CN104395500A

CN104395500A - 低摩擦、抗磨损、易清洗的复合式熨斗底板

Info

Publication number: CN104395500A
Application number: CN201280072942.XA
Authority: CN
Inventors: 比瑟姆·塔欣奥格鲁
Original assignee: Eksen Makine Sanayi ve Ticaret AS
Current assignee: Eksen Makine Sanayi ve Ticaret AS
Priority date: 2012-05-03
Filing date: 2012-05-03
Publication date: 2015-03-04
Also published as: EP2844785A1; WO2013164028A1; US9534342B2; EA024518B1; EA024518B9; US20150135563A1; EP2844785B1; EA201492012A1

Abstract

本发明涉及一种利用溶胶-凝胶工艺涂覆的复合式熨斗底板，具有金属前体的硅烷的水解缩合产品。选定的硅烷是MTEOS和TEOS，其给出用于熨斗底板的改进的定制的涂层，以及金属前体。本发明还涉及一种生产具有此涂层的熨斗底板的新颖方法以及具有这样的底板的熨斗。当应用于熨斗底板时，发现该涂层组分由于其化学稳定性和平坦性的原因，在低摩擦、抗磨损、防光亮和易于清洗方面改进了表面特性。

Description

低摩擦、抗磨损、易清洗的复合式熨斗底板

技术领域

本发明涉及一种具有改进表面特征的熨斗底板。本发明特别地涉及这样一种熨斗底板，其具有基于硅烷的涂覆层，用于改进底板材料的摩擦、磨损以及其他的期望特性。

背景技术

在相关工业中一直存在的一种挑战是，改进熨斗底板的表面特征，以便确保更加舒适的熨烫。为了改进表面特征，在该技术领域的当前情况下已经提出了各种涂覆材料，诸如，Al-TiN、铁合金以及诸如硅烷和各种陶瓷的其他无机材料。由于声称具有低摩擦和非粘性的特性，Al-TiN和Teflon等成为用于熨斗底板的优选涂层。本领域公知，通过各种技术，诸如PVD、CVD、喷涂法和浸涂法，将这些材料施加至底板的外表面。

本发明提供了一种具有基于硅烷的涂覆层的可替换的熨斗底板，通过溶胶-凝胶技术有利地产生该涂覆层。根据本发明的有创造性的熨斗底板被认为至少与现有技术底板的情况是相当的，并且在清洗、摩擦、织物保护等方面呈现出显著改进的特性。

作为一种工艺，溶胶-凝胶的概念是已知的，通常包括：施加诸如氧化物和醇盐的可水解前体；之后进行热处理，以获得具有增加的密度和硬度的机械稳定的涂覆材料。

申请WO 2010-072814-A1介绍了一种使用溶胶-凝胶技术的用于玻璃、陶瓷和金属表面的涂覆方法，目的在于，针对家庭用具(特别是厨房用具)的抗碱、抗磨损和洗碗机安全。该文献描述了施加在待保护的金属表面上的复合式涂覆系统，该金属表面优选是铝和/或其合金。该涂覆需要多孔基部，其为氧化物层，例如，形成在由铝和/或其合金制成的金属基部上的氧化铝层。该氧化物层将被涂覆有两个附加层，这需要重复的施加和热处理，包括冷却至室温。它们中的第一层包含聚二甲基硅氧烷(PDMS)，以获得针对第二层的弹性基部，第二层包含碱金属化合物，用于抗碱。所有这些中间层需要额外的工艺步骤，其本身的成本包括时间成本。此外，此文献不涉及获得熨斗底板的低摩擦和清洗便利性，相反，此文献的主要关注点针对承受特别碱性的液体的表面的耐化学性。

利用溶胶-凝胶方法涂覆的熨斗底板本身通过申请EP 0 998 604B1和US 2003/0074814A1获知。这些文献均描述了利用施加至金属表面的多个涂覆层的方法。此外，这两种方法中待涂覆的金属基部基本是铝和/或其合金，这需要位于最后的涂覆层与基部材料本身之间的硬中间层。因此，使用氧化物层作为中间层，这意味着造成其自身成本的额外的工艺步骤。

