（原）材料视角 | “安能以身之察察，受物之汶汶”

初原载于 工大材料汇    2019-11-21

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不粘锅的秘密

对于喜欢做饭的小伙伴们来说，在厨房里享受煎炒烹炸的快乐、看着一堆一堆的食材摇身一变，变成桌上的美味佳肴，足以驱散所有的疲惫和不快。

但是，“做饭一时爽，刷碗火葬场”。酒足饭饱之后望向水池里堆积的锅碗瓢盆，大概很多人都会无语凝噎，迫不得已的去刷油腻的炊具吧。特别是当锅上还有残留的粘锅的食材，着实是太不方便清理了。

不过，早在二十世纪五十年代，就出现了一种特殊的材料，让不粘锅的出现成为可能。不粘锅内有一种特殊涂层，可以防止食物粘在锅底，让清理变得更加容易。同时因为不粘的表面，能让厨师们用更少的油进行烹饪。

应用于不粘锅的涂层主要有两种：一类是含氟聚合物，以聚四氟乙烯（又称特氟龙）为代表；另一类是硅氧聚合物，如陶瓷涂层材料。大多数不粘锅应用的是前者，所以，我们来细聊聊为什么聚四氟乙烯涂层就能让食物再也不粘锅。

话说聚四氟乙烯

聚四氟乙烯(PTFE)树脂是普兰凯特博士于1938 年发明并由Du Pont 公司于1950 年正式投入工业化生产。PTFE 具有优异的、特殊的物理化学特性, 在化工领域及其他一些相关行业应用相当广泛。

聚四氟乙烯是以四氟乙烯为单体的高结晶聚合物，是一种白色有蜡状感觉的热塑性塑料。在聚四氟乙烯中，氟原子取代了聚乙烯中的氢原子，由于氟原子（0.064nm）半径远大于氢原子半径（0.028nm），使得碳-碳链由聚乙烯的平面的、充分伸展的曲折构象渐渐扭转到螺旋构象。该螺旋构象正好包围在聚四氟乙烯易受化学侵袭的碳链骨架外形成了一个紧密的完全“氟代”的保护层，使得聚合物主链不受外界任何试剂的侵袭。因此，聚四氟乙烯具有其他材料无可比拟的耐溶剂性、化学稳定性以及低的内聚能密度。

同时, 碳-氟键极牢固, 其键能达460.2kJ/mol , 远比碳-氢键(410kJ/mol)和碳-碳键(372kJ/mol)高, 这使聚四氟乙烯具有较好的热稳定性和化学惰性;另外氟原子的电负性极大, 加之四氟乙烯单体具有完美的对称性而使聚四氟乙烯分子间的吸引力和表面能较低, 从而使聚四氟乙烯具有极低的表面摩擦系数和低温时较好的延展性。

你可能注意到了，“极低的表面摩擦系数”，这便使得其表面很难被附着，甚至连壁虎也不能牢牢地趴在上面。

上面提到的这些优异性能，不仅仅是聚四氟乙烯独有的，它是含氟高分子材料所共有的特点。总结来说包括下面几点：

1、 由于氟原子的极化率低，使得含氟高分子材料具有高的绝缘性，低的介电常数，高透光性。

2、 碳-氟键键能为485kJ·mol-1，键能非常高，需要非常高的能量才能使其断裂。所以，含有碳-氟键的高分子材料拥有了很好的耐热性与耐腐蚀性，耐强酸强碱，稳定性非常好。

3、 氟原子半径小，拥有较低的表面自由能，所以含氟高分子材料既不亲油也不亲水，不易于其他物质粘合，具有低摩擦性。

（本文中未提及的）N-F键非常不稳定，容易断裂形成氟化氢并释放巨大的能量，能够作为含能材料使用。

要素察觉

聚四氟乙烯之所以能够实现不粘，是因为其C-F键的存在、表面自由能低、不亲油不亲水、极低的表面摩擦系数。

说过了涂层的特性，那么聚四氟乙烯（特氟龙）既然“不粘”那它是怎么被喷涂在锅上的呢？

不粘锅的制作主要有四个步骤：锅身成型——喷砂处理——喷涂涂层——烧结固化。重点在第二步和第三步：喷砂，让锅表面凹凸不平，便于涂料附着。接着冲射特氟龙，注意，是冲射，部分氟原子在经历喷枪搅打之后被破坏，紧贴锅内。最后高温烧结固化。这样一口不粘锅就制作完成了。

