技术领域
本发明属于不粘锅技术领域。具体涉及一种不含氟化物的不粘锅及其制备方法。
背景技术
在日常生活中，用传统铝合金锅烹饪食物时常发生食物粘锅现象。焦糊的食物不仅破坏外形，且易产生有害物质危害人类健康。此外，也为炊具清洗增加了难度。现有解决不粘锅的方法是在铝合金锅表面涂覆一层聚四氟乙烯（PTFE）。
现有的不粘锅虽能满足人们烹饪食物时不发生粘锅的需要，但聚四氟乙烯涂层强度不高，容易剥落和损坏。当表层疏水物质被磨掉后，不粘锅就失去了“不粘”的性能。并且对于聚四氟乙烯不粘锅在使用过程中是否对人体健康有隐患也存在争议，不断引发争端。
专利号为ZL95226356.4的实用新型专利公开了一种名为新型不粘锅的镀覆了一层非晶态镍磷合金层的不粘锅，该镀层具有耐磨性好、摩擦系数低且自润滑性能良好等特点，不仅克服了传统含氟不粘锅使用寿命短的缺点，且不含氟化物。但镍本身为重金属，镍、磷对人身体有害，且该专利技术未进行欧盟食品级卫生指标测试重金属迁移量。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种工艺简单和安全环保的不含氟化物的不粘锅的制备方法，用该方法制备的不粘锅耐磨性好和使用寿命长。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：先在铝合金锅基体的内表面涂覆过渡层，过渡层的材质为氧化铝或为氮化铝；然后将涂覆了过渡层的铝合金锅基体在丙酮溶液中超声清洗，再用无水乙醇脱水处理，干燥；最后采用多弧离子镀技术，在干燥后的铝合金锅基体的过渡层上沉积TiC、TiCN或TiN纳米结构的硬质陶瓷层，制得不含氟化物的不粘锅。
所述铝合金锅的化学组分是：Si为0.20~1.70wt％，Fe为0.003~1.60 wt％，Cu为0.05~7.0 wt％，Mn为0.01~1.50 wt％，Zn为0.03~6.70 wt％，余量为Al和不可避免的杂质。
所述过渡层的厚度为10~50μm。
所述超声清洗的清洗时间为10~60min。
所述沉积TiC纳米结构的硬质陶瓷层的工艺参数是：负偏压为0~300V；C2H2流量为0.15~0.25L/min；Ar流量为0.01~0.04L/min；靶电流为50~80A；沉积温度为50~300℃；沉积时间为30~90min。
所述沉积TiCN纳米结构的硬质陶瓷层的工艺参数是：负偏压为0~300V；N2流量为0.15~0.25L/min；C2H2流量为0.15~0.25L/min；Ar流量为0.01~0.04L/min；靶电流为50~80A；沉积温度为50~300℃；沉积时间为30~90min。
所述TiN的纳米结构的硬质陶瓷层的工艺参数是：负偏压为0~300V；N2流量为0.15~0.25L/min；Ar流量为0.01~0.04L/min；靶电流为50~80A；沉积温度为50~300℃；沉积时间为30~90min。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下经济效果：
本发明在硬度较低的铝合金锅基体的内表面与硬度很高的纳米结构的硬质陶瓷层间覆盖了一层硬度居中的过渡层，使外层涂层与基体间的结合力显著提高，即显著提高了纳米结构的硬质陶瓷层与铝合金锅基体的内表面的结合力，使沉积的纳米结构的硬质陶瓷层不易剥落。
