一種納米陶瓷涂層鍋具的鑒別方法

王 貴 濱, 萬 超, 孫 赟, 王 秋 艷, 孫 曉 飛, 趙 彤 彤, 劉 華 權

( 1.大連海關技術中心, 遼寧 大連 116001;2.南京卓康醫藥科技有限公司, 江蘇 南京 210009 )

0 引 言

納米陶瓷是一種通過有效分散、復合使異質相納米顆粒均勻、彌散地保留于陶瓷基質結構中而得到的復合材料[1],其極小的粒徑、大的比表面積和優異的化學性能,顯著降低了材料的燒結致密化程度,使材料的組成晶粒結構致密化、均勻化。另外,納米陶瓷晶界數量大幅度增加,改善陶瓷材料的性能,使其在硬度、韌性、耐磨性、結合強度、抗蝕性、致密度等方面得到顯著提高,具有十分廣闊的應用前景[2]。

目前市場上常見的爐式加熱納米陶瓷涂層鍋具使用陶瓷材料主要包括二氧化硅納米顆粒、二氧化鈦納米顆粒和納米黏土,具有耐磨損、耐高溫、耐酸堿腐蝕、超疏水抗菌性能等優點[3]。傳統聚四氟乙烯涂層不粘廚具在使用溫度超過300 ℃時會發生分解。納米陶瓷涂層不粘炊具作為聚四氟乙烯涂層不粘產品的替代品,能夠較好克服聚四氟乙烯涂層的使用缺陷[4]。此類商品還沒有配套的產品標準,導致市售商品真偽難辨,價格差異巨大,存在較大的使用安全風險,因此亟須建立一套科學的鑒別方法,以促進納米陶瓷涂層產品行業發展。

本實驗運用系列光譜技術結合掃描對市售進口納米陶瓷不粘廚具進行材料鑒別,建立了一種準確、快速的鑒別方法。

1 實 驗

1.1 材 料

Z1-32cm陶瓷不粘長柄炒鍋,德國;C1-18cm陶瓷涂層湯鍋,韓國;O1-28cm無蓋陶瓷涂層煎鍋,日本;B1-24cm陶瓷不粘煎鍋,意大利;B2-28cm陶瓷不粘平底鍋,德國。

1.2 方 法

1.2.1 紅外光譜檢測

用刀片將涂層從鍋具表面剝離,研磨成粉末,與溴化鉀以體積比1∶10混合研磨后壓片。用紅外光譜儀透射模式進行測試,波數4 000～400 cm-1,根據譜庫進行分析。

1.2.2 波長色散X熒光光譜檢測

將鍋具機械裁剪為直徑3.5 cm平整樣片,涂層面向上放入測樣模具。X光管激發電壓45 kV,電流45 mA,準直器面罩孔徑30 mm,峰位測量時間40 s,背景測量時間20 s,氬-甲烷氣體50 mL/min,真空光路全掃描,根據譜庫進行比對半定量分析涂層主要元素。

1.2.3 X射線衍射檢測

將鍋具機械裁剪為直徑3 cm平整樣片,涂層面向上放入進樣槽。掃描角(2θ)5°～70°,連續掃描,掃描速度20°/min,銅靶材,管壓40 kV,管流40 mA,根據譜圖匹配分析陶瓷涂層晶型元素。

1.2.4 掃描電鏡檢測

用刀片將涂層從鍋具表面剝離,研磨成粉末后將其與鉑(Pt)粉末混合采用離子濺射鍍膜法將其均勻噴涂在觀測臺上。二次電子探測器加速電壓25 kV,放大倍數3 000～20 000倍,運用Live Analysis進行EDS分析。

