WO2019014976A1

WO2019014976A1 - 聚硅氮烷作为涂层在炊具上的应用

Info

Publication number: WO2019014976A1
Application number: PCT/CN2017/095993
Authority: WO
Inventors: 伍尚华; 刘炳耀; 欧剑华
Original assignee: 广东工业大学; 广东万事泰集团有限公司
Priority date: 2017-07-20
Filing date: 2017-08-04
Publication date: 2019-01-24
Also published as: CN107307745A

Abstract

提供了聚硅氮烷作为涂层在炊具上的应用，将聚硅氮烷涂覆在炊具的内表面和/或外表面上，作为不粘涂层、疏水疏油涂层、耐划痕涂层、耐高温涂层和耐污涂层中的一种或多种。形成的聚硅氮烷涂层是透明的，因此涂覆后的炊具不仅具有美观性、安全性还具有优异的性能，其还具有极强的耐热性，最高耐热温度可达1800℃，使用过程安全；具有超高硬度，硬度可达9H+，耐划痕、防污能力强，易清洗，和优异的防腐蚀性能；涂覆后的锅盖具有疏水性和疏油性，能更好地观察锅内食物的烹饪情况；将聚硅氮烷应用于炊具上的方法简单易操作，可以省略常规涂覆方法的打砂工序，提高了生产效率，也减少了由打砂工序带来的环境污染问题和噪音问题。

Description

聚硅氮烷作为涂层在炊具上的应用

技术领域

本发明属于聚硅氮烷在炊具上的应用领域，具体涉及将聚硅氮烷应用在炊具的内表面和/或外表面上，作为不粘涂层、疏水疏油涂层、耐划痕涂层、耐高温涂层和耐污涂层中的一种或多种。

背景技术

铸铁、不锈钢等金属材料的锅是生活中常用的烹饪工具，但在使用过程中容易出现粘锅和烧焦等现象，这不仅会影响所烹饪的食物的味道，而且还会产生一些对人体健康不利的物质，粘在锅具上的食物也给锅具的清洗带来了很大的不便。

市场上，常见的不粘锅涂层采用的材料是聚四氟乙烯，但聚四氟乙烯的强度不够，容易剥落和损坏，因此在烹饪过程不建议使用铁铲烹饪，但即便不使用铁铲烹饪，在使用一段时间后，聚四氟乙烯涂层也容易剥落和损坏，这大大影响了锅具的使用寿命。此外，聚四氟乙烯的耐热性能差，一般使用温度不能超过250℃，经过使用一段时间，聚四氟乙烯涂层容易因为高温而损坏。此外，聚四氟乙烯含有氟，氟在不粘锅使用过程中是否会对人体健康存在隐患，也有一些争议。

也有一些不粘锅涂层是不含氟的，但是这些不含氟的不粘锅涂层没有能真正解决不粘的问题。因此不管含氟的不粘锅涂层还是不含氟的不粘锅涂层，都没有能真正解决不粘和安全性的问题。但申请人意外发现聚硅氮烷这种新材料可以解决这些问题，将聚硅氮烷涂覆于锅具上，可以使锅具具有不粘的性能，且聚硅氮烷也具有耐高温性、耐划痕，不会脱落等性能，真正解决锅具的不粘和安全性的问题。

此外，厨房中会产生一些油烟，放在厨房中的炊具容易落上油烟，而这些油烟清洗也比较困难，会产生比较繁重的清洁工作。申请人意外发现将聚硅氮烷这种新材料涂覆于炊具的表面可以提高炊具的耐污性，大大减少厨房的清洁工作。

虽然也有将聚硅氮烷作为涂料的各种相关报道，但一般是将聚硅氮烷作为陶瓷涂料、耐热涂料等，还没有发现有关于聚硅氮烷作为不粘材料的报道，也没有发现将聚硅氮烷作为不粘锅材料涂覆于不粘锅上的报道。

