專(zhuān)利名稱(chēng)：傳熱性和耐磨性改善的氟聚合物防粘涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于基材上帶有增強(qiáng)氟聚合物防粘涂層的領(lǐng)域。本發(fā)明尤其屬于其上帶有防粘涂層的炊具領(lǐng)域，其中涂層具有改善的傳熱性，因而縮短了達(dá)到烹飪溫度所需的時(shí)間，同時(shí)也具有改善的耐磨性。
背景技術(shù)：
長(zhǎng)期來(lái)一直期望生產(chǎn)具有良好防粘性并具有良好耐磨性的烹飪表面的帶涂層炊具。也期望熱能迅速傳至這類(lèi)烹飪表面而不必使炊具的外底面過(guò)熱。帶有包括向烹飪表面?zhèn)鳠嵝愿煤驮谂腼儽砻嫔暇鶆蚍植紵岬膶?dǎo)熱花樣的防粘涂層的炊具已公開(kāi)在授予Muchin等的U.S.專(zhuān)利6,114,028中。Muchin文獻(xiàn)中導(dǎo)熱花樣的布局使之從炊具內(nèi)表面中央?yún)^(qū)向外圍區(qū)擴(kuò)展。這有利于熱從中央?yún)^(qū)向外圍區(qū)傳導(dǎo)并有助于保持整個(gè)烹飪表面處于均勻溫度下，尤其當(dāng)炊具放在直徑小于炊具底直徑的加熱元件上時(shí)。
但是，正如授予Leck的U.S.專(zhuān)利6,248,435所討論，通常是對(duì)炊具的整個(gè)平面加熱。所以Leck以下述方法在炊具上形成傳熱性更好的防粘罩面層在炊具內(nèi)表面涂布氟聚合物和不銹鋼之類(lèi)的磁箔的混合物，并用磁化法使箔沿涂層厚度方向取向。
但是，上述2篇專(zhuān)利都靠磁化法使箔取向而使所公開(kāi)的防粘涂層獲得更好的熱性能。用磁化法誘導(dǎo)箔取向的必要條件是有特殊設(shè)備，這會(huì)妨礙炊具的有效工業(yè)生產(chǎn)。
新近的發(fā)明已認(rèn)識(shí)到在多層不粘涂層的底涂層中加入無(wú)機(jī)填料薄膜硬化劑組分的優(yōu)點(diǎn)。據(jù)Leck的U.S.專(zhuān)利6,248,435公開(kāi)，該組分可以是一種或多種硅酸鋁之類(lèi)的金屬硅酸鹽化合物及二氧化鈦和氧化鋁之類(lèi)的金屬氧化物。Thomas的U.S.專(zhuān)利6,291,054和Tannenbaum的U.S.專(zhuān)利6,761,964 A1公開(kāi)了用碳化硅顆粒增強(qiáng)底涂層對(duì)優(yōu)良耐磨性的益處。最理想的是使炊具在保持良好防粘性的同時(shí)，具有比先有技術(shù)更好的傳熱性，以使炊具能熱得更快并具有良好或更好的耐磨性。
發(fā)明概述雖然已知不銹鋼具有更好的導(dǎo)熱性，但已發(fā)現(xiàn)，防粘涂層中的可磁化箔，如不銹鋼箔，同時(shí)起增強(qiáng)材料和促進(jìn)有效導(dǎo)熱的作用。箔和碳化硅顆粒的組合，作為無(wú)機(jī)填料薄膜硬化劑，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)提供優(yōu)良傳熱性和出色耐磨性的協(xié)同作用。因此，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)能比使用先有技術(shù)中已知防粘涂層的炊具熱得更快，同時(shí)又保留了優(yōu)良的防粘性。所謂“熱得更快”是指本發(fā)明的防粘涂層達(dá)到400(204℃)烹飪溫度所需的時(shí)間短于不含可磁化箔和碳化硅顆粒組合體的同類(lèi)體系。
因此，按照本發(fā)明，要提供包含基材和基材上烘烤防粘涂層的結(jié)構(gòu)，所述涂層包含底涂層和氟聚合物罩面涂層，其中所述底涂層含有可磁化箔和許多碳化硅顆粒。
發(fā)明詳述本發(fā)明包含一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包含基材和基材上的烘烤防粘涂層。防粘涂層包含底涂層和氟聚合物罩面涂層，其中底涂層含有可磁化箔和許多碳化硅顆粒。底涂層包含底漆層和位于所述底漆層與所述罩面涂層之間的中間層。底涂層可以是罩面涂層以下的任何涂層，且包含底漆層和/或一層或多層位于底漆層與罩面涂層之間的中間層?！罢置嫱繉印笔沁€可包含一層或多層其它涂層的表面涂層。罩面涂層包含氟聚合物，當(dāng)它與底涂層一起烘烤時(shí)就形成不粘的防粘表面。底涂層，包括中間層在內(nèi)，優(yōu)選包含氟聚合物。
氟聚合物為簡(jiǎn)化組合物的配制，也基于PTFE在氟聚合物中熱穩(wěn)定性最高這一事實(shí)，防粘涂層中可存在于底漆層、中間層和罩面涂層內(nèi)的氟聚合物優(yōu)選是380℃下熔體粘度為至少1×108Pa.s的聚四氟乙烯(PTFE)。這類(lèi)PTFE也可含少量提高烘烤(熔并)期間成膜能力的共聚單體改性劑，如全氟烯烴，尤其六氟丙烯(HFP)或全氟(烷基乙烯基)醚，尤其其中的烷基含1～5個(gè)碳原子的，優(yōu)選全氟(丙基乙烯基醚)(PPVE)。這類(lèi)改性劑的用量不足以使PTFE具有熔體可加工性，一般不超過(guò)0.5mol％。也為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，PTFE可以只有一個(gè)熔體粘度，通常為至少1×109Pa.s，但也可以用具有不同粘度的PTFE的混合物來(lái)形成氟聚合物組分。在組合物中用單一氟聚合物意味著氟聚合物具有單一化學(xué)特性和熔體粘度，這是優(yōu)選條件。
