CN114031984A - 一种用于烟草加工设备的防粘涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于烟草加工设备的防粘涂层及其制备方法，本发明先对纳米二氧化硅进行羟基化预处理，利用环氧基笼形聚倍半硅氧烷中的环氧基团与纳米二氧化硅以及N‑甲基‑2‑羟基乙胺中的羟基进行反应，得到改性纳米二氧化硅，再将改性纳米二氧化硅接枝在有机硅改性丙烯酸树脂上，得到改性有机树脂，最后将改性有机树脂、稀释剂、固化剂、填料、流平剂和消泡剂混合均匀，然后喷涂在烟草加工设备上，即得到防粘涂层，本发明提高了丙烯酸树脂的硬度以及耐磨性能，同时纳米二氧化硅和环氧基笼形聚倍半硅氧烷在树脂材料表面形成微结构，产生表面荷叶效应，从而可以极大提高涂层表面的防粘性能，达到更好的疏水疏油效果。

Description

一种用于烟草加工设备的防粘涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于涂层技术领域，具体涉及一种用于烟草加工设备的防粘涂层及其制备方法。
背景技术
在国内打叶复烤厂和卷烟厂等相关烟草加工环节，需要对烟叶、烟丝、烟梗等物料进行打叶分离、烘干打捆、真空回潮、烘丝、切丝、温度控制、湿度控制、物料掺配、除尘过滤、贮存醇化、卷接胶粘、包装运输等处理，由于烟草中含有的复杂有机物及工艺要求的温湿度，例如焦油、香精香料、糖类、脂类、冷凝水等，因此烟草加工行业中普遍存在着设备经常粘附物料，这些物料非常难于清理，而且这些附着物会导致混料、水积烟、影响成品烟的质量；又会造成对烟草加工设备的腐蚀、磨损、漏料及设备工艺参数的偏差；后期还需要人工反复水冲洗或化学试剂清洗，造成时间和人力成本及污水处理的成本升高。由于烟草专卖法的实施，使得烟草设备在生产、运输、拆卸安装都需要有专门的资质报备，传统的烟草机械设备表面处理为高温工艺需要返厂处理，这导致了烟草加工企业正常的生产计划受影响及使用成本的提高。
因此，开发一种适用于烟草加工设备的食品级、耐高温、耐化学试剂、可在线施工、防粘的新型基材表面功能涂层尤为重要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于烟草加工设备的防粘涂层及其制备方法，解决传统的涂层防粘性以及硬度不佳的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种用于烟草加工设备的防粘涂层，所述防粘涂层包括改性有机树脂400-500份、稀释剂150-200份、异氰酸酯固化剂40-60份、填料10-20份、流平剂10-15份、消泡剂5-10份；
其中，所述改性有机树脂的制备方法，包括如下步骤：
(1)改性纳米二氧化硅的制备：将3-6份聚倍半硅氧烷加入到100份二甲苯中，加热至120-125℃，然后加入30-50份预处理纳米二氧化硅和0.2份，10wt％碳酸钾溶液，反应90-120min，再加入1-4份N-甲基-2-羟基乙胺和0.2份，10wt％碳酸钾溶液，继续反应120-150min，待反应完成后过滤、洗涤、干燥，即得到改性纳米二氧化硅；
(2)有机硅改性丙烯酸树脂的制备：将有机硅单体、苯乙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、丙烯酸丁酯加入到去离子水中，然后加入乳化剂和引发剂，在冰水浴中搅拌乳化30-60min，然后升温到80-90℃，保温搅拌反应3-5h，待反应完成后，过滤，即得到有机硅改性丙烯酸树脂；
(3)改性有机树脂的制备：将步骤(1)得到的改性纳米二氧化硅和步骤(2)得到的有机硅改性丙烯酸树脂加入到甲苯溶剂中，然后加入催化剂进行反应，即得到改性有机树脂。