使用不粘锅的碎碎念

都说“理想很丰满，现实很骨感”。不粘锅虽然好，用起来也有不少的注意事项，不然也会出现意料不到的危险。

比如说有人一直忧心忡忡的特氟龙涂层脱落被误食。实际上，这种情况更可能发生在价格较低或质量较差的不粘锅上，或者那些没有被很好“照料”的产品上。例如，使用金属工具就可以划破一个高质量的不粘锅涂层，使其很容易就脱落。其实，即便吞下一小片不粘锅的涂层材料，也不会影响身体健康，因为常温及常态下的特富龙具有非常稳定的理化性质。

不过，炊具毕竟是在高温条件下使用的，因此高温环境下不粘锅的安全性更加值得关注。美国杜邦公司曾经在《有关使用杜邦特富龙不粘涂层炊具的重要知识》中指出，使用特富龙不粘涂层的炊具在常温至260 摄氏度的温度范围内都不会发生任何变化；但是当温度超过260 摄氏度时，涂层逐渐向不稳定状态转变；当温度超过350 摄氏度时则会发生分解。但实际上，人们在日常烹饪时，即便是采用温度较高的油炸或者爆炒方式，油温也不会超过250 摄氏度，因此不必对此太过担心。

所以，如何安全健康的使用不粘锅呢？（敲黑板，划重点了！！！）

首先就是要选择高质量的不粘锅。与普通炊具相比，高质量不粘锅的涂层更可能是喷涂多次而不是滚涂一层，这样会使炊具更为耐用。此外，价格昂贵的平底锅通常也更厚重，这也降低了锅意外过热的风险。

其次是保持热量，在低或中等的温度下烹饪。如果不小心使不粘锅过热，需要尽快打开门窗以消除烟雾。

再次是保护炊具的涂层表面。尽管不需要担心吞下涂层，但是最好避免划伤涂层，这样平底锅才能发挥应有的效果。所以不要使用金属制的器皿或洗涤器，并小心存放，防止炊具被其他器皿刮伤。

最后就是要定期更换。如果不粘炊具涂层变得斑驳或者开始脱落，最好予以更换。通常来说，即使是高质量的不粘锅最多也只能使用3~5 年。

总结时间

到了总结的时间，今天我们一起学习了不粘锅内部涂层的主要成分聚四氟乙烯的性能以及决定其性能原因——结构。同时也在不粘锅制作的过程中了解到如此一个“不粘人的小妖精”是经过怎样的加工从而附着在锅上的。不知道你有没有想到些什么，有没有想到他们之间的联系。小编仅是简单的希望，在你读罢此文之后，能收获一些灵感，感悟一些收获。

本期问题：

1、 聚四氟乙烯为何具有其他材料无可比拟的耐溶剂性、化学稳定性以及低的内聚能密度？

答案：在聚四氟乙烯中，氟原子取代了聚乙烯中的氢原子，由于氟原子（0.064nm）半径远大于氢原子半径（0.028nm），使得碳-碳链由聚乙烯的平面的、充分伸展的曲折构象渐渐扭转到螺旋构象。

2、 看过聚四氟乙烯的分子结构模型之后，你有哪些联想？对于“结构决定性质”有怎样的理解？

精选留言1：

一些高分子化合物由于其结构的特殊性，往往具有特殊性能，能够起到特殊作用，所以我们应该重视这些高分子材料，也启发我们选择材料时要时刻把握材料四要素，选出合适，合理，绿色的高效材料 2，一切物质都是由完全相同的微粒构成：质子、中子、电子。正因为每种物质是由这三种粒子以不同的数量、排列方式组成，才使得物质有不同的性质。也就是结构决定性质。世间万物本质相同，只因微观的结构不同，使宏观性质不同。

 ---------路，一直都在

精彩留言2：

我联想到了螺旋形分子。物质往往不是简单的平面结构的，而是一种空间立体的存在，结构就是物质基础的微粒的结合方式。所以物质是一种微粒的堆积，堆积后的结构展现出了新的堆积方式，只能与某一种特定的堆积方式进行再一次的组合，最终在宏观上体现出特性，这便是性质。

 ---------Вперед, товарищи

参考文献：

1、中国知网 《不粘锅安全吗_泉琳》

2、中国知网 《氟元素在高分子材料领域的应用_李景玮》

3、中国知网 《聚四氟乙烯的改性及应用_谢苏江》

4、Bilibili视频网 【回形针PaperClip】不粘锅如何拯救你的厨房？视频链接：https://www.bilibili.com/video/av74165678?t=119

5、图片源自网络（注：聚四氟乙烯分子结构截取自4中视频）

6、科普中国 微信公众号 2019年11月6日文章《不粘锅怎么就粘了？涂层到底有没有毒？当心被忽悠了还不知道…》

本文作者：马浩然

时任审阅：于世龙  刘孟茜

时任编辑：许心雨

时任责任编辑：王雪篪

时任总编辑：李晓萌