НАГРЕВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, СОДЕРЖАЩЕЕ САМООЧИЩАЮЩЕЕСЯ ПОКРЫТИЕ Российский патент 2008 года по МПК D06F75/38 

Предлагаемое изобретение относится к нагревающим устройствам или устройствам, предназначенным для нагревания в процессе их использования и содержащим самоочищающееся покрытие.

Эффективность и простота использования некоторых нагревающих устройств, таких, например, как подошвы утюгов или кулинарные варочные сосуды, зависят, кроме всего прочего, от состояния и характеристик покрытия их рабочих поверхностей.

Подошвы утюгов могут быть усовершенствованы из расчета повышения качества скольжения поверхности глажения в сочетании с характеристиками, позволяющими облегчить распрямление подлежащего глажению белья. Способ получения упомянутых выше характеристик состоит в использовании эмалированных поверхностей подошв с применением особенно гладкой эмали и, в случае необходимости, с линиями утолщения, позволяющими распрямлять и раскладывать проглаживаемую ткань в процессе перемещения утюга. Другие металлические подошвы утюгов, механически обработанные специальным образом и/или содержащие, или не содержащие специальное покрытие, предназначенное для облегчения скольжения подошвы утюга, также могут обеспечивать удовлетворительные эксплуатационные характеристики этих утюгов.

Однако в процессе использования утюга зеркально гладкая поверхность его подошвы может тускнеть в результате более или менее распределенного и более или менее полного закоксовывания поверхности глажения различными органическими частицами, захваченными в результате трения о разглаживаемые ткани.

Однако даже в случае незначительного и почти незаметного для невооруженного глаза закоксовывания подошвы утюга она частично теряет свои качества скольжения. Постепенно, по мере загрязнения подошвы, глажение становится все более затруднительным. В то же время пользователь может испытывать опасения относительно использования такого утюга с закоксованной подошвой, подозревая, что он может испортить подвергающееся глажению белье.

Известно использование специальных покрытий для подошвы утюга, содержащих твердый и прочный слой, содержащий, как это указано в патенте US 4862609, некоторый дополнительный слой, улучшающий ее поверхностные свойства. Однако в этом патенте ничего не говорится о техническом решении, предназначенном для борьбы с загрязнением подошвы утюга.

Стенки кулинарных варочных устройств также часто бывают покрыты слоем эмали с гладкой поверхностью для того, чтобы возможные выбросы жира или пищевых продуктов не прилипали к этой поверхности. Известны самоочищающиеся эмалированные поверхности, используемые, например, в печах и в домашних варочных приспособлениях, как об этом сказано, в частности, в патентах US 4029603 или FR 2400876.

Однако эти покрытия не обеспечивают получение полностью удовлетворительных результатов в том, что касается их свойств самоочистки.

Таким образом, существует потребность в создании покрытия нагревающего устройства типа кулинарного варочного сосуда или подошвы утюга, которое поддерживает покрытую им поверхность свободной от любого загрязнения органическими частицами и не закоксовывается при нормальной эксплуатации, сохраняя свои исходные качества.

Предлагаемое изобретение относится к нагревающему устройству, имеющему в своем составе металлическое основание, по меньшей мере, часть которого имеет самоочищающееся покрытие, отличающемуся тем, что упомянутое покрытие содержит:

а) наружный слой, находящийся в контакте с окружающей атмосферой и содержащий, по меньшей мере, один катализатор окисления, выбранный из числа окислов металлов платиновой группы;

b) по меньшей мере, один внутренний слой, располагающийся между упомянутым металлическим основанием и упомянутым наружным слоем и содержащий, по меньшей мере, один катализатор окисления, выбранный среди окислов элементов перехода из группы Ib.

