超支化聚合物高吸收铬鞣助剂的合成、表征及作用机理

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铬鞣法赋予皮革柔软丰满的手感、良好的弹性、高的机械强度,尤其具有其他鞣制方法无法比拟的高湿热稳定性。但是传统铬鞣法铬吸收率低,不能满足环保的要求。为了解决制革工业中铬污染问题,多年来研究人员从材料、工艺、废液综合治理等方面对铬鞣制革进行了大量的研究。但是,出于成革性能、经济成本等方面的原因,现阶段其他鞣剂很难取代铬鞣剂。作为能够平衡制革成本、革制品质量和环境保护等众多要素的先进制革技术,对铬鞣采用“高吸收、低污染”的综合治理无疑成为当前最值得关注的研究热点之一。  近年来,超支化聚合物独特的三维结构、末端丰富的官能团、良好的水溶性使得超支化聚合物在清洁化制革中的应用成为制革行业的一个研究方向。但多数研究只注重皮革的湿热稳定性、铬吸收率,以及最佳铬鞣条件(工艺)的筛选,高吸收铬鞣剂的开发等。并未深入探讨高吸收铬鞣剂的促铬吸收机理,也未成功构建材料结构与性能之间的关系,使得材料的设计与应用陷于盲目和随机。  基于以上问题,本研究致力于开发三类不同端基的超支化聚合物高吸收铬鞣助剂,探讨超支化分子结构与蓝湿革铬吸收率、收缩温度、变性温度、热降解活化能之间的关系;跟踪铬鞣过程中鞣制、提碱、升温补水阶段浴液铬浓度的变化,并结合蓝湿革胶原的微观形貌,蓝湿革内铬的分布情况,建立超支化分子促铬吸收机理。  首先,柠檬酸与三羟甲基丙烷、乙二胺熔融缩聚合成端羧基超支化聚酯、超支化聚酰胺,采用紫外-可见光光谱法研究其与Cr3+的配位行为。结果表明,端羧基超支化分子具有比小分子有机酸更强的配位能力;端羧基超支化聚酰胺因较强配位能力N原子的引入,与Cr3+的配位能力比端羧基超支化聚酯强。这为后期超支化分子的设计提供了思路。  第二部分,设计并合成了一系列不同分子量的端羧基超支化分子(HBPC)。浸酸皮与白皮粉的鞣制结果均表明HBPC能够作为高吸收铬鞣助剂使用,比小分子多元酸促铬鞣效果更好。蓝湿革铬吸收率与超支化分子结构密切相关,随着端羧基密度及支化度的增大,蓝湿革的铬吸收率越大。当在浸酸过程中加入酸皮重3%的HBPC6,提碱末期pH值控制在4.5时,铬吸收率可达最大的95.2%,比空白组提高了49.9%。经过HBPC6辅助鞣制后的蓝湿革的最大热降解速率温度高于空白组,且Kissinger法计算的实验组蓝湿革热降解活化能为153.064KJ/mol高于空白组的147.244KJ/mol。SEM-EDS表明,空白组蓝湿革内铬在粒面层、肉面层有明显的聚集,经HBPC6辅助鞣制后,蓝湿革内铬含量增多,且均匀分布在皮内。X射线衍射表明,经HBPC6辅助铬鞣后蓝湿革胶原纤维交联密度变大,HBPC6与铬、胶原纤维形成了多点结合。蓝湿革中胶原交联方式由传统铬鞣中简单的多聚铬核交联变成了胶原-铬核-超支化分子-铬核-胶原、胶原-超支化分子-铬核-胶原或胶原-超支化分子-胶原等多种交联方式。  第三部分,从植物鞣剂的鞣制机理出发,设计并合成了一系列不同分子量、不同羟基密度的端羟基超支化分子。研究表明端羟基超支化分子的加入,能够有效增加蓝湿革收缩温度以及铬吸收率;而且随着端羟基超支化分子中羟基密度的增加,其促铬鞣效果也越明显。当添加酸皮重3%端羟基超支化分子A1时,蓝湿革的收缩温度达到108.9℃℃,铬吸收率达93.01%。采用Kissinger法,算出A1辅助铬鞣后蓝湿革的热降解活化能为158.053KJ/mol,高于空白组。加入酸皮重0.6%A1后,相对于空白组,成品革的拉伸强度增加13.4%,断裂伸长率提高20.7%。SEM-EDS结果表明,经A1辅助鞣制后的蓝湿革胶原纤维更加松散,皮内铬含量增加,且铬在皮内分布也更加均匀。这主要是端羟基超支化分子能够与胶原纤维间形成氢键,有效减缓提碱过程,增加胶原纤维的交联密度。  第四部分,设计并合成了6种不同代数的端氨基超支化分子。浸酸皮及白皮粉鞣制结果均表明,端氨基超支化分子能够提高蓝湿革的铬吸收率、收缩温度、变性温度;第二代超支化分子的鞣制效果要好于第一代和第三代;HBPN2辅助鞣制后蓝湿革,经Flynn-Wall-Ozawa法测定的热降解活化能为169.524-196.668KJ/mol,与Kissinger法测定的153.314KJ/mol相近。而采用Kissinger法测定空白组的热降解活化能为147.244KJ/mol。这也说明经HBPN2鞣制后,蓝湿革的热稳定增加。SEM-EDS、XRD结果均表明端氨基超支化分子能够增加胶原的松散程度,提高蓝湿革的交联密度,使蓝湿革内铬分布更均匀,这主要是因为端氨基超支化分子的耐碱稳定性高,能够适当减缓提碱过程。  最后,从铬鞣过程的鞣制、提碱、升温补水阶段铬浓度变化规律,得出了超支化分子的促铬鞣机理。结果表明超支化分子主要作用于提碱、升温补水阶段,有效减缓提碱过程,使得铬在皮内均匀分布,不会堵塞后期升温补水过程中铬向皮内渗透的通道;升温补水末期,通过多种结合方式增强胶原的结合密度,从而抑制结合后的铬向外扩散。空白组、超支化分子辅助鞣制的蓝湿革,经85℃℃热处理24h后,XPS分析表明,蓝湿革内Cr3+并未转化为Cr6+,而是形成了更加稳定的铬配合物。
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