CN113201263A - 一种超疏水抗菌涂层的制备方法及超疏水抗菌食品机械手 - Google Patents

一种超疏水抗菌涂层的制备方法及超疏水抗菌食品机械手 Download PDF

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Abstract

一种超疏水抗菌涂层的制备方法，包括以下步骤：S1、在溶剂中加入无机纳米粒子和改性剂，得到悬浮液，溶剂为盐酸溶液或无水乙醇中；S2、将悬浮液进行搅拌；S3、将搅拌后的悬浮液进行离心，得到上清液和改性纳米粒子，然后将改性纳米粒子进行干燥处理；S4、将改性纳米粒子加入溶菌酶溶液中，得到超疏水抗菌涂料；S5、在基底材料层上覆盖胶粘剂，得到胶粘层，然后往胶粘层的表面喷涂超疏水抗菌涂料，得到超疏水抗菌涂层。一种超疏水抗菌食品机械手，包括夹取食品的夹具和覆盖于夹具的表面的超疏水抗菌涂层。本发明可获得防粘脱附且抗菌的超疏水抗菌涂层，用于食品机械手上可提高生产效率，并降低细菌感染风险，属于食品机械手领域。

Description

一种超疏水抗菌涂层的制备方法及超疏水抗菌食品机械手
技术领域
本发明涉及食品机械手领域，具体涉及一种超疏水抗菌涂层的制备方法及超疏水抗菌食品机械手。
背景技术
机械手是一种能模仿人手和臂的某些动作功能，可以按固定程序抓取、搬运物体或操作工具的一类自动操作装置。因在食品生产过程中能代替人完成大批量、高重复性、高质量要求的工作，降低生产成本，机械手在食品工业得到广泛的应用。在食品生产线上，机械手可在特殊环境中保持高速度、高精度的运作模式，参与食品的分拣、放置、排列、传输以及最终包装等多个工艺流程，能极大地提升生产效率和智能化水平。
然而，对于一些含水量较高的黏性食品，如肉品及其制品类、奶酪及其制品类、面点类、烘焙类等，在生产过程中会与机械手抓取部件的接触表面产生粘附作用，导致生产效率降低、食品外观被破坏等问题；此外，高水分活度的食品极易滋生细菌，在食品切割、分级、转移、包装等一系列连续操作中，机械手与食品直接接触的共用界面可能会导致病原微生物从一个产品传播到另一个产品，具有潜在的大规模交叉污染风险。因此需要对食品机械手的抓取装置表面进行适当改进，赋予其防粘脱附和抗菌功能，以克服这些问题。
土壤动物在粘湿土壤中具有极强的不粘土、水的功能，荷叶也具有“出淤泥而不染”的特性，这都得益于其体表憎水性和微观层次上的非光滑结构等表面特征。模拟该原理，考虑到食品生产环境的特殊要求，我们需要一种符合食品卫生标准、成本低廉的疏水性抗菌材料，结合表面改性技术应用到机械手抓取装置表面，解决上述问题。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种具有防粘抗菌功能的超疏水抗菌涂层的制备方法及超疏水抗菌食品机械手。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种超疏水抗菌涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1、在溶剂中加入无机纳米粒子和改性剂，得到悬浮液，溶剂为盐酸溶液或无水乙醇。
S2、将悬浮液进行搅拌。
S3、将搅拌后的悬浮液进行离心，得到上清液和改性纳米粒子，然后将改性纳米粒子进行干燥处理。
S4、将改性纳米粒子加入溶菌酶溶液中，得到超疏水抗菌涂料。
S5、在基底材料层上覆盖胶粘剂，得到胶粘层，然后往胶粘层的表面喷涂超疏水抗菌涂料，得到超疏水抗菌涂层。
