环氧化合物改性胶原蛋白施胶剂的制备及性能研究

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皮革作为一种生物质改性加工材料,以其优良的性能受到众多消费者的青睐,使制革业为推动全球经济发展做出了贡献。然而,伴随着制革业飞速发展的同时,也产生了大量的制革废弃物,把它们直接填埋或焚烧,会造成严重的环境污染问题,并导致极大的资源浪费。通过有效手段来解决制革废弃物污染已经成为社会各界关注的焦点问题。本文以三种环氧化合物乙二醇二缩水甘油醚(GDE)、四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯(TDE)及三缩水甘油基对氨基苯酚(TP)为交联剂,苯乙烯(St)、丙烯酸丁酯(BA)为疏水性单体,对胶原蛋白水解得到的胶原蛋白水解物进行交联-接枝改性,合成出三种施胶剂(SA),并对施胶剂的结构、形貌和基本性能等进行了研究。以瓦楞纸作为纸张模型,研究了施胶剂的施胶性能以及其与淀粉类施胶剂复配使用的协同施胶效果。具体如下:首先,以乙二醇二缩水甘油醚为交联剂,苯乙烯和丙烯酸丁酯为疏水性单体,对胶原蛋白水解物进行交联-接枝改性,合成出缩水甘油醚类环氧化合物改性胶原蛋白水解物制备的施胶剂(GDESA)。利用傅里叶红外光谱仪(FT-IR)进行表征,结果表明,胶原蛋白水解物被成功改性。利用视频光学接触角仪、抗张指数测试仪、电脑测控压缩试验仪、纸张撕裂度测定仪及纸和纸板挺度仪对不同工艺参数下施胶的瓦楞纸耐水性及物理机械性能等进行检测。通过单因素实验得到制备GDESA的最佳合成条件为:胶原蛋白水解物平均相对分子质量(Mn)为10000,交联剂GDE用量为胶原蛋白水解物用量的10 wt.%,交联反应pH为9,m(疏水性单体):m(胶原蛋白水解物)=2:1,引发剂用量为疏水性单体用量的0.8 wt.%,接枝反应温度为90°C。此时,合成的GDESA施胶剂乳液接枝率为80%、沉淀率为0.7%。乳液稳定性较好。施胶的瓦楞纸接触角为122.1°,纸张抗张指数、撕裂强度、环压指数及硬挺度分别为57.35 N?m/g、299.341 mN、11.14 N?m/g及9.87mN?m。其次,以环氧化合物四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯和三缩水甘油基对氨基苯酚分别为交联剂,苯乙烯和丙烯酸丁酯为疏水性单体,对胶原蛋白水解物进行交联-接枝改性,合成出两种施胶剂:缩水甘油酯类环氧化合物改性胶原蛋白水解物制备的施胶剂及缩水甘油胺类环氧化合物改性胶原蛋白水解物制备的施胶剂(TDESA和TPSA)。利用精密pH计、电子水份测定仪、数显粘度计等对施胶剂乳液的各种基本性质进行了检测,结果表明,合成的三种施胶剂乳液均呈酸性。且在三种施胶剂中,GDESA施胶剂乳液的固含量(27.21%)和粘度(10.04 mPa?s)最大。利用FT-IR对胶原蛋白水解物及三种施胶剂进行表征,结果表明,胶原蛋白水解物被成功进行交联-接枝改性。利用凝胶色谱仪(GPC)及纳米粒度表面电位分析仪对胶原蛋白水解物及三种施胶剂分子量和粒径进行检测,结果表明,GDESA施胶剂乳液稳定性及分散性较好。利用热重分析仪对胶原蛋白水解物及三种施胶剂的热稳定性进行表征,结果表明,胶原蛋白水解物被成功改性。利用视频光学接触角仪对瓦楞纸静态水接触角进行检测,结果表明,未施胶的瓦楞纸在20 s内水滴完全被吸收,而GDESA施胶的瓦楞纸接触角为117.2°。利用扫描电子显微镜(SEM)对瓦楞纸纤维进行观察,结果表明,经GDESA施胶后的瓦楞纸纤维紧实,纤维表面平滑。利用纸张厚度测定仪、抗张指数测试仪、电脑测控压缩试验仪、纸张撕裂度测定仪及纸和纸板挺度仪对瓦楞纸物理机械性能进行检测,结果表明,GDESA施胶剂施胶的瓦楞纸具有最优的物理机械性能。瓦楞纸厚度、硬挺度、撕裂强度、抗张指数及环压指数分别为未施胶瓦楞纸的1.2倍、2.1倍、1.6倍、1.5倍及2倍。对折叠前后瓦楞纸上水滴状态进行观察来探究瓦楞纸的抗弯性能,结果表明,GDESA施胶剂施胶的瓦楞纸上水滴仍能完整保留。最后,将在最优实验条件下合成的GDESA施胶剂与淀粉类施胶剂按不同质量比复配,得到一系列复配型施胶剂(SGDESA-1、SGDESA-2、SGDESA-3和SGDESA-4)。将复配型施胶剂用于瓦楞纸的表面施胶,并对瓦楞纸物理机械性能和耐水性进行检测。然后与苯乙烯-丙烯酸聚合物施胶剂(SAE)进行应用性能对比。结果表明,与SAE施胶剂相比,SGDESA-2施胶的瓦楞纸撕裂强度、硬挺度、抗张指数及环压指数分别是SAE施胶剂的1.5倍、1.4倍、1.2倍及1.9倍,60 s吸水值(Cobb60)降低了1.1倍。其改变了淀粉施胶剂单独施胶瓦楞纸耐水性差的缺点,提高了瓦楞纸的耐水性;通过对瓦楞纸抗弯性能的检测发现,当SGDESA-2施胶瓦楞纸时,瓦楞纸在折叠20次后仍呈现出最大的接触角(125.5°),这表明SGDESA-2施胶的瓦楞纸具有最优的抗弯性能。
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