CN103964690B - 一种用作搪瓷材料的组合物及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用作搪瓷材料的组合物，所述组合物包括氧化硅、氧化铝、氧化硼、氧化钙、氧化钴、氧化钛、氧化锆、碱性氧化物。所述组合物不含铅、氟，安全性高，以该组合物制成的搪瓷材料表面光滑、致密，不易结水垢，耐酸碱性强，且该搪瓷材料的收缩率与金属的金属收缩率几乎完全一致，特别是和不锈钢的收缩率几乎完全一致，可以防止因为急剧的收缩膨胀而使金属表面的搪瓷涂层产生裂纹。本发明还涉及该组合物的用途，用于将所述组合物搪瓷到金属基材的表面。

Description

一种用作搪瓷材料的组合物及其用途

技术领域

本发明属于搪瓷材料领域，具体涉及一种用作搪瓷材料的组合物及其用途。

背景技术

在金属表面进行瓷釉涂搪可以防止金属生锈，使金属在受热时不至于在表面形成氧化层并且能抵抗各种液体的侵蚀。搪瓷制品不仅安全无毒，易于洗涤洁净，可以广泛地用作日常生活中使用的饮食器具和洗涤用具以及家用电器上，而且在特定的条件下，瓷釉涂搪在金属坯体上表现出的硬度高、耐高温、耐磨以及绝缘作用等优良性能，使搪瓷制品有了更加广泛的用途。

金属管状加热元件是目前所有电热元件中应用广泛、结构简单、性能可靠、使用寿命长的一种密封式电热元件。早在三十年代，有英国霍特波因特公司就将金属管状加热元件应用于家用电器上。目前，电热管在国内、外已广泛应用于注塑行业、化工行业、辅助供暖等工业和家用电烤炉、立式空调等电器上。

现在的金属管状加热元件有很多种，结构上五花八门，但是共同的特点都是使用金属管状材料作为加热元件的外壳，因为和加热介质直接接触，所以外壳容易发生结水垢、腐蚀等情况，导致加热元件时效，个别厂家在加热元件表面使用一些普通搪瓷材料，但是材料表面容易凹凸不平，固化过程容易产生起泡，并且在长时间热胀冷缩的作用下易产生裂纹，效果不甚理想。

CN1878734A公开了一种用于加热元件搪瓷层中的搪瓷组合物，包含0-10质量%的V₂O₅、0-10质量%的PbO、5-13质量%的B₂O₃、33-53质量%的SiO₂、5-15质量%的Al₂O₃和20-30质量%的CaO；另外,该发明还包括包含此组合件的加热元件。该搪瓷组合物使得电热元件可以具有改良的耐久性和增强的安全性。

上述专利以及现有技术中提供的用于搪瓷材料组合物，或者使金属加热元件具有良好的热效率，或者使金属加热元件具有较好的耐腐蚀性能，但其仍然存在或者结水垢、或者在长时间热胀冷缩的作用下易产生裂纹等问题，为了获得一种综合性能更佳的搪瓷材料组合物，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用作搪瓷材料的组合物，该组合物不含铅、氟，安全性高，以该组合物制成的搪瓷材料表面光滑、致密，不易结水垢，耐酸碱性强，且该搪瓷材料的收缩率与金属的的金属收缩率几乎完全一致，特别是和不锈钢的收缩率几乎完全一致，可以防止因为急剧的收缩膨胀而使金属表面的搪瓷涂层产生裂纹。

为了实现本发明的目的，特采用以下技术方案：

一种用作搪瓷材料的组合物，所述组合物包括氧化硅、氧化铝、氧化硼、氧化钙、氧化钴、氧化钛、氧化锆、碱性氧化物。

本发明提供的用作搪瓷材料的组合物不含铅、氟，安全性高，以该组合物经涂搪工艺在金属表面制得的搪瓷涂层，其表面光滑，硬度高，表面不易存留杂质，不易结水垢，且结构致密，无缺陷，可以有效抵挡点腐蚀，另外，该搪瓷涂层与金属的收缩率几乎完全一致，特别是和不锈钢的收缩率几乎完全一致，可以避免因为急剧的收缩膨胀而使覆在金属表面的搪瓷涂层产生裂纹。进一步地，以该组合物通过涂搪工艺制成的带有涂层的金属加热元件，可以极大地提高了加热元件的使用寿命。

