TWI503381B - 含鈦陶瓷塗料與保護塗層 - Google Patents

Description

含鈦陶瓷塗料與保護塗層

本發明關於一種陶瓷塗料及採用該陶瓷塗料製得的塗層，更特別關於一種含鈦陶瓷塗料與保護塗層。

陶瓷塗料是一種新型的水性無機塗料。它是以奈米無機化合物為主要成分，並且以水為分散質，塗裝後通常經過低溫加熱方式固化，形成性能和陶瓷相似的塗膜。具有耐高溫、高硬度、不燃無煙、超耐候、環保無毒、色彩豐富、及塗裝簡便等諸多優勢。

近年來，陶瓷塗料開始應用在炊具上，因其安全性的優勢，發展迅速。在不黏炊具方面，目前的廚房用具常使用聚四氟乙烯(PTFE)作為塗層劑的主要成分。雖然PTFE具有良好的長期不黏性，但是PTFE的皮膜太軟，在高溫時的耐刮性與熱硬度不足。相對于傳統的PTFE，陶瓷塗料具有更加綠色環保、不易脫落、高溫下不易分解等優點。CN 101190851A公開了一種用於烹飪用具的不黏性紫砂陶瓷塗料，能夠在金屬或金屬合金表面形成一層緻密的陶瓷，提高烹飪用具表面硬度和耐磨性能，而且塗層不黏附性能優異。CN 102653660A公開了一種用於不黏炊具的耐磨陶瓷塗料，由氧化矽溶膠、氧化鋁溶膠、氧化鋯溶膠與有機矽烷等主要 組份構成，通過金屬氧化物膠體與聚矽氧烷進行縮聚反應，提高成膜物的黏結強度，但該方案所需組份較多，工藝繁瑣。

綜上所述，目前亟需進一步提高應用在炊具方面的陶瓷塗料的性能，尤其在耐磨性方面。

本發明一實施例提供之含鈦陶瓷塗料，包括：100重量份之氧化矽溶膠；50至100重量份之有機矽烷；0.3至1重量份之催化劑；5至20重量份之鈦粉；以及1至5重量份之矽油。

本發明一實施例提供之保護塗層，係由上述之含鈦陶瓷塗料所製得。

本發明一實施例提供之含鈦陶瓷塗料，包括：100重量份之氧化矽溶膠；50至100重量份之有機矽烷；0.3至1重量份之催化劑；5至20重量份之鈦粉；以及1至5重量份之矽油。

本發明所使用的氧化矽溶膠為水溶性的二氧化矽，主要作用是提供SiO₂ 粒子，以增加矽陶瓷網路的強度及硬度。在本發明一實施例中，氧化矽溶膠的固含量介於20%至50%之間，且氧化矽溶膠中的固體粒徑介於8nm至50nm之間。上述氧化矽溶膠可經鈉離子穩定、銨離子穩定、或氧化鋁處理。若氧化矽溶膠的固含量過低，則所形成的陶瓷塗料因含水量過高，操作性不好且容易開花。若氧化矽溶膠的固含量過高，則氧化矽溶膠不穩定， 容易產生粒子。

在本發明一實施例中，有機矽烷可為甲基三甲氧基矽烷和/或甲基三乙氧基矽烷，優選為甲基三甲基氧基矽烷。除了上述的有機矽烷外，可添加5至10重量份的其他有機矽烷如四甲氧基矽烷、四乙氧基矽烷、二甲基二甲氧基矽烷、二甲基二乙氧基矽烷、苯基三甲氧基矽烷、或上述的組合，以調整塗層的軟硬度。有機矽烷可與氧化矽溶膠形成氧化矽溶膠-凝膠。若有機矽烷的用量過高，則在烘烤的過程中，因產生脫水或是甲醇或乙醇過多，塗膜收縮大，造成塗膜易產生龜裂，甚至掉漆。若有機矽烷的用量過低，則會產生與基材密著不好，容易掉漆，光澤低，塗層易粉化。

