蜡质超疏水涂层的制备及其防粘附应用

蜡质超疏水涂层的制备及其防粘附应用

SONG Meihui;TANG Yali;LU Lixin;WANG Jun;QIU Xiaolin

【摘要】在棕榈蜡/乙酸乙酯悬浊液中超声分散疏水性纳米二氧化硅制备蜡质超疏水涂料,用浸渍提拉法在玻璃片表面制备超疏水涂层.单因素实验考察棕榈蜡在乙酸乙酯中的浓度、疏水性纳米二氧化硅的添加量和干燥方式对疏水性能的影响,分析不同因素情况下的接触角、滚动角和防粘附性能.结果表明棕榈蜡在乙酸乙酯中的浓度为4 g/100 mL,纳米二氧化硅添加量占棕榈蜡质量的1/2,室温中自然干燥,涂层疏水性效果最佳,此条件下制备的超疏水涂层的接触角为150.60°,滚动角为6°.该涂层适用于不同的基材(如玻璃片、PE膜、BOPP膜的铝塑复合膜).通过对酸奶粘附性的试验,发现涂层在各种基材表面表现出良好的防粘附性能,酸奶可在其上自由滚动.用热封时间作为指标,测试施加涂层后的热封性能,结果表明,涂层的施加不影响铝塑复合膜等耐高温材料的热封性.

【期刊名称】《功能材料》

【年(卷),期】2018(049)012

【总页数】5页(P12195-12199)

【关键词】超疏水;生物蜡;棕榈蜡;防粘附;接触角

【作者】SONG Meihui;TANG Yali;LU Lixin;WANG Jun;QIU Xiaolin

【作者单位】;;;;

【正文语种】中文

【中图分类】TB34

0 引言

在日常生活中，食品容器中残留的液体食品会有很大的浪费[1]。这种浪费通常发

生在液体食品中，如酸奶、番茄酱、蜂蜜等使用后仍然残留在包装容器内壁。而减少液体废物的一种策略是制备超疏水涂层以达到防粘附的效果，使高粘度的食品也可以顺利从包装容器中流出[2-6]。

构建超疏水表面有两个要素：(1) 表面物质本身具有较低的表面能；(2) 表面具有

适当的粗糙结构[7-8]。其中长链氟的表面能很低，因此经常被使用[9-12]。然而，美国环境保护署(EPA)将长链氟碳材料归类为“新兴污染物”，因为它们可能分解为全氟辛酸(PFOA)[13]，这种物质被认为是持久性的、生物累积的，而且可能对

人体有毒[14-15]。因此，使用氟碳材料制备的超疏水性涂料不适合直接接触食品。蜡是也一种常见的低表面能材料，且食品级蜡作为食品可接触材料是制备液体食品容器内超疏水性涂料的理想材料。利用蜡来做超疏水表面的研究工作己有很多，常用的有石蜡、蜂蜡和棕榈蜡等FDA认可的可用于食品包装的蜡。袁志庆等[16]用

石蜡浸渍法制备超疏水纸，其接触角为(156±2.3)°、滚动角为2°。Arun K Kota

研究团队[17]使用棕榈树蜡和蜂蜡作为原料制备出了可食用的超疏水涂层，聚苯乙烯塑料杯上喷涂上这种涂层之后，液体食品可以倾倒干净。然而，丙酮被用作溶剂，违背了食品可接触的初衷，残留的丙酮可能会带来恶心、头痛和呕吐等隐患。同样，李尧等[18-19]虽减少了丙酮的用量、配合用正己烷作为溶剂溶解蜂巢蜡制备超疏

水涂层，但是丙酮的隐患还未消除的同时又引进了正己烷的隐患。

本文以相对安全的乙酸乙酯为溶剂，将棕榈蜡溶解在乙酸乙酯中，配合疏水性纳米二氧化硅，采用浸渍提拉法和喷涂法制备超疏水涂层，在单因素试验中探究最佳工艺条件，讨论各因素对疏水性的影响，并研究其防粘附性能和在基材上使用后的热封性能。简易的方法制备超疏水涂层，对酸奶表现出防粘附性，应用于包装可解决