按质量百分含量计，所述组合物中氧化硅的含量为28~48%、氧化铝的含量为3~13%、氧化硼的含量为30~44%、氧化钙的含量为2~5%、氧化钴的含量为2~6%、氧化钛的含量为2~8%、氧化锆的含量为1~5%、碱性氧化物的含量为1~5%。

本发明提供的用作搪瓷材料的组合物中，以氧化硅和氧化硼为主要组分，二者均为良好的耐酸组分，当氧化硅的含量为28~48%、氧化硼的含量为30~44%时，制得的搪瓷不仅具有较好的耐酸性，且其耐碱性能不会大幅下降，还能提高搪瓷的抗冲击强度和耐温急变性。另外，氧化硼还能显著降低表面张力，改善密着性，提高搪瓷的表面光泽。

氧化钛、氧化锆、氧化钙、氧化钴是既耐酸又耐碱的组份，当氧化钙的含量为2~5%、氧化钴的含量为2~6%、氧化钛的含量为2~8%、氧化锆的含量为1~5%时，搪瓷具有非常好的耐酸碱性，特别是氧化锆与氧化钛，能使搪瓷表面形成耐酸碱的保护膜，极大地提高了搪瓷的耐腐蚀性。当氧化铝的含量为3~13%时，可形成致密的微晶搪瓷结构，使得搪瓷具有较好的化学稳定性和较高的机械强度。碱性氧化物的作用是调节膨胀系数和助溶剂，但碱性氧化物既不耐酸又不耐碱，本发明中碱性氧化物的含量较低，在不影响搪瓷的耐酸碱性的同时，兼顾其调节膨胀系数和助溶剂的作用。

发明人意外地发现，以上述组成和含量的组合物混合后在金属表面制成的搪瓷涂层，其热收缩率与金属的热收缩率几乎完全一致，特别是和不锈钢的收缩率几乎完全一致，将该组合物搪瓷在金属材料的表面，可以避免在加热过程中因为急剧地收缩膨胀而使覆在金属表面的涂层产生裂纹，延长带涂层的金属材料在冷热环境中的使用寿命，特别是将该组合物搪瓷在金属加热元件的表面，将极大地提高该金属加热元件的使用寿命。

优选的，按质量百分含量计，所述组合物中氧化硅的含量为32~44%、氧化铝的含量为5~10%、氧化硼的含量为34~40%、氧化钙的含量为2~5%、氧化钴的含量为2~6%、氧化钛的含量为2~8%、氧化锆的含量为1~5%、碱性氧化物的含量为1~5%。

所述碱性氧化物包括氧化钠、氧化钾、氧化锂、氧化钙、氧化镁中的一种或多种。

优选的，所述碱性氧化物为氧化钠、氧化钾、氧化锂的混合物。

碱性氧化物的作用是调节膨胀系数和助溶剂，但碱性氧化物既不耐酸又不耐碱，同时在组合物中引入氧化钠、氧化钾和氧化锂，制备的搪瓷的耐酸碱性最好。

优选的，所述组合物还包括过渡金属；所述过渡金属的含量为1~2%。本发明在组合物的各组分中进步一加入过渡金属，以增强组合物的抗菌、抑菌、杀菌、抗病毒等效果

更优选的，所述过渡金属包括银、铜、镍、铌中的一种或多种。银、铜、镍、铌在与组合物中的其它组分按照一定比例经过涂搪工艺形成的具有特定金相结构的微晶搪瓷，能极大地增强了该搪瓷抗菌、抑菌、杀菌、抗病毒的效果。

一种前面所述的组合物的用途，用于将所述的组合物搪瓷到金属基材的表面。

所述金属基材包括金属加热元件、金属饮食器具、金属洗涤用具、家用电器的金属外壳。

本发明的组合物可参照现有技术的涂搪工艺搪瓷在金属的表面，但优选的，采用以下工艺：

（1）将组合物的各组分按照处方量混合，加热至熔融态，冷却，磨粉；

（2）通过干法或湿法涂搪；

（3）加热至800~900℃，保温10~20分钟；

（4）冷却至室温。

本发明在金属的表面涂搪之前，先将组合物中的各组分加热熔融并冷却磨粉，一是有利于各组分能更充分地混合均匀，二是在涂搪工艺前已使各组分按照一定的规律排列分布，形成微晶金相结构，然后再进行涂搪工艺，得到的涂层硬度高，结构致密，各项性能均得到了提高。