优选的，步骤(1)中，所述预处理纳米二氧化硅的处理工艺包括如下步骤：将二氧化硅纳米颗粒分散于丙酮中超声清洗，然后再置于纯度为95％的乙醇中超声清洗，抽滤并真空干燥后，将二氧化硅纳米颗粒置于相对湿度为90％-100％RH、温度为70-90℃的环境中保持1-3小时，即得到预处理纳米二氧化硅。
优选的，步骤(2)中，所述有机硅单体、苯乙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、丙烯酸丁酯、乳化剂和引发剂的质量比为40-80:280-420：100-180:50-100:40-70:25-40。
优选的，步骤(2)中，所述有机硅单体为乙烯基三乙氧基硅烷、二甲基乙氧基乙烯基硅烷或二苯基乙烯基乙氧基硅烷。
优选的，步骤(2)中，所述乳化剂为十二烷基磺酸钠或十二烷基苯磺酸钠，所述引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾。
优选的，步骤(3)中，所述改性纳米二氧化硅和有机硅改性丙烯酸树脂的质量比为1-3:5-10。
优选的，步骤(3)中，所述催化剂为四甲基氢氧化胺、四丁基氢氧化胺或三乙醇胺中的任一种。
优选的，步骤(3)中，反应温度为40-60℃，反应时间为3-5h。
优选的，所述聚倍半硅氧烷为环氧基笼形聚倍半硅氧烷，所述稀释剂为甲醇、乙醇和异丙醇中的至少一种，所述异氰酸酯固化剂为德士模都N75或德士模都N3390，所述填料为氧化锆、氧化铝、氧化钛和氧化钇中的至少一种。
本发明还提供用于烟草加工设备的防粘涂层的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：将改性有机树脂、稀释剂、异氰酸酯固化剂、填料、流平剂和消泡剂混合均匀，然后喷涂在烟草加工设备上，在100-140℃下恒温烘烤30-60min，即得到防粘涂层。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明先对纳米二氧化硅进行羟基化预处理，利用环氧基笼形聚倍半硅氧烷中的环氧基团与纳米二氧化硅以及N-甲基-2-羟基乙胺中的羟基进行反应，得到改性纳米二氧化硅，再将改性纳米二氧化硅接枝在有机硅改性丙烯酸树脂上，得到改性有机树脂，最后将改性有机树脂、稀释剂、固化剂、填料、流平剂和消泡剂混合均匀，然后喷涂在烟草加工设备上，即得到防粘涂层。
(2)本发明通过对纳米二氧化硅进行改性，克服了纳米二氧化硅易团聚以及分散性差的缺点，将其接枝到有机硅改性丙烯酸树脂上，可提高丙烯酸树脂的硬度以及耐磨性能，同时纳米二氧化硅和环氧基笼形聚倍半硅氧烷在树脂材料表面形成微结构，产生表面荷叶效应，从而可以极大提高涂层表面的防粘性能，达到更好的疏水疏油效果；此外，纳米二氧化硅上接枝的N-甲基-2-羟基乙胺作为有机硅改性丙烯酸树脂的固化促进剂，进一步提高了涂层的硬度。
(3)丙烯酸树脂的侧链为羧酸酯基，使丙烯酸树脂涂层具有良好的耐热氧化性、耐油性，但其耐水性较差，本发明通过有机硅单体、苯乙烯和丙烯酸单体形成共聚物，改善了丙烯酸树脂涂层耐水性差的缺点，同时通过引入苯环结构，提高了丙烯酸树脂涂层的硬度和耐高温性能。
(4)本发明所制备的防粘涂层具有较低的表面张力，接触角大于150°，滚动角小于5°，疏水疏油，自清洁，常温自干，可在线现场施工，耐温范围：-60℃至400℃，且硬度能达到9H，并且不含有氟、氯、溴等成分，适用于烟草加工行业。
具体实施方式
以下通过具体较佳实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明并不仅限于以下的实施例。
