DE20121109U1 - Insert for grills and ovens, useful especially for barbecues, has a surface coated with an inorganic polycondensate to impart antiadhesion properties - Google Patents
Insert for grills and ovens, useful especially for barbecues, has a surface coated with an inorganic polycondensate to impart antiadhesion propertiesInfo
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Abstract
Description
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Dipl.Phys. Ulrich Twelmeier Dr. techn. Woldemor Leitner Dr. phil. not. Rudolf Bauer-1990 Dipl. Ing. Helmut Hubbuch -1991 European Patent AttorneysDipl.Phys. Ulrich Twelmeier Dr. techn. Woldemor Leitner Dr. phil. not. Rudolf Bauer-1990 Dipl. Ing. Helmut Hubbuch -1991 European Patent Attorneys
EA01E006DEU/MS01S125/TW-Dr. Mm/ms/13.12.2001 Fritz Eichenauer GmbH & Co. KG, Georg-Todt-Straße 1-3, D-76870 KandelEA01E006DEU/MS01S125/TW-Dr. Mm/ms/13.12.2001 Fritz Eichenauer GmbH & Co. KG, Georg-Todt-Straße 1-3, D-76870 Kandel
Die Erfindung betrifft ein Einsatzteil für Grills oder Backöfen, insbesondere einen Grillrost, welches eine mit einer Beschichtung überzogene Oberfläche aufweist. Beschichtete Grillroste, beispielsweise mit einer Beschichtung aus Chrom oder Email sind bekannt. Eine Aufgabe derartiger Beschichtungen ist es, das Material des Grillrostes vor Oxidation zu schützen. Darüberhinaus können Beschichtungen durch eine schmutzabweisende Wirkung auch die Reinigung erleichtern und einem Anhaften von Schmutz und Grillgut entgegenwirken.The invention relates to an insert for grills or ovens, in particular a grill grate, which has a surface covered with a coating. Coated grill grates, for example with a coating of chrome or enamel, are known. One purpose of such coatings is to protect the material of the grill grate from oxidation. In addition, coatings can make cleaning easier and prevent dirt and grilled food from sticking due to their dirt-repellent effect.
Nachteilig an den bekannten Beschichtungen von Grillrosten ist, daß diese Beschichtungen den extremen thermischen Belastungen beim Gebrauch nur ungenügend standhalten und zum Abblättern oder Abplatzen neigen. Werden Grillroste nämlich ins Feuer gehalten, so werden sie stellenweise Temperaturen von mehreren 1000C ausgesetzt. Da die Temperatur in einer Flamme im Bereich weniger Millimeter um 4000C und mehr abfallen kann, kommen zu diesen hohen Temperaturbelastungen auch noch extreme Temperaturgradienten hinzu.The disadvantage of the known coatings on grill grates is that these coatings are not sufficiently resistant to the extreme thermal stresses during use and tend to peel or chip. If grill grates are placed in a fire, they are exposed to temperatures of several 100 0 C in places. Since the temperature in a flame can drop by 400 0 C or more within a range of a few millimeters, extreme temperature gradients are added to these high temperature stresses.
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Insbesondere diese Temperaturgradienten bewirken aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien der Beschichtung und des Grillrostes thermische Spannungen, welche zu einem Abblättern oder Abplatzen der Beschichtung führen. Außerdem haben diese Beschichtungen keine zufriedenstellende Antihaftwirkung.In particular, these temperature gradients cause thermal stresses due to the different thermal expansion coefficients of the materials of the coating and the grill grate, which lead to the coating flaking or chipping. In addition, these coatings do not have a satisfactory non-stick effect.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Weg aufzuzeigen, wie Einsatzteile für Grills oder Backöfen, insbesondere Grillroste, mit einer dauerhaften und feuerbeständigen Beschichtung versehen werden können, welche eine verbesserte Antihaftwirkung aufweist. The object of the invention is therefore to show a way in which insert parts for grills or ovens, in particular grill grates, can be provided with a durable and fire-resistant coating which has an improved non-stick effect.
