一种不粘炊具及其制造方法

技术领域

本发明构思属于不粘技术领域，更具体地，涉及一种不粘炊具及其制造方法。

背景技术

不粘技术的实现主要有三个方向：1)自身的低表面能；2)通过微观凹凸结构形成类似于荷叶表面的疏水疏油表面；3)多孔储油形成稳定油膜，以利用油作为中介物实现不粘。

目前炊具用不粘材料主要有氟涂料、陶瓷涂料和有机硅树脂，这三种不粘材料主要通过喷涂的形式在炊具的内表面形成不粘涂层，以达到加热食物时不粘的目的。氟涂料主要有PTFE(聚四氟乙烯)、PFOA(全氟辛酸铵)、PFA(全氟丙基全氟乙烯基醚与聚四氟乙烯的共聚物)、FEP(聚全氟乙丙烯共聚物)、ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)等，其不粘原理主要是含氟聚合物具有极低的表面自由能。陶瓷涂料主要是硅氧键结构的无机硅占主要成分的涂料，其主要通过在炊具表面形成纳米结构从而达到不粘的效果。有机硅树脂主要是利用其表面能低的特点达到不沾的效果。这三种涂料虽有不粘效果，但都有明显的缺陷：氟涂料不粘涂层不耐磨损，因此炒菜时不能用铁铲，也不能用钢丝球、百洁布清洗，高温下分解可能产生有害物质，并且磨损后不粘性下降；陶瓷涂料不粘效果较氟涂料差，其主要利用涂料体系中的硅油实现不粘，但是其持久不粘性不好，一般使用3～6个月涂层就会容易脱落；有机硅涂料不粘效果也较氟涂料差，其接触高温或明火后颜色容易发黄或发灰，且高温下硬度下降，容易产生“回粘”现象。

由此可见，不粘材料普遍存才持久不粘性不佳且不耐高温任性爆炒的现象。

发明内容

为了解决上述现有技术中的问题中的至少一者，本发明构思提供了一种不粘炊具及其制备方法。本发明构思通过对炊具基体表面进行PVD处理，同时加入脂肪酸蒸气处理沉积一层金属脂肪酸盐层，一方面金属原子在PVD镀膜过程中被激发活化，方便与脂肪酸酸进行化学键合，另一方面，PVD薄膜纯度高、致密性好，钴、铬、镍等重金属元素析出量少，拓展了更容易与有机酸进行结合的表面改性元素的使用类别。

根据本发明的一方面，一种不粘炊具可以包括：基体；以及金属脂肪酸盐层，形成在基体上，其中，金属脂肪酸盐层是使用金属和脂肪酸形成的层。

在实施例中，金属可以包括Mg、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Al、Sn和Ti中的至少一种。

在实施例中，脂肪酸可以包括硬脂酸、软脂酸、油酸、亚油酸、月桂酸和亚麻酸中的至少一种。

在实施例中，金属脂肪酸盐层的厚度可以为0.5μm-2μm。

根据本发明的另一方面，不粘炊具的制造方法可以包括：提供基体；以及在基体上敷设金属脂肪酸盐层，其中，所述金属脂肪酸盐层是使用金属和脂肪酸形成的层。

在实施例中，金属可以包括Mg、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Al、Sn、Ti中的至少一种。

在实施例中，脂肪酸可以包括硬脂酸、软脂酸、油酸、亚油酸、月桂酸和亚麻酸中的至少一种。

在实施例中，可以采用喷涂方式在基体上敷设金属脂肪酸盐层。

在实施例中，喷涂方式可以为电弧喷涂。

在实施例中，敷设金属脂肪酸盐层的步骤可以包括：在喷涂金属的同时通入脂肪酸蒸气，以形成金属脂肪酸盐层。

根据发明构思的实施例，通过对炊具基体表面进行PVD处理，同时加入脂肪酸蒸气处理沉积一层金属脂肪酸盐层，一方面金属原子在PVD镀膜过程中被激发活化，方便与脂肪酸进行化学键合，另一方面，PVD薄膜纯度高、致密性好，钴、铬、镍等重金属元素析出量少，拓展了更容易与脂肪酸进行结合的表面改性元素的使用类别。