在本發明一實施例中，催化劑可為甲酸、醋酸、鹽酸、檸檬酸、甲酸甲酯、乙醯乙酸乙酯、馬來酸酐、或上述的組合。催化劑可加速有機矽烷的水解速度與有機矽烷的水解物與氧化矽溶膠的反應速度。催化劑的用量太高或太低均會讓陶瓷塗料製成之保護塗層無光澤，與基材密著變差，甚至粉化塗膜。

本發明所使用的鈦粉具有良好的物理性能力學性能和抗腐蝕性能，在食品、冶金、化工、造紙等工業部門的許多腐蝕性介質中性能都很穩定，加入到本發明所述陶瓷塗料中能增加塗層的硬度和耐磨性，本發明所述鈦粉的粒徑介於200目至400目之間。若鈦粉的粒徑過大，則造成塗膜表面粗糙，影響塗膜外觀。若鈦粉的粒徑過小，則影響塗層的耐磨性。

在本發明一實施例中，矽油可為羥基矽油，在25℃下其黏度介於100cps至20000cps之間，可提高塗層的不黏性。若含 鈦陶瓷塗料製成之保護塗層需與食品接觸，矽油選擇為可與食品接觸的矽油。

在本發明一實施例中，可進一步添加30至50重量份的填充料至上述含鈦陶瓷塗料中。在本發明一實施例中，填充料可為二氧化矽如二氧化矽粉或熔融石英粉、氧化鋁如氧化鋁纖維、二氧化鋯、碳化矽如碳化矽纖維、氮化鋁、氮化硼、高嶺土、滑石粉、雲母粉、鋁或鋯的矽酸鹽、硫酸鋇、金屬纖維、不銹鋼粉、或上述的組合。填充料較佳為二氧化矽、氧化鋁、碳化矽、滑石粉、二氧化鋯、或上述的組合。填充料可增加含鈦陶瓷塗料的耐刮程度。若填充料的用量過高，則塗膜的光澤低，外觀不好，與基材的密著不好，塗膜因黏結力不夠，塗膜容易龜裂。若填充料的用量過低，則影響耐磨及耐刮性。本發明優選了合適的填充料的添加比例，使其與基材的密著性好，同時保證了硬度、耐磨及耐刮性。本發明所使用的填充料粒徑介於0.05μm至30μm之間。若填充料的粒徑過大，則造成塗膜表面粗糙，噴上面漆後，塗膜光澤低，影響外觀及不沾性。若填充料的粒徑過小，則因填充料吸油量大，造成塗料黏度高，影響噴塗操作性。

在本發明一實施例中，可進一步添加30至40重量份的色粉至含鈦陶瓷塗料中。色粉可調整含鈦陶瓷塗料的顏色，使其具有裝飾作用。色粉可為各種顏色的無機色粉，比如白色粉如鈦白粉或硫化鋅；黑色粉如鈷銅錳氧化物、銅錳氧化物、銅錳鐵氧化物、或氧化鐵；黃色粉如鈦黃或鉍黃；綠色粉如鈷綠或氧化鉻綠；藍色粉如鈷鉻鋁氧化物等。色粉可單獨使用或混合使用。若含鈦陶瓷塗料製成之保護塗層需與食品接觸，色粉選擇為可與食 品接觸的色粉。

本發明亦提供含鈦陶瓷塗料的製造方法，將氧化矽溶膠和鈦粉充分分散，直到沉澱物完全消失為止即完成A液。將有機矽烷、矽油、及催化劑混合均勻作為B液。將B液加入已分散的A液中，熟化1.5小時至12小時，最後用100目至150目的濾網過濾，即製得本發明所述的含鈦陶瓷塗料。

當含鈦陶瓷塗料需進一步包含色粉及/或填充料時，可將氧化矽溶膠、鈦粉、色粉和/或填充料混合在一起研磨至沉澱物完全消失為止，即完成A液。將有機矽烷、矽油、及催化劑混合均勻作為B液。將B液加入已分散的A液中，熟化1.5小時至12小時，最後用100目至150目的濾網過濾，即製得本發明所述的含鈦陶瓷塗料。