Объектом предлагаемого изобретения также является способ нанесения на металлическое основание нагревающего устройства самоочищающегося покрытия описанного выше типа, отличающийся тем, что он содержит следующие этапы:

- i) нагревают поверхность металлического основания, на которую должно быть нанесено покрытие в печи до температуры примерно 400°С,

- ii) помещают указанную поверхность металлического основания под инфракрасное излучение при температуре в диапазоне от 400 до 600°С на протяжении нескольких секунд,

- iii) распыляют раствор предшественника катализатора окисления, выбранного из числа окислов элементов перехода из группы Ib, на указанную поверхность металлического основания для получения на ней упомянутого внутреннего слоя,

- iv) повторно нагревают указанную поверхность металлического основания с уже нанесенным на нее внутренним слоем в печи до температуры примерно 400°С,

- v) помещают указанную поверхность металлического основания с уже нанесенным внутренним слоем под инфракрасное излучение при температуре в диапазоне от 400 до 600°С на протяжении нескольких секунд,

- vi) распыляют раствор предшественника катализатора окисления, выбранного из числа окислов металлов платиновой группы, на упомянутый внутренний слой для получения на нем упомянутого наружного слоя,

- vii) производят отжиг поверхности металлического основания с уже нанесенными на нее внутренним слоем и наружным слоем под действием инфракрасного излучения на протяжении нескольких минут.

Благодаря предлагаемому изобретению получают устройство, самоочищающееся покрытие которого представляет высокую каталитическую активность и хорошо сцепляется с металлическим основанием устройства.

Действительно, было установлено, что соединение катализатора окисления, выбранного среди окислов элементов перехода из группы Ib, в упомянутом внутреннем слое с катализатором окисления, выбранным среди окислов элементов платиновой группы, в упомянутом наружном слое, синергическим образом увеличивает в процессе эксплуатации устройства активность функции самоочищения такого покрытия.

Благодаря предлагаемому изобретению частицы органического происхождения, находящиеся в контакте с наружным слоем покрытия, окисляются в том случае, когда данное устройство нагревается. В то же время синергический эффект или эффект совместного действия, получаемый в результате специфического соединения внутреннего слоя, содержащего специфический катализатор окисления, и наружного слоя, так же содержащего специфический катализатор окисления, отличный от катализатора окисления внутреннего слоя, позволяет получить покрытие, представляющее особенно высокую каталитическую активность. Таким образом, поверхность такого покрытия быстро регенерируется.

Так, например, в процессе глажения белья при помощи утюга частицы органического происхождения, прилипшие к подошве этого утюга, окисляются. Они некоторым образом сжигаются в том случае, когда утюг является горячим, причем возможные твердые остатки теряют всякое сцепление с подошвой утюга и отрываются от этой подошвы. При этом подошва утюга поддерживается чистой.

Кроме того, в варочном устройстве, например в печи, выбросы жиров, попадающие на стенки печи, окисляются под действием тепла и твердые остатки отрываются от стенок, которые при этом поддерживаются чистыми.

Кроме того, благодаря способу в соответствии с предлагаемым изобретением и, в частности, благодаря воздействию инфракрасного излучения на подлежащую нанесению покрытия поверхность металлического основания сцепление покрытия с этим металлическим основанием оказывается особенно прочным. Это улучшенное сцепление позволяет повысить прочность покрытия по отношению к истиранию, причем это свойство оказывается особенно благоприятным, например, в случае подошвы утюга.

Под выражением "нагревающее устройство" в контексте предлагаемой заявки на изобретение следует понимать любой аппарат, изделие или предмет домашней утвари, которое в процессе своего функционирования достигает температуры, по меньшей мере, равной 45°С, и предпочтительно, по меньшей мере, равной 90°С. При этом такое устройство может достигать данной рабочей температуры при помощи предусмотренных в этом устройстве средств, таких, например, как нагревающее основание, встроенное в данное устройство и снабженное нагревательным элементом, или при помощи различных внешних средств. Такие устройства представляют собой, например, подошвы утюгов, кулинарные варочные устройства, печи, грили, предметы домашней кухонной утвари.

Наружный слой покрытия в соответствии с предлагаемым изобретением содержит катализатор окисления, выбранный из числа окислов элементов платиновой группы. В рамках предлагаемого изобретения под выражением "элементы платиновой группы" следует понимать элементы, имеющие свойства, аналогичные свойствам платины, и в частности, кроме самой платины, такие элементы, как рутений, родий, палладий, осмий и иридий. Предпочтительно этот наружный слой покрытия должен содержать катализатор окисления, выбранный из числа окислов палладия, окислов платины и их смесей.

