CN107815922B - 一种白卡纸盒表面的纳米碳酸钙基的超疏水涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种白卡纸盒表面的纳米碳酸钙基的超疏水涂层及其制备方法，利用硬脂酸修饰纳米碳酸钙制备溶液，在白卡纸盒上制备出超疏水表面，并利用接触角测量仪测出角度，找出构建超疏水表面溶液的最优方案，制备得到的超疏水白卡纸盒的抗压强度、戳穿强度均远高于普通纸盒。
Description
技术领域
本发明属于涂层制备技术领域，具体涉及一种白卡纸盒表面的纳米碳酸钙基的超疏水涂层及其制备方法。
背景技术
随着人们生活水平发生了改变，使人们对材料的要求愈来愈高，仅超疏水性质在工业和日常生活中的表现，就有很广阔的应用前景。我们所研究的超疏水表面，是指与荷叶类似的表面结构，同时具有自清洁的性质。由于表面上的纳米结构存在，这使水滴对该表面的附着力达到最小值，与普通表面相比，水滴易从存在纳米级结构的表面脱落[1]。超疏水性和自清洁性也在仙人掌、甘蔗和昆虫等生物中发现。Dettre和Johnson在1964年首先构造出了粗糙疏水表面结构，并验证了超疏水现象，Bartlott在1977年研究了超疏水微纳米结构表面的自清洁性能，他们首次将这种自清洁性质和超疏水性质描述为“荷叶效应”。水滴离开荷叶表面的现象，是人们发现超疏水特性的生活实例。固体表面的接触角位于150°与180°度之间，滚动角小于10°的固体表面称之为超疏水表面。
仿生超疏水性的深入研究，使我们对仿生超疏水、自清洁、防腐蚀等方面都有了一定的了解，超疏水在各个方面都有非常大的潜在应用前景。因为拥有如此多的特性，使仿生超疏水得到了更多的关注。
超疏水表面结构作为一种新型的材料如今被广泛应用，防水去污，成为了超疏水材料应用时考虑的主要性能。白卡纸盒作为包装应用范围极为广泛，强度高，印刷性好，光泽好等优点使其经常应用到销售包装或者小型运输包装件当中，是一种理想的包装材料。
但是，当应用到纸盒上时，人们只关注到了防水去污的性能，对于超疏水纸盒的性能测试少之又少，如果能够研究、测试出其具体的纸盒性能，那么在接下来的应用当中，将会给予设计者很大的帮助，同时，可以更加精确地对纸盒及缓冲结构进行设计，在实际运用当中，不仅为设计者带来便利，也为消费者带来进一步的保障，做到对消费者的产品负责，使超疏水纸盒在实际应用当中更加的得心应手。所以进一步完善超疏水纸盒的力学性能测试是十分必要，使其在运输、仓储等环节当中，充分发挥优势，物尽所能，物尽其用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种白卡纸盒表面的纳米碳酸钙基的超疏水涂层及其制备方法，利用硬脂酸修饰纳米碳酸钙制备溶液，在白卡纸盒上制备出超疏水表面，并利用接触角测量仪测出角度，找出构建超疏水表面溶液的最优方案，制备得到的超疏水白卡纸盒的抗压强度、戳穿强度均远高于普通纸盒。
本发明采用如下技术方案：一种白卡纸盒表面的纳米碳酸钙基的超疏水涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1) 首先将纳米碳酸钙放入恒温恒湿箱中处理2-5h，然后取出；
(2) 将纳米碳酸钙缓慢加入到无水乙醇当中进行搅拌均匀；
(3) 缓慢加入硬脂酸和硅胶，进行搅拌，搅拌器转速为300-500r/min，其中纳米碳酸钙、硬脂酸和硅胶的质量比为7-9:1:1-3；
(4) 反应3-5h后停止搅拌，不经过静置过程，直接将溶液采用喷淋、涂抹和浸泡的方式附着在白卡纸盒上；
(5) 在室温条件下干燥4-6h。
在本发明的优选的实施方式中，纳米碳酸钙、硬脂酸和硅胶的质量比为8:1:2。
在本发明的优选的实施方式中，纳米碳酸钙、硬脂酸、硅胶和无水乙醇的质量比为8:1:2:100。
在本发明的优选的实施方式中，反应时间为5h，搅拌器转速为500r/min。
在本发明的优选的实施方式中，步骤（5）在23℃的条件下进行干燥。
在本发明的优选的实施方式中，附着的方式为喷淋。
本发明还保护上述制备方法制备得到的白卡纸盒表面的纳米碳酸钙基的超疏水涂层。