文献US 6,901,687中给出了一种熨斗底板，其由铝和/或其合金制成且利用溶胶-凝胶方法被涂覆。此文献没有清楚地报告涂覆溶液的成分，其在施加液体混合物之前还需要多孔氧化铝层。该涂层的干燥厚度为30-40μm，由于内在张力沿此厚度模型的巨大可能性，这将容易导致可能的裂纹。

熨斗底板具有其特定要求，应用于没有大问题情况下的长寿命。对于熨斗底板优选的是，具有硬度相当高的熨烫表面，保护底板免受磨损损坏。另外，优选地，熨斗底板应该产生低摩擦力，因此，在熨烫过程中使用方便。而且，因为熨烫是高温应用，所以鉴于熔融合成织物材料的意外玷污，针对熨斗底板的另一个期望是，其具有易于清洗的特性，所述的玷污可能是粘贴、烧痕并且在底板的表面上导致烧痕印记。以上给出的主要目的一般可通过将期望材料涂覆至基部表面而实现。因此，对于家庭用具行业，非常重要的是，具有不仅适用于有限种类的基部材料(例如，铝或铝合金)而且适用于诸如不锈钢的其他金属结构的涂覆组分。

发明目的

本发明的主要目的在于，提供一种易于清洗的低摩擦、抗磨损的熨斗底板。

本发明的另一目的在于，提供一种用于生产低摩擦、抗磨损的熨斗底板的方法，该方法是简单的，且由于利用最少的工艺步骤实现单层涂覆而是成本有效的。

本发明的再一目的在于，提供一种用于生产具有玻璃状涂层的熨斗底板的方法，其中，省去了对于附加氧化物层的需要。

本发明的另一目的在于，提供一种用于生产具有玻璃涂层的熨斗底板的方法，该涂层可适用于大范围的金属基部材料。

本发明的再一目的在于，提供一种熨烫应用，包括本发明的基部材料。

发明内容

本发明提出了一种用于家用或工业目的的熨斗底板，并且特别地，提出了一种利用溶胶-凝胶工艺涂覆有无机聚合物的熨斗底板。

更特别地，本发明涉及一种熨斗底板，包括具有熨烫表面的基部材料以及覆盖所述熨烫表面的涂覆层，其中，所述涂覆层是包括如下组分的水解缩聚产品：

-甲基三乙氧基硅烷(MTEOS)；

-正硅酸乙酯(TEOS)；

-金属前体；以及

-水。

在优选实施例中，所述组分进一步包括碱金属类氢氧化物，更优选地，KOH，作为碱催化剂(base catalyst)。发明人还注意到，金属前体是铯的醇盐或氢氧化物，这对于最后涂层的机械特性有积极的贡献。在它们当中，CsOH是特别优选的。

在根据本发明的熨斗底板的制备中所使用的溶胶组分可进一步包括作为助溶剂的用于溶液同质性的乙醇。

所述底板在无机聚合物涂层与金属基部表面之间没有中间层；金属基部表面和无机聚合物涂层彼此直接接触，无需用于适当粘接的额外多孔层。

附图说明

图1是纳米级视图，示出了根据本发明的底板的各层的横截面的近景图。图2示出了施加在根据本发明的熨斗底板上的涂层的EDX分析。

图3a、3b、3c和3d示出了涂覆的熨斗底板的一部分在各种倍率下的SEM显微图，利用磨损试验对该涂覆的熨斗底板进行处理。

具体实施方式

可水解的硅化合物包括至少一种非可水解的基团(moiety)，优选是单烷基硅烷，其与不包括任何非可水解的半部分的其他硅化合物一起形成缩合网络。为了产生根据本发明的熨斗底板而制备的涂层组分可以是两组硅烷的缩合产品。反应化合物的第一方为可水解的硅烷化合物，包括至少一种非可水解的基团，优选是一种单烷基硅烷，例如，甲基三乙氧基硅烷(MTEOS)。反应化合物的第二方不包括任何非可水解的基团，因为所有的基团都将是可水解的，例如，正硅酸乙酯(TEOS)。