TiCN、TiC或TiN纳米结构的硬质陶瓷层具有硬度高、韧性好、摩擦系数小、化学稳定性好和对食物无污染等优点。采用多弧离子镀方法在涂覆了过渡层的铝合金锅基体的内表面沉积TiCN、TiC或TiN，获得了纳米级粗糙结构的硬质陶瓷层，使得硬质陶瓷层具有疏水性，所制得的不粘锅涂层在烹饪温度下化学性质稳定，所制备的铝合金不粘锅经炒锅铁铲加速模拟测试，通过26~30个循环。相比聚四氟乙烯涂层的不粘锅，不仅使用寿命延长了一倍，且不存在安全隐患，可取代其使用。另外，采用多弧离子镀技术在沉积纳米结构的硬质陶瓷层的过程中不产生污染物质，安全环保。
因此，本发明制备工艺简单，制备过程安全环保，所制得的不粘锅具有不含氟化物、无损人体健康、耐磨性好和使用寿命长的特点。
附图说明
图1为本发明的一种结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
为避免重复，先将本具体实施方式所涉及的技术参数统一描述如下，实施例中不再赘述：
所述铝合金锅基体3的化学组分是：Si为0.20~1.70wt％，Fe为0.003~1.60 wt％，Cu为0.05~7.0 wt％，Mn为0.01~1.50 wt％，Zn为0.03~6.70 wt％，余量为Al和不可避免的杂质。
实施例1
一种不含氟化物的不粘锅及其制备方法。如图1所示，先在铝合金锅基体3的内表面涂覆过渡层2，过渡层2的材质为氧化铝；然后将涂覆了过渡层2的铝合金锅基体3在丙酮溶液中超声清洗，再用无水乙醇脱水处理，干燥；最后采用多弧离子镀技术，在干燥后的铝合金锅基体3的过渡层2上沉积TiC纳米结构的硬质陶瓷层1，制得不含氟化物的不粘锅。
所述过渡层2的厚度为10~30μm。
所述超声清洗的清洗时间为10~40min。
所述沉积TiC纳米结构的硬质陶瓷层1的工艺参数是：负偏压为0V；C2H2流量为0.15~0.18L/min；Ar流量为0.02~0.03L/min；靶电流为60~70A；沉积温度为50~130℃；沉积时间为50~70min。
本实施例所制备的不含氟化物的不粘锅进行炒锅铁铲加速模拟测试，通过26~27个循环。
实施例2
一种不含氟化物的不粘锅及其制备方法。如图1所示，先在铝合金锅基体3的内表面涂覆有过渡层2，过渡层2的材质为氮化铝；然后将涂覆了过渡层2的铝合金锅基体3在丙酮溶液中超声清洗，再用无水乙醇脱水处理，干燥；最后采用多弧离子镀技术，在干燥后的铝合金锅基体3的过渡层2上沉积TiC纳米结构的硬质陶瓷层1，制得不含氟化物的不粘锅。
所述过渡层2的厚度为20~40μm。
所述超声清洗的清洗时间为20~50min。
所述沉积TiC纳米结构的硬质陶瓷层1的工艺参数是：负偏压为1~150V；C2H2流量为0.18~0.22L/min；Ar流量为0.03~0.04L/min；靶电流为70~80A；沉积温度为130~210℃；沉积时间为70~90min。
本实施例所制备的不含氟化物的不粘锅经炒锅铁铲加速模拟测试，通过26~27个循环。
实施例3
一种不含氟化物的不粘锅及其制备方法。如图1所示，先在铝合金锅基体3的内表面涂覆过渡层2，过渡层2的材质为氧化铝；然后将涂覆了过渡层2的铝合金锅基体3在丙酮溶液中超声清洗，再用无水乙醇脱水处理，干燥；最后采用多弧离子镀技术，在干燥后的铝合金锅基体3的过渡层2上沉积TiC纳米结构的硬质陶瓷层1，制得不含氟化物的不粘锅。
所述过渡层2的厚度为30~50μm。
所述超声清洗的清洗时间为30~60min。