本發明採用含鈦陶瓷塗料製得保護塗層的方法如下：首先塗佈含鈦陶瓷塗料於噴砂、粗化、及除油處理後的基材表面，接著以150℃烘烤2分鐘後，再以280℃烘烤10至15分鐘後，最後於室溫下冷卻。上述陶瓷塗料可噴塗在耐400℃以上的基材上，且基材可為非金屬基材(玻璃或陶瓷)，或金屬基材(鋁、鋁合金、陽極氧化鋁、鑄鋁、鑄鐵、不銹鋼、或碳鋼)。上述塗佈的方法可為噴塗、浸塗、或滾塗。上述不黏性的保護塗層可應用於廚房用具如炒鍋、平底鍋、油炸鍋、電鍋、三明治烤盤、蛋糕盤、或烤架等，亦可應用於工業用具如熱交換器、模具、輸送帶、閥門、雪鏟、或滾輪表面等。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數實施例配合所附圖示，作詳細說明如下：

實施例

本發明的實施例中所用到的藥品名稱及來源列舉如下，但不限於以下所列的藥品：

(1)鈦粉：成都國衡科技有限公司所售的200目、300目、400目的鈦粉。

(2)矽油：道康寧公司所售的XIAMETER® PMX-0156，黏度為100cps；瓦克化學公司所售的Polymer FD 6，黏度6000cps；Polymer FD 20，黏度20000cps。

(3)氧化矽溶膠：美國格雷斯公司(W.R.Grace & Co.)所售LUDOX® AM-30。

本發明的測定方法按照下述標準：

(1)塗層硬度測試：按照標準ASTM D 3363所述方法測試。

(2)不黏性測試：

將試樣鍋加熱到160℃至180℃時，將整個雞蛋破殼後放入鍋內，於160℃至180℃下維持2至3分鐘，待雞蛋貼鍋一面發黃後，用鏟翻轉雞蛋，看是否能完整翻到另一面，倒掉雞蛋後，將試樣鍋用布擦乾淨；重複上述步驟，直到雞蛋不能完整翻轉為止，記錄實驗煎蛋總數。

(3)耐磨性能測試：

將產品放置在杜邦專用的耐磨機上，施加4.9kg的壓力，加入少量的洗潔精和水，採用3M-7447#百潔布，每250次更換一次百潔布。以10條基體露白終止測試，計算總次數。

實施例1

將100重量份的氧化矽溶膠與5重量份的鈦粉充分分散，直到沉澱物完全消失為止，即完成A液。將50重量份的甲基三甲氧基矽烷、3重量份的矽油PMX-0156、與0.3重量份的甲酸混合均勻作為B液。將B液加入已分散的A液中，再熟化1.5小時，最後用100目至150目的濾網過濾，即製得含鈦陶瓷塗料。

實施例2

將100重量份的氧化矽溶膠、10重量份的鈦粉、與40重量份的銅錳鐵氧化物混合在一起研磨，直到沉澱物完全消失為止，即完成A液。將70重量份的甲基三乙氧基矽烷、5重量份的苯基三甲氧基矽烷、1重量份的矽油FD 20、與1重量份的醋酸混合均勻作為B液。將B液加入已分散的A液中，再熟化12小時，最後用100目至150目的濾網過濾，即製得含鈦陶瓷塗料。

實施例3

將100重量份的氧化矽溶膠、12重量份的鈦粉、與30重量份的鈦白粉混合在一起研磨，直到沉澱物完全消失為止，即完成A液。將50重量份的甲基三甲氧基矽烷、25重量份的甲基三乙氧基矽烷、5重量份的矽油PMX-0156、與0.8重量份的醋酸混合均勻作為B液。將B液加入已分散的A液中，再熟化6小時，最後用100目至150目的濾網過濾，即製得含鈦陶瓷塗料。

