CN106479359B - 一种有机硅超疏水涂料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涂料技术领域，具体涉及一种有机硅超疏水涂料及其制备方法和应用。所述有机硅超疏水涂料的制备方法为：（1）基膜活化：辐照基膜或将基膜浸泡于酸性过氧化氢溶液中，使基膜活化；（2）微纳米粗糙表面构筑：将活化后的基膜浸泡于溶胶凝胶中，通过羟基间缩合反应，在基膜平滑表面形成微纳米粗糙结构；（3）低表面能涂层修饰：将上述有机硅超疏水涂料涂覆或喷涂在基膜的微纳米粗糙表面，烘干，得到所述有机硅超疏水涂层。本发明一种食品包装膜具有超疏水性能，水接触角多达158度，水滚动角达10度以下，酸奶接触角多达153度，此外，还具有安全无毒的优点。

Description

一种有机硅超疏水涂料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及涂层技术与表面处理领域，具体涉及一种有机硅超疏水涂层及其制备方法和应用。
背景技术
超疏水的研究开始于一句诗句“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”，为什么荷叶会出淤泥而不染，就在于荷叶表面为超疏水表面，该超疏水表面使得荷叶表面的水与荷叶表面的接触角超过150度，从而使得荷叶上的水流顺着荷叶聚股滚落。可见，超疏水表面具有非常好的防沾、防污和自清洁功能，这些功能在诸多领域具有广泛应用前景。
目前，食品包装内层膜多用PE/PP/CPP/PS，其表面具有一定的憎水性，水润湿角能达到90度，包装内容物容易粘附其表面，既造成食品浪费，又增加因包装而导致食品污染的风险。如吃酸奶时，杯盖、杯壁、杯底总是沾上厚厚一层酸奶。
超疏水表面制备的基础是高粗糙度和低表面能构筑，目前其制备方法包括模板法、化学沉积法、粒子沉积法、自组装法、溶胶凝胶法和等离子体刻蚀法，这些方法对材料均有具体要求。
现有技术中，构筑超疏水涂层的方法存在如下缺陷：第一，构筑超疏水涂层工艺复杂，原料昂贵，多数用到含氟单体或者将含氟物质接枝或改性纳米粒子，从而粘接在基材上，超疏水效果虽然明显，但含氟物质的安全性还存在较大争议，且成本较高，不适合食品包装膜改性；第二，粘接力较弱，诸如通过静电力、氢键等方式，通过沉积或者层层自组装方式将低表面能物质粘附于基材表面，从而实现超疏水效果；第三，应用面狭窄，主要适用于金属铜、铝、玻璃等特殊表面设计的超疏水涂层和涂敷工艺；第四，使用有毒有机溶剂，甚至是含氟溶剂，这不仅有害于施工人员的身体，对环境也是巨大威胁。
发明内容
本发明的目的之一在于针对现有技术的不足，提供一种具有较好的超疏水性能、粘结力强且无污染的有机硅超疏水涂料及其制备方法和应用。
本发明的目的之二在于针对现有技术的不足，提供一种有机硅超疏水涂层的制备方法，该方法工艺简单、成本较低，所制备的有机硅超疏水涂层具有较好的超疏水性能、粘结力强且无污染。
本发明的目的之三在于针对现有技术的不足，提供一种食品包装膜，该食品包装膜不仅具有较好的超疏水性能，而且无任何有毒溶剂，不会对环境造成任何污染。
为了实现上述目的，本发明提供一种有机硅超疏水涂料，所述有机硅超疏水涂料具有如下结构式：
其中A为CH＝CH2，B为H，C为碳长链，D为改性二氧化硅，E为苯基，m为0～100之间的整数，n为5～3000之间的整数，x为5～4000之间的整数，y为1～3000之间的整数，z为0～1000之间的整数，f为0～1000之间的整数；
所述有机硅超疏水涂料由P、Q两组分组成，其中P组分由乙烯基硅油、有机硅树脂催化剂、改性二氧化硅组成，其重量配比为50～100：1～5：0～50；Q组分由含氢硅油、有机硅预聚体、长链有机硅氧烷、反应抑制剂组成，其重量配比为50～100：5～50：0～20：0.5～5，P组分与Q组分的重量配比为5-10：0.5-2。