На практике сами по себе такие катализаторы окисления, а также способы их получения, хорошо известны, вследствие чего в данном случае нет необходимости в подробном описании соответствующих способов их получения. Таким образом, в качестве примера речь может идти о платине, используемой в качестве катализатора окисления, причем ее активная в каталитическом отношении форма может быть получена путем кальцинации или разложения соли платинохлористоводородной кислоты или любого другого предшественника.

Представляется очевидным, что любой катализатор окисления, используемый в соответствии с предлагаемым изобретением, должен оставаться достаточно стабильным при температуре функционирования данного устройства и на протяжении всего полезного срока службы этого устройства.

Поверхность наружного слоя данного покрытия находится в непосредственном контакте с окружающей средой и с загрязнителями органического происхождения. В рамках предлагаемого изобретения под выражением "загрязнитель органического происхождения" следует понимать любую горючую или поддающуюся полному или частичному окислению в контакте с окружающим воздухом субстанцию. В качестве примера такой субстанции можно упомянуть любой остаток синтетических волокон, используемых в текстильных изделиях, изготовленных, например, из органического полимера типа полиамида или полиэфира, любой органический остаток моющих средств или, в некоторых случаях, смягчающих средств, а также любое органическое вещество типа разбрызгиваемых капель жира или пищевых продуктов.

Катализатор окисления, выбранный из числа окислов элементов платиновой группы, распределяется равномерно или дискретно на поверхности и/или в толще упомянутого наружного слоя покрытия, там, где это покрытие находится в контакте с загрязнителями, и на всей или на части этого наружного слоя.

В случае использования такого покрытия на подошве утюга, которая может содержать или не содержать рельефные зоны, упомянутый катализатор окисления, выбранный из числа элементов платиновой группы, распределяется на наружной поверхности подошвы, предназначенной для вхождения в непосредственный контакт с проглаживаемым бельем.

Предлагаемое покрытие может содержать, в дополнение к катализатору окисления, выбранному из числа элементов платиновой группы, любой внутренний опорный подслой, инертный в каталитическом отношении в том, что касается окисления. Этот инертный в каталитическом отношении опорный подслой сцепляется с упомянутым металлическим основанием и предпочтительно выбирается из числа соединений алюминия или кремния, таких, например, как двуокись алюминия в измельченной форме или в виде частиц, эмаль, политетрафторэтилен и их смеси.

В предпочтительном варианте осуществления предлагаемого изобретения упомянутая инертная в каталитическом отношении в том, что касается окисления, опора представляет собой эмаль, обладающую небольшой пористостью и/или шероховатостью микрометрического и/или нанометрического масштаба. Такая эмаль представляет собой, например, остеклованную эмаль. Эта эмаль предпочтительно должна быть твердой, должна обладать хорошими качествами скольжения и быть устойчивой к проникновению пара или нагретой влаги.

Упомянутый наружный слой покрытия предпочтительно имеет толщину, измеренную в соответствии с методом RBS, описанным в приведенном в конце данного описания Примере 1, в диапазоне от 10 до 500 нм и еще более предпочтительно в диапазоне от 20 до 120 нм.

Поскольку катализатор окисления упомянутого наружного слоя является активным при температуре покрытия, равной или превышающей 90°С, он обеспечивает очистку упомянутого покрытия в том случае, когда это покрытие нагревается, по меньшей мере, до указанной выше температуры.

Упомянутый внутренний слой содержит, по меньшей мере, один катализатор окисления, выбранный из числа окислов элементов перехода из группы Ib, и предпочтительно выбранный из числа окислов меди, окислов серебра и их смесей.

На практике сами по себе такие катализаторы окисления, а также способы их получения, хорошо известны, вследствие чего в данном случае нет необходимости в подробном описании соответствующих способов их получения. Таким образом, в качестве примера речь может идти об окиси серебра в качестве катализатора окисления, причем в качестве предшественника такого катализатора можно использовать коммерческий нитрат серебра, распространяемый на рынке фирмой Aldrich.