需要说明的是，无特殊说明外，本发明中涉及到的化学试剂均通过商业渠道购买。
本发明中所使用的聚倍半硅氧烷为笼型聚倍半硅氧烷-八环氧基，CAS号为68611-45-0。
实施例1
一种用于烟草加工设备的防粘涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)纳米二氧化硅的预处理：将5g二氧化硅纳米颗粒分散于100mL丙酮中进行超声清洗，然后再置于纯度为95％的乙醇中超声清洗，抽滤并真空干燥后，将二氧化硅纳米颗粒置于相对湿度为90％RH、温度为70℃的环境中保持1小时，即得到预处理纳米二氧化硅；
(2)改性纳米二氧化硅的制备：将3g聚倍半硅氧烷加入到100g二甲苯中，加热至120℃，然后加入30g预处理纳米二氧化硅和0.2g，10wt％碳酸钾溶液，反应90min，再加入1gN-甲基-2-羟基乙胺和0.2g，10wt％碳酸钾溶液，继续反应120min，待反应完成后过滤、洗涤、干燥，即得到改性纳米二氧化硅；
(3)有机硅改性丙烯酸树脂的制备：将40g二甲基乙氧基乙烯基硅烷、280g苯乙烯、100g甲基丙烯酸缩水甘油酯、50g丙烯酸丁酯加入到800g去离子水中，然后加入40g乳化剂十二烷基磺酸钠和25g引发剂过硫酸铵，在冰水浴中搅拌乳化30min，然后升温到80℃，保温搅拌反应3h，待反应完成后，过滤，即得到有机硅改性丙烯酸树脂；
(4)改性有机树脂的制备：将10g改性纳米二氧化硅和50g有机硅改性丙烯酸树脂加入到400mL甲苯溶剂中，然后加入5g催化剂三乙醇胺，在40℃下反应3h，即得到改性有机树脂；
(5)防粘涂层的制备：将400g改性有机树脂、150g稀释剂乙醇、40g固化剂德士模都N75、10g填料氧化锆、10g流平剂BYK333和5g消泡剂BYK028混合均匀，然后喷涂在烟草加工设备上，在120℃下恒温烘烤30min，即得到防粘涂层。
实施例2
一种用于烟草加工设备的防粘涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)纳米二氧化硅的预处理：将5g二氧化硅纳米颗粒分散于100mL丙酮中进行超声清洗，然后再置于纯度为95％的乙醇中超声清洗，抽滤并真空干燥后，将二氧化硅纳米颗粒置于相对湿度为90％RH、温度为70℃的环境中保持1小时，即得到预处理纳米二氧化硅；
(2)改性纳米二氧化硅的制备：将4g聚倍半硅氧烷加入到100g二甲苯中，加热至120℃，然后加入40g预处理纳米二氧化硅和0.2g，10wt％碳酸钾溶液，反应100min，再加入2gN-甲基-2-羟基乙胺和0.2g，10wt％碳酸钾溶液，继续反应120min，待反应完成后过滤、洗涤、干燥，即得到改性纳米二氧化硅；
(3)有机硅改性丙烯酸树脂的制备：将40g二甲基乙氧基乙烯基硅烷、280g苯乙烯、100g甲基丙烯酸缩水甘油酯、50g丙烯酸丁酯加入到800g去离子水中，然后加入40g乳化剂十二烷基磺酸钠和25g引发剂过硫酸铵，在冰水浴中搅拌乳化30min，然后升温到80℃，保温搅拌反应3h，待反应完成后，过滤，即得到有机硅改性丙烯酸树脂；
(4)改性有机树脂的制备：将10g改性纳米二氧化硅和60g有机硅改性丙烯酸树脂加入到400mL甲苯溶剂中，然后加入5g催化剂三乙醇胺，在50℃下反应3h，即得到改性有机树脂；
(5)防粘涂层的制备：将450g改性有机树脂、180g稀释剂乙醇、50g固化剂德士模都N75、15g填料氧化铝、12g流平剂BYK333和8g消泡剂BYK028混合均匀，然后喷涂在烟草加工设备上，在120℃下恒温烘烤30min，即得到防粘涂层。