具体实施方式

现在，将在下文中结合其中示出了示例性实施例更充分地描述本发明，然而，本发明可以以许多不同的形式来实施且不应被解释为限于这里所阐述的实施例。相反，这些实施例被提供为使得本公开将是彻底的和完整的，并且将把本发明的范围充分地传递给本领域技术人员。

将理解的是，当元件被称作“在”另一元件“上”时，该元件可以直接在所述另一元件上，或者它们之间可以存在中间元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。

现在，将在下文中详细描述本发明的示例性实施例。

在使用炊具烹饪食物过程中，经常发生食物与炊具粘接的现象。粘接的食物主要是淀粉类和蛋白质类。具体地，在烹饪的过程中，淀粉发生吸水、溶胀、糊化、最后碳化的一系列过程，而蛋白质则会发生肽链解离变性、水解失活、最后脱水碳化的一系列过程。在一系列过程中淀粉凝胶和蛋白质凝胶会与炊具表面结合，从而开始粘接炊具(粘锅)，时至食物接触面碳化后粘接力达到顶峰。基于上述方面，粘接机理主要包括以下理论：

1)机械结合理论：粘接力来自于两表面的机械互锁，靠锚固钩合楔合等作用连接在一起，实际上这种力并非起主要作用；

2)吸附理论：两材料间分子接触和界面力产生所引起的，粘接力的主要来源是分子间作用力包括氢键力和范德华力，该作用力在凝胶过程中处于主导地位；

3)化学键理论：两材料间原子形成化学键，化学键的键能比分子间的作用大得多，粘结力更强，该作用力在食物焦糊过程中处于主导地位。

在上述理论中，机械结合可通过改善炊具表面粗糙度来解决，表面吸附和化学键可以通过油脂解决，也就是说，通过在炊具表面形成一层牢固的油膜可以起到将食物与金属原子键合粘附变为食物与油脂接触不粘的效果，从而实现无涂层不粘的目的。

另外，由于牢固油膜的形成需要增大金属表面的亲油效果，可以通过利用脂肪酸来对金属表面进行接枝改性以实现金属表面的亲油性。这里，脂肪酸是天然油脂中正常水解的产物，溶于油脂中，它与金属原子可以形成脂肪酸盐，使得一方面表面脂肪酸酐可以隔绝食物与锅具的微观接触，另一方面脂肪酸酐作为亲油基团可以牢固锁住食用油形成油膜，从而可以避免食物粘锅。具体地，可以将通过物理气相沉积(PVD)工艺在基体上沉积一层金属层，再对金属层进行脂肪酸改性。金属与脂肪酸直接键合较为困难，金属活泼性不足，脂肪酸酸性较弱，将0价态的金属原子氧化成高价态的金属离子较为困难，需要长时间的处理活化，且现有炊具可使用基体较少，对现有炊具进行处理大大限制了材料的种类和效果。

因此，本发明构思提供了一种能够利用金属和脂肪酸在炊具的基体上形成具有优异的不粘性质的金属脂肪酸不粘层。

下面将结合示例性实施例详细描述本发明构思。根据发明构思的示例性实施例的不粘炊具。

根据本发明构思的不粘炊具可以包括基体、形成在基体上的金属脂肪酸盐层。

基体用于为炊具的诸如烹饪的操作提供容纳空间。因此，基体可以利用金属材料被制造成各种形状。例如，根据示例性实施例，基体可以包括不锈钢、铸铁、铝合金、钛合金、铜合金、镁合金或者由它们中的两者或更多者组成的复合材料，并且可以具有单层或多层的结构，本发明构思不限于此。另外，可以根据工艺、美学外观、具体需求而将基体形成为具有带角度的形状和/或圆滑的形状。