Предпочтительно, чтобы активный в каталитическом отношении внутренний слой имел толщину, измеренную в соответствии с методом RBS, описанным в приведенном в конце данного описания Примере 1, в диапазоне от 20 до 50 нм.

Предпочтительно, чтобы упомянутый катализатор окисления, присутствующий во внутреннем слое, имел близкое сродство с катализатором окисления, присутствующим в упомянутом наружном слое. Действительно, после нанесения на упомянутое металлическое основание внутреннего и наружного слоев покрытия это основание подвергается отжигу и в процессе осуществления этого этапа катализатор окисления, присутствующий во внутреннем слое, имеет возможность диффундировать в наружный слой, а катализатор окисления, присутствующий в наружном слое, имеет возможность диффундировать во внутренний слой. В предпочтительном варианте осуществления предлагаемого изобретения наружный слой покрытия содержит в качестве катализатора окисления окись палладия, а внутренний слой содержит в качестве катализатора окисления окись серебра. В еще более предпочтительном варианте осуществления предлагаемого изобретения окись серебра диффундирует в наружный слой и этот наружный слой содержит, таким образом, смесь окиси палладия и окиси серебра. При этом был отмечен специфический эффект совместного действия или синергический эффект на уровне каталитической активности покрытия в такой форме осуществления предлагаемого изобретения.

В предпочтительном варианте осуществления предлагаемого изобретения упомянутое нагревающее устройство выполнено в форме подошвы утюга, содержащей поверхность глажения и предлагаемое покрытие, нанесенное на эту поверхность глажения.

В другом и также предпочтительном варианте осуществления предлагаемого изобретения нагревающее устройство представляет собой кулинарное варочное устройство, содержащее стенки, способные входить в контакт с органическими загрязнителями и содержащие предлагаемое покрытие.

В соответствии с первым способом функционирования упомянутый катализатор действует при температуре функционирования данного устройства и поверхность предлагаемого устройства поддерживается чистой в процессе его использования.

В соответствии со вторым способом функционирования в процессе осуществления так называемой фазы самоочистки, предшествующей и следующей за этапом использования данного устройства, это устройство настраивается на достаточно высокую температуру, равную или превышающую наиболее высокую температуру его функционирования, причем эта температура достигается на протяжении предварительного определенного промежутка времени, в течение которого катализатор окисления осуществляет свое действие. Таким образом, пользователь имеет возможность регулярно проводить техническое обслуживание своего устройства, не дожидаясь неприемлемого уровня его загрязнения.

Упомянутое металлическое основание устройства в соответствии с предлагаемым изобретением может быть изготовлено из любого металла, обычно используемого в области нагревающих устройств упомянутого выше типа, таких, например, как алюминий, сталь или титан. Само по себе металлическое основание может быть покрыто некоторым защитным слоем, например слоем эмали, перед нанесением покрытия в соответствии с предлагаемым изобретением. Таким образом, в предпочтительном варианте реализации предлагаемого изобретения данное устройство содержит промежуточный слой эмали, располагающийся между упомянутым металлическим основанием и внутренним активным каталитическим слоем предлагаемого покрытия.

Нанесение внутреннего и наружного активных каталитических слоев на упомянутое металлическое основание, содержащее или не содержащее упомянутый промежуточный слой эмали, предпочтительно осуществляется путем пиролиза, то есть путем нагревания подлежащей нанесению покрытия поверхности с последующим распылением на этой нагретой поверхности некоторого раствора, содержащего предшественник катализатора окисления.

В рассматриваемом случае под выражением "предшественник" следует понимать любую химическую или физико-химическую форму катализатора окисления, которая способна в конечном счете перейти в этот катализатор или обеспечить его высвобождение в результате любой подходящей в данном случае обработки, например, в результате пиролиза.