实施例3
一种用于烟草加工设备的防粘涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)纳米二氧化硅的预处理：将5g二氧化硅纳米颗粒分散于100mL丙酮中进行超声清洗，然后再置于纯度为95％的乙醇中超声清洗，抽滤并真空干燥后，将二氧化硅纳米颗粒置于相对湿度为90％RH、温度为70℃的环境中保持1小时，即得到预处理纳米二氧化硅；
(2)改性纳米二氧化硅的制备：将5g聚倍半硅氧烷加入到100g二甲苯中，加热至125℃，然后加入40g预处理纳米二氧化硅和0.2g，10wt％碳酸钾溶液，反应90min，再加入2gN-甲基-2-羟基乙胺和0.2g，10wt％碳酸钾溶液，继续反应120min，待反应完成后过滤、洗涤、干燥，即得到改性纳米二氧化硅；
(3)有机硅改性丙烯酸树脂的制备：将40g二甲基乙氧基乙烯基硅烷、280g苯乙烯、100g甲基丙烯酸缩水甘油酯、50g丙烯酸丁酯加入到800g去离子水中，然后加入40g乳化剂十二烷基磺酸钠和25g引发剂过硫酸铵，在冰水浴中搅拌乳化30min，然后升温到80℃，保温搅拌反应3h，待反应完成后，过滤，即得到有机硅改性丙烯酸树脂；
(4)改性有机树脂的制备：将10g改性纳米二氧化硅和70g有机硅改性丙烯酸树脂加入到400mL甲苯溶剂中，然后加入5g催化剂三乙醇胺，在50℃下反应3h，即得到改性有机树脂；
(5)防粘涂层的制备：将480g改性有机树脂、180g稀释剂乙醇、40g固化剂德士模都N3390、10g填料氧化钛、12g流平剂BYK333和6g消泡剂BYK028混合均匀，然后喷涂在烟草加工设备上，在120℃下恒温烘烤30min，即得到防粘涂层。
实施例4
一种用于烟草加工设备的防粘涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)纳米二氧化硅的预处理：将5g二氧化硅纳米颗粒分散于100mL丙酮中进行超声清洗，然后再置于纯度为95％的乙醇中超声清洗，抽滤并真空干燥后，将二氧化硅纳米颗粒置于相对湿度为90％RH、温度为70℃的环境中保持1小时，即得到预处理纳米二氧化硅；
(2)改性纳米二氧化硅的制备：将5g聚倍半硅氧烷加入到100g二甲苯中，加热至120℃，然后加入50g预处理纳米二氧化硅和0.2g，10wt％碳酸钾溶液，反应90min，再加入4gN-甲基-2-羟基乙胺和0.2g，10wt％碳酸钾溶液，继续反应120min，待反应完成后过滤、洗涤、干燥，即得到改性纳米二氧化硅；
(3)有机硅改性丙烯酸树脂的制备：将40g二甲基乙氧基乙烯基硅烷、280g苯乙烯、100g甲基丙烯酸缩水甘油酯、50g丙烯酸丁酯加入到800g去离子水中，然后加入40g乳化剂十二烷基磺酸钠和25g引发剂过硫酸铵，在冰水浴中搅拌乳化30min，然后升温到80℃，保温搅拌反应3h，待反应完成后，过滤，即得到有机硅改性丙烯酸树脂；
(4)改性有机树脂的制备：将10g改性纳米二氧化硅和100g有机硅改性丙烯酸树脂加入到400mL甲苯溶剂中，然后加入5g催化剂三乙醇胺，在50℃下反应3h，即得到改性有机树脂；
(5)防粘涂层的制备：将500g改性有机树脂、160g稀释剂甲醇、40g固化剂德士模都N3390、10g填料氧化铝、15g流平剂BYK333和8g消泡剂BYK028混合均匀，然后喷涂在烟草加工设备上，在120℃下恒温烘烤30min，即得到防粘涂层。
对比例1