所述沉积TiC纳米结构的硬质陶瓷层1的工艺参数是：负偏压为150~300V；C2H2流量为0.22~0.25L/min；Ar流量为0.01~0.02L/min；靶电流为50~60A；沉积温度为210~300℃；沉积时间为30~50min。
本实施例所制备的不含氟化物的不粘锅经炒锅铁铲加速模拟测试，通过29~30个循环。
实施例4
一种不含氟化物的不粘锅及其制备方法。如图1所示，先在铝合金锅基体3的内表面涂覆过渡层2，过渡层2的材质为氧化铝；然后将涂覆了过渡层2的铝合金锅基体3在丙酮溶液中超声清洗，再用无水乙醇脱水处理，干燥；最后采用多弧离子镀技术，在干燥后的铝合金锅基体3的过渡层2上沉积TiCN纳米结构的硬质陶瓷层1，制得不含氟化物的不粘锅。
所述过渡层2的厚度为10~30μm。
所述超声清洗的清洗时间为10~40min。
所述沉积TiCN纳米结构的硬质陶瓷层1的工艺参数是：负偏压为0V；N2流量为0.15~0.18L/min；C2H2流量为0.22~0.25L/min；Ar流量为0.01~0.02L/min；靶电流为50~60A；沉积温度为50~130℃；沉积时间为30~50min。
本实施例所制备的不含氟化物的不粘锅经炒锅铁铲加速模拟测试，通过27~28个循环。
实施例5
一种不含氟化物的不粘锅及其制备方法。如图1所示，先在铝合金锅基体3的内表面涂覆过渡层2，过渡层2的材质为氮化铝；然后将涂覆了过渡层2的铝合金锅基体3在丙酮溶液中超声清洗，再用无水乙醇脱水处理，干燥；最后采用多弧离子镀技术，在干燥后的铝合金锅基体3的过渡层2上沉积TiCN纳米结构的硬质陶瓷层1，制得不含氟化物的不粘锅。
所述过渡层2的厚度为20~40μm。
所述超声清洗的清洗时间为20~50min。
所述沉积TiCN纳米结构的硬质陶瓷层1的工艺参数是：负偏压为1~150V；N2流量为0.18~0.22L/min；C2H2流量为0.15~0.18L/min；Ar流量为0.02~0.03L/min；靶电流为60~70A；沉积温度为130~210℃；沉积时间为50~70min。
本实施例所制备的不含氟化物的不粘锅经炒锅铁铲加速模拟测试，通过29~30个循环。
实施例6
一种不含氟化物的不粘锅及其制备方法。如图1所示，先在铝合金锅基体3的内表面涂覆过渡层2，过渡层2的材质为氧化铝；然后将涂覆了过渡层2的铝合金锅基体3在丙酮溶液中超声清洗，再用无水乙醇脱水处理，干燥；最后采用多弧离子镀技术，在吹干后的铝合金锅基体3的过渡层2上沉积TiCN纳米结构的硬质陶瓷层1，制得不含氟化物的不粘锅。
所述过渡层2的厚度为30~50μm。
所述超声清洗的清洗时间为30~60min。
所述沉积TiCN纳米结构的硬质陶瓷层1的工艺参数是：负偏压为150~300V；N2流量为0.22~0.25L/min；C2H2流量为0.18~0.22L/min；Ar流量为0.03~0.04L/min；靶电流为70~80A；沉积温度为210~300℃；沉积时间为70~90min。
本实施例所制备的不含氟化物的不粘锅经炒锅铁铲加速模拟测试，通过29~30个循环。
实施例7
一种不含氟化物的不粘锅及其制备方法。如图1所示，先在铝合金锅基体3的内表面涂覆过渡层2，过渡层2的材质为氧化铝；然后将涂覆了过渡层2的铝合金锅基体3在丙酮溶液中超声清洗，再用无水乙醇脱水处理，干燥；最后采用多弧离子镀技术，在干燥后的铝合金锅基体3的过渡层2上沉积TiN纳米结构的硬质陶瓷层1，制得不含氟化物的不粘锅。