可以在存在一种或多种前体(诸如金属醇盐、各种金属盐或金属氢氧化物)的情况下制备具有不同数量的官能团的硅烷的缩聚产品。发明人注意到，铯化合物作为前体材料给出了最好结果，以便获得本发明的底板的期望抗磨损和易清洗特性。在本发明的背景下，所述铯化合物优选是铯的醇盐或氢氧化物，并且最优选地是CsOH。还注意到，Cs化合物在粘附于基于铝的材料以外(诸如不锈钢)的基部材料(底板)时给出了很好的表现。

通过合适的反应剂可以催化水解缩聚反应，在本领域中水解缩聚反应是公知的，统称为“溶胶-凝胶”。本发明的方法优选包括溶胶-凝胶过程，其为碱性催化的(base catalyzed)，优选通过碱金属类氢氧化物，更优选通过KOH。

现在参照图1，根据本发明的熨斗底板包括金属基部1和涂层3，该涂层主要是透明的，且可根据着色剂的存在和/或比例而呈现灰度级中的一种颜色。金属基部1的表面受到通过喷砂(sand blasting)处理或任何其他便利方法进行的粗糙化处理，用于形成腔体2的相同的技术目的，腔体为涂层3提供相当坚实的抓取点(grabbing point)。构成底板的基部材料由金属或其合金组成，优选由铝或不锈钢制成。熨斗底板的物理形状在这里没有详细描述和详细示出。但是，传统上已知，其在技术上构成熨斗的加热部分的主体。然而，对于熨斗底板期望的特性可以总结为低摩擦、抗磨损、抵抗织物上洗涤剂残留物的化学稳定性、以及易于清洗(在施加于熔融合成织物的情况下)。低摩擦底板表面使得熨烫成为一项较容易的任务，并且它们还有助于维持熨斗的光亮度。涂层3对基部材料的粘附是至关重要的，因为其决定了在使用了一段时间之后基部材料表面上的划痕的程度(即，抗磨损性)。还期望在不使得涂层质量恶化的情况下，涂层在熨斗操作温度范围内(即，180-220℃)提供期望的特性。如附图所强调的，最后的涂层3示出非常平坦的固体表面4，该固体表面通过填充并抓住预先形成的腔体2而与金属基部1相结合。

根据本发明的熨斗底板的颜色可通过特定量的着色剂而调节。优选的着色剂通常选自TiO₂和石墨，但是根据生产者的偏好，也可采用可替换的无机着色剂。发明人注意到，除了作为着色剂之外，石墨还有助于改进涂层的机械强度。

为了获得金属基部与涂层之间的良好粘附，非常期望在涂覆之前对熨斗底板进行表面处理。在一优选实施例中，利用玻璃砂或不锈钢颗粒进行喷砂处理。于是可以清洗掉表面的残留物。

喷砂步骤对于最终产品还有一个附加的视觉效果。根据喷砂材料的选择，例如，石英砂、不锈钢球和矾土，粗糙等级增加了表面上的可变的光学效果。之后，利用选自例如水、乙醇和丙酮的平缓极性(gradual polarity)的溶剂，清洗该表面，然后进行干燥。

在清洗掉表面的残留物之后，为涂覆溶液做好准备，该溶液旨在形成抗磨损且易于清洗的有机聚合物膜。将甲基三乙氧基硅烷(MTEOS)、正硅酸乙酯(TEOS)和金属前体的混合物混合以及热处理，以便执行水解和缩聚反应。这些反应优选利用前述的碱金属类氢氧化物被碱性催化。反应介质可进一步包括乙醇。在一优选实施例中，当碱金属类氢氧化物是KOH且金属前体是CsOH时，得到的复合涂层期望具有经验式K_xCs_ySi_z，其中，x、y、z将取决于反应剂和催化剂的化学当量(stoichiometric amount)。

在上述的优选实施例中，涂覆混合物的溶胶优选包括基于混合物总重量的限定量的如下组分：

MTEOS:TEOS、KOH:CsOH、以及水:PMOH之间的优选的摩尔比可以例如分别是大约4:1、1:2和1:3。

混合物还可包含钠、锂、钛、铈、锰、钕、镨、钷或钐的醇盐，作为引发剂，质量百分比为0.01-0.1％，优选是0.03-0.08％，更优选是0.05-0.07％，与螯合配体混合，螯合配体例如是乙酰丙酮或乙酸乙酯，摩尔比的范围是1:1-1:3。