因此，申请人意外发现了聚硅氮烷的这种性能，并首次提出了聚硅氮烷在炊具中的应用，特别是聚硅氮烷在不粘锅中的应用，赋予炊具不粘、疏水疏、耐刮痕和耐污性能，大大提高了炊具的使用寿命和自清洁能力，为不粘锅的不粘涂层提供了一种新的材料。

发明内容

本发明提供了聚硅氮烷的应用，特别是聚硅氮烷在不粘锅中的应用，将聚硅氮烷涂覆于不粘锅上作为不粘涂层，能使不粘锅真正实现不粘的性能，同时还保证了使用过程的安全性；将该聚硅氮烷作为涂层应用在其它炊具上，还可以作为疏水疏油涂层、耐划痕涂层、耐高温涂层和耐污涂层等，赋予炊具疏水疏、耐刮痕和耐污等性能。

本发明采用的技术方案是：一种聚硅氮烷的应用，将所述聚硅氮烷作为涂层应用在炊具上，特别是，将所述聚硅氮烷作为不粘涂层应用在锅体上和将聚硅氮烷作为疏水疏油涂层应用在锅盖上。

作为优选地，所述炊具包括锅体、锅盖、锅铲、勺子、煤气灶、刀具和刀架等。炊具可以包括厨房中使用的各种炊具，比如各种锅体和锅盖，例如电饭锅的锅体和锅盖、高压锅的锅体和锅盖、煎锅、炒锅等、各种铲子和勺子，例如漏勺、汤勺、饭勺等；刀具和刀架，例如水果刀、菜刀等常用的刀具。

采用聚硅氮烷涂覆于锅体上，使在锅体上形成不粘涂层，可以使锅体具有不粘的性能，提高了锅体使用时的安全性和方便性，还可以使锅体具有耐热温度高、强度高、耐划痕、高附着力的特点，大大提高了锅体的质量和使用寿命。

将聚硅氮烷涂覆于锅盖上，在锅盖上形成疏水疏油涂层，可以使烹饪过程中形成的水蒸气向四周散去，能更好地观察锅内食物的烹饪情况。

将聚硅氮烷涂覆于其它炊具上，可以使炊具表面形成聚硅氮烷涂层，从而赋予炊具疏水疏油、耐刮痕和耐污等性能，提高了炊具的耐刮性能和自清洁能力。

作为优选地，炊具的材质为玻璃、不锈钢、铝合金或铸铁。聚硅氮烷可以涂覆于常见的各种炊具上，炊具材料优选为玻璃、不锈钢、铝合金和铸铁，但是本领域技术人员可以根据实际，将聚硅氮烷涂覆于各种材料的炊具的表面，赋予炊具全新的性能。

作为优选地，所述聚硅氮烷应用在炊具上作为不粘涂层、疏水疏油涂层、耐划痕涂层、耐高温涂层和耐污涂层中的一种或多种。

可以将聚硅氮烷涂覆于炊具中作为各种涂层，赋予炊具各种优异的性能，提高炊具的质量，

作为优选地，聚硅氮烷涂层的厚度为20-60um。聚硅氮烷涂层可以根据实际需要进行调整，例如，聚硅氮烷涂层的厚度可以为20-50um，聚硅氮烷涂层的厚度可以为20-40um，聚硅氮烷涂层的厚度可以为30-50um，聚硅氮烷涂层的厚度可以为20-40um。

本发明还提供了聚硅氮烷在炊具上的应用方法，包括以下步骤：

1)清洗：将炊具清洗，然后烘干；

2)涂覆：将聚硅氮烷涂覆在清洗后的炊具的表面上；

3)固化：将涂覆后的炊具固化，然后在炊具表面上形成涂层。

作为优选地，在清洗步骤前还包括抛光步骤，用于将炊具表面抛光，使炊具表面光滑平整。

由于聚硅氮烷具有很强的附着力，不要求炊具的内表面具有一定的粗糙度才可以涂覆上去，因此可以省略了常规涂覆方法中的打砂工序，既可以减少劳动力以进一步提高生产效率，也可以减少由打砂工序带来的环境污染问题。