金属脂肪酸盐层可以共形地形成在基体的至少部分或全部内表面上，金属脂肪酸盐层可以是使用金属和脂肪酸形成的层。根据示例，可以通过喷涂方法使上述金属靶材与脂肪酸蒸气反应从而在基体的内表面的部分或全部上形成金属脂肪酸盐层。

根据示例性实施例，金属靶材可以是单一元素金属靶材，也可以为二主元合金靶材或者三元合金靶材，例如，金属靶材可为五种单一元素靶材或者一元靶材、二元靶材、三元靶材之间的相互组合，优选单一元素金属靶材，成本低，例如，金属可以包括Mg、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Al、Sn和Ti中的至少一种。

根据示例性实施例，脂肪酸可以包括硬脂酸、软脂酸、油酸、亚油酸、月桂酸和亚麻酸中的至少一种。脂肪酸是天然油脂中正常水解的产物，溶于油脂中，与金属原子化学键合以形成脂肪酸盐，一方面表面的脂肪酸酐可以隔绝食物与锅具的微观接触，另一方面，脂肪酸酐是亲油基团，可以牢固锁住食用油形成油膜，避免食物粘锅，从而提高炊具的不粘效果。

根据示例性实施例，金属脂肪酸盐层的厚度可以为0.5μm-2μm，例如，0.7μm-1.8μm，0.9μm-1.6μm，1.1μm-1.4μm，1.2μm-1.3μm。当金属脂肪酸盐层的厚度太薄，例如，小于0.5μm时，不粘效果降低，如果金属脂肪酸盐层的厚度太厚，例如，大于2μm时，用户炒菜的体验感差，且造成成本浪费。

以上，结合示例性实施例详细描述了根据本发明构思的具有双层结构的不粘炊具。在下文中，将结合示例性实施例来详细描述本发明构思的不粘炊具的制造方法。

首先，可以提供基体。

基体用于为炊具的诸如烹饪的操作提供容纳空间。因此，基体可以利用合适的金属材料被制造成各种形状。上面已经详细描述了基体，因此，为了避免冗余，这里对基体不做过多描述。

在提供基体后，可以对基体进行前处理。

对基体进行前处理的步骤可以包括对基体依次进行超声波清洗、酸洗和漂洗的步骤。例如，首先，可以在超声波清洗槽中放入按使用要求配制的金属清洗剂，利用超声波进行脱脂、清洗；在超声波清洗结束之后，可以使用硫酸、硝酸和氢氟酸的混合物对基体进行酸洗，经过酸洗工序，可以中和超声波清洗时残余的碱液，还能起到对基体活化处理的作用；在酸洗结束之后，可以使用去离子水对基体进行漂洗，以彻底除去酸液，漂洗时必须采用去离子纯净水或蒸馏水；经过以上三道清洗工序之后，即时进行烘干或者可以通过风吹干之后将基体马上放入干燥炉中进行烘干，这里，烘干温度可以控制在100℃-120℃的范围内，时间可以控制在1h-1.5h左右。在通过三次清洗，可以去除基体表面的油污和残留的清洗液，使得后续能够更好地进行后面将要描述的形成高熵陶瓷层的工艺。然而，示例性实施例不限于此，也就是说，可以省略前处理步骤。

此后，可以顺序地进行敷设金属脂肪酸盐层的步骤。根据示例性实施例，可以采用PVD多弧离子镀工艺作为敷设工艺在基体上形成金属脂肪酸盐层。在下面，将PVD多弧离子镀作为形成金属脂肪酸盐层的工艺的具体示例来详细描述本发明的形成金属脂肪酸盐层的一种方法。

在敷设金属脂肪酸盐层之前，可以做一些准备工作，例如，清洁真空镀膜室、检查电弧蒸发源、检查工件架的绝缘情况等。在完成上述准备工作之后，可以将基体放入真空镀膜室中，并进行抽真空处理。