一种防粘涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)有机硅改性丙烯酸树脂的制备：将40g二甲基乙氧基乙烯基硅烷、280g苯乙烯、100g甲基丙烯酸缩水甘油酯、50g丙烯酸丁酯加入到800g去离子水中，然后加入40g乳化剂十二烷基磺酸钠和25g引发剂过硫酸铵，在冰水浴中搅拌乳化30min，然后升温到80℃，保温搅拌反应3h，待反应完成后，过滤，即得到有机硅改性丙烯酸树脂；
(2)防粘涂层的制备：将420g有机硅改性丙烯酸树脂、60g纳米二氧化硅、180g稀释剂乙醇、40g固化剂德士模都N3390、10g填料氧化钛、12g流平剂BYK333和6g消泡剂BYK028混合均匀，然后喷涂在烟草加工设备上，在120℃下恒温烘烤30min，即得到防粘涂层。
对比例2
一种用于烟草加工设备的防粘涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)纳米二氧化硅的预处理：将5g二氧化硅纳米颗粒分散于100mL丙酮中进行超声清洗，然后再置于纯度为95％的乙醇中超声清洗，抽滤并真空干燥后，将二氧化硅纳米颗粒置于相对湿度为90％RH、温度为70℃的环境中保持1小时，即得到预处理纳米二氧化硅；
(2)改性纳米二氧化硅的制备：将5g聚倍半硅氧烷加入到100g二甲苯中，加热至125℃，然后加入40g预处理纳米二氧化硅和0.2g，10wt％碳酸钾溶液，反应90min，待反应完成后过滤、洗涤、干燥，即得到改性纳米二氧化硅；
(3)有机硅改性丙烯酸树脂的制备：将40g二甲基乙氧基乙烯基硅烷、280g苯乙烯、100g甲基丙烯酸缩水甘油酯、50g丙烯酸丁酯加入到800g去离子水中，然后加入40g乳化剂十二烷基磺酸钠和25g引发剂过硫酸铵，在冰水浴中搅拌乳化30min，然后升温到80℃，保温搅拌反应3h，待反应完成后，过滤，即得到有机硅改性丙烯酸树脂；
(4)改性有机树脂的制备：将10g改性纳米二氧化硅和70g有机硅改性丙烯酸树脂加入到400mL甲苯溶剂中，然后加入5g催化剂三乙醇胺，在50℃下反应3h，即得到改性有机树脂；
(5)防粘涂层的制备：将480g改性有机树脂、180g稀释剂乙醇、40g固化剂德士模都N3390、10g填料氧化钛、12g流平剂BYK333和6g消泡剂BYK028混合均匀，然后喷涂在烟草加工设备上，在120℃下恒温烘烤30min，即得到防粘涂层。
将实施例1-4和对比例1-2所制备的防粘涂层进行性能测试：
铅笔硬度测试：按GB/T 6739-2006标准进行测试；
接触角测试：使用接触角测量仪对涂层的表面进行接触角和滚动角测试，测试温度为25℃，测量水滴量5uL，接触角采用切线法确定，滚动角采用动态接触角前进角与后退角差值确定；
耐酸碱性测试：按ISO 2812-1-2007标准进行测试；
耐寒性测试：将涂层置于-60℃的低温环境中，12h后观察涂层的变化情况；
耐热性测试：按涂层置于400℃的高温环境中，12h后观察涂层的变化情况；
测试结果如下表所示：
Figure BDA0003385063050000091
从表中可以看出，本实施例所制备的防粘涂层具有较高的硬度和稳定的化学性能，并且防粘性能优异，接触角大于150°，滚动角小于5°。
最后需要说明的是：以上实施例不以任何形式限制本发明。对本领域技术人员来说，在本发明基础上，可以对其作一些修改和改进。因此，凡在不偏离本发明精神的基础上所做的任何修改或改进，均属于本发明要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于烟草加工设备的防粘涂层，其特征在于，以重量份计，所述防粘涂层包括如下组份的制备原料：改性有机树脂400-500份、稀释剂150-200份、异氰酸酯固化剂40-60份、填料10-20份、流平剂10-15份、消泡剂5-10份。