溶胶的制备优选如下：非水(固体)的碱小球(pellets of base)被加入硅氧烷的混合物中并且持续搅拌，直至固体完全溶化在液相中。之后PMOH溶液(纯水中)逐滴地加入溶液中，同时迫使容器内的温度不超过室温。通过添加作为着色剂的石墨和二氧化钛(彼此之间的比例若干)，可以调节混合物的颜色和透明度，该混合物当完成时本质上将变为透明的。现在可将这些可选的着色剂加入混合物中，直至相对于总的固体物质的15wt％。可以连续地使用机械搅拌和超声浴，以便获得着色剂在液体混合物中的适当分散。

此溶液可直接施加到经过喷砂和清洗的金属底板表面上，无需额外的中间层，这是重要的成本节省。溶液可通过任何传统方法施加到金属表面上，例如，刷蘸涂覆、旋涂、浇铸(casting)，并且优选地使用喷涂。喷涂使得最后的固体涂覆层的厚度整体均一。涂层的湿厚度应该优选地在1-10μm之间，其中，优选的湿厚度是大约3-4μm。

进而，优选地，涂覆的湿底板在温度显著低于水的沸点(例如75℃)时受到部分干燥。之后，在炉子中开始热处理，操作温度是300-500℃，优选350-400℃。也可利用温度编程来操作炉子，这提供了逐步的温度升高，以所述温度间隔结束。由于缩合需要反应介质中的水，炉子的湿度应该保持在饱和状态周围，以便避免来自表面的蒸发损失。在17-20分钟的时间段之后，可以从炉子移除物体，以使其冷却回环境温度。

因为厚的脆的膜易于在热处理期间或之后裂开(因为内在张力沿矩阵增加)，所以优选地，可以布置厚度为1-10μm，优选2-4μm的非常薄的干膜，以便降低这样的风险。这样低的厚度还提供了高的热传递。

这样的涂层提供了高的机械和磨损阻力以及低摩擦系数。

在下面的比较实例中示出了通过本发明实现的技术效果。根据本发明优选实施例的熨斗底板的制备也在实例1中解释。

实例1：熨斗底板的制备

将包括如下组分的溶胶混合大约12小时。

1.07g H₂O/15g PMOH

接着，加入1.01g TiO₂和0.34g石墨，并且搅拌混合物持续另外的几个小时。通过喷涂，将混合物施加至由不锈钢制成的经喷砂制备的熨斗底板。接着，在温度设置在400℃的烤箱中以逐步加热方式对涂覆的底板进行烘烤。利用能量分散X射线谱(EDX)对获得的涂层进行分析，并且样品的元素组成包括K、Cs和Si以及所期望的一些氧化物。图2示出了该分析。

实例2：磨损试验

利用磨损试验设备(Elcometer 1720耐洗性磨损试验机)处理根据实例1制备的熨斗底板的样品，该试验设备利用Scotch Brite(ASTM D4213)以50rpm施加1.2kg的压力，总共10000转。观察到轻微的可见划痕，没有涂层的可见脱落。

利用扫描电子显微镜来检查针对磨损特性进行试验的底板样品。图3a、3b、3c和3d中示出了不同倍率下的SEM图。

图3a示出了45x倍率下的在磨损试验中发生的划痕。划痕的长度和宽度分别为大约1678μm和38μm。划痕用肉眼几乎不可见。

图3b示出了样品上的100x倍率下的另一划痕部分。没有观察到表面上有宽的磨损，但是发生了小的局部变形，证明该涂层与不锈钢基部材料是非常兼容的，并且该涂层沿所述基部材料的表面也足够均匀。

图3c示出了样品的500x倍率下的划痕部分的进一步细节。通过这种更靠近的观察，注意到，划痕没有到达基部材料，但是实际上是轻微的脱落，仍旧留有涂覆层。选定部分中的脱落具有54μm的宽度，而在一些部分中，其缩窄为大约26μm。