雖然優(yōu)選PTFE，但氟聚合物組分也可以是可熔體加工的氟聚合物，或者與PTFE組合(共混)，或者取代PTFE。這類(lèi)可熔體加工氟聚合物的實(shí)例包括TFE和至少一種氟化可共聚單體(共聚單體)的共聚物，共聚單體在聚合物中的存在量足以把共聚物的熔點(diǎn)降到遠(yuǎn)低于TFE均聚物，即聚四氟乙烯(PTFE)的熔點(diǎn)，例如，熔點(diǎn)降到不超過(guò)315℃。與TFE共聚的優(yōu)選共聚單體包括全氟化單體，如含3～6個(gè)碳原子的全氟烯烴和烷基含1～5個(gè)碳原子，尤其1～3個(gè)碳原子的全氟(烷基乙烯基醚)(PAVE)。特別優(yōu)選的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)和全氟(甲基乙烯基醚)(PMVE)。優(yōu)選的TFE共聚物包括FEP(TFE/HFP共聚物)、PFA(TFE/PAVE共聚物)、TFE/HFP/PAVE，其中PAVE是PEVE和/或PPVE，和MFA(TFE/PMVE/PAVE，其中PAVE中的烷基含至少2個(gè)碳原子)。可熔體加工四氟乙烯共聚物的分子量并不重要，但要足以成膜并能保持模塑形狀，這樣才能在底漆涂布時(shí)具有整體性。熔體粘度，按ASTM D-1238在372℃測(cè)定時(shí)，一般為至少1×102Pa.s，最高可達(dá)約60～100×103Pa.s。
氟聚合物組分的商品一般都是聚合物在水中的分散體，因?yàn)槿菀淄坎记噎h(huán)境友好，是適用于本發(fā)明組合物的優(yōu)選形式。所謂“分散體”是指氟聚合物顆粒穩(wěn)定地分散在含水介質(zhì)內(nèi)，因而在分散體使用期間不會(huì)發(fā)生顆粒的沉降；分散體制造者實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的方法是在含水分散體內(nèi)用一般為0.2μm量級(jí)的細(xì)尺寸氟聚合物顆粒和用表面活性劑。這類(lèi)分散體可以用稱(chēng)做分散聚合的方法直接獲得，任選地接著濃縮和/或進(jìn)一步加入表面活性劑。
或者，氟聚合物組分也可以是氟聚合物粉末，如PTFE微粉。在這種情況下，為了使氟聚合物和聚合物粘結(jié)劑緊密混合，一般都用有機(jī)液體。有機(jī)液體可加以選擇，因?yàn)檎辰Y(jié)劑溶于特定液體中。如果不把粘結(jié)劑溶于液體，則可細(xì)分割粘結(jié)劑并使之與氟聚合物一起分散在液體內(nèi)。為了獲得理想的緊密混合物，所得涂料組合物可包含分散在有機(jī)液體中的氟聚合物和分散或溶解在液體內(nèi)的聚合物粘結(jié)劑。有機(jī)液體的特性將取決于聚合物粘結(jié)劑的品種和希望得到溶液還是分散體。這類(lèi)液體的實(shí)例包括N-甲基吡咯烷酮、丁內(nèi)酯、高沸點(diǎn)芳族溶劑、醇以及它們的混合物等。有機(jī)液體的用量將取決于具體涂布操作所需要的流動(dòng)特性。
聚合物粘結(jié)劑底漆層的組合物優(yōu)選含有耐熱聚合物粘結(jié)劑。粘結(jié)劑組分由加熱到熔化時(shí)成膜而且還是熱穩(wěn)定的聚合物組成。該組分是不粘罩面涂層底漆涂布中周知的，其作用是把含氟聚合物底漆層粘結(jié)在基材上以及在底漆層內(nèi)成膜并成為底漆層的一部分。氟聚合物本身對(duì)光滑基材幾乎無(wú)粘結(jié)性。粘結(jié)劑一般不含氟但能與氟聚合物粘結(jié)。優(yōu)選的粘結(jié)劑是可溶于或可增溶于水或水和與水混溶的粘結(jié)劑的有機(jī)溶劑的混合物中的那些。溶解度有助于粘結(jié)劑與氟碳組分以含水分散體的形式共混。
粘結(jié)劑組分的實(shí)例是聚酰胺酸鹽，它在組合物烘烤成底漆層時(shí)轉(zhuǎn)化為聚酰胺酰亞胺(PAI)。之所以?xún)?yōu)選這種粘結(jié)劑是因?yàn)樵谕ㄟ^(guò)烘烤聚酰胺酸鹽所獲得的全酰亞胺化形式中，這種粘結(jié)劑的連續(xù)使用溫度可超過(guò)250℃。聚酰胺酸鹽的商品一般是聚酰胺酸，其特性粘數(shù)，以其在N，N-二甲基乙酰胺中濃度為0.5重量％的溶液在30℃測(cè)定時(shí)，至少為0.1。把它溶解在N-甲基吡咯烷酮之類(lèi)的聚結(jié)劑和糠醇之類(lèi)的降粘劑內(nèi)，并與叔胺，優(yōu)選三乙胺，發(fā)生反應(yīng)，生成可溶于水的鹽，正如U.S.專(zhuān)利4,014,834(Concannon)中更詳細(xì)的描述。然后可以將所得的含聚酰胺酸鹽的反應(yīng)介質(zhì)與氟聚合物含水分散劑進(jìn)行共混，而且由于聚結(jié)劑和降粘劑都能與水混溶，所以共混就形成均勻的涂料組合物。共混可通過(guò)簡(jiǎn)單地把液體混在一起來(lái)實(shí)現(xiàn)，不劇烈攪拌，以免氟聚合物含水分散體聚沉。能用的其它粘結(jié)劑包括聚醚砜(PES)和聚苯硫醚(PPS)。
不論底漆組合物是否以液體介質(zhì)涂布，其中液體是水和/或有機(jī)溶劑，上述粘結(jié)性本身將取決于底漆層的干燥和烘烤以及為形成基材上不粘涂層而接著涂布的氟聚合物層的烘烤。
為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，可以只用一種粘結(jié)劑來(lái)形成本發(fā)明組合物中的粘結(jié)劑組分。但是，也可以考慮在本發(fā)明中用多種粘結(jié)劑，尤其在期望某些最終使用性能，如柔軟性、硬度或防腐性等時(shí)。常用的組合包括PAI/PES、PAI/PPS和PES/PPS。
