CN110168023A - 用于自清洁涂层的涂层材料和制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涂层材料，其适用于在烹饪‑、煎炸‑、烘焙‑或烧烤装置上或中的部件上的自清洁涂层，以在没有机械作用的情况下除去食物残余物，其中所述涂层材料具有多孔颗粒和粘合剂，其中所述粘合剂具有沉淀的无机颗粒。此外，本发明涉及一种在烹饪‑、煎炸‑、烘焙‑或烧烤装置上或中的部件上制备自清洁涂层的方法，其包括将根据本发明的涂层材料施加到所述部件的至少一个表面上。

Description

用于自清洁涂层的涂层材料和制备方法

本发明涉及一种涂层材料，其用于在烹饪-、煎炸-、烘焙-或烧烤装置上或中的部件上的自清洁涂层，以在没有机械作用的情况下除去食物残余物，以及一种在烹饪-、煎炸-、烘焙-或烧烤装置上或中的部件上制备自清洁涂层的方法，以及在烹饪-、煎炸-、烘焙-或烧烤装置上或中的部件，其包含所述涂层。

在现有技术中已经已知在烹饪-、煎炸-、烘焙-或烧烤装置上或中的一些自清洁涂层，通过该涂层可以在没有机械作用的情况下除去食物残余物。

特别地，DE 101 50 825 A1公开了这种自清洁涂层，其具有多孔粒子和颗粒状粘合剂。在DE 101 50 825 A1的一个实施方案中，粘合剂通过溶胶-凝胶法制备并且具有小于100nm的平均粒径。替代地，使用基于玻璃或粘土等的粘合剂，其中这种情况下的颗粒具有0.5至10μm的直径。这些粘合剂通过火焰热解和/或通过研磨制备。

在WO 03/027348 A2中还已知一种制备多孔陶瓷层的方法，其中将具有含有至少一种纳米级粉末和溶剂的无机粘合剂体系的多孔陶瓷粉末混合成配混料。该粘合剂体系的纳米级粉末优选具有小于100nm的平均粒径。WO 03/027348 A2中的纳米级粉末通过火焰热解而制备。

然而，现有技术中公开的涂层具有不充分的粘合性能并导致松散、不稳定的涂层，特别是在高操作温度和/或长期使用的情况下。此外，由于使用通过溶胶-凝胶法或通过火焰热解而产生的粘合剂颗粒，传统涂层的制备成本很高，并且需要很大的消耗。

因此，本发明的目的是提供一种涂层材料，其适用于在烹饪-、煎炸-、烘焙-或烧烤装置上或中的部件上的自清洁涂层，以实现在没有机械作用的情况下除去食物残余物，其中该涂层还具有改善的与基材的粘附性。此外，本发明的目的是提供一种在烹饪-、煎炸-、烘焙-或烧烤装置上或中的部件上制备自清洁涂层的方法，该方法可以有效且比传统方法更成本有利地实施。

所述目的通过根据权利要求1所述的涂层材料实现。在从属权利要求2至6中描述了涂层材料的优选实施方案，根据本发明也包括这些实施方案的彼此组合。此外，所述目的通过根据权利要求7所述的方法实现。在权利要求8至13中描述了该方法的优选实施方案，根据本发明也包括这些实施方案的彼此组合。所述目的还通过根据权利要求14所述的在烹饪-、煎炸-、烘焙-或烧烤装置上或中的部件，以及根据权利要求15的烹饪-、煎炸-、烘焙-和烧烤装置而实现。

本发明的涂层材料适用于在烹饪-、煎炸-、烘焙-或烧烤装置上或中的部件上的自清洁涂层，以在没有机械作用的情况下除去食物残余物。该涂层材料具有多孔颗粒和粘合剂，其中所述粘合剂具有沉淀的无机颗粒。