在清洗步骤前还可以包括抛光步骤，本领域技术人员可以根据需要，在清洗步骤前加入抛光步骤，用于将炊具表面抛光，使炊具表面光滑平整，使锅具更加美观。

作为优选地，步骤3)中，涂覆聚硅氮烷时，采用的涂覆方式包括喷涂、擦涂、振涂和滚涂。

作为优选地，步骤4)中，固化的方式包括自然固化和烧结固化。本领域技术人员可以根据实际的需要，例如固化的时间和炊具的材料，选择合适的固化方式。例如，锅盖是玻璃锅盖时，采用的涂覆方法中的固化步骤可以为自然固化的方式，这时涂覆的方法简述如下：将玻璃锅盖清洗干净并干燥，将聚硅氮烷涂覆于玻璃锅盖上，将其放在常温下固化，即可形成带有涂覆聚硅氮烷涂层的锅盖。

作为优选地，步骤4)中，自然固化的温度是20-35℃，时间是36-60h；烧结固化的温度为100-450℃，烧结固化的时间为10-120min。

优选的，自然固化在常温下进行，自然固化的时间为48h；烧结固化的温度为100-150℃，时间为1-2h；烧结固化的温度为150-200℃，时间为40-60min；烧结固化的温度为250-300℃，时间为20-30min；烧结固化的温度为300-400℃，时间为15-20min；烧结固化的温度为400-450℃，时间为10-15min。

涂覆是一个重要的处理过程，所以要求喷涂车间必须是一个无尘车间，涂覆在锅具上的涂料必须均匀，从而赋予锅具良好的性能。在本申请中，喷涂的涂料为聚硅氮烷(polysilazane)液体树脂，聚硅氮烷是由硅和氮原子交替形成基本骨架的聚合物，其对陶瓷、金属、玻璃和大部分有机材料都具有优异的附着力，具有超高的硬度和极强的耐热性。因此，喷涂了聚硅氮烷涂层的锅体具有耐热温度高、强度高、耐划痕、高附着力等优点，同时还具备不粘的性能，提高了使用过程的方便性和安全性。

此外，涂覆聚硅氮烷后的锅具的涂层是透明、平整的，不仅美观且性能优异。由于常规的不粘锅的不粘涂层是黑色的，而本申请中，涂覆上的覆聚硅氮烷涂层是透明的，不仅具备不粘的性能，而且美观平整，能清楚看到锅具的金属光泽，提供了一种美观性和安全性。

特别地，本发明提出将聚硅氮烷应用于不粘锅上，由于聚硅氮烷具有不粘、耐热温度高、强度高、耐划痕、高附着力等优点，将其涂覆于锅体中，可以赋予锅体不粘、耐划痕等性能。而将聚硅氮烷涂覆于锅盖内表面，由于聚硅氮烷具有疏水性和疏油性，可以使烹饪过程中形成的水蒸气向四周散去，能更好地观察锅内食物的烹饪情况。因此，在实际生产中，可根据需要将聚硅氮烷涂覆于锅体和/和锅盖上。

本发明将聚硅氮烷应用于炊具上，所述聚硅氮烷具有以下结构式：

[R1R2Si-NR3]_n，

其中，R1、R2和R3可以相同或不同，可以是氢、烷基、芳基或乙烯基；所述烷基可以为甲基、乙基、丙基、异丙基、正丁基、异丙基、正丁基或仲丁基；所述芳基是苯基或邻甲苯基。n是使聚硅氮烷的平均分子量为300至80000g/mol的值，更优选的，n是使聚硅氮烷的平均分子量为1000至30000g/mol的值。