氟聚合物與粘結(jié)劑之比，尤其如果組合物要用作光滑基材上的底漆層時(shí)，優(yōu)選重量比為0.5～2.0∶1。本文所公開(kāi)的氟聚合物與粘結(jié)劑的重量比以組合物涂布到其基材上后經(jīng)烘烤所形成的涂布層內(nèi)的這些組分的重量為基準(zhǔn)計(jì)算。烘烤除去存在于涂層組合物內(nèi)的揮發(fā)物，包括隨烘烤期間酰胺鍵的形成除去聚酰胺酸鹽的鹽部分在內(nèi)。為方便起見(jiàn)，粘結(jié)劑的重量，當(dāng)它是由烘烤步驟轉(zhuǎn)化為聚酰胺酰亞胺的聚胺酸鹽時(shí)，可以取為起始組合物中聚酰胺酸的重量，因此，氟聚合物與粘結(jié)劑的重量比可以從起始組合物中的氟聚合物和粘結(jié)劑量確定。當(dāng)本發(fā)明的組合物呈優(yōu)選的含水分散體形式時(shí)，這些組分將構(gòu)成總分散體的約5～50重量％。
碳化硅顆粒本發(fā)明的底涂層含有屬無(wú)機(jī)填料薄膜硬化劑組分的碳化硅顆粒。優(yōu)選底漆層包含碳化硅顆粒。這種材料對(duì)組合物中的其它組分是惰性的而且在熔并氟聚合物和粘結(jié)劑的最終烘烤溫度下是熱穩(wěn)定的。該薄膜硬化劑不溶于水，所以一般都可均勻分散在但不溶于本發(fā)明組合物的含水分散體中。優(yōu)選碳化硅顆粒的平均顆粒尺寸為約3～約100μm，更優(yōu)選約5～約45μm。
優(yōu)選無(wú)機(jī)薄膜硬化劑碳化硅顆粒的Knoop硬度為2500。Knoop硬度是表征材料耐刻痕或耐刮擦性的量度。礦物和陶瓷的該硬度值羅列在Handbook of Chemistry，77th版，12～186，187，基于引自Shackel-ford和Alexander，CRC Materials Science and Engineering Handbook，CRCPress，Boca Raton FL，1991的參考資料。薄膜硬化劑組分使作為涂層涂布在基材上的不粘氟聚合物組合物具有耐久性，機(jī)理是分散涂層表面所受到的磨耗力并防止已透過(guò)氟聚合物罩面涂層的銳物穿透。
無(wú)機(jī)薄膜硬化劑碳化硅顆粒的長(zhǎng)徑比(如前定義)優(yōu)選不超過(guò)2.5，更優(yōu)選不超過(guò)1.5。本發(fā)明的優(yōu)選顆粒，即能分散含顆粒涂層上所受磨耗力的顆粒的長(zhǎng)徑比不超過(guò)2.5以及尺寸為顆粒的最大直徑是涂層厚度的至少50％但不超過(guò)涂膜厚度的125％。
在底漆是底涂層并含SiC顆粒的優(yōu)選實(shí)施方案中，干底漆包含至少2重量％，優(yōu)選2～45重量％SiC顆粒。
其它填料除了碳化硅顆粒的大顆粒和小顆粒外，本發(fā)明底漆層和中間層的不粘涂料組合物可含有Knoop硬度大于1200和低于1200的其它填料。無(wú)機(jī)填料薄膜硬化劑的實(shí)例包括Knoop硬度至少為1200的無(wú)機(jī)氧化物、碳化物、硼化物和氮化物。優(yōu)選鋯、鉭、鈦、鎢、硼、鋁和鈹?shù)臒o(wú)機(jī)氧化物、氮化物、硼化物和碳化物。優(yōu)選中間層和/或底層包含氧化鋁。優(yōu)選無(wú)機(jī)組合物的典型Knoop硬度值是氧化鋯(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)；碳化硅(2500)；硼化鋁(2500)；硼化鈦(2850)。
Knoop硬度值較低的其它適用填料包括玻璃箔、玻璃珠、玻璃纖維、硅酸鋁或硅酸鋯、云母、金屬箔、金屬纖維、細(xì)陶瓷粉、二氧化硅、硫酸鋇、滑石粉等等。
可磁化箔底涂層含有可磁化箔。優(yōu)選底涂層的中間層包含可磁化箔。還優(yōu)選至少部分所述箔未誘導(dǎo)取向。在Muchin和Leck的專(zhuān)利中，公開(kāi)了可磁化箔的取向并旨在有助于把煎鍋之類(lèi)平底下面所受的熱從底漆導(dǎo)至涂層上表面。受磁力作用的箔一般沿涂層的厚度方向取向。
不對(duì)涂層施加磁力，則可磁化箔平行于平面取向。因此，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)存在SiC顆粒時(shí)，不必對(duì)箔施加磁力。意外的是，在基材上涂布既含可磁化箔又含碳化硅顆粒的底涂層使傳熱性超過(guò)傳統(tǒng)的防粘涂層體系，甚至超過(guò)含取向可磁化箔的體系。防粘涂層中的箔應(yīng)由可磁化但不受加熱影響的材料制成。能用來(lái)制箔的材料的實(shí)例包括鐵和鎳之類(lèi)的金屬以及含這類(lèi)金屬的合金，以不銹鋼為優(yōu)選材料。在防粘涂層中，金屬的導(dǎo)熱性比聚合物的高得多。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，當(dāng)必須有烘烤步驟才能實(shí)現(xiàn)防粘(不粘)特性時(shí)，把烘烤前后的氟聚合物/箔涂料組合物都稱(chēng)做防粘涂層，可磁化箔包括其最長(zhǎng)尺寸大于或小于由含箔涂料組合物形成的層的厚度的箔。層(涂層)厚一般為5～40μm。箔的尺寸則將取決于所需要的層厚。特別適用的是平均最長(zhǎng)尺寸為20～60μm的316L不銹鋼箔，而且，箔通常將是各種尺寸的混合物，其中相當(dāng)部分，優(yōu)選至少40重量％的最長(zhǎng)尺寸為至少44μm。