液体食品浪费现象。

1 实验

1.1 材料与设备

1.1.1 主要材料

疏水纳米二氧化硅，平均粒径7～40 nm，上海阿拉丁股份有限公司；棕榈蜡，

3#，上海阿拉丁股份有限公司；乙醇，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；标

准级显微载玻片，江苏世泰实验器材有限公司；聚乙烯薄膜(PE)，自制；双向拉伸聚丙烯薄膜(BOPP)，义务倍力熊吹膜制袋厂；铝塑复合膜，江阴永达包装；风味

酸牛奶，原味，100 g，蒙牛高科乳制品(北京) 有限责任公司。

1.1.2 主要设备

电子分析天平，AB204-N，梅特勒-托力多仪器(上海)；磁力搅拌器，RT5，IKA；电热恒温鼓风干燥箱，DHG-9240A，上海精宏实验设备有限公司；接触角测量仪，JC2000D，上海中晨数字技术设备有限公司；塑料薄膜封口机，FR-200B,蓝莓。1.2 制备方法

将一定质量的棕榈蜡加入乙酸乙酯中，在一定温度下磁力搅拌至蜡溶解，静置至室温后加入一定比例的纳米二氧化硅，超声处理，使纳米二氧化硅充分溶解，制备得到分散均匀的悬浊液，然后该悬浊液用浸渍提拉法涂布到载玻片上，在一定温度下干燥。

1.3 表征方法

利用接触角测量仪测量接触角，取样品5个不同位置进行测量，取其平均值，并

记录水滴在玻璃片上的润湿性图像。

利用接触角测量仪测量滚动角：将试样固定于样品台上，将水滴在试样上，然后从0°开始倾斜样品台，记录液滴滚落试样表面时样品台的倾斜角。

利用接触角测量仪测试超疏水涂层表面的对酸奶的防粘附性：将试样固定于样品台

上，将酸奶滴在试样上，然后从0°开始倾斜样品台，记录液滴滚落试样表面时样品台的倾斜角。

利用相机，观察和表征表面动态湿润性能。

2 结果与讨论

2.1 蜡浓度对疏水性的影响

经蜡悬浮液制备的涂层具有疏水性的原因是一方面植物蜡的长碳链结构使得亲水的玻璃表面的自由能降低，另一方面，植物蜡在溶剂挥发干燥过程中形成粗糙结构，因此棕榈蜡在悬浮液中的浓度将影响疏水性。棕榈蜡在乙酸乙酯中的初始浓度1 g/100 mL～5 g/100 mL的变化范围内对疏水性的影响如表1所示，随着蜡浓度的增加，疏水性能增加，但是由于蜡浓度太高，蜡悬浮液的流动性变差，不利于涂覆，且蜡浓度太高，干燥过程中不宜形成的粗糙结构，滚动角降低，所以选取蜡浓度为4 g/100 mL。

表1 蜡浓度对疏水性的影响

Table 1 Effect of wax concentration on hydrophobicity

蜡浓度/g·100 mL-1接触角/(°)滚动角/(°)1138.55-2143.88-3149.09-

4150.6065150.848

2.2 不同纳米二氧化硅添加量对疏水性的影响

将表面修饰有高疏水链结构的纳米二氧化硅加入悬浮液，一方面降低了悬浮液本身表面能；另一方面纳米粒子与蜡的微米级结构配合，增加了表面的粗糙度。不同纳米二氧化硅添加量的涂层表面疏水性如表2。随着纳米二氧化硅添加量的增加涂层的疏水性提高，当纳米二氧化硅添加量占蜡质量的1/2时，涂层的疏水性效果最佳，之后随纳米二氧化硅添加量的增加，疏水性下降。因此，实验结果表明最佳添加比例为纳米二氧化硅与蜡的质量比为1/2。

表2 纳米二氧化硅添加量对疏水性的影响