优选的，所述乙烯基硅油、有机硅树脂催化剂、改性二氧化硅、含氢硅油、有机硅预聚体、长链有机硅氧烷、反应抑制剂均为食品级原料或者经检验，符合食品包装标准。
优选的，所述含氢硅油具有如下结构式：
其中s为0-100之间的整数，t为10-5000之间的整数。
优选的，所述乙烯基硅油具有如下结构式：
其中u为0-100之间的整数，v为10-5000之间的整数。
优选的，所述改性二氧化硅为表面接枝有双键或环氧活性基的纳米二氧化硅。
优选的，所述长链有机硅氧烷为含有3-18个碳长链的有机硅氧烷。
更优选的，所述长链有机硅氧烷为含有8-18个碳长链的有机硅氧烷。
优选的，所述改性二氧化硅为表面接枝有双键或环氧活性基的纳米二氧化硅，其粒径为30-400nm。
优选的，所述有机硅预聚体为甲基硅树脂、苯基硅树脂、苯基甲基硅树脂、含氢硅树脂、甲基型硅树脂、甲基乙烯基型硅树脂中的至少一种。
优选的，所述有机硅树脂催化剂为氯铂酸、氯金酸、卡斯特催化剂、铂碳催化剂中的至少一种。
优选的，所述反应抑制剂可为马来酸酯类、炔醇类或二乙烯基类中的一种。
本发明所述有机硅超疏水涂层的制备方法为：
将所述乙烯基硅油、有机硅树脂催化剂、改性二氧化硅按重量比50～100：1～5：0～50配成所述组分P；
将所述含氢硅油、有机硅预聚体、长链有机硅氧烷、反应抑制剂按重量比50～100：5～50：0～20：0.5～5配成所述组分Q；
将所述组分P和组分Q按重量比5-10：0.5-2配成所述有机硅超疏水涂料。
本发明还提供所述有机硅超疏水涂料在食品包装膜上的应用。
另外，本发明还提供一种有机硅超疏水涂层，所述有机硅超疏水涂层由以下方法制成：
(1)基膜活化：辐照基膜或将基膜浸泡于酸性过氧化氢溶液中，使基膜活化；
(2)微纳米粗糙表面构筑：将活化后的基膜浸泡于溶胶凝胶中，通过羟基间缩合反应，在基膜平滑表面形成微纳米粗糙结构；
(3)低表面能涂层修饰：将上述有机硅超疏水涂层涂覆在基膜的微纳米粗糙表面，烘干，得到所述有机硅超疏水涂层。
本发明所述有机硅超疏水涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)基膜活化：辐照基膜或将基膜浸泡于酸性过氧化氢溶液中，使基膜活化；
(2)微纳米粗糙表面构筑：将活化后的基膜浸泡于溶胶凝胶中，通过羟基间缩合反应，在基膜平滑表面形成微纳米粗糙结构；
(3)低表面能涂层修饰：将上所述有机硅超疏水涂层涂覆在基膜的微纳米粗糙表面，烘干，得到所述有机硅超疏水涂层。
优选的，所述基膜选自聚乙烯(PE)膜、聚丙烯(PP)膜和流延聚丙烯(CPP)膜中一种。
优选的，所述溶胶凝胶的前躯体采用金属醇盐和无机盐，优选正硅酸乙酯、正硅酸丁酯、酞酸丁酯，其溶胶凝胶法采用典型stober(合成单分散硅颗粒的物理化学)方法，典型地：将3ml氨水(25％)加入到40ml无水乙醇中，60度下激烈搅拌0.5小时，充分混合均匀后，逐滴加入前驱体3ml正硅酸乙酯，继续搅拌2h后停止反应，静置12h，得到单分散二氧化硅溶胶，溶胶粒径介于30-400nm之间。
优选的，所述烘干温度为80-100℃。
最后，本发明还提供一种食品包装膜，包括如上所述的具有微纳米粗糙表面的基膜和如上所述的有机硅超疏水涂层。
本发明食品包装膜的疏水原理：通过纳米二氧化硅在基膜上构筑微纳米粗糙表面，进而采用低表面能的有机硅超疏水涂层对微纳米粗糙表面进行修饰，赋予基膜表面较好的超疏水性能，所有作用都通过化学键方式实现，保证涂层不掉落、不迁移进食品，从而保障食品包装的安全性。
本发明的有益效果是：