Diese Aufgabe wird durch einen Grillrost mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by a grill grate with the features specified in claim 1. Advantageous developments of the invention are the subject of the subclaims.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Beschichtung des Einsatzteiles für Grills oder Backöfen ein anorganisches Polykondensat enthält. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß eine solche Beschichtung sowohl die nötige Temperaturbeständigkeit aufweist, als auch zuverlässig an dem Grillrost haftet und eine gute Antihaftwirkung hat. Anorganische Polykondensate, insbesondere die bevorzugt verwendeten polykondensierten Silane, bieten eine einfache Möglichkeit zum Ausbilden hitzebeständiger Schichten. Vorteilhaft ist eine solche Beschichtung darüberhinaus auch kratzfest und gegen die üblichen chemischen Reinigungsmittel beständig. Weitere Einsatzteile für Grills oder Backöfen sind neben den erwähnten Grillrosten beispielsweise Backbleche.According to the invention, the coating of the insert for grills or ovens contains an inorganic polycondensate. Surprisingly, it has been shown that such a coating has the necessary temperature resistance and also adheres reliably to the grill grate and has a good non-stick effect. Inorganic polycondensates, in particular the preferably used polycondensed silanes, offer a simple way of forming heat-resistant layers. Such a coating is also advantageously scratch-resistant and resistant to the usual chemical cleaning agents. In addition to the grill grates mentioned, other inserts for grills or ovens are, for example, baking trays.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Beschichtung nanoskalige Teilchen insbesondere SiO2-Teilchen enthält. Bei einem solchen Nanokomposit ergänzen sich vorteilhaft die Materialeigenschaften der nanoskaligen SiO2-Teilchen, welche grundsätzlich amorph oder kristallin sein können, mit den Materialeigenschaften der diese Partikel umgebenden Matrix aus einemAn advantageous development of the invention provides that the coating contains nanoscale particles, in particular SiO 2 particles. In such a nanocomposite, the material properties of the nanoscale SiO 2 particles, which can basically be amorphous or crystalline, complement each other advantageously with the material properties of the matrix surrounding these particles, which consists of a
anorganischen Polykondensat. Vorteilhaft weist eine solche Beschichtung eine höhere mechanische und chemische Beständigkeit sowie eine ausgezeichnete Haftung auf Metalloberflächen auf. Unter nanoskaligen Partikel sind Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von nicht mehr als 200 nm, bevorzugt 100 nm, besonders bevorzugt 50 nm und insbesondere 30 nm zu verstehen.inorganic polycondensate. Such a coating advantageously has a higher mechanical and chemical resistance as well as excellent adhesion to metal surfaces. Nanoscale particles are understood to mean particles with an average particle size of not more than 200 nm, preferably 100 nm, particularly preferably 50 nm and in particular 30 nm.
Bevorzugt enthält die Beschichtung nanoskalige Teilchen in einem Volumenanteil von 10% bis 80%, bevorzugt 20% bis 50%. Vorzugsweise enthält die Beschichtung nanoskalige SiO2-Teilchen in einer Matrix aus polykondensierten Silanen in einer solchen Menge, daß das Verhältnis der Si-Atome in den polykondensierten Silanen zu den Si-Atomen in den SiO2-Teilchen im Bereich von 5:1 bis 1:2, bevorzugt im Bereich von 4:1 bis 2:1 liegt. Geringere Mengen an nanoskaligen SiO2-Teilchen führen zu einem Verspröden der Beschichtung, während zu große Mengen an SiO2-Teilchen zu einer schlechteren Haftung der Schicht führen.The coating preferably contains nanoscale particles in a volume fraction of 10% to 80%, preferably 20% to 50%. The coating preferably contains nanoscale SiO 2 particles in a matrix of polycondensed silanes in such an amount that the ratio of the Si atoms in the polycondensed silanes to the Si atoms in the SiO 2 particles is in the range from 5:1 to 1:2, preferably in the range from 4:1 to 2:1. Smaller amounts of nanoscale SiO 2 particles lead to embrittlement of the coating, while excessive amounts of SiO 2 particles lead to poorer adhesion of the layer.
Wie beispielsweise in der DE 197 14 949 A1 beschrieben ist, läßt sich ein solches Nanokomposit in einem Sol-Gel-Prozeß aufbringen und ergibt eine Beschichtung, welche nanoskalige Partikel, die in eine glasartige Matrix eingebettet sind, enthält. Der Sol-Gel-Prozeß ermöglicht vorteilhaft nicht nur ein einfaches Aufbringen der Beschichtung, beispielsweise durch Aufsprühen eines Beschichtungs-Sols oder Eintauchen des Grillrostes in ein Bad, sondern liefert auch ohne Schwierigkeiten hermetisch abschließende Schichten mit einer Dicke von einigen Mikrometern.As described in DE 197 14 949 A1, for example, such a nanocomposite can be applied in a sol-gel process and results in a coating that contains nanoscale particles embedded in a glassy matrix. The sol-gel process not only advantageously enables the coating to be applied easily, for example by spraying on a coating sol or immersing the grill grate in a bath, but also produces hermetically sealed layers with a thickness of a few micrometers without any difficulty.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Beschichtung ein Alkali- oder Erdalkalimetalloxid enthält. Vorteilhaft wird dadurch eine dichtere und damit widerstandsfähigere Beschichtung erreicht. Oxide von Alkali- und Erdalkalimetallen bewirken vorteilhaft auch eine verbesserte Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Beschichtung an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Grillrostes, so daß die Haftung der Beschichtung weiter verbessert wird. Besonders bevorzugt ist Natriumoxid.A further advantageous development of the invention provides that the coating contains an alkali or alkaline earth metal oxide. This advantageously results in a denser and therefore more resistant coating. Oxides of alkali and alkaline earth metals also advantageously bring about an improved adaptation of the thermal expansion coefficient of the coating to the thermal expansion coefficient of the grill grate material, so that the adhesion of the coating is further improved. Sodium oxide is particularly preferred.