基于不粘鍋涂層材料的應用研究

修雪英

國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心材料部，江蘇蘇州，215000

0 引言

“不粘鍋”的問世給人們的生活帶來了很大方便，人們不必再擔心做飯時會出現燒焦粘鍋現象。本文將根據不粘鍋涂層種類的研究現狀，重點概述不同不粘鍋涂層的性能及影響。

1 含氟聚合物樹脂涂層的不粘鍋

最初，不粘鍋其不粘性的主要原理是在鋁合金鍋體表面上噴涂一層含氟聚合物樹脂不粘涂料，通過420℃的高溫燒結，使不粘涂層同鋁基材緊密結合，利用不粘涂層的強化學惰性將食物和鍋體分開，從而起到不粘作用。其中，使用最多的是聚四氟乙烯（PTFE，俗稱特氟龍），其結構獨特，如不粘性好、摩擦系數低、溫度適用范圍廣、熱穩定性好、耐腐蝕性好，因而成為不粘鍋涂層的重要成分。早在1955年，Collette Gregoire就申請了不粘鍋的專利（US3008601A），在平底鍋內表面鍍覆特氟龍涂層，從而在烹飪的過程中與食物接觸時具有滿意的不粘效果。

圖1 專利US3008601A中記載的不粘鍋示意圖

隨后，不粘鍋在炊具市場受到消費者的追捧。由于不粘涂料和容器本體之間的結合力與聚氟樹脂的含量成反比，而涂料的不粘性能則與聚氟樹脂的含量成正比，從而想到對其涂層材料進行改進。除了聚四氟乙烯涂層材料，還可采用全氟聚合物如聚四氟乙烯（PTFE）和TFE與氟乙烯醚（PFA）的共聚物（CN1171064A）、硅酮（CN101242912A）、聚醚砜（CN101525518A、CN201559859U）、聚苯硫（CN101242912A）作為涂層材料，也可在氟碳聚合物聚四氟乙烯中添加陶瓷填充劑（CN1471888A）、鈦白粉（CN1193642A）或金剛石顆粒（CN101330986A）以提高與炊具基底的結合強度[1]。

2 陶瓷及其他涂層不粘鍋

基于對含氟不粘涂層在合成中使用的原料—全氟辛酸銨及其鹽類在高溫下是否會分解產生有害物質的憂慮，人們開始研制新的不粘材料，其中包括陶瓷涂層（CN1098275A）、選自氮氧化鈦、低氧化鈦、低氮化鈦、尖晶石、混合尖晶石中的單獨的陶瓷以及陶瓷金屬混合物（US2003/0047029A1），其中陶瓷選自氮氧化鈦、低氧化鈦、低氮化鈦、尖晶石、氟化鈰、碳化硅、熱解碳、碳化硼，金屬為鈦（CN1418262A）；以氧化硅、氧化鋁為主的無機質陶瓷涂層（CN103417126A）、金屬氧化物（CN103370379A）、由鎳鋁基的鎳鋁合金或者碳化鉻（Cr3C2）基的鎳鉻碳化鉻合金構成的金屬不粘涂層（CN1913805A、EP1774876A1）、硬鉻金屬層（CN1644318A）、硅涂層（CN2889115Y）、非晶態鎳磷合金層（CN238006Y）；通過上釉的方式在內表面形成瓷釉以形成不粘層（CN103637695A）；對炊具內部進行硬質陽極化處理（US2002/0094424A1），通過物理、化學的方法在炊具的表面形成氧化膜層（CN1557247A）。

除了對材料的改進，還可以通過工藝改善基底的表面性能來達到提高結合強度的目的，如將網格體嵌入或壓入鍋體的內表面，網格體的筋凸出鍋體的內表面，將不粘涂層噴涂在鍋體的內表面，填充在網格體的網孔內，網格的筋形成具有支撐作用的脊，形成的脊具有更好的韌性和耐磨性能，能夠抵抗鐵鏟的沖擊，提高不粘鍋的耐磨及抗刮性能（CN103445666A）；在鍋體的內表面均勻分布有多個獨立的正六角型的油槽，在油槽表面附著有不粘鍋涂層（CN2057833U、CN204091653U）；對炊具內部進行硬質陽極化處理（CN1407134A）、通過物理化學的方法在炊具的表面形成一氧化膜（CN1557247A）；采用螺紋狀內表面，避免內表面被食物和鍋鏟的機械摩擦所磨損（CN201104771Y、CN2889115Y）；對廚具的表面進行化學腐蝕，以在其上形成緊密的微孔，再以碳氟樹脂和顏料為基的組合物直接施于限制裝飾層表面的預定區域上（CN1112882A）。

圖2 不粘鍋表面改性的各種形狀

此外，也可以采用涂覆多層涂層的方式來提高結合力，如采用兩層聚四氟乙烯涂層，第一種聚四氟乙烯的熔體粘度大于105帕秒，第二種聚四氟乙烯的熔體粘度為102～107帕秒范圍之間，且第一種的熔體粘度大于第二種的熔體粘度至少102帕秒，以形成濃度梯度（CN1064291A）；包括直接涂覆在鋁上的頭道底涂層、涂覆在頭道底涂層上的底涂層以及涂覆在底涂層上的面涂層組成的三層不粘涂層，頭道底涂層由溶解于有機溶劑中的聚酰胺-酰亞胺樹脂（PAI）獲得，底涂層由加入了聚酰胺-酰亞胺樹脂（PAI）和四氟乙烯與聚（丙基·乙烯基醚）的共聚物（PFA）的聚四氟乙烯（PTFE）水分散體獲得，面涂層由PTFE水分散體獲得（CN1164553A）；包括防腐底層、耐磨中間層和不粘罩面層的涂層（CN101462390A）以及通過將至少三層涂層順序涂覆到基底上并固化而得到，所有涂層都包含氟碳樹脂和一些其他樹脂，底層和頂層包含無機顆粒（CN102307677A）[2]。

