒器上且加熱至指定溫度範圍內。該等平底鍋經受以下烹飪過程。
在未加調料之平底鍋中油煎一雞蛋。該雞蛋烹飪三分鐘。用刮鏟將雞蛋刮起且將平底鍋傾斜以允許雞蛋滑動。評估該雞蛋滑動之容易性。將平底鍋重回燃燒器且將雞蛋翻身。用刮鏟將雞蛋的蛋黃弄破且將該雞蛋額外烹飪兩分鐘。再次用刮鏟將雞蛋刮起且該雞蛋滑動之容易性基於上文所描述之"釋離性"指定之標度來確定。評價該平底鍋之刮痕。該平底鍋在熱水中沖洗且用紙巾擦淨。
烹飪1：將一盛玉米油之大湯匙置放於平底鍋中心。將一在一側用1/4茶匙鹽醃製的預製牛肉餡餅之鹽之一側向下置放於油上。該餡餅烹飪3分鐘。接著將蓋子置放於油炸鍋上且保持蓋子於其上將餡餅額外烹飪4分鐘。首先以匙之邊緣將餡餅切成四份且將每四分之一切成三份。將肉移除且將該平底鍋用紙巾擦淨。
將兩杯(16 oz.)預製之番茄汁混合物(30 oz.番茄汁、1/2杯鹽、3 qt.水)加入各平底鍋中且慢煮20分鐘。在該20分鐘之慢煮週期期間，使用虎爪頭執行刮擦損傷測試。將該混合物在各平底鍋中用虎爪頭以環形模式攪拌順時針方向50轉及逆時針方向額外50轉。20分鐘慢煮週期之結束，將平底鍋自燃燒器移除，清空內含物且用清潔劑溶液將各平底鍋徹底清洗。將該平底鍋在清潔水中沖洗且擦乾。
將該等平底鍋重回燃燒器且重複將一大湯匙油置放於該平底鍋之中心作為起始之烹飪程序。
在每4次烹飪之後，如上文所描述油煎一雞蛋且評定平底鍋之釋離性及刮痕。在每7次烹飪結束(或者若7次烹飪不能完成，則在每天的結束)，將各平底鍋裝滿含兩杯水、1茶匙液體清潔劑及3茶匙鹽之清潔劑溶液。使該清潔劑至沸點且將一蓋子置放於該平底鍋上。將該平底鍋自燃燒器移除且允許其保持隔夜。第二天循環始於油煎雞蛋及評估平底鍋。連續測試直到平底鍋確定為具有5的刮痕等級，此時測試停止。刮痕使用與TP測試中所使用之相同之標度。釋離性標度列出如下。
釋離性(0－5)：釋離性等級藉由評定雞蛋滑動之容易程度及黏在平底鍋上雞蛋的多少來確定。
5－－極好4－－很好3－－良好2－－一般1－－差0－－很差
AIHAT
如油炸鍋之經塗佈之基板經受使用常用家用金屬烹飪器具(餐叉、刮鏟、攪拌器、餐刀)之一系列高溫烹飪循環。該測試之描述在US 5,250,356(Batzar)，第3行第11－64列中描述。該測試為源自常用烹飪損傷之毀損及刮痕之量測。
經乾燥之薄膜厚度(DFT)
烘焙塗層之厚度用如基於渦流原理(ASTM B244)之Fisherscope的薄膜厚度儀來量測。
實例 氟聚合物
PTFE分散液：DuPont TFE氟聚合物樹脂分散液等級30，可購自DuPont Company,Wilmington,DE。
FEP分散液：TFE/HFP氟聚合物樹脂分散液(具有54.5－56.5重量%之固體含量及150－210奈米之RDPS)，該樹脂具有9.3－12.4重量%之HFP含量及藉由如美國專利4,380,618所描述之改良之ASTM D－1238方法在372℃下所量測之11.8－21.3的熔體流動速率。
PFA分散液：DuPont PFA氟聚合物樹脂分散液等級335，可購自DuPont Company,Wilmington,DE。
聚合物黏合劑
PAI為TorlonAI－10聚(醯胺－醯亞胺)(Amoco Chemicals Corp.)，其為含有6－8%之殘留NMP的固體樹脂(其可回復至聚醯胺鹽)。
聚醯胺酸鹽通常由具有在30℃下N,N－二甲基乙醯胺中之0.5重量%的溶液所量測之至少0.1之固有黏度的聚醯胺鹽獲得。其溶解於聚結劑(如N－甲基吡咯啶酮)及降黏劑(如糠醇)中且與三級胺(較佳為三乙胺)反應以形成溶解於水中之鹽，其在美國專利4,014,834(Concannon)中更為詳細地描述。
碳化矽顆粒
Elektroschmelzwerk Kempten GmbH(ESK),Munich Germany所供應之碳化矽以多種尺寸使用且用於多種混合物。