优选的，所述聚硅氮烷是全氢聚硅氮烷。

聚硅氮烷是一类主链以Si-N键为重复单元的无机聚合物。聚硅氮烷具有超高硬度，硬度可达9H+，具有极强的耐热性，最高耐热温度可达1800℃，当聚硅氮烷加热至最低450℃时，聚合物将最终转化为无机陶瓷(SiOx)，无机陶瓷具有极高的硬度(9H)和超高的耐热性(最高耐温达1800℃)。聚硅氮烷对陶瓷、金属、玻璃和大部分有机材料都有优异的附着力，当聚硅氮烷用作涂料时，可制成具有低表面能，可用作防污易清洗、易脱模的涂料。此外，聚硅氮烷也具有优异的耐腐蚀性能，按照ISO7253，涂布有机聚硅氮烷涂料的铝材经过2400小时盐雾测试仍无腐蚀，按照ISO 6270，涂布有机聚硅氮烷涂料的钢材经过2400小时冷凝水候测试仍无腐蚀。

当有机聚硅氮烷被加热至最低450℃时，聚合物将最终转化为无机陶瓷SiOx。无机陶瓷具有极高的硬度(9H+)和超高耐热性(1800℃)。因此聚硅氮烷广泛用于清漆配方中，发挥其出色的耐候、耐紫外光、防腐蚀、耐脏污、耐刮擦和耐热等特性。

有机聚硅氮烷材料在众多应用领域都可以媲美涂料行业使用的传统成膜，并在某些领域有着显著的性能优势。有机聚硅氮烷应用的涂层系统，显示出优良的性能、更长的使用寿命和对底材的优异附着力。

聚硅氮烷的应用具有优异的性能，其可以应用于各个领域，例如：1)工业涂料；2)粘结剂，用作陶瓷、金属、玻璃、有机材料的粘结剂；3)用作陶瓷前聚体，如陶瓷粘结剂、陶瓷基复合材料、金属基复合材料和陶瓷纤维；4)复合材料与涂料，如聚氨酯、有机硅、环氧和丙烯酸。

聚硅氮烷可以分为有机聚硅氮烷(OPSZ)和无机聚硅氮烷(PHPS)，当硅原子与烃类取代基连结时，则称为有机聚硅氮烷；当所有取代基均为氢原子，则聚合物称为无机聚硅氮烷(PHPS)。本发明既可以采用有机聚硅氮烷(OPSZ)，也可以采用无机聚硅氮烷(PHPS)，可根据所需要的涂层的具体选择，选取不同种类的聚硅氮烷。其中，有机聚硅氮烷与无机聚硅氮烷的主要性能对比如下表所示：

本发明的有益效果是：本发明提出了将聚硅氮烷作为涂层应用在炊具上，由于涂覆的聚硅氮烷具有优异的性能，因此涂覆后的锅体具有极强的耐热性，最高耐热温度可达1800℃，使用过程安全；具有超高硬度，硬度可达9H+，耐划痕，因此可避免使用铁铲烹饪时而留下划痕；具有优异的附着力，锅体在长时间使用后，也不会造成涂层的剥离与脱落，大大延长了锅体的使用寿命；涂覆后的锅体防污能力强，具有优异的自清洁能力，易清洗，还具有优异的防腐蚀性能，经过2400小时盐雾测试无腐蚀现象产生，经过2400小时冷凝水候测试也无腐蚀现象产生；涂覆后的聚硅氮烷涂层是透明的，因此涂覆后的锅体不仅具有美观性、安全性还具有优异的性能；涂覆后的锅盖具有疏水性和疏油性，可以使烹饪过程中形成的水蒸气向四周散去，能更好地观察锅内食物的烹饪情况；将聚硅氮烷涂覆于其它炊具上，可以赋予炊具疏水疏、耐刮痕和耐污等性能，提高了炊具的耐刮性能和自清洁能力；将聚硅氮烷应用于炊具上的方法简单易操作，可以省略常规涂覆方法的打砂工序，既可以减少劳动力以进一步提高生产效率，也可以减少了由打砂工序带来的环境污染问题和噪音问题。