優(yōu)選的含可磁化箔的干底涂層組合物包括含下列組分的那些70～90重量％氟聚合物，2～10重量％，更優(yōu)選2～7重量％可磁化箔，2～20重量％SiC顆粒和2～15重量％聚合物粘結(jié)劑。氟聚合物組分優(yōu)選是50～95重量％PTFE和5～50重量％可熔體加工四氟乙烯共聚物的共混物，如前述PTFE/PAVE，以這兩種氟聚合物的總重量為基準(zhǔn)計(jì)算。呈液態(tài)形式時(shí)，液態(tài)介質(zhì)一般占液態(tài)介質(zhì)和前述3種組分的總重量的75～95重量％。
涂布本發(fā)明的組合物可以用傳統(tǒng)方法涂布到基材上。噴涂和輥涂是最方便的涂布法，取決于要涂布的基材。其它熟知的涂布方法，包括浸涂和卷材涂裝法在內(nèi)，都適用。不粘涂層組合物可以是單涂層或包含底涂層和罩面涂層的多涂層體系。由一層或多層含氟聚合物層組成的罩面涂層可以在底涂層干燥前用傳統(tǒng)方法涂布到底涂層上。當(dāng)?shù)淄繉雍驼置嫱繉咏M合物是含水分散體時(shí)，罩面涂層組合物可優(yōu)選在底涂層摸起來(lái)干燥后涂布到底涂層上。當(dāng)?shù)淄繉邮峭ㄟ^(guò)涂布帶有機(jī)溶劑的組合物而制成且下一層(中間層或罩面涂層)是用含水介質(zhì)涂布時(shí)，則底涂層應(yīng)烘干，以便在涂布這樣的下一層之前除去所有與水不相容的溶劑。
為了在基材上形成不粘的防粘涂層，可烘烤涂好的涂層體系以同時(shí)熔并所有涂層。當(dāng)氟聚合物是PTFE時(shí)，優(yōu)選快速高烘烤溫度，例如，在起始溫度800(427℃)下保持5min.并升到825(440℃)。當(dāng)?shù)淄繉踊蛘置嫱繉又械姆酆衔锸荘TFE和PEP的共混物，例如50～70重量％PTFE和50～30重量％FEP的共混物時(shí)，烘烤溫度可降至780(415℃)，在3min.(總烘烤時(shí)間)內(nèi)升到800(427℃)。烘烤好的底涂層厚度用基于渦電流原理(ASTM B244)或磁感應(yīng)原理(ASTM B499)的膜厚儀測(cè)量。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明防粘涂層的干膜總厚度為32～40μm，底涂層的優(yōu)選DFT為22～30μm和罩面涂層的優(yōu)選DFT為8～10μm。在更優(yōu)選的實(shí)施方案中，底涂層包含DFT為7.5～10μm的底漆層和15～22μm的中間層。
在所得結(jié)構(gòu)內(nèi)，基材可以是能承受烘烤溫度的任何材料，如金屬和陶瓷，其實(shí)例包括鋁、陽(yáng)極化鋁、冷軋鋼、不銹鋼、搪瓷、玻璃和耐高溫陶瓷。基材可具有粗糙化表面，例如用噴砂法或化學(xué)刻蝕法形成可錨住防粘涂層的坑。但優(yōu)選基材具有光滑表面，這樣炊具制造者就可省去粗糙化基材表面這一步。在該實(shí)施方案中，含箔層是通過(guò)底漆層粘結(jié)在基材上的。
基材可以是光滑的，即表面外形小于50微英寸(1.25μm)，并需經(jīng)清理，所述表面外形用外形儀，如Mahr GmbH of Gottingen Germany制造的PocketSurf型表面測(cè)量?jī)x測(cè)量。對(duì)于耐高溫陶瓷和某些玻璃，通過(guò)活化基材表面，例如略經(jīng)化學(xué)刻蝕，可獲得更好的結(jié)果，所述刻蝕肉眼看不出，即表面仍是光滑的。基材也可以用粘結(jié)劑如聚酰胺酸鹽的霧罩涂層進(jìn)行化學(xué)處理，如授予Tannenbaum的U.S.專(zhuān)利5,079,073所公開(kāi)。當(dāng)?shù)淄繉邮堑灼釙r(shí)，可以把它看成是基材上的第一含氟聚合物層，并優(yōu)選底漆層直接粘結(jié)在基材上。
性能特點(diǎn)本發(fā)明結(jié)構(gòu)更好的傳熱性表現(xiàn)在一旦對(duì)結(jié)構(gòu)的底面加熱，則達(dá)到烹飪溫度，如實(shí)施例所示，加熱到400(204℃)，所需的時(shí)間縮短了。
本發(fā)明提高的熱性能可用IR監(jiān)控的可控?zé)嵩磥?lái)說(shuō)明。在鋁基(煎鍋)上涂布本發(fā)明中所述的底涂層和標(biāo)準(zhǔn)罩面涂層。把該結(jié)構(gòu)與相同鋁基上帶有標(biāo)準(zhǔn)罩面涂層且涂層厚度相同的典型先有技術(shù)氟聚合物不粘底涂層進(jìn)行比較。并列地比較這些結(jié)構(gòu)。所用的溫度監(jiān)控設(shè)備是Inframetrics制造的Thermacam PM280 IR溫譜錄像機(jī)，它能記錄被加熱鍋的溫度-時(shí)間視頻信號(hào)。把鍋放在對(duì)整個(gè)陶瓷表面已標(biāo)定到400(204℃)的Waage電爐DDSF 15(550～1100瓦-雙元件)上。在室溫下，兩個(gè)鍋在視頻上都呈黑色。隨來(lái)自熱源的熱傳輸過(guò)鍋，觀察表面的形貌開(kāi)始變亮直到它呈現(xiàn)發(fā)光的金色形貌。涂有本發(fā)明底涂層的鋁鍋比涂有標(biāo)準(zhǔn)氟聚合物不粘涂層的鍋以更快的速率達(dá)到設(shè)定溫度和亮金色。
