一种纳米陶瓷涂层锅具的鉴别方法

王 贵 滨, 万 超, 孙 赟, 王 秋 艳, 孙 晓 飞, 赵 彤 彤, 刘 华 权

( 1.大连海关技术中心, 辽宁 大连 116001;2.南京卓康医药科技有限公司, 江苏 南京 210009 )

0 引 言

纳米陶瓷是一种通过有效分散、复合使异质相纳米颗粒均匀、弥散地保留于陶瓷基质结构中而得到的复合材料[1],其极小的粒径、大的比表面积和优异的化学性能,显著降低了材料的烧结致密化程度,使材料的组成晶粒结构致密化、均匀化。另外,纳米陶瓷晶界数量大幅度增加,改善陶瓷材料的性能,使其在硬度、韧性、耐磨性、结合强度、抗蚀性、致密度等方面得到显著提高,具有十分广阔的应用前景[2]。

目前市场上常见的炉式加热纳米陶瓷涂层锅具使用陶瓷材料主要包括二氧化硅纳米颗粒、二氧化钛纳米颗粒和纳米黏土,具有耐磨损、耐高温、耐酸碱腐蚀、超疏水抗菌性能等优点[3]。传统聚四氟乙烯涂层不粘厨具在使用温度超过300 ℃时会发生分解。纳米陶瓷涂层不粘炊具作为聚四氟乙烯涂层不粘产品的替代品,能够较好克服聚四氟乙烯涂层的使用缺陷[4]。此类商品还没有配套的产品标准,导致市售商品真伪难辨,价格差异巨大,存在较大的使用安全风险,因此亟须建立一套科学的鉴别方法,以促进纳米陶瓷涂层产品行业发展。

本实验运用系列光谱技术结合扫描对市售进口纳米陶瓷不粘厨具进行材料鉴别,建立了一种准确、快速的鉴别方法。

1 实 验

1.1 材 料

Z1-32cm陶瓷不粘长柄炒锅,德国;C1-18cm陶瓷涂层汤锅,韩国;O1-28cm无盖陶瓷涂层煎锅,日本;B1-24cm陶瓷不粘煎锅,意大利;B2-28cm陶瓷不粘平底锅,德国。

1.2 方 法

1.2.1 红外光谱检测

用刀片将涂层从锅具表面剥离,研磨成粉末,与溴化钾以体积比1∶10混合研磨后压片。用红外光谱仪透射模式进行测试,波数4 000～400 cm-1,根据谱库进行分析。

1.2.2 波长色散X荧光光谱检测

将锅具机械裁剪为直径3.5 cm平整样片,涂层面向上放入测样模具。X光管激发电压45 kV,电流45 mA,准直器面罩孔径30 mm,峰位测量时间40 s,背景测量时间20 s,氩-甲烷气体50 mL/min,真空光路全扫描,根据谱库进行比对半定量分析涂层主要元素。

1.2.3 X射线衍射检测

将锅具机械裁剪为直径3 cm平整样片,涂层面向上放入进样槽。扫描角(2θ)5°～70°,连续扫描,扫描速度20°/min,铜靶材,管压40 kV,管流40 mA,根据谱图匹配分析陶瓷涂层晶型元素。

1.2.4 扫描电镜检测

用刀片将涂层从锅具表面剥离,研磨成粉末后将其与铂(Pt)粉末混合采用离子溅射镀膜法将其均匀喷涂在观测台上。二次电子探测器加速电压25 kV,放大倍数3 000～20 000倍,运用Live Analysis进行EDS分析。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱对锅具及其涂层材料分析