采用这种方法后，利用底面复合技术将改性的纳米粒子通过胶粘剂强力粘附在基底表面，使表面获得微观层次的低表面能粗糙结构，并结合溶菌酶抑制微突触间隙或表面缺陷处细菌的定殖，赋予材料极强的防粘抗菌能力。
作为一种优选，步骤S1中，往溶剂中加入无机纳米粒子，再置于超声波水浴中分散，然后再加入改性剂，之后再置于超声波水浴中分散。
作为一种优选，步骤S1中，无机纳米粒子为二氧化硅纳米粒子或碳酸钙纳米粒子，改性剂为长链硅烷或硬脂酸。采用这种方法后，基于二氧化硅和碳酸钙具有低毒性和较低的成本，因此安全可靠。
作为一种优选，步骤S2中，将悬浮液移至磁力搅拌器上，以600-900rpm的转速进行搅拌。
作为一种优选，步骤S4中，改性纳米粒子与溶菌酶的质量比为1：1。抑制细菌在机械手夹具内表面的附着、增殖和生长。
作为一种优选，步骤S5中，采用空气压缩式喷枪以0.1～0.2MPa的压强将超疏水抗菌涂料喷至胶粘层的表面。
作为一种优选，步骤S5中，胶粘剂为生物基环氧树脂或水性聚氨酯。
作为一种优选，步骤S5中，先制备胶粘剂和固化剂的预混液，再将基底材料层浸入胶粘剂和固化剂的预混液中，然后将基底材料层从预混液中提出，静置至胶粘剂达到半固化状态，形成胶粘层，往胶粘层上喷涂超疏水抗菌涂料。采用这种方法后，可增强超疏水抗菌涂层的机械稳定性和耐磨性。
作为一种优选，步骤S5中，超疏水抗菌涂料的用量为0.1～0.15ml/cm2。
一种超疏水抗菌食品机械手，其包括夹取食品的夹具和按照上述制备方法所制得的超疏水抗菌涂层，超疏水抗菌涂层覆盖于夹具的表面。采用这种结构后，制造方便，将夹具的表面作为承载超疏水抗菌涂层的基底材料层即可，可避免夹持操作结束后高湿、高粘性食品与机械手夹具产生粘附，破坏食品外观，降低生产效率；同时显著降低或消除微生物在机械手夹具的共用界面上附着和定殖而引起潜在的交叉污染风险。
总的说来，本发明具有如下优点：
1、本发明通过对食品机械手夹具表面的仿生改性，赋予其极强的憎水性，不粘附高粘性食品物料，在生产过程中有利于保持食品外观和机械手工作效率；结合溶菌酶的杀菌作用，避免细菌在非光滑表面的粘附和增殖，有效降低甚至消除了微生物通过机械手共用界面传播而引起交叉污染的潜在风险。
2、本发明利用长链硅烷或脂肪酸对纳米粒子进行改性获得超疏水涂层，在涂料制备过程中未引入氟碳化合物和有机溶剂等有毒有害化学品。涂层制备工艺简单、成本低廉、安全无毒且机械稳定性强，涂层的使用寿命较长。
附图说明
图1为一种超疏水抗菌食品机械手的整体结构示意图。
图2为一种超疏水抗菌食品机械手的俯视图。
图3为弧形模块的结构示意图。
图4为夹具的内表面结构示意图。
其中，1为夹具，2为机械臂，3为转轴，4为抓取装置推杆，5为连接杆，6为液压缸杆，7为抓取装置支架，8为液压缸，9为内弧面，10为外弧面，11为夹持空间，12为基底材料层，13为胶粘层，14为超疏水抗菌涂层。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
实施例一
第一步，在溶剂中加入无机纳米粒子和改性剂，得到悬浮液。具体为，往溶剂中加入无机纳米粒子，置于超声波水浴中分散，再加入改性剂，然后再置于超声水浴中分散，得到悬浮液。
溶剂为0.01mol/L盐酸溶液，选用的无机纳米粒子为平均直径10nm的二氧化硅纳米粒子，选用的改性剂由十六烷基三甲氧基硅烷和正硅酸乙酯组成，其中十六烷基三甲氧基硅烷和正硅酸乙酯的体积比为5：1。配制悬浮液时，控制无机纳米粒子的质量分数为0.5wt％，十六烷基三甲氧基硅烷的质量分数为0.8wt％，以上质量分数均为其相对于溶剂的质量分数。
第二步，将悬浮液移至磁力搅拌器上，在室温下进行搅拌。