В одном из возможных вариантов осуществления способа в соответствии с предлагаемым изобретением подлежащая нанесению покрытия поверхность упомянутого металлического основания нагревается в печи до температуры, составляющей примерно 400°С, после чего на очень короткое время, составляющее, например, несколько секунд, помещается под воздействие инфракрасного излучения вплоть до достижения температуры поверхности, имеющей величину в диапазоне от 400 до 600°С. Эта операция приводит к размягчению поверхности упомянутого основания и позволяет усовершенствовать последующее сцепление наносимого покрытия с этой поверхностью. Раствор предшественника катализатора окисления, выбранного из числа элементов перехода из группы Ib, распыляется на поверхности этого металлического основания. В контакте с этой поверхностью упомянутый предшественник подвергается окислению и закрепляется на упомянутом основании, а вода из этого раствора испаряется. Таким образом обеспечивается нанесение слоя, толщина которого имеет величину в диапазоне от 20 до 50 нм. После этого упомянутое основание быстро охлаждается. Затем это основание снова подвергается нагреванию в печи до температуры порядка 400°С, после чего под действием инфракрасного излучения температура поверхности этого основания может быть доведена до уровня в диапазоне от 400 до 600°С на протяжении нескольких секунд. Раствор предшественника катализатора окисления, выбранного из числа элементов платиновой группы, распыляется над упомянутым внутренним слоем. Таким образом наносится слой, толщина которого имеет величину в диапазоне от 20 до 50 нм. Металлическое основание с нанесенным таким образом покрытием затем подвергается отжигу под действием инфракрасного излучения в течение нескольких минут, например пяти минут.

Таким образом получают металлическое основание с нанесенным на него покрытием, обладающим особенно хорошими свойствами самоочистки.

Другие характеристики и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из приведенного ниже описания примеров его осуществления, где даются ссылки на приведенные чертежи, в числе которых:

- фиг.1 представляет собой схематический вид в разрезе подошвы утюга в соответствии с предлагаемым изобретением,

- фиг.2 представляет собой схематический вид в разрезе подошвы утюга в соответствии с предлагаемым изобретением, содержащей защитный слой эмали.

На фиг.1 схематически представлено в разрезе нагревающее устройство 1, выполненное в виде подошвы утюга, содержащей металлическое основание 2, покрытое внутренним слоем 3 и наружным слоем 4. Эта подошва также содержит нагревательную базу 6, снабженную нагревательными элементами 7. Основание 2 и база 6 соединены друг с другом при помощи механических средств крепления или путем склеивания. Внутренний слой 3 покрытия содержит катализатор окисления, выбранный из числа окислов элементов перехода из группы Ib, а наружный слой 4 этого покрытия содержит катализатор, выбранный из числа окислов элементов платиновой группы.

На фиг.2 схематически представлена в поперечном разрезе подошва утюга 1, содержащая металлическое основание 2, покрытое промежуточным слоем 5, внутренним слоем 3 и наружным слоем 4. Эта подошва утюга также содержит нагревающую базу 6, снабженную нагревательными элементами 7 и приклеенную к основанию 2. При этом внутренний слой 3 содержит катализатор окисления, выбранный из числа окислов элементов перехода из группы Ib, а наружный слой 4 содержит катализатор, выбранный из числа окислов элементов платиновой группы. И в рассматриваемом здесь варианте реализации упомянутый защитный промежуточный слой 5 представляет собой слой эмали.

Пример 1

Подошва утюга, изготовленная из алюминия и покрытая слоем эмали, устанавливается на изготовленное из алюминия основание толщиной примерно 2 см для того, чтобы наилучшим образом сохранить тепло. Сформированная таким образом система нагревается до температуры 400°С в печи. Затем эта подошва утюга вместе с основанием помещается на несколько секунд под воздействие инфракрасного излучения вплоть до достижения температуры поверхности в диапазоне от 400 до 600°С. Из нитрата серебра, распространяемого на рынке фирмой Aldrich, приготавливается водный раствор с концентрацией до 4 г/л, который затем разбрызгивается при помощи пневматического пистолета на эту подошву. При этом обеспечивается нанесение слоя толщиной в диапазоне от 40 до 50 нм, измеренной в соответствии с методом RBS. Этот метод RBS (или Rutherford Backscattering Spectroscopy) представляет собой технологию анализа, основанную на упругом взаимодействии между потоком ионов ⁴Н²⁺ и частицами испытуемого образца. Этот поток ионов с высокой энергией (составляющей 2 МэВ) соударяется с испытуемым образцом и ионы, распространяющиеся в обратном направлении, детектируются под углом "тэта". Полученный таким образом спектр представляет интенсивность выявленного потока ионов в функции их энергии и позволяет определить толщину исследуемого слоя. Более подробно этот метод описан в публикации W.К.Chu and G.Langouche, MRS Bulletin, Январь 1993, стр.32.