本发明一种有机硅超疏水涂层和有机硅超疏水涂层选用食品级原料或者经检验，符合食品包装的原料，无任何有毒溶剂，不会对环境造成任何污染。
本发明一种有机硅超疏水涂层通过自组装、缩合、硅氢加成、交联等反应方式，将功能修饰物通过化学方式键合于基膜表面，保障食品安全。
本发明一种有机硅超疏水涂层的制备方法和应用方法，具有工艺简单、成本低廉、易于实现产业化等优点。
本发明一种食品包装膜具有较好的超疏水性能，水接触角多达158度，水滚动角10度以下，酸奶接触角多达153度，此外，还具有安全无毒的优点。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明实施例的有机硅超疏水涂料：由质量比为10：2的P组分和Q组分组成，其中，P组分由质量比为100：3：20的乙烯基硅油(分子量2000，乙烯基含量8％)、氯铂酸、改性二氧化硅(KH560改性二氧化硅)组成，Q组分由质量比为60：50：15：0.5的含氢硅油(含氢量1.6％)、甲基型硅树脂、十八烷基三甲基硅氧烷、1，3-二乙烯基四甲基二硅氧烷组成。
本发明实施例的有机硅超疏水涂料的制备方法，包括：将乙烯基硅油(分子量2000，乙烯基含量8％)、氯铂酸、改性二氧化硅(KH560改性二氧化硅)按质量比100：3：20配成组分P，将含氢硅油(含氢量1.6％)、甲基型硅树脂、十八烷基三甲基硅氧烷、1，3-二乙烯基四甲基二硅氧烷按质量比配成Q组分；将所述组分P和组分Q按重量比10：2配成所述有机硅超疏水涂层。
本发明实施例的有机硅超疏水涂层可应用在食品包装膜上，该有机硅超疏水涂层可在食品包装膜上形成有机硅超疏水涂层。
本发明实施例的有机硅超疏水涂层的制备方法，包括以下步骤：
1)PP(聚丙烯)膜活化：辐照PP膜，经100℃干燥，使其活化；
2)微纳米粗糙表面构筑：将活化后的PP膜浸泡于30nm的二氧化硅(溶胶凝胶)中，通过羟基间缩合反应，在PP膜平滑表面形成微纳米粗糙结构；
3)低表面能涂层修饰：将本实施例有机硅超疏水涂料涂覆于PP膜的微纳米粗糙表面，100℃烘干固化，得到所述有机硅超疏水涂层。
本发明实施例的食品包装膜包括PP膜和涂覆在该PP膜上的所述有机硅超疏水涂层。
实施例2
本发明实施例的有机硅超疏水涂料：由质量比为5：2的P组分和Q组分组成，其中，P组分由质量比为50：1：30的乙烯基硅油(分子量2000，乙烯基含量15％)、氯金酸、改性二氧化硅(KH570改性二氧化硅)组成，Q组分由质量比为80：30：10：1的含氢硅油(含氢量1.6％)、甲基乙烯基型硅树脂、十六烷基三乙基硅氧烷、马来酸二乙酯组成。
本发明实施例的有机硅超疏水涂料的制备方法和应用均与实施例1相同。
本发明实施例的有机硅超疏水涂层的制备方法，包括以下步骤：
1)PP(聚丙烯)膜活化：将PP膜浸泡于酸性过氧化氢溶液中，经100℃干燥，使其活化；
2)微纳米粗糙表面构筑：将活化后的PP膜浸泡于400nm的二氧化硅(溶胶凝胶)中，通过羟基间缩合反应，在PP膜平滑表面形成微纳米粗糙结构；
3)低表面能涂层修饰：将本实施例有机硅超疏水涂料喷涂于PP膜的微纳米粗糙表面，95℃烘干固化，得到所述有机硅超疏水涂层。
本发明实施例的食品包装膜包括PP膜和喷涂在该PP膜上的所述有机硅超疏水涂层。
实施例3
本发明实施例的有机硅超疏水涂料：由质量比为9：1.5的P组分和Q组分组成，其中，P组分由质量比为90：3：10的乙烯基硅油(分子量2000，乙烯基含量8％)、卡斯特催化剂、改性二氧化硅(KH560改性二氧化硅)组成，Q组分由质量比为90：20：10：1的含氢硅油(含氢量0.08％)、甲基硅树脂、正己基三乙基硅氧烷、2-苯基-3-丁炔-2-醇组成。
本发明实施例的有机硅超疏水涂料的制备方法和应用均与实施例1相同。