第三步，将搅拌后的悬浮液进行离心，得到上清液和改性纳米粒子，然后将改性纳米粒子置于真空干燥箱中，干燥24h。
第四步，将改性纳米粒子加入溶菌酶溶液中，至改性纳米粒子与溶菌酶的质量比为1：1，在室温下充分混合，得到超疏水抗菌涂料。溶菌酶溶液中溶菌酶浓度为10mg/ml。
第五步，在基底材料层上覆盖胶粘剂，得到胶粘层，待胶粘层达到半固化状态，往胶粘层上喷涂超疏水抗菌涂料，得到超疏水抗菌涂层。喷涂超疏水抗菌涂料时，采用空气压缩式喷枪将超疏水抗菌涂料喷至胶粘层的表面。
空气压缩式喷枪的喷涂压强为0.1MPa，喷涂用量为0.1ml/cm2。
在基底材料层上覆盖胶粘剂的具体操作为：将生物基环氧树脂和疏水固化剂分别溶于无水乙醇中，生物基环氧树脂、疏水固化剂和无水乙醇的质量比为2：1：6，在50℃下超声水浴30min，得到生物基环氧树脂和疏水固化剂的预混液。将基底材料层浸入上述预混液中15min，匀速向上缓缓提出，置于洁净无尘的环境下干燥，从而形成覆盖在夹具表面的胶粘层。
配制悬浮液时，每次超声水浴分散持续时间为20min；使用磁力搅拌器搅拌时，设定转速为600rpm；将悬浮液进行离心时，以6000r/min的速率离心10min。
一种超疏水抗菌食品机械手，包括夹取食品的夹具和按照权利要求1～9任一项所述的制备方法所制得的超疏水抗菌涂层，超疏水抗菌涂层覆盖于夹具的表面。
如图1所示，超疏水抗菌食品机械手还包括机械臂2、转轴3、抓取装置推杆4、连接杆5、液压缸杆6、抓取装置支架7、液压缸8，机械臂与抓取装置支架铰接，液压缸安装在抓取装置支架上，液压缸驱动液压缸杆沿轴向作直线运动，连接杆安装在液压缸杆上并随液压缸杆做直线运动，抓取装置推杆的两端分别铰接连接杆和机械臂的关节，使得抓取装置推杆在液压缸的驱动下随液压缸的线性运动上下摆动，从而控制机械臂和夹具的夹持动作，根据实际物料的形状和尺寸进行夹持。
夹具1安装在机械臂的下端，主要由两块左右对称的弧形模块组成，两块弧形模块之间的区域形成夹持空间11，弧形模块具有内弧面9和外弧面10，直接与食品物料接触的主要是内弧面。以弧形模块的内弧面为基底材料层12，在内弧面上覆盖胶粘层13与超疏水抗菌涂料层14，得到超疏水抗菌食品机械手。
实施例二
本实施例中，溶剂为无水乙醇，选用的无机纳米粒子为碳酸钙纳米粒子，选用的改性剂为硬脂酸。配制悬浮液时，控制无机碳酸钙纳米粒子的质量分数为0.6wt％，硬脂酸的质量分数为1.0wt％。
空气压缩式喷枪的喷涂压强为0.2MPa，喷涂用量为0.15ml/cm2。
在基底材料层上覆盖胶粘剂的具体操作为：将生物基环氧树脂和疏水固化剂分别溶于无水乙醇中，生物基环氧树脂、疏水性固化剂和无水乙醇的质量比为2：1：6，在40℃下超声水浴30min。得到生物基环氧树脂和疏水固化剂的预混液，将基底材料层浸入上述预混液中20min，匀速向上缓缓提出，置于洁净无尘的环境下干燥，从而形成覆盖在夹具表面的胶粘层。
配制悬浮液时，每次超声水浴分散持续时间为30min；使用磁力搅拌器搅拌时，设定转速为700rpm；将悬浮液进行离心时，以6000r/min的速率离心10min。
本实施例未提及部分同实施例一。
实施例三
本实施例中，溶剂为0.01mol/L盐酸溶液，选用的无机纳米粒子为平均直径10nm的二氧化硅纳米粒，选用的改性剂由十六烷基三甲氧基硅烷和正硅酸乙酯组成，其中十六烷基三甲氧基硅烷和正硅酸乙酯的体积比为5：1。配制悬浮液时，控制无机纳米粒子的质量分数为0.7wt％，十六烷基三甲氧基硅烷的质量分数为1.2wt％。
空气压缩式喷枪的喷涂压强为0.1MPa，喷涂用量为0.1ml/cm2。