图1(a)中,锅具涂层在1 115.67 cm-1处为硅-氧键特征峰,1 274.70 cm-1处为甲基硅特征峰。在776和2 968 cm-1的峰表明这类涂层中存在—CH2和—CH3[5],与聚甲基硅氧烷的标准谱图相近(图1(d))。在1 008 cm-1处有一个吸收峰,与硅-氧键的伸缩振动[6]特征吸收峰对应。与赛默飞世尔科技公司的商用谱库比对,与图1(a)中涂层红外匹配度最好的是聚二甲基硅氧烷,匹配度72.20%。图1(b)和图1(c)中,陶瓷涂层红外匹配度最高的均为硅酸钠/铝,匹配度分别为74.36%和72.63%。在1 000～1 100 cm-1有一个吸收峰,对应官能团为硅-氧键,在1 250～1 300 cm-1有甲基硅特征峰。

(a) Z1-32cm

图2(a)中,涂层在1 146.35和1 200.61 cm-1处为碳-氟伸缩振动峰,637.5和553.4 cm-1处为碳-氟弯曲振动峰,与聚四氟乙烯的标准谱图特征吸收峰对应(图2(c)),图2(b)和图2(c)也具有相同的特征峰。图2(a)和图2(b)中,两种锅具涂层材料均为聚四氟乙烯(特氟龙TM),匹配度分别为93.30%和90.81%。

(a) O1-28cm

2.2 X荧光光谱仪对锅具涂层和基材元素的分析

利用波长色散X荧光光谱仪对Z1-32cm、C1-18cm和B1-24cm三种锅具的涂层和基材元素进行分析,结果见表1。从表1可以看出,三种锅具涂层中的主要元素均为硅(Si),其他主要成分为钛(Ti)、铝(Al),表明涂层主要以硅、铝、钛等化合物形式存在。

表1 涂层和基材主要元素分析

2.3 X射线衍射仪对锅具晶体结构分析

通过X射线衍射仪对三种锅具进行晶体结构分析,如图3所示。图3(a)中,“1”为镁铬尖晶石,“5”为钴镁硅酸盐,图3(b)中存在明显的铝铬合金晶体和氧化钛晶体,图3(c)中存在明显的硅铝合金晶体和氧化钛晶体,与天然沸石结构相近[7]。

(a) Z1-32cm

2.4 扫描电镜对涂层进行微观形貌表征

选择具有陶瓷涂层特征的Z1-32cm锅具涂层进行微观形貌表征,如图4所示。涂层碎片放大到3 000倍,可观察到涂层表面的团状物和微小的孔洞结构(图4(a));放大到20 000倍,可以观察到明显的纳米级颗粒,粒径分布在80～330 nm(图4(b))。对碎片使用能谱仪进行元素分析可知其主要成分为硅、氧、碳元素。结合色散X荧光光谱仪和X射线衍射,可以看出涂层是由嵌入钛、铬和铝颗粒的硅酸盐基质组成。

(a) 放大3 000倍

通过不同方法检测的锅具材料见表2。Z1-32cm、C1-18cm、B1-24cm三种锅具涂层具有较为明显的无机硅结构[8],并伴有多种金属(钛、铝、铬)氧化物[9]以纳米级颗粒的形态分布,可能是以碳化硅(SiC)或天然陶土、矿石粉末为基体材料结合了三氧化二铝、二氧化钛等分散相,以水性涂料的形式低温固化制成的复相纳米陶瓷涂层产品[10],或以纳米级聚甲基硅氧烷为载体结合了具有功能的无机晶体的复相纳米陶瓷涂层产品,产品符合纳米陶瓷涂层概念基本要求。O1-28cm和B2-28cm两种锅具涂层均为标准的聚四氟乙烯涂层,运用石材纹理或晶体色泽填料的喷涂技术给消费者带来视觉上的误导,冒充纳米陶瓷材料。

表2 锅具的材料分析

3 结 论

扫描电镜与能谱仪结合使用可以直接、精确地进行纳米级涂层颗粒分析。选取几款市售具有代表性的主流纳米陶瓷涂层锅具产品,使用定性检测方法从材料类别角度对纳米陶瓷涂层锅具进行了快速、准确、简便的定性分析。