實施例4

將100重量份的氧化矽溶膠、17重量份的鈦粉、35重量份的鈦白粉、30重量份的二氧化矽、與2重量份的碳化矽混合在一起研磨，直到沉澱物完全消失為止，即完成A液。將60重量份的甲基三甲氧基矽烷、10重量份的甲基三乙氧基矽烷、4重量份的矽油 PMX-0156、與0.9重量份的醋酸混合均勻作為B液。然後將B液加入已分散的A液中，再熟化8小時，最後用100目至150目的濾網過濾，即製得本發明所述的含鈦陶瓷塗料。

實施例5

將100重量份的氧化矽溶膠、20重量份的鈦粉、30重量份的鈦白粉、10重量份的銅鉻錳氧化物、與50重量份的氧化鋁混合在一起研磨，直到沉澱物完全消失為止，即完成A液。將100重量份的甲基三甲氧基矽烷、10重量份的苯基三甲氧基矽烷、2重量份的矽油FD 6、與0.5重量份的甲酸混合均勻作為B液。將B液加入已分散的A液中，再熟化2小時，最後用100目至150目的濾網過濾，即製得含鈦陶瓷塗料。

比較例1

比較例1與實施例1的差異在於比較例1不添加鈦粉。至於其他步驟參數、塗料組成、與組成用量等均相同。

比較例2

比較例2與實施例3的差異在於比較例2不添加鈦粉。至於其他步驟參數、塗料組成、與組成用量等均相同。

比較例3

比較例3與實施例5的差異在於比較例3不添加鈦粉。至於其他步驟參數、塗料組成、與組成用量等均相同。

製備塗層

將實施例1-5與比較例1-3所製備的陶瓷塗料，噴塗到經過噴砂、粗化、及除油處理後的基材表面，接著以150℃烘烤2分鐘，再以280℃烘烤10至15分鐘。最後於室溫下冷卻，即形成保護塗層 於基材表面上。

表1為採用實施例1-5和比較例1-3的陶瓷塗料，製備得到的保護塗層的性能參數表。

由表1可知，實施例1-5的保護塗層具有高的冷硬度與熱硬度及不黏性。與比較例1-3的保護塗層相比，實施例1-5的保護塗層具有較好的耐磨性。

雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

1. 一種含鈦陶瓷塗料，包括：100重量份之氧化矽溶膠；50至100重量份之有機矽烷；0.3至1重量份之催化劑；5至20重量份之鈦粉，其中該鈦粉的粒徑介於200目至400目之間；以及1至5重量份之矽油。
2. 如申請專利範圍第1項所述的含鈦陶瓷塗料，其中該氧化矽溶膠的固含量介於20%至50%之間，且氧化矽溶膠中的固體粒徑介於8nm至50nm之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述的含鈦陶瓷塗料，其中該有機矽烷為甲基三甲氧基矽烷及/或甲基三乙氧基矽烷。
4. 如申請專利範圍第1項所述的含鈦陶瓷塗料，更包括5至10重量份之其他有機矽烷，且其他有機矽烷為四甲氧基矽烷、四乙氧基矽烷、二甲基二甲氧基矽烷、二甲基二乙氧基矽烷、苯基三甲氧基矽烷、或上述之組合。
5. 如申請專利範圍第1項所述的含鈦陶瓷塗料，其中該催化劑係甲酸、醋酸、鹽酸、檸檬酸、甲酸甲酯、乙醯乙酸乙酯、馬來酸酐、上述的組合。
6. 如申請專利範圍第1項所述的含鈦陶瓷塗料，其中該矽油為羥基矽油，在25℃的黏度介於100cps至20000cps之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述的含鈦陶瓷塗料，更包括30至50重量份之填充料，且該填充料係二氧化矽、氧化鋁、二氧化鋯、碳化矽、氮化鋁、氮化硼、高嶺土、滑石粉、雲母粉、鋁或鋯的矽酸鹽、硫酸鋇、金屬纖維、不銹鋼粉、或上述之組合。
8. 如申請專利範圍第1項所述的含鈦陶瓷塗料，更包括30至40重量份之色粉。
9. 一種保護塗層，係由申請專利範圍第1至8項中任一項所述之含鈦陶瓷塗料所製得。
10. 如申請專利範圍第9項所述之保護塗層，係應用於廚房用具、金屬保護、或工業用具。