2 結果與討論

2.1 紅外光譜對鍋具及其涂層材料分析

圖1(a)中,鍋具涂層在1 115.67 cm-1處為硅-氧鍵特征峰,1 274.70 cm-1處為甲基硅特征峰。在776和2 968 cm-1的峰表明這類涂層中存在—CH2和—CH3[5],與聚甲基硅氧烷的標準譜圖相近(圖1(d))。在1 008 cm-1處有一個吸收峰,與硅-氧鍵的伸縮振動[6]特征吸收峰對應。與賽默飛世爾科技公司的商用譜庫比對,與圖1(a)中涂層紅外匹配度最好的是聚二甲基硅氧烷,匹配度72.20%。圖1(b)和圖1(c)中,陶瓷涂層紅外匹配度最高的均為硅酸鈉/鋁,匹配度分別為74.36%和72.63%。在1 000～1 100 cm-1有一個吸收峰,對應官能團為硅-氧鍵,在1 250～1 300 cm-1有甲基硅特征峰。

(a) Z1-32cm

圖2(a)中,涂層在1 146.35和1 200.61 cm-1處為碳-氟伸縮振動峰,637.5和553.4 cm-1處為碳-氟彎曲振動峰,與聚四氟乙烯的標準譜圖特征吸收峰對應(圖2(c)),圖2(b)和圖2(c)也具有相同的特征峰。圖2(a)和圖2(b)中,兩種鍋具涂層材料均為聚四氟乙烯(特氟龍TM),匹配度分別為93.30%和90.81%。

(a) O1-28cm

2.2 X熒光光譜儀對鍋具涂層和基材元素的分析

利用波長色散X熒光光譜儀對Z1-32cm、C1-18cm和B1-24cm三種鍋具的涂層和基材元素進行分析,結果見表1。從表1可以看出,三種鍋具涂層中的主要元素均為硅(Si),其他主要成分為鈦(Ti)、鋁(Al),表明涂層主要以硅、鋁、鈦等化合物形式存在。

表1 涂層和基材主要元素分析

2.3 X射線衍射儀對鍋具晶體結構分析

通過X射線衍射儀對三種鍋具進行晶體結構分析,如圖3所示。圖3(a)中,“1”為鎂鉻尖晶石,“5”為鈷鎂硅酸鹽,圖3(b)中存在明顯的鋁鉻合金晶體和氧化鈦晶體,圖3(c)中存在明顯的硅鋁合金晶體和氧化鈦晶體,與天然沸石結構相近[7]。

(a) Z1-32cm

2.4 掃描電鏡對涂層進行微觀形貌表征

選擇具有陶瓷涂層特征的Z1-32cm鍋具涂層進行微觀形貌表征,如圖4所示。涂層碎片放大到3 000倍,可觀察到涂層表面的團狀物和微小的孔洞結構(圖4(a));放大到20 000倍,可以觀察到明顯的納米級顆粒,粒徑分布在80～330 nm(圖4(b))。對碎片使用能譜儀進行元素分析可知其主要成分為硅、氧、碳元素。結合色散X熒光光譜儀和X射線衍射,可以看出涂層是由嵌入鈦、鉻和鋁顆粒的硅酸鹽基質組成。

(a) 放大3 000倍

通過不同方法檢測的鍋具材料見表2。Z1-32cm、C1-18cm、B1-24cm三種鍋具涂層具有較為明顯的無機硅結構[8],并伴有多種金屬(鈦、鋁、鉻)氧化物[9]以納米級顆粒的形態分布,可能是以碳化硅(SiC)或天然陶土、礦石粉末為基體材料結合了三氧化二鋁、二氧化鈦等分散相,以水性涂料的形式低溫固化制成的復相納米陶瓷涂層產品[10],或以納米級聚甲基硅氧烷為載體結合了具有功能的無機晶體的復相納米陶瓷涂層產品,產品符合納米陶瓷涂層概念基本要求。O1-28cm和B2-28cm兩種鍋具涂層均為標準的聚四氟乙烯涂層,運用石材紋理或晶體色澤填料的噴涂技術給消費者帶來視覺上的誤導,冒充納米陶瓷材料。

表2 鍋具的材料分析

3 結 論

掃描電鏡與能譜儀結合使用可以直接、精確地進行納米級涂層顆粒分析。選取幾款市售具有代表性的主流納米陶瓷涂層鍋具產品,使用定性檢測方法從材料類別角度對納米陶瓷涂層鍋具進行了快速、準確、簡便的定性分析。