P1200＝3.0±0.5微米平均顆粒尺寸P1000＝4.5±0.5微米平均顆粒尺寸P800＝6.5＋1.0微米平均顆粒尺寸P600＝9.3＋1.0微米平均顆粒尺寸P400＝17.3＋1.5微米平均顆粒尺寸P320＝29.2±1.5微米平均顆粒尺寸P280＝36.5±1.5微米平均顆粒尺寸P240＝44.5±2.0微米平均顆粒尺寸
平均顆粒尺寸(ds 5 0 )根據供應商所提供之資訊藉由使用FEPA－標準－43－GB 1984R 1993 resp.ISO 8486之沈降作用來量測。
其它無機薄膜硬化劑
氧化鋁(小顆粒)由Aluminum Corporation of America－Grade SG A－16供應，其具有0.35－0.50微米之平均顆粒尺寸。
將本發明之典型3－塗層非黏著系統噴灑至平滑之鋁質測試平底鍋上，該平底鍋僅清洗處理以移除油脂而未以機械使其粗糙。底塗層、中間塗層及外覆塗層之水性分散液組合物。底塗層/中間層/外覆塗層之乾燥塗層厚度(DFT)由渦流分析確定為0.4密耳(10.2微米)/0.7密耳(17.8微米)/0.3密耳(7.6微米)。
底塗層及中間層在各實例之表中列出。所有實例之氟聚合物外覆塗層在表1中列出。
將底塗層噴灑至鋁基板上且在150℉(66℃)下乾燥5分鐘。接著將中間塗層噴灑至乾燥底塗層上。將頂部塗層濕塗佈(噴灑)於中間層上。該塗層藉由800℉(427℃)之溫度下烘焙5分鐘固化。
平底鍋經受測試以確定1)抗磨性、2)至烹飪溫度之上升時間、及3)釋離性。對於所有系統之測試結果在表16中列出。
比較實例1－無SiC顆粒、無可磁化薄片
比較實例2－無SiC顆粒
比較實例3－無可磁化薄片
下文所呈現之實例具有底塗層中之SiC顆粒與中間層中之SS薄片相結合之多種量及尺寸。
實例1－中間層中之SS
實例2－中間層中之SS及Al 2 O 3
實例3－中間層中之SS
實例4－中間層中之SS薄片
性能測試－磨損、劃痕、至烹飪溫度之上升時間及釋離性
如比較實例1－3及實例1－4中所描述塗佈之測試平底鍋經受AIHAT刮痕測試、MTP磨損測試、SBAR、及加速之烹飪測試。結果在表16中展示。本發明之實例1－4之優越的抗磨性藉由SBAR測試(潮濕及乾燥)及MTP測試顯示。優良之抗劃痕性及抗刮痕性藉由AIHAT測試證明。該等實例之本發明之釋離性與習知先前技術之炊具一樣優良。接觸測試之結果展示本發明之實例中之平底鍋在更加減少之時間內加熱至400℉(204℃)之烹飪溫度。用於炊具之塗層系統的內塗層中之SiC顆粒與不銹鋼薄片之協同效應提供更加改良之抗磨性、更快加熱至烹飪溫度且仍提供優良之釋離性。

Claims (13)

  1. 一種包含一基板及一該基板上之經烘焙釋離塗層之結構，該塗層包含一內塗層及一氟聚合物外覆塗層，其中該內塗層含有可磁化薄片及複數個碳化矽顆粒，其中該等可磁化薄片係為無誘發定向。
  2. 如請求項1之結構，其中該等可磁化薄片為不銹鋼。
  3. 如請求項1之結構，其中該內塗層包含一底塗層及一位於該底塗層與該外覆塗層之間的中間層，其中該中間層含有該等薄片。
  4. 如請求項3之結構，其中該等碳化矽顆粒經由該底塗層提供至該釋離塗層。
  5. 如請求項3之結構，其中該中間層進一步包含氟聚合物。
  6. 如請求項3或4之結構，其中該底塗層進一步包含氟聚合物。
  7. 如請求項3之結構，其中該等可磁化薄片經由該中間層提供。
  8. 如請求項3之結構，其中該底塗層進一步含有氧化鋁。
  9. 如請求項3之結構，其中該中間層進一步含有氧化鋁。
  10. 如請求項1之結構，其中該基板為鋁。
  11. 如請求項1之結構，其中該基板為不銹鋼。
  12. 如請求項1或4之結構，其中該等碳化矽顆粒具有在約3至約100微米之範圍內之平均顆粒尺寸。
  13. 如請求項1或4之結構，其中該等碳化矽顆粒具有在約5 至約45微米之範圍內之平均顆粒尺寸。
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