在附着方式方面，喷淋的效果较好，这是因为相对于其他两种方式喷淋可以构造更加均匀的微纳米结构表面，固体表面的润湿性不仅由其静态接触角决定,还与接触角滞后有关。当浓度较低时，会导致白卡纸盒超疏水涂层的粗糙度不足，使纸盒表面不能具备超疏水效果，本发明经过研究，构建了最优的超疏水表面。与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、在具备超疏水性能的同时，能够增强基材的抗压强度、抗戳穿强度和抗跌落能力；
2、成本相对低廉，但效果显著；
3、对实验环境要求较低，对环境无污染。
附图说明
下面结合附图进行进一步说明：
图1为实施例1得到的超疏水表面的接触角；
图2为实施例1中未经过超疏水处理的纸盒抗压强度与浸泡时间的关系；
图3为实施例1中经过浸泡的超疏水白卡纸盒的戳穿强度与未经超疏水处理的白卡纸盒的戳穿强度的对比。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚，本发明用以下具体实施例进行说明，但本发明绝非限于这些例子。
本发明用到的实验材料如下：
纳米碳酸钙(Nano-CaCO3)，天津市大茂化学试剂厂；
硬脂酸(十八烷酸 CH3(CH2)16COOH），天津市大茂化学试剂厂；
无水乙醇，天津市大茂化学试剂厂；
硅胶，浙江新安化工集团股份有限公司。
本发明用到的实验仪器如下：
接触角测量仪，DATA PHYSICS OCA 20；
电子分析天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；
ZBM-0.0678型空气压缩机，台州市奥突斯工贸有限公司；
数显直流无极调速搅拌器（SXJQ-1型），郑州长城科工贸有限公司；
恒温箱(HT402)，无锡伯乐达试验设备有限公司。
烧杯，玻璃棒，量筒等。
本发明用到的性能测试方法如下：
1、接触角的表征方法
接触角的主要测量方法是对角度进行测量。在本实验中，用接触角测量仪在使用光学系统以及计算机辅助软件进行接触角的测量，以获得接触角的角度。
提供所述经超疏水处理的白卡纸切裁为30×30mm的样品，放置在试料台，使用注射器，大约滴下蒸馏水5μL到此白卡纸表面，取六个不同位置的接触角的平均值以减小误差。
2、滚动角的表征方法
提供所述经超疏水处理的白卡纸切裁为30×30mm的样品，放置在试料台，使用注射器，大约滴下蒸馏水5μL到此白卡纸表面。样品慢慢倾斜到水滴滚动点。此时，将样品在侧倾角的样品表面的角度倾斜。取六个不同位置的滚动角角度的平均值以减小误差。
3、超疏水白卡纸盒的抗压强度试验
通过万能材料试验机对试样施加静态压缩负载荷时测定超疏水纸盒的形变情况。通过数据分析以及处理后得出结论。
首先测出未浸泡的超疏水纸盒和普通纸盒所能承受的最大载荷，然后将具有超疏水表面的白卡纸盒与未喷淋的普通纸盒分别浸泡到水中，浸泡不同时间，取出后，测量其所能承受的最大载荷，然后对其与未浸泡的纸盒进行对比，分别计算出抗压强度，得出结论。为了减小实验误差，每一组实验测试五次取平均值，之后再进行比较。
4、超疏水白卡纸盒的戳穿强度试验
首先测出未浸泡的超疏水纸盒和普通纸盒的戳穿强度，然后将具有超疏水表面的白卡纸盒与未喷淋的普通纸盒分别浸泡到水中，浸泡不同时间，取出后，测量其戳穿强度，然后对其与未浸泡的纸盒进行对比，得出结论。为了减小实验误差，每一组实验测试五次取平均值，之后再进行比较。
实施例1
(1) 首先将纳米碳酸钙放入恒温恒湿箱中处理2h，然后取出；
(2) 将纳米碳酸钙缓慢加入到100g无水乙醇当中进行搅拌均匀；
(3) 缓慢加入硬脂酸和硅胶，进行搅拌，搅拌器转速为500r/min，其中纳米碳酸钙、硬脂酸和硅胶的质量为8g、1g和2g；
(4) 反应5h后停止搅拌，不经过静置过程，直接将溶液采用喷淋的方式附着在白卡纸盒上；
(5) 在室温条件下干燥4h。
将得到的具有超疏水表面的白卡纸盒进行以下性能测试。
1、接触角和滚动角测试
如图1所示，实施例1得到的超疏水表面的接触角为165.2°，滚动角小于10°，超疏水性良好。
2、抗压强度试验