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Beschichtung im wesentlichen amorph ist. Es hat sich gezeigt, daß eine im wesentlichen amorphe Schicht, welche bereichsweise durchaus Kristallitte enthalten mag, in besonderem Maße schmutzabweisend ist, so daß sich Reste von Grillgut mühelos entfernen lassen.A further advantageous development of the invention provides that the coating is essentially amorphous. It has been shown that an essentially amorphous layer, which may well contain crystallites in some areas, is particularly dirt-repellent, so that residues of grilled food can be removed effortlessly.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Beschichtung durch Hydrolyse und Polykondensation eines oder mehrerer Silane gebildet ist, von welchen mindestens eines fluoriert ist. Diese Maßnahme hat den Vorteil, die Antihaftwirkung der Schicht weiter zu verbessern.A further advantageous development of the invention provides that the coating is formed by hydrolysis and polycondensation of one or more silanes, at least one of which is fluorinated. This measure has the advantage of further improving the non-stick effect of the layer.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Beschichtung eingefärbt ist. Eine farbige Beschichtung ist nicht nur optisch ansprechend, sie hat auch den weiteren Vorteil, daß es bei einer farbigen Beschichtung möglich ist, eine optische Kontrolle, insbesondere durch Augenschein, durchzuführen, ob die Beschichtung gleichmäßig und lückenlos aufgetragen wurde.A further advantageous development of the invention provides that the coating is colored. A colored coating is not only visually appealing, it also has the further advantage that with a colored coating it is possible to carry out a visual check, in particular by visual inspection, to determine whether the coating has been applied evenly and without gaps.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:Further details and advantages of the invention are explained using an embodiment with reference to the accompanying drawings. They show:
Figur 1Figure 1
einen erfindungsgemäßen Grillrost, unda grill grate according to the invention, and
Figur 2 der in Figur 1 gezeigte Grillrost im Querschnitt entlang der Linie A-A.Figure 2 shows the grill grate shown in Figure 1 in cross section along the line A-A.
Der in Figur 1 gezeigte Grillrost 1 weist an seiner Oberfläche eine Beschichtung 2 auf, welche ein anorganisches Polykondensat enthält. Diese Beschichtung aus polykondensierten Silanen stellt ein Nanokomposit dar und enthält nanoskalige SiO2-Teilchen, welche in eine Matrix aus polykondensierten Silanen eingebettet sind. Diese Matrix aus polykondensierten Silanen verbindet sich ausgezeichnetThe grill grate 1 shown in Figure 1 has a coating 2 on its surface which contains an inorganic polycondensate. This coating of polycondensed silanes is a nanocomposite and contains nanoscale SiO 2 particles which are embedded in a matrix of polycondensed silanes. This matrix of polycondensed silanes bonds excellently
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mit nanoskaligen SiO2-Teilchen und bildet dabei eine glasartige Beschichtung 2, welche außerordentlich widerstandsfähig ist. Insbesondere ergänzen sich die Materialeigenschaften der polykondensierten Silane und der nanoskaligen SiO2-Teilchen, so daß sich sowohl eine kratzfeste und chemisch beständige als auch durch ihre Elastizität thermische Spannungen ausgleichende Beschichtung 2 ergibt.with nanoscale SiO 2 particles, thereby forming a glass-like coating 2 which is extremely resistant. In particular, the material properties of the polycondensed silanes and the nanoscale SiO 2 particles complement each other, resulting in a coating 2 which is scratch-resistant and chemically resistant and which, thanks to its elasticity, compensates for thermal stresses.
Eine solche Beschichtung läßt sich, wie beispielsweise in der DE 197 14 949 A1 beschrieben ist, durch Hydrolyse und Polykondensation von Silanen erzeugen und durch einen Sol-Gel-Prozeß aufbringen. Das Aufbringen kann beispielsweise durch Tauchen, Bestreichen oder Aufsprühen erfolgen. Anschließend wird das Beschichtungs-Sol an der Luft getrocknet und dann bei mindestens 3500C bis 500°C in Luft oder Stickstoffatmosphäre ausgehärtet. Die sich ergebende Beschichtung ist mechanisch und chemisch widerstandsfähig, haftet gut auf Stahl und anderen metallischen Werkstoffen, welche für Grillroste 1 und andere Ein-Satzteile für Grills oder Backöfen infrage kommen, und bietet einen zuverlässigen Schutz vor Oxidation des Materials des Grillrostes 1. Außerdem hat die Beschichtung eine gute Antihaftwirkung.Such a coating can be produced, as described for example in DE 197 14 949 A1, by hydrolysis and polycondensation of silanes and applied by a sol-gel process. The application can be carried out, for example, by dipping, painting or spraying. The coating sol is then dried in air and then cured at at least 350 ° C to 500 °C in air or a nitrogen atmosphere. The resulting coating is mechanically and chemically resistant, adheres well to steel and other metallic materials that are suitable for grill grates 1 and other single-use parts for grills or ovens, and offers reliable protection against oxidation of the material of the grill grate 1. In addition, the coating has a good non-stick effect.