在抽真空的工艺中，开始可以进行粗抽，从大气抽至约5Pa，在执行粗抽时，可以烘烤加热至150℃，之后使用油扩散泵进行细抽。伴随镀膜室温度的升高，器壁放气会使真空室内的真空度降低，然后又回升，等到真空度回升到约6.6×10

在对基体执行镀膜工艺之前，可以对处于真空室中的基体进行氩离子轰击清洗工艺。具体地，在执行氩离子轰击清洗工艺时：通入高纯度氩气(99.999％)，使真空度保持在2Pa-3Pa，轰击电压为800V-1000V，轰击时间为10min-15min。通过对基体进行氩离子轰击清洗可以去除靶材表面可能存在的脏污及杂质，并活化靶材，便于后续镀膜过程稳定进行。

接下来，可以在经上述步骤之后的基体的表面上形成金属脂肪酸盐层。可以通过PVD多弧离子镀工艺使用金属靶材与脂肪酸蒸气(例如，400℃)反应在基体的内表面上形成金属脂肪酸盐层。具体地，可以向真空镀膜室中通入体积比为10-20:1的高纯度氩气与脂肪酸蒸气的混合气体，氩气与脂肪酸蒸气的体积比可以为10:1、11:1、12:1、13:1、14:1、15:1、16:1、17:1、18:1、19:1或20:1。如果氩气与脂肪酸蒸气的体积比大于20:1，即脂肪酸蒸气过少，不足以将与金属进行脂肪酸改性反应，形成的层仍包含一部分金属原子，不粘效果降低，如果氩气与脂肪酸蒸气的体积比小于10:1，即，脂肪酸蒸气过多，则会导致脂肪酸大量腐蚀靶材，引起靶材中毒，影响镀膜的进行。同时，可以将真空度保持在2×10

在上述镀膜工艺结束后，执行冷却工艺。具体地，在镀膜工艺结束后，首先关闭电弧电源和偏压电源，然后关闭气源和停转架。基体在真空镀膜室内冷却至80℃-100℃时，向真空镀膜室内充入大气，然后取出基体。

经过镀膜工艺之后，可以在基体表面形成一层厚度在0.5μm-2μm的金属脂肪酸盐层。这是因为：多弧离子镀通过脉冲电弧激发金属原子，在电场的作用下迁移到基体表面沉积，随着沉积厚度的增加，基体表面的金属脂肪酸盐层电阻增大，导致电场强度减弱，从而难以继续沉积增加膜厚。

上面结合示例性实施例描述了根据本发明构思的不粘炊具及其制造方法。根据本发明的实施例，通过对炊具基体表面进行PVD处理，同时加入脂肪酸蒸气处理沉积一层金属脂肪酸盐层，一方面金属原子在PVD镀膜过程中被激发活化，方便与脂肪酸进行化学键合，另一方面，PVD薄膜纯度高、致密性好，钴、铬、镍等重金属元素析出量少，拓展了更容易与脂肪酸进行结合的表面改性元素的使用类别。

在下面，将通过详细描述本发明构思的具体示例来体现本发明构思的有益效果。

实施例1

根据以下方法来制备根据实施例1的锅具。

准备不锈钢锅胚。

将不锈钢锅胚放入超声波清洗槽中，加入市售金属清洗剂清洗，然后使用按质量分数计包括8％的硫酸、25％的硝酸和10％的氢氟酸的混合物对不锈钢锅胚进行酸洗，酸洗结束后，使用去离子水对不锈钢锅胚进行漂洗。漂洗完成后，将不锈钢锅胚放入炉中在100℃下进行烘干。