具体实施方式

本发明采用的聚硅氮烷的可以是由默克公司(Merck)或安智公司提供的聚硅氮烷。

实施例1

本实施例为将聚硅氮烷应用在不锈钢锅体上。

将聚硅氮烷作为不粘锅涂层应用在不锈钢锅体上，将聚硅氮烷应用在锅体的方法包括以下步骤：

1)抛光：将不锈钢锅体内表面抛光，使其内表面光滑平整；

2)清洗：用纯净水或去离子水将不锈钢锅体清洗，然后烘干；

2)涂覆：将聚硅氮烷喷涂在清洗后的不锈钢锅体的内表面上，喷涂的涂层厚度为20um；

3)固化：将喷涂后的不锈钢锅体置于温度为100℃的高温炉中烧结2h，从而在不锈钢锅体内表面上形成不粘锅涂层。

实施例2

本实施例为将聚硅氮烷应用在铝合金锅体上。

将聚硅氮烷作为不粘锅涂层应用在铝合金锅体上，将聚硅氮烷应用在锅体的方法包括以下步骤：

1)抛光：将铝合金锅体内表面抛光，使其内表面光滑平整；

2)清洗：用纯净水或去离子水将铝合金锅体清洗，然后烘干；

3)涂覆：将聚硅氮烷擦涂在清洗后的铝合金锅体内表面上，涂层厚度为25um；

4)固化：将擦涂聚硅氮烷后的铝合金锅体置于常温25℃下，固化48h，从而在铝合金锅体内表面上形成不粘锅涂层。

实施例3

本实施例为将聚硅氮烷应用在铸铁锅体上。

将聚硅氮烷作为不粘锅涂层应用在铸铁锅体上，将聚硅氮烷应用在锅体的方法包括以下步骤：

1)抛光：将铸铁锅体内表面抛光，使其内表面光滑平整；

2)清洗：用纯净水或去离子水将铸铁锅体清洗，然后烘干；

3)涂覆：将聚硅氮烷振涂在清洗后的铸铁锅体内表面上，涂层厚度为30um；

4)固化：将擦涂聚硅氮烷后的铸铁锅体置于温度为180℃的高温炉中烧结40min，从而在铸铁锅体内表面上形成不粘锅涂层。

实施例4

本实施例为将聚硅氮烷应用在不锈钢锅体上。

1)抛光：将不锈钢锅体内表面抛光，使其内表面光滑平整；

3)涂覆：将聚硅氮烷滚涂在清洗后的不锈钢锅体内表面上，涂层厚度为40um；

4)固化：将滚涂聚硅氮烷后的不锈钢锅体置于温度为250℃的高温炉中烧结25min，从而在不锈钢锅体内表面上形成不粘锅涂层。

实施例5

本实施例为将聚硅氮烷应用在铝合金锅体上。

1)抛光：将铝合金锅体内表面抛光，使其内表面光滑平整；

3)涂覆：将聚硅氮烷滚涂在清洗后的铝合金锅体内表面上，涂层厚度为50um；

4)固化：将滚涂聚硅氮烷后的铝合金锅体置于温度为350℃的高温炉中烧结15min，从而在铝合金锅体内表面上形成不粘锅涂层。

实施例6

本实施例为将聚硅氮烷应用在玻璃锅盖上。

将聚硅氮烷作为疏水疏油涂层应用在玻璃锅盖上，将聚硅氮烷应用在玻璃锅盖的方法包括以下步骤：

1)抛光：将玻璃锅盖内表面抛光，使其内表面光滑平整；

2)清洗：用纯净水或去离子水将玻璃锅盖清洗，然后烘干；

3)涂覆：将聚硅氮烷喷涂在清洗后的玻璃锅盖表面上，喷涂的涂层厚度为20um；

4)固化：将喷涂聚硅氮烷后的锅盖放置在常温下自然固化60h，从而在玻璃锅盖内表面上形成疏水疏油涂层。

实施例7

本实施例为将聚硅氮烷应用在锅铲上。

将聚硅氮烷应用在锅铲的方法包括以下步骤：

1)抛光：将锅铲表面抛光，使其表面光滑平整；