由图2可以看出，未经超疏水处理的纸盒随着浸泡时间的增加抗压强度降低，直至到达极限，抗压强度不变，经过超疏水处理的纸盒因为超疏水涂层的存在，使纸盒的抗压强度与干燥情况下的抗压强度没有改变，说明超疏水效果良好。并且当浸泡时间超过12min时，未经超疏水处理的纸盒还会在棱的部分出现开裂。
经过超疏水的处理，使白卡纸盒表面形成了一层粗糙表面且具有低表面能，使纸盒具有超疏水性，所以经过浸泡之后，普通纸盒抗压强度骤降，而超疏水几乎没有改变，证明在包装设计的抗压强度设计可以参照此数据进行设计，可以保证在浸泡的情况下，经过超疏水处理的白卡纸盒可以保持原抗压强度。
3、戳穿强度试验
未浸泡(0min)的超疏水纸盒与普通纸盒的实验结果为：超疏水白卡纸盒的戳穿强度为1.432J，与之相比较的普通白卡纸盒的戳穿强度为1.279J，由此可以看出，具有超疏水涂层纸盒的戳穿强度高于普通纸盒的戳穿强度。
由图3可以看出，未经超疏水处理的纸盒随着浸泡时间的增加戳穿强度降低，直至到达极限，戳穿强度不变，经过超疏水处理的纸盒因为超疏水涂层的存在，使纸盒的抗压强度与干燥情况下的戳穿强度没有改变，说明超疏水效果良好。
经过超疏水的处理，使白卡纸盒表面形成了一层粗糙表面且具有低表面能，使纸盒具有超疏水性，所以，经过浸泡之后，普通纸盒戳穿强度骤降，而超疏水纸盒的戳穿强度几乎没有改变，证明在包装设计的戳穿强度设计可以参照此数据进行设计，可以保证在浸泡的情况下，经过超疏水处理的白卡纸盒可以保持原戳穿强度。
实施例2
(1) 首先将纳米碳酸钙放入恒温恒湿箱中处理4h，然后取出；
(2) 将纳米碳酸钙缓慢加入到无水乙醇当中进行搅拌均匀；
(3) 缓慢加入硬脂酸和硅胶，进行搅拌，搅拌器转速为400r/min，其中纳米碳酸钙、硬脂酸和硅胶的质量为9g、1g和1g；
(4) 反应4h后停止搅拌，不经过静置过程，直接将溶液采用浸泡的方式附着在白卡纸盒上；
(5) 在室温条件下干燥6h。
经测试，其接触角为160.3°，涂抹的效果相较于喷淋差，
实施例3
(1) 首先将纳米碳酸钙放入恒温恒湿箱中处理5h，然后取出；
(2) 将纳米碳酸钙缓慢加入到无水乙醇当中进行搅拌均匀；
(3) 缓慢加入硬脂酸和硅胶，进行搅拌，搅拌器转速为300r/min，其中纳米碳酸钙、硬脂酸和硅胶的质量为7g、1g和1g；
(4) 反应5h后停止搅拌，不经过静置过程，直接将溶液采用浸泡的方式附着在白卡纸盒上；
(5) 在室温条件下干燥5h。
经测试，其接触角为157°，涂抹的效果相较于喷淋和浸泡都差。
尽管通过参照本发明的优选实施例，已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。
Claims (6)
1.一种白卡纸盒表面的纳米碳酸钙基的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1) 首先将纳米碳酸钙放入恒温恒湿箱中处理2-5h，然后取出；
(2) 将纳米碳酸钙缓慢加入到无水乙醇当中进行搅拌均匀；
(3) 缓慢加入硬脂酸和硅胶，进行搅拌，搅拌器转速为300-500r/min，其中纳米碳酸钙、硬脂酸和硅胶的质量比为7-9:1:1-3；
(4) 反应3-5h后停止搅拌，不经过静置过程，直接将溶液采用喷淋的方式附着在白卡纸盒上；
(5) 在室温条件下干燥4-6h。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，纳米碳酸钙、硬脂酸和硅胶的质量比为8:1:2。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，纳米碳酸钙、硬脂酸、硅胶和无水乙醇的质量比为8:1:2:100。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，反应时间为5h，搅拌器转速为500r/min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（5）在23℃的条件下进行干燥。
6.权利要求1-5中任一项所述的制备方法制备得到的白卡纸盒表面的纳米碳酸钙基的超疏水涂层。
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