對(duì)鋁包覆不銹鋼基材(煎鍋)重復(fù)同樣的并列比較。錄像表明，一部分鍋上的標(biāo)準(zhǔn)氟聚合物不粘涂層開(kāi)始以比本發(fā)明更快的速率熱起來(lái)。但是，隨試驗(yàn)進(jìn)展，涂有本發(fā)明底涂層的鍋，較之涂有標(biāo)準(zhǔn)氟聚合物不粘涂層的鍋，在整個(gè)鍋表面上熱得更均勻并以更快的速率達(dá)到烹飪溫度。標(biāo)準(zhǔn)氟聚合物不粘涂層出現(xiàn)一般所謂的“熱斑”，而且熱得不均勻。本發(fā)明更好的熱分布效果對(duì)所有基材和涂層類(lèi)型都一致。這一點(diǎn)可以從本發(fā)明可見(jiàn)表面上等梯度顏色變化表現(xiàn)出來(lái)，而帶標(biāo)準(zhǔn)氟聚合物涂層的鍋不是這樣。均勻熱分布這一優(yōu)點(diǎn)可以使帶涂層鍋在鍋的整個(gè)表面上更均勻地烹飪食物。
本發(fā)明的帶涂層基材可以呈各種炊具制品的形式，如煎炒鍋、壺、瓦蒸鍋、鑊、飯鍋及其內(nèi)插件，以及需熱得快的非炊具物品，如鐵底板等。
試驗(yàn)方法SBAR試驗(yàn)帶涂層基材不粘涂層的耐磨性用SBAR試驗(yàn)評(píng)價(jià)。該試驗(yàn)以British炊具標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明書(shū)B(niǎo)S 70691988為基礎(chǔ)，在其中，涂層體系受連接在作往復(fù)水平移動(dòng)的垂直臂上的磨墊作用。該設(shè)備使臂以±10mm/min的平均速度作離圓柱心100mm±5mm(4”+/-0.25”)的往復(fù)水平移動(dòng)。磨墊(3M Scotch-Brite 07447)是浸漬了酚醛樹(shù)的無(wú)序尼龍纖網(wǎng)，以及氧化鋁固定在圓柱上并受載，以對(duì)涂層施加±15N(臂質(zhì)量+砝碼重量＝.5kg或10磅)的總載荷。試樣制備如下如實(shí)施例解釋的那樣涂布基材并按規(guī)范干燥和烘烤。試驗(yàn)前用潔凈水洗滌帶涂層基材并慢慢干燥之。按以下解釋對(duì)干和濕基材進(jìn)行試驗(yàn)。
把帶涂層基材固定在固定夾頭上并在不粘表面壓上加載磨墊。為進(jìn)行濕試驗(yàn)，在表面上加50ml每升(33盎司)溶液中含有5g溫和洗滌劑的洗碗液潤(rùn)滑之。作干法試驗(yàn)時(shí)，不加洗滌液，但其它步驟都保持相同。保持試樣靜止，而磨塊臂在圓柱心兩側(cè)各50mm±2.5mm(2”+/-0.1”)的距離上前后移動(dòng)。
經(jīng)250次循環(huán)后把磨塊反過(guò)來(lái)，再進(jìn)行250次后復(fù)原。該步驟一直進(jìn)行到露出金屬，然后記錄磨穿涂層的循環(huán)次數(shù)。涂層磨穿是試驗(yàn)的終點(diǎn)。磨穿花樣必定與附件圖形類(lèi)似。
接觸法-升到烹飪溫度的時(shí)間用接觸法測(cè)量升溫效果和熱分布的試驗(yàn)如下所述能源是來(lái)自Wenesco，Chicago，IL的特制陶瓷面熱板。該熱板的均勻性控制得很高，任意點(diǎn)與點(diǎn)之間的板溫波動(dòng)將小到接近于設(shè)定溫度的2％。數(shù)據(jù)采集用來(lái)自Datapaq，Cambridge，UK(Wilmington，MA)的溫度分布器編輯。型號(hào)是帶6個(gè)溫度輸入的Datapaq 9000 Tracker系統(tǒng)。熱板經(jīng)標(biāo)定到410(210℃)范圍內(nèi)的溫度下。6根“K”型熱電偶線以十字交叉形連接到鍋的內(nèi)部，4個(gè)接觸點(diǎn)分布在一根中心線上，還有2個(gè)接觸點(diǎn)位于另一根中心線的相對(duì)外端。
把熱電偶接頭插進(jìn)傳感器界面，把界面連接到數(shù)據(jù)記錄器(記憶卡)。鍋在標(biāo)定熱板中央放10min.。然后移開(kāi)鍋并把數(shù)據(jù)記錄器下載進(jìn)Datapaq標(biāo)準(zhǔn)軟件程序。該程序的主要分析功能包括Datapaq值、最高/最低溫度、在溫度下的時(shí)間、斜率計(jì)算、升降計(jì)算和峰差。結(jié)果以達(dá)到烹飪溫度400(204℃)的秒數(shù)記錄。從各次試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)可以與其它次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)直接比較。
機(jī)械虎爪磨耗試驗(yàn)(MTP磨耗試驗(yàn))如授予Tannenbaum的U.S.專(zhuān)利6,761,964 A1所述，帶涂層基材耐磨性評(píng)價(jià)如下在帶涂層基材表面上不斷旋轉(zhuǎn)3個(gè)加載的圓珠筆尖，同時(shí)在震蕩臺(tái)上加熱和前后振動(dòng)基材。所用的試驗(yàn)設(shè)備包含一個(gè)框，框上安裝驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。從馬達(dá)伸出一根中央飛輪驅(qū)動(dòng)軸，軸上定位一個(gè)飛輪(驅(qū)動(dòng)盤(pán))。驅(qū)動(dòng)盤(pán)是直徑為7”(18cm)、厚0.25”(0.64cm)的薄鋁板?？騼?nèi)有一個(gè)振動(dòng)臺(tái)，臺(tái)上安裝一塊熱板。熱板的上表面提供放置煎鍋之類(lèi)試驗(yàn)基材的表面。該表面與驅(qū)動(dòng)盤(pán)底之間的垂直距離約為6”(15cm)。在起始位置，飛輪驅(qū)動(dòng)軸垂直于熱板并與熱板同心。振動(dòng)臺(tái)安裝在框架上，使其往復(fù)運(yùn)動(dòng)的中心與飛輪驅(qū)動(dòng)軸中心重合。往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方向是前-后向。