所述过渡层2的厚度为10~30μm。
所述超声清洗的清洗时间为10~40min。
所述沉积TiN的纳米结构的硬质陶瓷层1的工艺参数是：负偏压为0V；N2流量为0.15~0.18L/min；Ar流量为0.01~0.02L/min；靶电流为50~60A；沉积温度为50~130℃；沉积时间为30~50min。
本实施例所制备的不含氟化物的不粘锅经炒锅铁铲加速模拟测试，通过28~29个循环。
实施例8
一种不含氟化物的不粘锅及其制备方法。如图1所示，先在铝合金锅基体3的内表面涂覆过渡层2，过渡层2的材质为氮化铝；然后将涂覆了过渡层2的铝合金锅基体3在丙酮溶液中超声清洗，再用无水乙醇脱水处理，干燥；最后采用多弧离子镀技术，在干燥后的铝合金锅基体3的过渡层2上沉积TiN纳米结构的硬质陶瓷层1，制得不含氟化物的不粘锅。
所述过渡层2的厚度为20~40μm。
所述超声清洗的清洗时间为20~50min。
所述沉积TiN的纳米结构的硬质陶瓷层1的工艺参数是：负偏压为1~150V；N2流量为0.18~0.22L/min；Ar流量为0.02~0.03L/min；靶电流为60~70A；沉积温度为210~300℃；沉积时间为70~90min。
本实施例所制备的不含氟化物的不粘锅经炒锅铁铲加速模拟测试，通过29~30个循环。
实施例9
一种不含氟化物的不粘锅及其制备方法。如图1所示，先在铝合金锅基体3的内表面涂覆过渡层2，过渡层2的材质为氧化铝；然后将涂覆了过渡层2的铝合金锅基体3在丙酮溶液中超声清洗，再用无水乙醇脱水处理，干燥；最后采用多弧离子镀技术，在干燥后的铝合金锅基体3的过渡层2上沉积TiN纳米结构的硬质陶瓷层1，制得不含氟化物的不粘锅。
所述过渡层2的厚度为30~50μm。
所述超声清洗的清洗时间为30~60min。
所述沉积TiN的纳米结构的硬质陶瓷层1的工艺参数是：负偏压为15~300V；N2流量为0.22~0.25L/min；Ar流量为0.03~0.04L/min；靶电流为70~80A；沉积温度为130~210℃；沉积时间为50~70min。
本实施例所制备的不含氟化物的不粘锅经炒锅铁铲加速模拟测试，通过27~28个循环。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下经济效果：
本具体实施方式在硬度较低的铝合金锅基体3的内表面与硬度很高的纳米结构的硬质陶瓷层1间覆盖了一层硬度居中的过渡层2，使外层涂层与基体间的结合力显著提高，即显著提高了纳米结构的硬质陶瓷层1与铝合金锅基体3的内表面的结合力，使沉积的纳米结构的硬质陶瓷层1不易剥落。
TiCN、TiC或TiN纳米结构的硬质陶瓷层1具有硬度高、韧性好、摩擦系数小、化学稳定性好和对食物无污染等优点。采用多弧离子镀方法在涂覆了过渡层2的铝合金锅基体3的内表面沉积TiCN、TiC或TiN，获得了纳米级粗糙结构的硬质陶瓷层，使得硬质陶瓷层具有疏水性，所制得的不粘锅涂层在烹饪温度下化学性质稳定，本具体实施方式所制备的不含氟化物的不粘锅经炒锅铁铲加速模拟测试，通过26~30个循环。相比聚四氟乙烯涂层的不粘锅，不仅使用寿命延长了一倍，且不存在安全隐患，可取代其使用。另外，采用多弧离子镀技术在沉积纳米结构的硬质陶瓷层1的过程中不产生污染物质，安全环保。
因此，本具体实施方式制备工艺简单，制备过程安全环保，所制得的不粘锅具有不含氟化物、无损人体健康、耐磨性好和使用寿命长的特点。