3 無涂層物理不粘鍋

除了具有涂層的不粘鍋，還存在不用涂層也能達到不粘性能的不粘鍋，如上表面是由微米級的半球按照六方密排（hcp）的形式規則排列而成的凹凸面，每個微米級半球表面均布有納米級的半球，通過材料表面的特定結構可以實現不粘的效果（CN101785629A）；通過在鍋體內底面設置若干凹陷區，由于鍋體內表面分布有多個凹陷區，當鍋內食用油被均勻加熱后，儲存在這些凹陷區內的油被加熱至沸騰，而食物被這些分散排列且沸騰的油承托后微微浮起，由于食物不會直接接觸鍋底，可有效防止粘鍋現象（CN201894540U）；鍋體為304不銹鋼、鋁及430不銹鐵鋼三層復合鋼材料壓制而成的三夾層無涂層物理性不粘鍋（CN201227182Y）；在鍋體內表面加注多個不同部位、不同方位的內凹點，呈蜂窩形狀表面，鍋體內凹點運用內深外圓的漸變，使鍋體在受熱時產生氣流，在加熱的高溫下形成氣流，從而達到物理性不粘的效果（CN201519043U）。

ZL201310089292.6的專利（發明名稱為：一種不銹鋼或復合鋼的不粘鍋的制造方法），其先通過絲網印刷的方法在不銹鋼板表面內表面預設區域通過化學蝕刻或雕刻或滾壓方法形成凹凸紋路，然后拉伸成型制成鍋體，再將涂料噴涂在不銹鋼鍋體內表面預設區域內，機械打磨去除凹凸紋路中的凸起面處的不粘涂層，從而具有耐用且不粘性能好等優點[3]。

圖3 涉案專利ZL201310089292.6的制備流程圖

蘇泊爾相關的專利包括CN103230216A、CN203341496U、CN206950017U、CN209186333U、CN204950508U、CN104887060A，均涉及在鍋體表面形成粗糙結構，然后再在其粗糙表面設置不粘層以達到不粘效果[4]。

4 其他改性

在不粘的性能基礎上，對鍋體還有其他需求，如在內表面涂覆一層無機不粘涂層，該無機不粘涂層上覆有多個納米銀顆粒，使炊具具有抗菌功能（CN201958589U、CN110423501A）；使內涂層帶有隆起珠點或滴珠的隨機噴濺圖案，采用噴霧涂布方法形成涂層，穿過透光外涂層可見其美食圖案，以制備帶彩色花紋的炊具（CN1171064A）；噴涂可磁化不粘涂，使炊具涂層圖案立體效果好、生產效率高（CN102896962A）；通過添加改性氧化石墨烯增強不粘鍋涂層的傳熱效果（CN110358442A）。

5 如何選擇不粘鍋

5.1 從不粘鍋種類選擇

上述三種不粘鍋作為市售不粘鍋的主要類型，其各有優劣。消費者可根據實際使用需要進行選擇。

表1 不粘鍋涂層優缺點對比

5.2 從不粘鍋品牌選擇

對不粘鍋品牌的專利申請量進行統計發現，美的、九陽、蘇泊爾申請的專利數量較多，尤其是美的，從2014年起，申請量激增，遙遙領先于其他品牌，逐步實現自我的專利布局。通過分析發現，美的不粘鍋在鍋具本體內表面設置準晶涂層（CN209694931U、CN209694856U、CN209300766U），其不粘性可以和特氟龍（Teflon）涂層相媲美，而且具有高硬度、高耐磨性、高耐蝕性等優良特點；通過等離子噴涂、超音速噴涂、冷噴涂等技術來提高涂層的結合強度及壽命（CN108728842A、CN209300766U）；通過在陶瓷不粘層中添加抗菌材料制備得到抗菌不粘鍋具（CN107981702A、CN206403638U）。而蘇泊爾則通過在基體表面上形成熱控涂層，在不增加基體厚度的情況下實現了無油煙效果，提升了用戶體驗（CN107713707A）；通過在炊具表面形成微米級和納米級凸起的粗糙化表面，在環保無涂層的同時，使炊具具有穩定的疏水效果，且不粘壽命延長（CN206950017U）。九陽在鍋體本體的內表面設有紋路區域，紋路區域包括間隔布置的多個脊和多個槽，在使用過程中，槽底具有槽底面，可以使油均勻地分布在油槽里，還可以減少食用油的攝入，做到健康飲食（CN204931262U）[5]。

圖4 各大品牌專利申請量統計

目前，中國已是全球產量最大、品種最多的不粘鍋生產國。隨著材料的發展以及人們對飲食文化追求，相信會有更多新技術、新材料、新工藝用以提升產品品質，從而給大眾帶來全新的烹飪體驗。

6 結語

隨著時代的進步，人們對烹飪生活質量的要求越來越高，而不粘涂層的問世能夠滿足人們各種各樣的需求。本文分析了各種不粘涂層的優點與不足，并對后續的研究方向進行了思考，相信隨著新材料新工藝的發展，不粘涂層的應用前景會越來越好。