2)清洗：用纯净水或去离子水将锅铲清洗，然后烘干；

3)涂覆：将聚硅氮烷喷涂在清洗后的锅铲表面上，喷涂的涂层厚度为30um；

4)固化：将喷涂聚硅氮烷后的锅铲放置在常温下自然固化60h或放置在温度为350℃的高温炉中烧结15min，从而在锅铲内表面上形成聚硅氮烷涂层。

该聚硅氮烷涂层具有疏水疏油涂、耐划痕、不粘等性能。

实施例8

本实施例为将聚硅氮烷应用在勺子上。

将聚硅氮烷应用在勺子上的方法与实施例7的方法相同。

形成聚硅氮烷涂层具有疏水疏油涂、耐划痕、自清洁等性能。

实施例9

本实施例为将聚硅氮烷应用在煤气灶上。

将聚硅氮烷应用在煤气灶上的方法与实施例7的方法相同。

实施例10

本实施例为涂覆有聚硅氮烷的不粘锅的使用效果。

将本发明生产的涂覆有聚硅氮烷的不粘锅，分配给150个家庭作为使用体验，150个家庭分别使用该不粘锅进行各种烹饪，使用后，发现烹饪过程没有粘锅的现象发生，能保持烹饪的食物的良好风味，且使用1年后，该聚硅氮烷涂层没有脱落、刮痕的现象发生。

采用实施例1-5的方法涂覆的锅体不仅具有不粘的性能，涂覆的锅体还有耐热温度高、

强度高、耐划痕、自清洁能力、高附着力的特点，大大延长锅体的使用性能和使用寿命，实施例制备的锅盖具有疏水性和疏油性，便于观察锅内食物的烹饪情况。实施例7-9制备的各种炊具具有疏水疏油涂、耐划痕、自清洁等优异的性能。生产的各类锅具均能符合LGA测试、EN_12938干烧测试、LFGB测试、FDA测试和盐雾测试规定的结果。

将实施例1-5制备的涂覆有聚硅氮烷的锅具进行性能检测，所得结果如下表所示。

Claims

一种聚硅氮烷的应用，其特征在于，将所述聚硅氮烷作为涂层应用在炊具上。
根据权利要求1所述的聚硅氮烷的应用，其特征在于，所述炊具包括锅体、锅盖、锅铲、勺子、煤气灶、刀具和刀架。
根据权利要求1所述的聚硅氮烷的应用，其特征在于，炊具的材质为玻璃、不锈钢、铝合金或铸铁。
根据权利要求1所述的聚硅氮烷的应用，其特征在于，所述聚硅氮烷应用在炊具作为不粘涂层、疏水疏油涂层、耐划痕涂层、耐高温涂层和耐污涂层中的一种或多种。
根据权利要求1所述的聚硅氮烷的应用，其特征在于，聚硅氮烷涂层的厚度为20-60um。
聚硅氮烷在炊具上的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)清洗：将炊具清洗，然后烘干；

2)涂覆：将聚硅氮烷涂覆在清洗后的炊具的表面上；

3)固化：将涂覆后的炊具固化，然后在炊具表面上形成涂层。
根据权利要求6所述的应用方法，其特征在于，在清洗步骤前还包括抛光步骤，用于将炊具表面抛光，使炊具表面光滑平整。
根据权利要求6所述的应用方法，其特征在于，步骤3)中，涂覆聚硅氮烷时，采用的涂覆方式包括喷涂、擦涂、振涂和滚涂。
根据权利要求6所述的应用方法，其特征在于，步骤4)中，固化的方式包括自然固化和烧结固化。
根据权利要求9所述的应用方法，其特征在于，步骤4)中，自然固化的温度是20-35℃，时间是36-60h；烧结固化的温度为100-450℃，烧结固化的时间为10-120min。