所述粘合剂的功能在于，将多孔颗粒彼此接合并与基材接合，同时仍保持涂层的多孔结构。通过使用沉淀的有机颗粒作为粘合剂，可以制备这样的涂层材料，该涂层材料具有改善的与基材的粘附性，即与在烹饪-、煎炸-、烘焙-或烧烤装置上或中的部件的粘附性，特别是与使用通过溶胶-凝胶法或通过火焰热解产生的颗粒而制备的体系相比。

令人惊奇地已经发现，通过使用这种能够更容易和更成本有利地制备的颗粒可以克服与现有技术体系相关的问题。

沉淀的无机颗粒，优选氧化物，是通过沉淀反应制备的颗粒，其中反应物首先以溶解在溶剂中的形式存在。通过适当地诱导化学反应，获得至少一种反应产物，该产物在溶剂中不溶或微溶，并且通过冷却从溶液中沉淀出来。沉淀的产物以颗粒的形式存在，并且可用作本发明的沉淀的颗粒。

在这种情况下，沉淀的无机颗粒可以直接用作粘合剂颗粒。在另一个实施方案中，所述粘合剂的沉淀的无机颗粒是通过沉淀反应和随后的研磨，优选用珠磨机或棒磨机的研磨而制备的颗粒。与通过火焰热解产生的颗粒或通过溶胶-凝胶法制备的颗粒相比，使用沉淀的无机颗粒可以显著减少研磨时间。因此，本发明的涂层材料可以更成本有利地制备。所述颗粒既可以作为单独的初级颗粒存在，也可以以聚集体的形式存在，并可用作粘合剂。

与现有技术的粘合剂颗粒相比，本发明的粘合剂颗粒的粘附性能改善的原因尚不清楚，因此是令人惊讶的。然而，沉淀的颗粒，即通过沉淀反应制备的颗粒，显示出与通过溶胶-凝胶法制备的颗粒或如通过火焰热解制备的颗粒不同的性能。例如，沉淀的颗粒（例如在实施方案中）的BET比表面积为75至1000，优选100至750，特别优选200至500m²/g。相比之下，在相当粒径的情况下，通过火焰热解制备的颗粒具有较小的BET比表面积，例如50m²/g。这可以解释为：沉淀的无机颗粒至少在实施方案中是多孔的，而通过火焰热解制备的颗粒至少部分或在小粒径的情况下是无孔的。此外，沉淀的颗粒在实施方案中的pH值为6至10，优选7至9。相反地，通过火焰热解制备的颗粒的pH值较低，例如3至5。在下表中总结了两个实施方案的相应颗粒的物理性能。

	沉淀的二氧化钛Hombikat 8602	通过火焰热解制备的二氧化钛 Aeroxide TiO<sub>2</sub> P25
			TiO<sub>2</sub>含量[％]	> 85	> 99.5
比表面积[m<sup>2</sup>/g]	> 250	50 +/- 15
			灼烧损失[％]	< 20	< 2.0
初级粒径[nm]	5 - 10	21
			pH值	7 – 8.5	3.5 – 4.5

关于DE 101 50 825 A1的常规粘合剂颗粒，本发明人进一步已经发现，在所述一个实施方案中使用的基于玻璃或粘土等的粘合剂（其平均直径为0.5至10μm），与DE 101 50825 A1的另一个实施方案的粘合剂（其使用通过溶胶-凝胶法制备并具有小于100nm的平均粒径的粘合剂颗粒）相比，具有甚至更不充分的粘附性。

因此可以推测，粘合剂颗粒的平均粒径通常对粘合剂的粘附性能有影响，即表现为平均粒径的减小会产生粘附性的改善。然而，具有较小粒径，特别是小于100nm的颗粒的缺点是它们更难以制备和加工。