清洁真空镀膜室，检查电弧蒸发源是否正常，检查工件架是否绝缘，待就绪后将不锈钢锅胚放入到真空镀膜室中，并进行抽真空，开始粗抽至约5Pa，粗抽时烘烤加热至150℃，之后使用油扩散泵进行细抽，伴随镀膜室温度的升高，器壁放气，真空室内的真空度降低，然后又回升，直到真空度回升至约6.6×10

接下来，对不锈钢锅胚进行氩离子轰击清洗。具体地，通入高纯度氩气(99.999％)，使真空度保持在2.5Pa，轰击电压为900V，轰击时间为12min。

之后，执行镀膜工艺，向真空镀膜室中通入体积比为15:1的高纯度氩气与400℃的油酸蒸气的混合气体，真空度保持在2×10

经过镀膜工艺，在不锈钢锅胚表面形成了一层厚度为1μm的金属脂肪酸盐层。即完成了根据实施例1的锅具的制造。

实施例2

与实施例1的不同之处在于：采用MnCrNiTi合金作为靶材代替金属Ni。

实施例3

与实施例1的不同之处在于：氩气与油酸蒸气的体积比为10:1。

实施例4

与实施例1的不同之处在于：氩气与油酸蒸气的体积比为20:1。

实施例5

与实施例1的不同之处在于：形成的金属脂肪酸盐的厚度为0.5μm。

实施例6

与实施例1的不同之处在于：形成的金属脂肪酸盐的厚度为2μm

实施例7

与实施例1的不同之处在于：使用亚麻酸蒸气代替油酸蒸气。

对比示例1

与实施例1的不同之处在于：仅通入氩气来代替氩气与油酸蒸气的混合气体。

对比示例2

与实施例1的不同之处在于：用空气与油酸蒸气的混合气体来代替氩气与油酸蒸气的混合气体。

对比示例3

与实施例1的不同之处在于：氩气与油酸蒸气的体积比为5:1。

对比示例4

与实施例1的不同之处在于：氩气与油酸蒸气的体积比为25:1

通过以上参照实施例1-7和对比示例1-4制造的锅具进行不粘性测试。

按照国标GB/T32095.2-2015中4.2.1煎蛋不粘性试验。评价结果示于表1中。表1中的“—”表示与实施例1中的对应的数据相同的数据。

表1

从表1中可以看出，根据实施例1-7制造的锅具煎蛋不粘性测试结果均为I级，而根据对比示例1和4制造的锅具的煎蛋不粘性测试结果为II级，根据对比示例2和3制造的锅具的煎蛋不粘性测试结果为III级。结果证明：未经过脂肪酸改性的锅具(例如，对比示例1)的不粘性下降；根据对比示例2，空气中的氧气会氧化脂肪酸，使得脂肪酸的量不足且形成的脂肪酸盐层中还残留有金属，导致锅具的不粘性降低；当氩气与脂肪酸蒸气的体积比在10:1-20:1的范围内时(例如，实施例1-7)，制备的锅具具有良好的不粘效果，当脂肪酸蒸气过少或过多，例如，氩气与脂肪酸蒸气的体积比大于20:1或小于10:1(对比示例3-4)时，锅具的不粘性下降。

根据本发明的构思，提供了一种包括基体和形成在基体上的金属脂肪酸盐层的不粘炊具。具体地，通过对炊具基体表面进行PVD处理，同时加入脂肪酸蒸气处理沉积一层金属脂肪酸盐层，一方面金属原子在PVD镀膜过程中被激发活化，方便与脂肪酸进行化学键合，另一方面，PVD薄膜纯度高、致密性好，钴、铬、镍等重金属元素析出量少，拓展了更容易与脂肪酸进行结合的表面改性元素的使用类别。

尽管已经参照以上的实施例描述了本发明，但是本领域技术人员或具有本领域常识的技术人员将理解的是，在不脱离权利要求中描述的本发明的精神和技术领域的情况下，可以对本发明进行各种修改和改变。因此，本发明的技术范围不应限于在说明书的具体实施方式中描述的内容，并且所要求保护的发明应由权利要求书限定。