虎爪頭靠位于支承軸套內(nèi)的浮軸安裝在驅(qū)動(dòng)盤(pán)上。支承套靠O形環(huán)、墊片和螺母通過(guò)驅(qū)動(dòng)盤(pán)柔性連接在盤(pán)的兩面。在接頭以上，在軸上加其它墊片以提供附加重量。支撐套偏離中心安裝，離飛輪驅(qū)動(dòng)軸約2”(5cm)。調(diào)節(jié)螺絲靠在支撐軸套上并允許與鉸接在支撐軸套內(nèi)的浮軸對(duì)中。此外，在圓盤(pán)上與支撐套成180°處有一個(gè)配重。
虎爪頭是一個(gè)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)，盤(pán)周附近有3個(gè)槽，與中心等角度(即約0°、120°、240°)。槽的大小使每個(gè)槽容納一根圓珠筆回填器。固定螺絲位于盤(pán)側(cè)內(nèi)各槽的部位，以便在操作期間鎖定筆回填器。所述旋轉(zhuǎn)盤(pán)是直徑為2.5”(6.4cm)和厚0.4”(1cm)的不銹鋼。盤(pán)中心有一個(gè)滾珠軸承并可以通過(guò)連軸器把盤(pán)連接到浮軸上。虎爪頭可以轉(zhuǎn)繞浮軸自由旋轉(zhuǎn)。
在操作中，用溫和型洗滌劑洗滌具有帶涂層鋁基的煎鍋，以除去所有污物或油。借助臨時(shí)安裝在中心驅(qū)動(dòng)軸上的可拆卸對(duì)中桿把試驗(yàn)鍋放在熱板上。對(duì)中桿對(duì)鍋在熱板表面的放置起鉛錘線的作用，然后卸去對(duì)中桿。對(duì)于每次試驗(yàn)，在虎爪頭槽內(nèi)安裝3個(gè)新的筆回填器，使每個(gè)回填器從盤(pán)底向下伸出3/4”(1.9cm)?；⒆︻^連接在浮軸上，浮軸從固定在驅(qū)動(dòng)軸上的驅(qū)動(dòng)盤(pán)向下伸出。調(diào)節(jié)虎爪頭和浮軸的重量。在所列舉的設(shè)備中，該重量約為400g。浮軸和墊片(加起來(lái)約115g)、虎爪頭(約279g)和圓珠筆頭(約10g)的總重量為404g。配重也總共約400g。
啟動(dòng)熱板，把試驗(yàn)基材(鍋)加熱到400+/-10(204℃+/-6℃)。當(dāng)基材表面的紅外溫度測(cè)量確定鍋已達(dá)到試驗(yàn)溫度時(shí)，下降筆回填器至鍋上并啟動(dòng)設(shè)備，以開(kāi)始振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)和虎爪頭旋轉(zhuǎn)。這樣，試驗(yàn)設(shè)備就使筆靠在并圍線帶涂層基材表面旋轉(zhuǎn)?；⒆︻^的轉(zhuǎn)速控制在每分鐘30轉(zhuǎn)。振動(dòng)臺(tái)的速度控制為每分鐘30次前后。計(jì)數(shù)器記錄完成的循環(huán)次數(shù)。定時(shí)器倒計(jì)虎爪在每個(gè)特定方向上轉(zhuǎn)動(dòng)15min.。每隔15min.記錄一次數(shù)據(jù)?；⒆︻^的旋轉(zhuǎn)是每15min.換向一次。周期性地檢查筆回填端的涂料堆積。如必要，除去堆積的涂料。
基材上涂層的失效靠觀察隨筆回填端穿透涂層到達(dá)裸露金屬基體而逐漸形成的橢圓形軌跡來(lái)監(jiān)控。通過(guò)加熱基體可加速到達(dá)失效的時(shí)間。失效時(shí)間越長(zhǎng)，則不粘涂層的耐久性越好。
在每個(gè)15min.循環(huán)的終點(diǎn)，按照下述MTP數(shù)字等級(jí)評(píng)價(jià)鍋。
10-新鍋9-涂層內(nèi)有溝槽8-首次出現(xiàn)到達(dá)金屬的V形刻痕(對(duì)于光滑基材)表面粗糙化(對(duì)于噴砂基材)7-露出金屬的劃痕(外部和/或內(nèi)部)6-表面開(kāi)始出現(xiàn)橢圓5-橢圓完成加速虎爪烹飪(ATP)加速虎爪烹飪?cè)囼?yàn)是以上解釋的虎爪烹飪?cè)囼?yàn)的加速較低溫型。該試驗(yàn)通過(guò)使涂層體系經(jīng)受酸、鹽、脂肪和洗滌劑等的循環(huán)來(lái)評(píng)價(jià)煎鍋之類(lèi)基材的烹飪性能和耐磨性。在烹飪期間加熱基材并手工轉(zhuǎn)動(dòng)虎爪頭。如下面解釋改變食品循環(huán)、溫度條件和虎爪頭轉(zhuǎn)數(shù)。
每次試驗(yàn)都在燃燒爐足以同時(shí)烹飪所有鍋的商品煤氣爐上試驗(yàn)帶涂層鍋和對(duì)比鍋。對(duì)比鍋是涂有已知工業(yè)炊具涂層體系的標(biāo)準(zhǔn)鍋，擬對(duì)其判斷的標(biāo)準(zhǔn)性能已預(yù)測(cè)過(guò)很多次。試驗(yàn)溫度保持在280(138℃)～300(149℃)，溫度用基材表面上的接觸高溫計(jì)測(cè)定。使鍋在所有燃燒爐上有條不紊地旋轉(zhuǎn)。
在操作中，把試驗(yàn)鍋放在燃燒爐上并加熱到規(guī)定的溫度范圍內(nèi)。讓鍋經(jīng)歷下述烹飪過(guò)程。