图3d示出了如图3c所示的划痕在2000x倍率下的部分。在图中观察到，涂层仍然粘附至基部材料，但是在严重磨损处理期间发生脱落。

比较实例

A.粘着&清洗实验

利用不同底板来测试熨斗其中，使得这些底板与洗衣粉接触，并且让底板粘上洗衣粉。如下表I中给出了结果。

表I

底板	洗衣粉(清洗)
		涂覆Al-TiN	难以清洗
不锈钢	易于清洗
		涂覆纳米玻璃(实例I)	易于清洗

B.织物光亮测试

针对在经过几次熨烫之后造成被熨烫织物光亮的有害原因，对市场上可商业获得的具有不同底板的各种熨斗进行测试。通过熨斗在特定衣服上进行25次重复的前后运动，进行每次熨烫。在熨烫过程之后，每种织物被分级为“无光亮”、“非常小光亮”、“小光亮”、“光亮”和“极度光亮”中的一种定义。下面在表II中给出了结果。

表II

C.摩擦测试

测试如实例1中制备的适应于熨斗底板的熨斗，并将其与具有传统涂层(即，Al-TiN和不锈钢)的熨斗相比较。每个熨斗在其平均加热温度下被放置在一倾斜表面上，并且针对所述每个熨斗，注意到其在该表面上开始滑动的最小角度。表III示出了结果。

表III

结果和讨论

如根据实例1的过程制备的熨斗底板适应于传统的家用熨斗并且经历了前述实例中提及的测试。为了比较的目的，也对于具有传统涂层的熨斗进行了测试。为了总结结果，发现该熨斗基部材料即使在导致划痕的严酷条件下也非常能够抵抗磨损，没有涂层的总体损失。还观察到，该材料的易于清洗特性非常令人满意。另一方面，利用各种织物进行测试的涂层相比于其他涂层在对于织物的有害效果(即，导致光亮)方面具有显著表现。这种表现甚至好于还观察到，如在自身滑动测试(表III)中示出的，熨斗底板的摩擦特性得到显著改进。结论性的结果是，根据本发明的涂层不仅对于铝基部材料而且对于不锈钢具有优异表现，这与传统涂层不同，为水解缩聚产品。

Claims

1.一种熨斗底板，包括具有熨烫表面的基部材料以及覆盖所述熨烫表面的涂覆层，其特征在于，所述涂层是如下组分的水解缩聚产品：

-甲基三乙氧基硅烷(MTEOS)；

-正硅酸乙酯(TEOS)；

-金属前体；以及

-水。

2.根据权利要求1所述的熨斗底板，其中，所述涂层组分还包括碱金属类氢氧化物。

3.根据权利要求1所述的熨斗底板，其中，所述金属前体是铯的醇盐或氢氧化物。

4.根据权利要求1所述的熨斗底板，其中，涂层组分还包括乙醇，并且优选地，丙二醇单甲醚(PMOH)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的熨斗底板，其中，所述组分的溶胶包括如下(w/w)：

6.根据权利要求1或5所述的熨斗底板，其中，涂层组分还包括选自钛和石墨的着色剂。

7.根据权利要求6所述的熨斗底板，其中，所述着色剂是石墨。

8.一种用于生产熨斗底板的方法，包括如下步骤：

-提供具有平坦熨烫表面的熨斗底板形式的基部材料；

-混合并搅拌在液体介质中包括甲基三乙氧基硅烷(MTEOS)、正硅酸乙酯(TEOS)和金属前体的溶胶组分；

-通过在所述熨斗底板的所述熨烫表面上的热处理来缩聚所述组分。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，在炉子中以逐步加热方式进行所述热处理，操作温度是300-500℃。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述金属前体是铯的醇盐或氢氧化物。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述金属前体是CsOH。

12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述溶胶组分包括如下(w/w)：

13.根据权利要求8或12所述的方法，其中，所述溶胶组分还包括选自钛和石墨的着色剂。

14.根据权利要求1所述的熨斗底板，其中，所述着色剂是石墨。

15.一种熨斗，包括根据权利要求1所述的熨斗底板。