Die Beschichtung enthält femer Natriumoxid, welches den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Beschichtung 2 an jenen von Stahl annähert, so daß ein Abplatzen der Beschichtung aufgrund von thermischen Spannungen verhindert ist.The coating also contains sodium oxide, which brings the thermal expansion coefficient of the coating 2 closer to that of steel, so that flaking of the coating due to thermal stresses is prevented.
Eine gut geeignete Beschichtung läßt sich beispielsweise auf folgendem Wege herstellen: 25 ml Methyltriethoxysilan werden mit 7 ml Tetraethoxysilan und 0,8 g Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid mindestens zwölf Stunden bei Raumtemperatur gerührt, bis sich das gesamte Hydroxid gelöst hat und eine klare gelbe Lösung vorliegt, wobei sich nanoskalige SiO2-Teilchen in situ bilden. Zur Erhöhung des Gehaltes an nanoskaligen SiO2-Teilchen lassen sich den Ausgangssubstanzen auch einige Gramm eines Kiesel-Sols (z.B. Bayer-Kiesel-Sol Typ 300) zusetzen. Anschließend werden 3,2 ml Wasser bei Raumtemperatur langsamA suitable coating can be produced, for example, in the following way: 25 ml of methyltriethoxysilane are stirred with 7 ml of tetraethoxysilane and 0.8 g of sodium hydroxide or potassium hydroxide for at least twelve hours at room temperature until all of the hydroxide has dissolved and a clear yellow solution is obtained, with nanoscale SiO 2 particles forming in situ. To increase the content of nanoscale SiO 2 particles, a few grams of a silica sol (e.g. Bayer silica sol type 300) can also be added to the starting substances. Then 3.2 ml of water are slowly added at room temperature.
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zugetropft, wobei sich die Lösung erwärmt. Nach Beendigung der Wasserzugabe wird die klare gelbe Lösung bei Raumtemperatur gerührt, bis sie wieder abgekühlt ist, und anschließend über einen Filter mit einer Porengröße von 0,8 &mgr;&igr;&eegr; filtriert. Zum besseren Aufbringen der Lösung kann dieses Grundmaterial mit einem Lösungsmittel (z.B. Isopropanol), vorzugsweise mit einem höhersiedenden Lösungsmittel, und Benetzungshilfsmitteln ergänzt werden. Dieses Natrium bzw. Kaliumsilikatbeschichtungs-Sol wird anschließend auf die Oberseite des Gefäßbodens aufgesprüht, getrocknet und bei mindestens 35O0C bis 5000C unter Stickstoff oder Luftatmosphäre ausgehärtet und verdichtet. Anstelle des Methyltriethoxysilan lassen sich bevorzugt insbesondere auch Methytrimethoxysilan, Ethyltriethoxysilan oder Methyltrimethoxysilan verwenden. Anstelle von Tetraethoxysilan ist auch Tetramethoxysilan gut geeignet.is added dropwise, whereby the solution heats up. After the water has been added, the clear yellow solution is stirred at room temperature until it has cooled down again and then filtered through a filter with a pore size of 0.8 μηι. To make it easier to apply the solution, this base material can be supplemented with a solvent (e.g. isopropanol), preferably a higher-boiling solvent, and wetting aids. This sodium or potassium silicate coating sol is then sprayed onto the top of the vessel bottom, dried and cured and compacted at at least 35O 0 C to 500 0 C under nitrogen or an air atmosphere. Instead of methyltriethoxysilane, methyltrimethoxysilane, ethyltriethoxysilane or methyltrimethoxysilane can also be used. Tetramethoxysilane is also well suited instead of tetraethoxysilane.
Um eine farbige Beschichtung zu erhalten, können dem Beschichtungs-Sol temperaturbeständige Farbstoffe, beispielsweise Azofarbstoffe wie Methylorange, Alizaringelb oder Kongorot oder auch Dispersionsfarbstoffe, Triphenylmethanfarbstoffe oder färbende Metallsalze zugefügt werden.In order to obtain a colored coating, temperature-resistant dyes, for example azo dyes such as methyl orange, alizarin yellow or Congo red or also disperse dyes, triphenylmethane dyes or coloring metal salts, can be added to the coating sol.
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