在未干透的鍋內(nèi)煎一個(gè)雞蛋。雞蛋煎3min.。用鏟子鏟起雞蛋，傾斜煎鍋，以使雞蛋滑移。評(píng)價(jià)雞蛋滑移的容易程度。把鍋放回燃燒爐并把雞蛋翻一面。用鏟戳穿蛋黃，再煎2min.。再用鏟子鏟起雞蛋并按下述“防粘”等級(jí)確定雞蛋滑移的容易程度。同時(shí)也對(duì)鍋的刮擦性評(píng)級(jí)。用熱水淋洗鍋并用紙巾擦干之。
烹飪1在鍋中央放一湯匙玉米油。在油上放一塊一面已用1/4茶匙鹽腌過(guò)的預(yù)成形漢堡肉餅，讓帶鹽的一面朝下。煎該肉餅3min.。然后在煎鍋上蓋上蓋子，帶蓋再煎肉餅4min.。用匙邊把肉餅先切成4份，再把每1/4份切成3份。取出肉并用紙巾擦干鍋。
在各鍋內(nèi)加進(jìn)2杯(16盎司)制好的西紅柿醬混合物(30盎司西紅柿醬、1/2杯鹽、3夸脫水)并用文火煮20min.。在這20min.慢煮期間，用虎爪頭進(jìn)行刮擦濫用試驗(yàn)。用虎爪頭在各個(gè)鍋內(nèi)以圓形花樣攪拌混合物，順時(shí)針向轉(zhuǎn)50圈再逆時(shí)針轉(zhuǎn)50圈。在20min.慢煮周期的終點(diǎn)，從燃燒爐上取下鍋，清空其中的內(nèi)容并用洗滌液徹底清洗各鍋。用干凈水淋洗鍋并擦干之。
再把鍋放回燃燒爐并以在鍋中央放一湯匙油開(kāi)始重復(fù)烹飪。
烹飪4次后，如上所述煎一個(gè)雞蛋并對(duì)鍋的防粘性和耐刮擦性評(píng)級(jí)。在每7次烹飪后(如果不能完成7次烹飪，則在每天結(jié)束時(shí))在各鍋內(nèi)加進(jìn)2杯水、1茶匙液體洗滌劑和3茶匙鹽的洗滌液。燒開(kāi)洗滌液并在鍋上加蓋。從燃燒爐上取下鍋并靜置過(guò)夜。第二天再?gòu)募咫u蛋開(kāi)始循環(huán)并對(duì)鍋評(píng)級(jí)。試驗(yàn)一直繼續(xù)到確定鍋的刮擦等級(jí)為5，這時(shí)就停止試驗(yàn)。刮擦用TP試驗(yàn)中所用的相同等級(jí)。防粘等級(jí)如下所列防粘性(0～5)防粘等級(jí)通過(guò)評(píng)估雞蛋滑移有多容易和有多少雞蛋粘在鍋上來(lái)確定。
5-優(yōu)良4-很好3-良好2-尚可1-差
0-很差A(yù)IHAT用普通家用金屬烹飪器具(叉、鏟、攪拌器、刀)使煎鍋之類(lèi)的帶涂層基材經(jīng)受一系列高溫烹飪循環(huán)。試驗(yàn)說(shuō)明已描述在US5,250,356(Batzar)第3列11-64行中。該試驗(yàn)是常見(jiàn)烹飪?yōu)E用所引起的損傷和刮擦的量度。
干膜厚度(DFT)烘烤涂層的厚度用膜厚儀，如基于渦電流原理(ASTM B244)的Fisherscope測(cè)量。
實(shí)施例氟聚合物PTFE分散體杜邦TFE氟聚合物樹(shù)脂分散體30級(jí)，可獲自杜邦公司，Wilmington，DE。
FEP分散體TFE/HFP氟聚合物樹(shù)脂分散體，固體含量為54.5～56.5重量％，RDPS為150～210nm，樹(shù)脂的HFP含量為9.3～12.4重量％，熔體流率為11.8～21.3，按U.S.專(zhuān)利4,380,618中所述修改過(guò)的ASTM D-1238法在372℃下測(cè)定。
PFA分散體杜邦PFA氟聚合物樹(shù)脂分散體335級(jí)，可獲自杜邦公司，Wilmington，DE。
聚合物粘結(jié)劑PAI是TorlonAl-10聚酰胺酰亞胺(Amoco Chemicals Corp.)，即一種殘余NMP含量為6～8％的固體樹(shù)脂(能被復(fù)原為聚酰胺酸鹽)。
聚酰胺酸鹽的商品一般是聚酰胺酸，以其在N，N-二甲基乙酰胺內(nèi)濃度為0.5重量％的溶液在30℃測(cè)定時(shí)，特性粘數(shù)至少為0.1。把它溶在N-甲基吡咯烷酮之類(lèi)的聚結(jié)劑和糠醇之類(lèi)的降粘劑內(nèi)，并與叔胺，優(yōu)選三乙胺，發(fā)生反應(yīng)，以形成溶于水的鹽，這在U.S.專(zhuān)利4,014,834(Concannon)中有更詳細(xì)的描述。
碳化硅顆粒用Elektroschmelzwerk Kempten GmbH(ESK)，Munich Germany供應(yīng)的不同尺寸的碳化硅及其混合物。
P1200＝平均顆粒尺寸為3.0±0.5μm
P1000＝平均顆粒尺寸為4.5±0.5μmP800＝平均顆粒尺寸為6.5±1.0μmP600＝平均顆粒尺寸為9.3±1.0μmP400＝平均顆粒尺寸為17.3±1.5μmP320＝平均顆粒尺寸為29.2±1.5μmP280＝平均顆粒尺寸為36.5±1.5μmP240＝平均顆粒尺寸為44.5±2.0μm按供應(yīng)商提供的信息，平均顆粒尺寸(d50)用FEPA-標(biāo)準(zhǔn)-43-GB1984R 1993和ISO 8486以沉降法測(cè)定。
其它無(wú)機(jī)薄膜硬化劑平均顆粒尺寸為0.35～0.50μm的SG A-16級(jí)氧化鋁(小顆粒)由Aluminum Corporation of America供應(yīng)。
在僅靠洗滌除去油污但未經(jīng)機(jī)械粗糙化的光滑試驗(yàn)鋁鍋上噴涂本發(fā)明的典型3-涂層不粘體系，即底漆、中間涂層和罩面涂層的含水分散體組合物。從渦電流分析測(cè)得底漆/中間層/罩面涂層的干涂層厚度(DFT)是0.4密耳(10.2μm)/0.7密耳(17.8μm)/0.3密耳(7.6μm)。
底漆層和中間層列在各實(shí)施例的表內(nèi)。所有實(shí)施例的氟聚合物罩面涂層列在表1內(nèi)。