所述步骤（2）中的干法或湿法涂搪均可参照现有技术的干法涂搪工艺或湿法涂搪工艺，本领域技术人员无需付出创造性的劳动。

湿法涂搪工艺主要有喷涂、浸涂和滚动涂搪等方法。通过使金属在三维空间内转动，使其所有表面都涂上釉浆，多余的残渣和液体都必须清除掉，以保证金属表面只覆盖着一层薄薄的、均匀的和连续的釉浆。

干法涂搪工艺则以静电喷涂为主。静电喷涂与湿法系统相比，它降低了成本，节约了能量，材料利用率可达到97%。此外，它还减少了对环境的污染。本发明中，优选采用静电喷涂法。

涂搪后进行搪烧，当温度升高到700℃左右时，各组分开始融化并形成瓷层，温度继续升高，本发明中搪烧温度保持在830-860℃之间，时间为10-20分钟，在此条件下，金属的表面形成了一层硬质的涂层，结构致密。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）本发明提供的用作搪瓷材料的组合物不含铅、氟，安全环保，另外，以该组合物制得的搪瓷材料的表面光滑，硬度高，表面不易存留杂质，不易结水垢，且结构致密，无缺陷，可以有效抵挡点腐蚀。

（2）搪瓷涂层与金属的收缩率几乎完全一致，特别是和不锈钢的收缩率几乎完全一致，将该组合物搪瓷在金属材料的表面，可以避免在加热过程中因为收缩膨胀而使覆在金属表面的搪瓷涂层产生裂纹，延长带涂层的金属材料在冷热环境中的使用寿命。

（3）本发明提供的组合物还具有非常强的抗菌、抑菌、杀菌、抗病毒等作用。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的发明内容做进一步说明，但并不因此而限定本发明的内容。

实施例1

将各组分按以下质量百分含量混合：氧化硅的含量为28%、氧化铝的含量为13%、氧化硼的含量为44%、氧化钙的含量为2%、氧化钴的含量为2%、氧化钛的含量为5%、氧化锆的含量为1%、氧化钠的含量为5%；再加热至熔融态，冷却，磨粉。

通过湿法喷涂，在不锈钢加热元件表面覆盖着一层薄薄的、均匀的和连续的涂层，加热至900℃，保温20分钟；冷却至室温，即得。该搪瓷涂层的厚度为100μm。

实施例2

将各组分按以下质量百分含量混合：氧化硅的含量为48%、氧化铝的含量为3%、氧化硼的含量为30%、氧化钙的含量为2%、氧化钴的含量为3%、氧化钛的含量为8%、氧化锆的含量为5%、氧化钙的含量为1%；再加热至熔融态，冷却，磨粉。

通过静电喷涂，在不锈钢加热元件表面涂搪涂层，加热至800℃，保温10分钟；冷却至室温，即得。该搪瓷涂层的厚度为10μm。

实施例3

将各组分按以下质量百分含量混合：氧化硅的含量为32%、氧化铝的含量为10%、氧化硼的含量为40%、氧化钙的含量为5%、氧化钴的含量为6%、氧化钛的含量为2%、氧化锆的含量为2%、氧化钾的含量为3%；再加热至熔融态，冷却，磨粉。

通过静电喷涂，在不锈钢加热元件表面涂搪涂层，加热至840℃，保温15分钟；冷却至室温，即得。该搪瓷涂层的厚度为50μm。

实施例4

将各组分按以下质量百分含量混合：氧化硅的含量为44%、氧化铝的含量为5%、氧化硼的含量为34%、氧化钙的含量为3%、氧化钴的含量为3%、氧化钛的含量为6%、氧化锆的含量为2%、氧化锂的含量为3%；再加热至熔融态，冷却，磨粉。