2.根据权利要求1所述的用于烟草加工设备的防粘涂层，其特征在于，所述改性有机树脂的制备方法，包括如下步骤：
(1)改性纳米二氧化硅的制备：将3-6份聚倍半硅氧烷加入到100份二甲苯中，加热至120-125℃，然后加入30-50份预处理纳米二氧化硅和0.2份，10wt％碳酸钾溶液，反应90-120min，再加入1-4份N-甲基-2-羟基乙胺和0.2份，10wt％碳酸钾溶液，继续反应120-150min，待反应完成后过滤、洗涤、干燥，即得到改性纳米二氧化硅；
(2)有机硅改性丙烯酸树脂的制备：将有机硅单体、苯乙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、丙烯酸丁酯加入到去离子水中，然后加入乳化剂和引发剂，在冰水浴中搅拌乳化30-60min，然后升温到80-90℃，保温搅拌反应3-5h，待反应完成后，过滤，即得到有机硅改性丙烯酸树脂；
(3)改性有机树脂的制备：将步骤(1)得到的改性纳米二氧化硅和步骤(2)得到的有机硅改性丙烯酸树脂加入到甲苯溶剂中，然后加入催化剂进行反应，即得到改性有机树脂。
3.根据权利要求2所述的用于烟草加工设备的防粘涂层，其特征在于，步骤(1)中，所述预处理纳米二氧化硅的处理工艺包括如下步骤：将二氧化硅纳米颗粒分散于丙酮中超声清洗，然后再置于纯度为95％的乙醇中超声清洗，抽滤并真空干燥后，将二氧化硅纳米颗粒置于相对湿度为90％-100％RH、温度为70-90℃的环境中保持1-3小时，即得到预处理纳米二氧化硅。
4.根据权利要求2所述的用于烟草加工设备的防粘涂层，其特征在于，步骤(2)中，所述有机硅单体、苯乙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、丙烯酸丁酯、乳化剂和引发剂的质量比为40-80:280-420:100-180:50-100:40-70:25-40。
5.根据权利要求2所述的用于烟草加工设备的防粘涂层，其特征在于，步骤(2)中，所述有机硅单体为乙烯基三乙氧基硅烷、二甲基乙氧基乙烯基硅烷或二苯基乙烯基乙氧基硅烷，所述乳化剂为十二烷基磺酸钠或十二烷基苯磺酸钠，所述引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾。
6.根据权利要求2所述的用于烟草加工设备的防粘涂层，其特征在于，步骤(3)中，所述改性纳米二氧化硅和有机硅改性丙烯酸树脂的质量比为1-3:5-10。
7.根据权利要求2所述的用于烟草加工设备的防粘涂层，其特征在于，步骤(3)中，所述催化剂为四甲基氢氧化胺、四丁基氢氧化胺或三乙醇胺中的任一种。
8.根据权利要求2所述的用于烟草加工设备的防粘涂层，其特征在于，步骤(3)中，反应温度为40-60℃，反应时间为3-5h。
9.根据权利要求2所述的用于烟草加工设备的防粘涂层，其特征在于，所述聚倍半硅氧烷为环氧基笼形聚倍半硅氧烷，所述稀释剂为甲醇、乙醇和异丙醇中的至少一种，所述异氰酸酯固化剂为德士模都N75或德士模都N3390，所述填料为氧化锆、氧化铝、氧化钛和氧化钇中的至少一种。
10.一种如权利要求1-9任一项所述用于烟草加工设备的防粘涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：将改性有机树脂、稀释剂、异氰酸酯固化剂、填料、流平剂和消泡剂混合均匀，然后喷涂在烟草加工设备上，在100-140℃下恒温烘烤30-60min，即得到防粘涂层。
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