本发明实施例的有机硅超疏水涂层的制备方法，包括以下步骤：
1)PP(聚丙烯)膜活化：将PP膜浸泡于酸性过氧化氢溶液中，经100℃干燥，使其活化；
2)微纳米粗糙表面构筑：将活化后的PP膜浸泡于120nm的二氧化硅(溶胶凝胶)中，通过羟基间缩合反应，在PP膜平滑表面形成微纳米粗糙结构；
3)低表面能涂层修饰：将本实施例有机硅超疏水涂料喷涂于PP膜的微纳米粗糙表面，95℃烘干固化，得到所述有机硅超疏水涂层。
本发明实施例的食品包装膜包括PP膜和喷涂在该PP膜上的所述有机硅超疏水涂层。
实施例4
本发明实施例的有机硅超疏水涂料：由质量比为9：1.5的P组分和Q组分组成，其中，P组分由质量比为70：2.5：25的乙烯基硅油(分子量1000，乙烯基含量15％)、铂碳催化剂、改性二氧化硅(KH560改性二氧化硅)组成，Q组分由质量比为70：40：10：2的含氢硅油(含氢量0.386％)、苯基硅树脂、十一烷基三甲基硅氧烷、3-丁炔-2-醇组成。
本发明实施例的有机硅超疏水涂料的制备方法和应用均与实施例1相同。
本发明实施例的有机硅超疏水涂层的制备方法，包括以下步骤：
1)PP(聚丙烯)膜活化：将PP膜浸泡于酸性过氧化氢溶液中，经90℃干燥，使其活化；
2)微纳米粗糙表面构筑：将活化后的PP膜浸泡于200nm的二氧化硅(溶胶凝胶)中，通过羟基间缩合反应，在PP膜平滑表面形成微纳米粗糙结构；
3)低表面能涂层修饰：将本实施例有机硅超疏水涂料喷涂于PP膜的微纳米粗糙表面，90℃烘干固化，得到所述有机硅超疏水涂层。
本发明实施例的食品包装膜包括PP膜和喷涂在该PP膜上的所述有机硅超疏水涂层。
实施例5
本发明实施例的有机硅超疏水涂料：由质量比为6：1的P组分和Q组分组成，其中，P组分由质量比为100：5：50的乙烯基硅油(分子量1000，乙烯基含量15％)、铂碳催化剂、改性二氧化硅(KH560改性二氧化硅)组成，Q组分由质量比为60：20：20：5的含氢硅油(含氢量0.36％)、苯基甲基硅树脂、十二烷基三乙基硅氧烷、马来酸二丁酯组成。
本发明实施例的有机硅超疏水涂料的制备方法和应用均与实施例1相同。
本发明实施例的有机硅超疏水涂层的制备方法，包括以下步骤：
1)CPP(流延聚丙烯)膜活化：将CPP膜浸泡于酸性过氧化氢溶液中，经85℃干燥，使其活化；
2)微纳米粗糙表面构筑：将活化后的CPP膜浸泡于300nm的二氧化硅(溶胶凝胶)中，通过羟基间缩合反应，在CPP膜平滑表面形成微纳米粗糙结构；
3)低表面能涂层修饰：将本实施例有机硅超疏水涂料喷涂于CPP膜的微纳米粗糙表面，85℃烘干固化，得到所述有机硅超疏水涂层。
本发明实施例的食品包装膜包括CPP膜和喷涂在该CPP膜上的所述有机硅超疏水涂层。
实施例6
本发明实施例的有机硅超疏水涂料：由质量比为5：0.5的P组分和Q组分组成，其中，P组分由质量比为75：2.5：25的乙烯基硅油(分子量1000，乙烯基含量15％)、
卡斯特催化剂、改性二氧化硅(KH560改性二氧化硅)组成，Q组分由质量比为75：30：10：2.5的含氢硅油(含氢量0.36％)、含氢MQ硅树脂、十八烷基三乙基硅氧烷、马来酸二烯丙酯组成。
本发明实施例的有机硅超疏水涂料的制备方法和应用均与实施例1相同。
本发明实施例的有机硅超疏水涂层的制备方法，包括以下步骤：
1)CPP(流延聚丙烯)膜活化：将CPP膜浸泡于酸性过氧化氢溶液中，经85℃干燥，使其活化；
2)微纳米粗糙表面构筑：将活化后的CPP膜浸泡于300nm的二氧化硅(溶胶凝胶)中，通过羟基间缩合反应，在CPP膜平滑表面形成微纳米粗糙结构；
3)低表面能涂层修饰：将本实施例有机硅超疏水涂料喷涂于CPP膜的微纳米粗糙表面，85℃烘干固化，得到所述有机硅超疏水涂层。