本发明的粘合剂的沉淀的有机颗粒的优点是它们不受平均粒径的限制，以实现与现有技术的颗粒相比改善的粘附性。因此，可以使用平均粒径为100nm或更小的颗粒。然而，也可以使用大于100nm，优选150nm至1000nm，更优选200nm至750nm，特别优选250nm至500nm的平均粒径。甚至这种平均粒径> 100nm的本发明颗粒也具有改善的粘附性。同时，使用平均粒径> 100nm的颗粒的优点是该颗粒易于制备和加工。

令人惊奇地已经发现，在本发明的粘合剂的情况下，即使具有显著更大的粒径，涂层的粘附性能也是好的，即粘合剂中使用的沉淀的无机颗粒的优点是特别是即使平均粒径大于100nm也可以实现优异的粘附性能。

根据本发明的平均粒径是指通过在两个角度下的动态光散射和NIBS（非侵入性后向散射）光学器件测量的粒径的D50值。例如，对此可以使用Malvern Instruments的Zetasizer Nano ZS装置。为了计算粒径，假定颗粒都是球形的。

在实施方案中，所述粘合剂的沉淀的无机颗粒选自无机氧化物，例如Al₂O₃、SiO₂、TiO₂、ZrO₂或其混合物，优选TiO₂。这些化合物可通过沉淀反应容易且成本有利地获得。此外，它们与涂层的其他组分或基材具有高度相容性，这会产生好的粘附性能。

根据本发明优选地，所述粘合剂是多孔的。所述粘合剂的孔优选是开孔的。由此确保了涂层的多孔结构得以保持，并且涂层的自清洁性能不会受到损害。然而，在实施方案中，所述粘合剂的无孔结构就足够了。

除了粘合剂之外，本发明的涂层材料还具有多孔颗粒，其主要负责涂层的自清洁性能。在实施方案中，对于本发明的多孔颗粒，可以使用根据DE 101 50 825 A1的多孔颗粒。

优选地，所述涂层材料具有由多孔颗粒和粘合剂构成的多孔结构，其中所述多孔颗粒在其孔中不具有固体或液体的第二相。

特别地，所述多孔颗粒的平均粒径为1至100μm。优选的粒径为10至80μm，20至60μm，以及30至50μm。所述多孔颗粒的BET比表面积优选大于75m²/g，优选大于100m²/g，和特别优选大于200m²/g。

所述多孔颗粒的孔处于使得污染物不能渗入的数量级中，根据本发明低于1μm，优选0.1至0.6μm。在平均孔径为1μm的较大孔的情况下，所述粘合剂的颗粒必须是多孔的。使用多孔粘合剂颗粒防止污染物渗入多孔颗粒中并确保颗粒彼此以及与基材的粘合。在多孔颗粒的孔足够小（即小于1μm）的情况下，粘合剂仅仅具有粘合功能，即在这种情况下粘合剂颗粒不一定必须是多孔的。在这种情况下，涂层材料的多孔颗粒优选不完全被粘合剂包裹，而是仅在两个相邻多孔颗粒之间的接触点处提供粘合剂。这保证了多孔颗粒的尽可能多的孔仍可被空气接近。

本发明的多孔颗粒优选是热稳定和化学稳定的多孔氧化物，特别是金属氧化物，碳化物或氮化物。实例是氧化物，例如ZnO，CeO₂，SnO₂，Al₂O₃，SiO₂，TiO₂，In₂O₃，ZrO₂，钇稳定的ZrO₂，Fe₂O₃，Fe₃O₄，Cu₂O或WO₃，还有磷酸盐，硅酸盐，锆酸盐，铝酸盐和锡酸盐，碳化物如WC，CdC₂或SiC，氮化物如BN，AlN，Si₃N₄和Ti₃N₄，相应的混合氧化物如金属-锡氧化物，例如氧化铟锡（ITO）。此外，还可以使用所述粉末粒子的混合物。特别优选的是Al₂O₃和SiO₂。

所述多孔颗粒之间的空隙负责液体食物残余物渗入和分散到层中。目的是尽可能好地将污染物分布/分散在层中，以使热降解可用的表面积最大化。空隙的尺寸分布基本上由颗粒的尺寸和粘合剂的体积分数决定。