在鋁基上噴涂底漆并在150(66℃)干燥5min.。然后在干底漆上噴涂中間涂層。在中間涂層上濕對(duì)濕涂布(噴涂)罩面涂層。涂層的固化方法是在800(427℃)烘烤5min.。
對(duì)鍋進(jìn)行試驗(yàn)以確定1)耐磨性，2)熱到烹飪溫度的時(shí)間，和3)防粘性。所有體系的試驗(yàn)結(jié)果都列在表16中。
表1-罩面涂層
對(duì)比實(shí)施例1-無(wú)SiC顆粒，無(wú)可磁化箔表2-底漆組成-對(duì)比實(shí)施例1
表3-中間層組成-對(duì)比實(shí)施例1
對(duì)比實(shí)施例2-無(wú)SiC顆粒表4-底漆組成-對(duì)比實(shí)施例2
表5-中間層組成-對(duì)比實(shí)施例2
對(duì)比實(shí)施例3-無(wú)可磁化箔表6-底漆組成-對(duì)比實(shí)施例3
*amps＝平均顆粒尺寸表7-中間層組成-對(duì)比實(shí)施例3
下面給出的實(shí)施例在底漆層內(nèi)含有不同用量和尺寸的SiC顆粒，同時(shí)在中間層內(nèi)含有SS箔。
實(shí)施例1-SS在中間層內(nèi)表8-底漆組成-實(shí)施例1
*amps＝平均顆粒尺寸表9-中間層組成-實(shí)施例1
實(shí)施例2-SS和Al2O3在中間層內(nèi)表10-底漆組成-實(shí)施例2
*amps＝平均顆粒尺寸表11-中間層組成-實(shí)施例2
實(shí)施例3-SS在中間層內(nèi)表12-底漆組成-實(shí)施例3
*amps＝平均顆粒尺寸表13-中間層組成-實(shí)施例3
實(shí)施例4-SS箔在中間層內(nèi)表14-底漆組成-實(shí)施例4
*amps＝平均顆粒尺寸表15-中間層組成-實(shí)施例4
性能試驗(yàn)-磨耗、損傷、升到烹飪溫度的時(shí)間和防粘性對(duì)對(duì)比實(shí)施例1～3和實(shí)施例1～4中所述的帶涂層鍋進(jìn)行AIHAT刮擦試驗(yàn)、MTP磨耗試驗(yàn)、SBAR和加速烹飪?cè)囼?yàn)。結(jié)果示于表16。SBAR試驗(yàn)(濕和干)和MTP試驗(yàn)表明本發(fā)明實(shí)施例1～4的優(yōu)良耐磨性。AIHAT試驗(yàn)證明良好的耐損傷和耐刮擦性。這些實(shí)施例中本發(fā)明的防粘性與傳統(tǒng)先有技術(shù)炊具的同樣好。接觸試驗(yàn)結(jié)果表明本發(fā)明實(shí)施例中的鍋熱到烹飪溫度400(204℃)的時(shí)間短得多。炊具中所用涂層體系的底涂層內(nèi)的SiC顆粒和不銹鋼的協(xié)同作用提供了好得多的耐磨性、更快熱到烹飪溫度而且仍提供良好的防粘性。
表16-性能
權(quán)利要求
1.包含基材和基材上烘烤防粘涂層的結(jié)構(gòu)，所述涂層包含底涂層和氟聚合物罩面涂層，其中所述底涂層含有可磁化箔和許多碳化硅顆粒。
2.權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中至少部分所述可磁化箔無(wú)誘導(dǎo)取向。
3.權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中所述可磁化箔是不銹鋼。
4.權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中所述底涂層包含底漆層和位于所述底漆層與所述罩面涂層之間的中間層，其中所述中間層含所述箔。
5.權(quán)利要求4的結(jié)構(gòu)，其中所述碳化硅顆粒是經(jīng)由所述底漆層被供至所述防粘涂層的。
6.權(quán)利要求4的結(jié)構(gòu)，其中所述中間層還包含氟聚合物。
7.權(quán)利要求4或5的結(jié)構(gòu)，其中所述底漆層還包含氟聚合物。
8.權(quán)利要求4的結(jié)構(gòu)，其中所述可磁化箔是經(jīng)由所述中間層被供應(yīng)的。
9.權(quán)利要求4的結(jié)構(gòu)，其中所述中間層還包含氟聚合物。
10.權(quán)利要求4的結(jié)構(gòu)，其中所述底漆層還含有氧化鋁。
11.權(quán)利要求4的結(jié)構(gòu)，其中所述中間層還含有氧化鋁。
12.權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中所述基材是鋁。
13.權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中所述基材是不銹鋼。
14.權(quán)利要求1或5的結(jié)構(gòu)，其中所述碳化硅顆粒的平均顆粒尺寸為約3～約100μm。
15.權(quán)利要求1或5的結(jié)構(gòu)，其中所述碳化硅顆粒的平均顆粒尺寸為約5～約45μm。
全文摘要
本發(fā)明涉及包含基材和基材上烘烤防粘涂層的結(jié)構(gòu)，所述涂層包含底涂層和氟聚合物罩面涂層，其中所述底涂層含有可磁化箔和許多碳化硅顆粒。本發(fā)明的帶涂層基材具有更好的傳熱性、更好的耐磨性和良好的防粘性。
文檔編號(hào)B05D7/00GK101072645SQ200580042062
公開(kāi)日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2005年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月16日
發(fā)明者M·J·韋特施 申請(qǐng)人:納幕爾杜邦公司