本发明实施例的食品包装膜包括CPP膜和喷涂在该CPP膜上的所述有机硅超疏水涂层。
测试例1
对实施例1至实施例6所得食品包装膜的超疏水性能进行测试，如下表：
本发明实施例1至实施例6的食品包装膜的水接触角范围为154-158度，水滚动角范围为2-10度，酸奶接触角范围为148-153度，说明本发明实施例1至实施例6的食品包装膜具有较好的超疏水性能。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种有机硅超疏水涂料，其特征在于，所述有机硅超疏水涂料具有如下结构式：
其中A为CH＝CH2，B为H，C为碳长链，D为改性二氧化硅，E为苯基，m为0～100之间的整数，n为5～3000之间的整数，x为5～4000之间的整数，y为1～3000之间的整数，z为0～1000之间的整数，f为0～1000之间的整数；
所述有机硅超疏水涂料，由P组分和Q组分制成，P组分与Q组分的重量配比为5-10：0.5-2，其中：
P组分由乙烯基硅油、有机硅树脂催化剂、改性二氧化硅制成，其重量配比为50～100：1～5：0～50；
Q组分由含氢硅油、有机硅预聚体、长链有机硅氧烷、反应抑制剂制成，其重量配比为50～100：5～50：0～20：0.5～5。
2.如权利要求1所述有机硅超疏水涂料，其特征在于，所述含氢硅油具有如下结构式：
其中s为0-100之间的整数，t为10-5000之间的整数。
3.如权利要求1所述有机硅超疏水涂料，其特征在于，所述乙烯基硅油具有如下结构式：
其中u为0-100之间的整数，v为10-5000之间的整数。
4.如权利要求1所述有机硅超疏水涂料，其特征在于，所述改性二氧化硅为表面接枝有双键或环氧活性基的纳米二氧化硅。
5.如权利要求1所述有机硅超疏水涂料，其特征在于，所述长链有机硅氧烷为含有3-18个碳长链的有机硅氧烷。
6.一种如权利要求1-5任一项所述有机硅超疏水涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将乙烯基硅油、有机硅树脂催化剂、改性二氧化硅按重量比50～100：1～5：0～50混合制成组分P；
将含氢硅油、有机硅预聚体、长链有机硅氧烷、反应抑制剂按重量比50～100：5～50：0～20：0.5～5混合制成组分Q；
将组分P和组分Q按重量比5-10：0.5-2混合制成所述有机硅超疏水涂料。
7.如权利要求1-5任一项所述的一种有机硅超疏水涂料在食品包装膜上的应用。
8.一种有机硅超疏水涂层，其特征在于，所述有机硅超疏水涂层由以下方法制成：
(1)基膜活化：辐照基膜或将基膜浸泡于酸性过氧化氢溶液中，使基膜活化；
(2)微纳米粗糙表面构筑：将活化后的基膜浸泡于溶胶凝胶中，通过羟基间缩合反应，在基膜平滑表面形成微纳米粗糙结构；
(3)低表面能涂层修饰：将如权利要求1-5任一项所述有机硅超疏水涂料涂覆在基膜的微纳米粗糙表面，烘干，得到所述有机硅超疏水涂层。
9.一种有机硅超疏水涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基膜活化：辐照基膜或将基膜浸泡于酸性过氧化氢溶液中，使基膜活化；
(2)微纳米粗糙表面构筑：将活化后的基膜浸泡于溶胶凝胶中，通过羟基间缩合反应，在基膜平滑表面形成微纳米粗糙结构；
(3)低表面能涂层修饰：将如权利要求1-5任一项所述有机硅超疏水涂料涂覆在基膜的微纳米粗糙表面，烘干，得到所述有机硅超疏水涂层。
10.一种食品包装膜，其特征在于，包括如权利要求8或9所述的具有微纳米粗糙表面的基膜和如权利要求8或9所述的有机硅超疏水涂层。
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