在实施方案中，根据本发明的粘合剂的体积分数为5至40％，优选20至30％或15至25％。

在实施方案中，所述多孔颗粒之间的空隙显著大于多孔颗粒的孔，从而使得污染物可以渗入并分散到所述结构中。以这种方式，总是确保用于热降解的氧气与待除去的污染物接触，因为多孔颗粒的孔可以总是再生，即吸收空气。

所述涂层的厚度为至少50μm，优选100至500μm，特别优选150至450μm，200至40μm或250至350μm。更大的层厚度尽管在技术上是可实现的并且也是有用的，但出于经济原因并不令人感兴趣。相反，如果在实施方案中涂层的厚度小于50μm，则这不能提供所述孔的足够大的孔体积。

本发明的涂层材料耐高温且耐磨。所述涂层材料包含有机污染物（例如油脂）可接近的大孔/孔体积，以及不能被有机污染物接近的跨多孔颗粒的小孔。本发明的涂层材料具有非常高的进气能力，并且将有机污染物（例如油脂或烤肉汁）首先输送到涂层的内部。在那里，污染物分散，即分布在非常大的表面积上。在250℃的温度下，所有污染物几乎完全分解，并且所述层不需要含有催化剂。通过有针对性地匹配粘合剂和粘合剂具有沉淀的无机颗粒的事实，来产生加载有机污染物的非常高的内部表面积，优选大于20m²/g，特别优选大于70m²/g和特别优选大于120m²/g。另一方面，燃烧所需的反应配对物氧气已经储存在多孔颗粒（类似于储存器）中，并且立即可用，从而使得污染物的氧化燃烧及早开始并且几乎定量地在250℃下进行。

因此，可以制备用于烤箱的自清洁涂层，其在远低于380℃，优选低于320℃的温度下几乎定量地除去有机污染物。在这种情况下，不需要在层中引入催化剂；本发明的涂层使得可以在非常大的面积上分散有机污染物并且以层中储存器的形式提供氧化所需的反应配对物，从而可以在没有催化剂的情况下进行所需的清洁。

本发明的在烹饪-、煎炸-、烘焙-或烧烤装置上或中的部件上制备自清洁涂层的方法包括将本发明的涂层材料施加到所述部件的至少一个表面上。在这种情况下，所述层的施加可以通过所有常规涂覆方法进行。

在涂覆方法的一个优选实施方案中，所述涂层材料以悬浮液的形式施加，所述悬浮液通过使用悬浮介质借助于悬浮剂来使所述多孔颗粒和所述粘合剂悬浮而制备。由此可以成本有利地和快速地，并且均匀地施涂所述涂层材料。特别地，通过旋涂、浸涂、流涂或喷涂来施涂所述涂层材料的悬浮液。

在一个优选的实施方案中，所述方法还包括在高达1200℃，优选200℃至1000℃，特别优选650℃至850℃的温度下干燥所施加的悬浮液的步骤。因此，除了容易的方法操作外，还可以实现涂层的好的机械性能，例如好的耐磨性，以及与基材的好的粘附性。

在实施方案中，所述悬浮介质选自醇，优选2-丁氧基乙醇，乙醇，1-丙醇，2-丙醇。替代地或与之组合地，可以使用水作为悬浮介质。出于成本原因，所述悬浮介质优选为水。

在优选的实施方案中，所述悬浮剂是硝酸或硝酸水溶液。通过悬浮剂硝酸，可以适当地调节悬浮液的粘度。优选地，通过使用悬浮剂降低悬浮液的粘度，从而可以更快速和更均匀地施涂悬浮液。特别地，在使用沉淀的TiO₂作为粘合剂颗粒的情况下，可以用硝酸作为悬浮剂来制备涂层材料或自清洁涂层，其表现出在基材上的优异粘附性。