在基底材料层上覆盖胶粘剂的具体操作为：将基底材料层浸入水性聚氨酯溶液(50wt％)中25min，匀速向上缓缓提出，置于洁净无尘的环境下干燥，从而形成覆盖在夹具表面的胶粘层。
配制悬浮液时，每次超声水浴分散持续时间为20min；使用磁力搅拌器搅拌时，设定转速为800rpm；将悬浮液进行离心时，以6000r/min的速率离心10min；
本实施例未提及部分同实施例一。
实施例四
本实施例中，溶剂为无水乙醇，选用的无机纳米粒子为粒径10nm的碳酸钙纳米粒子，选用的改性剂为硬脂酸。配制悬浮液时，控制无机碳酸钙纳米粒子的质量分数为0.8wt％，硬脂酸的质量分数为1.4wt％。
空气压缩式喷枪的喷涂压强为0.2MPa，喷涂用量为0.15ml/cm2。
在基底材料层上覆盖胶粘剂的具体操作为：将基底材料层浸入水性聚氨酯溶液(50wt％)中30min，匀速向上缓缓提出，置于洁净无尘的环境下干燥，从而形成覆盖在夹具表面的胶粘层。
配制悬浮液时，每次超声水浴分散持续时间为30min；使用磁力搅拌器搅拌时，设定转速为900rpm；将悬浮液进行离心时，以6000r/min的速率离心10min。
本实施例未提及部分同实施例一。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超疏水抗菌涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、在溶剂中加入无机纳米粒子和改性剂，得到悬浮液，溶剂为盐酸溶液或无水乙醇；
S2、将悬浮液进行搅拌；
S3、将搅拌后的悬浮液进行离心，得到上清液和改性纳米粒子，然后将改性纳米粒子进行干燥处理；
S4、将改性纳米粒子加入溶菌酶溶液中，得到超疏水抗菌涂料；
S5、在基底材料层上覆盖胶粘剂，得到胶粘层，然后往胶粘层的表面喷涂超疏水抗菌涂料，得到超疏水抗菌涂层。
2.按照权利要求1所述的一种超疏水抗菌涂层的制备方法，其特征在于：步骤S1中，往溶剂中加入无机纳米粒子，再置于超声波水浴中分散，然后再加入改性剂，之后再置于超声波水浴中分散。
3.按照权利要求1所述的一种超疏水抗菌涂层的制备方法，其特征在于：步骤S1中，无机纳米粒子为二氧化硅纳米粒子或碳酸钙纳米粒子，改性剂为长链硅烷或硬脂酸。
4.按照权利要求1所述的一种超疏水抗菌涂层的制备方法，其特征在于：步骤S2中，将悬浮液移至磁力搅拌器上，以600-900rpm的转速进行搅拌。
5.按照权利要求1所述的一种超疏水抗菌涂层的制备方法，其特征在于：步骤S4中，改性纳米粒子与溶菌酶的质量比为1：1。
6.按照权利要求1所述的一种超疏水抗菌涂层的制备方法，其特征在于：步骤S5中，采用空气压缩式喷枪以0.1～0.2MPa的压强将超疏水抗菌涂料喷至胶粘层的表面。
7.按照权利要求1所述的一种超疏水抗菌涂层的制备方法，其特征在于：步骤S5中，胶粘剂为生物基环氧树脂或水性聚氨酯。
8.按照权利要求1所述的一种超疏水抗菌涂层的制备方法，其特征在于：步骤S5中，先制备胶粘剂和固化剂的预混液，再将基底材料层浸入胶粘剂和固化剂的预混液中，然后将基底材料层从预混液中提出，静置至胶粘剂达到半固化状态，形成胶粘层，往胶粘层上喷涂超疏水抗菌涂料。
9.按照权利要求1所述的一种超疏水抗菌涂层的制备方法，其特征在于：步骤S5中，超疏水抗菌涂料的用量为0.1～0.15ml/cm2。
10.一种超疏水抗菌食品机械手，其特征在于：包括夹取食品的夹具和按照权利要求1～9任一项所述的制备方法所制得的超疏水抗菌涂层，超疏水抗菌涂层覆盖于夹具的表面。
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