После нанесения этого внутреннего слоя подошва утюга снова подвергается нагреванию в печи до температуры 400°С, после чего помещается на несколько секунд под воздействие инфракрасного излучения, доводящего температуру этой подошвы до уровня, заключенного в диапазоне от 400 до 600°С. После этого водный раствор нитрата палладия, стабилизированный азотной кислотой, распространяемой на рынке фирмой Metalor, разбрызгивается при помощи пневматического пистолета на поверхности упомянутой подошвы. При этом обеспечивается нанесение слоя толщиной в диапазоне от 40 до 50 нм, измеренной в соответствии с методом RBS, описанным выше.

После нанесения наружного слоя система подвергается операции отжига, осуществляемой под воздействием инфракрасного излучения при температуре 500°С на протяжении трех минут.

Таким образом получают подошву утюга, самоочищающееся покрытие которой особенно прочно сцепляется с этой подошвой, обладает высокой каталитической активностью и сохраняет свои качества скольжения.

Изобретение относится к нагревающим устройствам, имеющим самоочищающееся покрытие. Наружный слой самоочищающегося покрытия находится в контакте с окружающей атмосферой и имеет в своем составе, по меньшей мере, один катализатор окисления, выбранный из числа окислов металлов платиновой группы. Внутренний слой располагается между металлическим основанием и наружным слоем и имеет в своем составе, по меньшей мере, один катализатор окисления, выбранный из числа окислов элементов перехода из группы Ib. Нагревающее устройство может быть выполнено, например, в форме подошвы утюга, содержащей нагревающую базу, снабженную нагревательными элементами, или в форме кулинарного варочного устройства. Металлическое основание может содержать промежуточный слой покрытия, представляющий собой слой эмали. Техническим результатом изобретения является повышение качества глажения. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Нагревающее устройство (1), содержащее металлическое основание (2), по меньшей мере, часть которого содержит самоочищающееся покрытие, отличающееся тем, что упомянутое покрытие содержит

a) наружный слой (4), находящийся в контакте с окружающей атмосферой и имеющий в своем составе, по меньшей мере, один катализатор окисления, выбранный из числа окислов металлов платиновой группы;

b) по меньшей мере, один внутренний слой (3), располагающийся между металлическим основанием (2) и наружным слоем (4) и имеющий в своем составе, по меньшей мере, один катализатор окисления, выбранный из числа окислов элементов перехода из группы Ib.

i) подлежащую нанесению покрытия поверхность металлического основания нагревают в печи до температуры примерно 400°С,

ii) помещают подлежащую нанесению покрытия поверхность металлического основания под воздействие инфракрасного излучения до получения температуры в диапазоне от 400 до 600°С на протяжении нескольких секунд,

iii) распыляют раствор предшественника катализатора окисления, выбранного из числа окислов элементов перехода из группы Ib, на подлежащую нанесению покрытия поверхность металлического основания для получения на ней упомянутого внутреннего слоя (3),

iv) повторно нагревают подлежащую нанесению покрытия поверхность металлического основания с нанесенным на нее внутренним слоем в печи до температуры примерно 400°С,

v) помещают подлежащую нанесению покрытия поверхность металлического основания с нанесенным на нее внутренним слоем под воздействие инфракрасного излучения до достижения температуры в диапазоне от 400 до 600°С на протяжении нескольких секунд,

vi) распыляют раствор предшественника катализатора окисления, выбранного из числа окислов металлов платиновой группы, на упомянутый внутренний слой для получения наружного слоя (4),

vii) отжигают поверхность металлического основания с нанесенными на нее упомянутым внутренним слоем и упомянутым наружным слоем под действием инфракрасного излучения на протяжении нескольких минут.