在实施方案中，所述悬浮液中的固体含量为1至20重量％，优选5至15重量％。较低的固体含量会延迟方法速度。较高的固体含量可能带来在均匀的层厚度方面的缺点。

本发明还涉及烹饪-、煎炸-、烘焙-或烧烤装置上或中的部件，特别是烤箱马弗炉，其根据所述方法制造。此外，本发明涉及烹饪-、煎炸-、烘焙-和烧烤装置，特别是炉或灶，其具有相应的部件。在本发明中，烹饪-、煎炸-、烘焙-或烧烤装置上或中的部件不仅是用于炉和灶的悬挂部件或推拉部件，而且是烤箱马弗炉（即炉-或灶内室（烘焙室））和油炸锅的内侧，原则上如炉、灶、烧烤器等装置的所有金属部件、玻璃部件、用金属涂覆的部件或搪瓷部件，其在使用中直接或间接被加热并且不与加热食物直接接触。根据本发明的一个优选实施方案，待涂覆的部件是搪瓷部件，例如搪瓷钢，即具有厚度为100μm数量级的用于防止腐蚀的搪瓷层的钢。

Claims (15)

1.涂层材料，其适用于在烹饪-、煎炸-、烘焙-或烧烤装置上或中的部件上的自清洁涂层，以在没有机械作用的情况下除去食物残余物，其中所述涂层材料具有多孔颗粒和粘合剂，并且其中所述粘合剂具有沉淀的无机颗粒。

2.根据权利要求1所述的涂层材料，其中所述粘合剂的沉淀的无机颗粒是通过沉淀反应和随后的研磨，优选用珠磨机或棒磨机的研磨而制备的颗粒。

3.根据权利要求1或2所述的涂层材料，其中所述粘合剂的沉淀的无机颗粒的平均粒径为 > 100nm，优选150nm至1000nm，更优选200nm至750nm，特别优选250nm至500nm。

4.根据前述权利要求中任一项所述的涂层材料，其中所述粘合剂的沉淀的无机颗粒选自Al₂O₃、SiO₂、TiO₂、ZrO₂或其混合物，优选TiO₂。

5.根据前述权利要求中任一项所述的涂层材料，其中所述粘合剂具有多孔结构，并且优选是开孔的。

6.根据前述权利要求中任一项所述的涂层材料，其中所述涂层材料具有由所述多孔颗粒和所述粘合剂构成的多孔结构，其中所述多孔颗粒在其孔中不具有固体或液体的第二相。

7.在烹饪-、煎炸-、烘焙-或烧烤装置上或中的部件上制备自清洁涂层的方法，其包括将根据权利要求1至6中任一项所述的涂层材料施加到所述部件的至少一个表面上。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述涂层材料以悬浮液的形式施加，所述悬浮液通过使用悬浮介质借助于悬浮剂来使所述多孔颗粒和所述粘合剂悬浮而制备。

9.根据权利要求7所述的方法，其中通过旋涂、浸涂、流涂或喷涂来施涂所述涂层材料的悬浮液。

10.根据权利要求7或8中任一项所述的方法，其还包括在高达1200℃，优选200℃至1000℃和特别优选650℃至850℃的温度下干燥所施加的悬浮液。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其中所述悬浮介质选自醇，优选2-丁氧基乙醇，乙醇，1-丙醇，2-丙醇，和/或水。

12.根据权利要求7至11中任一项所述的方法，其中所述悬浮剂是硝酸或硝酸水溶液。

13.根据权利要求7至12中任一项所述的方法，其中所述悬浮液中的固体含量为1至20重量％，优选5至15重量％。

14.在烹饪-、煎炸-、烘焙-或烧烤装置上或中的部件，特别是烤箱马弗炉，其根据权利要求7至13中任一项所述的方法而制造。

15.烹饪-、煎炸-、烘焙-和烧烤装置，特别是炉或灶，其具有根据权利要求14所述的部件。