通过静电喷涂，在不锈钢加热元件表面涂搪涂层，加热至850℃，保温10分钟；冷却至室温，即得。该搪瓷涂层的厚度为350μm。

实施例5

将各组分按以下质量百分含量混合：氧化硅的含量为28%、氧化铝的含量为13%、氧化硼的含量为44%、氧化钙的含量为5%、氧化钴的含量为4%、氧化钛的含量为2%、氧化锆的含量为1%、氧化钠的含量为1%、镍的含量为2%；再加热至熔融态，冷却，磨粉。

通过静电喷涂，在不锈钢杯子表面涂搪涂层，加热至860℃，保温10分钟；冷却至室温，即得。该搪瓷涂层的厚度为500μm。

实施例6

将各组分按以下质量百分含量混合：氧化硅的含量为48%、氧化铝的含量为3%、氧化硼的含量为30%、氧化钙的含量为2%、氧化钴的含量为2%、氧化钛的含量为8%、氧化锆的含量为5%、氧化钾的含量为1%、铜的含量为1%；再加热至熔融态，冷却，磨粉。

通过静电喷涂，在不锈钢加热元件表面涂搪涂层，加热至845℃，保温12分钟；冷却至室温，即得。该搪瓷涂层的厚度为40μm。

实施例7

将各组分按以下质量百分含量混合：氧化硅的含量为32%、氧化铝的含量为10%、氧化硼的含量为40%、氧化钙的含量为2%、氧化钴的含量为6%、氧化钛的含量为2%、氧化锆的含量为1%、氧化钠的含量为5%、银的含量为1%、铌的含量为1%；再加热至熔融态，冷却，磨粉。

通过静电喷涂，在不锈钢加热元件表面涂搪涂层，加热至845℃，保温12分钟；冷却至室温，即得。该搪瓷涂层的厚度为40μm。

实验例1

本实验例测试了以本发明提供的组合物在金属加热元件表面制成的搪瓷涂层在经过高温后的各项性能。

1、高温试验

将带有涂层的加热元件通电加热，使其表面温度逐渐升高至1500℃，取出，再自然冷却至室温，重复50次，观察其外观的变化，结果见表1。

表1

2、持久性试验

将带有涂层的加热元件放入水浴中通电加热，进行3000次循环冷热冲击试验后，观察其外观的变化，结果见表2。

表2

3、除菌效果

将待测的带有涂层的加热元件各放入1L水浴中，通电加热至沸腾，自来水的总硬度（以CaCO₃计）为480mg/L，细菌总数128个，检测结果见表3。

表3

上述试验结果表明，本发明提供的带有涂层的加热元件的表面光滑，硬度高，结构致密，可以有效抵挡点腐蚀，无缺陷，表面不易存留杂质，不易结水垢，涂层的收缩率与金属加热元件的收缩率几乎一直，可以防止加热过程中因为收缩膨胀而产生裂纹，使用寿命长，并且，本发明提供的带有涂层的加热元件还具有非常好的抗菌、抑菌、杀菌、抗病毒作用。

本发明还对其它实施例提供的带有涂层的加热元件也进行了上述试验，获得了相似的结果，由于篇幅有限，在此不再一一赘述。

Claims (8)

1.一种用作搪瓷材料的组合物，其特征在于，按质量百分含量计，所述组合物包括含量为32～44％的氧化硅、含量为5～10％的氧化铝、含量为34～40％的氧化硼、含量为2～5％氧化钙、含量为2～6％的氧化钴、含量为2～8％的氧化钛、含量为1～5％的氧化锆、含量为1～5％的碱性氧化物。

2.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述碱性氧化物包括氧化钠、氧化钾、氧化锂、氧化钙、氧化镁中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的组合物，其特征在于，所述碱性氧化物为氧化钠、氧化钾、氧化锂的混合。

4.根据权利要求1-3任一项所述的组合物，其特征在于，所述组合物还包括过渡金属。

5.根据权利要求4所述的组合物，其特征在于，所述过渡金属包括银、铜、镍、铌中的一种或多种。

6.根据权利要求4所述的组合物，其特征在于，所述过渡金属的含量为1～2％。

7.一种权利要求1-6任一项所述的组合物的用途，其特征在于，用于将所述的组合物搪瓷到金属基材的表面。

8.根据权利要求7所述的用途，其特征在于，所述金属基材包括金属加热元件、金属饮食器具、金属洗涤用具、家用电器的金属外壳。