近年來,因化石燃料的大量使用而造成的環(huán)境污染及能源短缺問題,引起人們的廣泛關(guān)注。在提倡可持續(xù)發(fā)展的今天,可持續(xù)自然資源的開發(fā)和改性已成為各國學(xué)者的研究熱點。海藻酸鈉(SA)是一種來源廣泛且含量豐富的生物質(zhì)多糖原料,不僅具有可生物降解、凝膠性、絮凝性和增稠性等優(yōu)點,同時具有良好的生物相容性和成膜性,在食品包裝、重金屬離子吸附和生物組織工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但是海藻酸鈉薄膜存在耐水性差、薄膜硬脆的缺點,大大限制了海藻酸鈉材料的應(yīng)用。為了克服海藻酸鈉薄膜存在的不足,需要對其進行改性。本課題采用環(huán)氧封端聚氨酯(GPU)對海藻酸鈉進行接枝改性,利用環(huán)氧開環(huán)反應(yīng)將聚氨酯接枝到海藻酸鈉長鏈上,改善薄膜的硬脆問題。同時,利用海藻酸鈉和陰離子型聚氨酯含有大量羧基的特性,采用鈣離子對接枝產(chǎn)物進行交聯(lián)改性,使得改性薄膜的耐水性大大提高。本課題以異氟爾酮二異氰酸酯(IPDI)、聚醚1000(PPG1000)、2,2-二羥甲基丙酸(DMPA)為主要原料,通過逐步聚合法制得聚氨酯預(yù)聚體,然后以1,4-丁二醇(BDO)為小分子擴鏈劑、環(huán)氧丙醇為封端劑,合成了環(huán)氧封端聚氨酯改性劑,紅外表征證明了環(huán)氧基對聚氨酯進行了封端;然后在堿性條件下對海藻酸鈉進行接枝改性,制備了環(huán)氧封端聚氨酯改性海藻酸鈉(SA-g-GPU)。重點探究了反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度、pH值及改性劑加入量對改性海藻酸鈉乳液和薄膜性能的影響。結(jié)果顯示,當反應(yīng)溫度為75℃,反應(yīng)時間為60 min,反應(yīng)pH為9,改性劑GPU加入量為50%時,所得的改性海藻酸鈉乳液有很好的儲存穩(wěn)定性和離心穩(wěn)定性,乳液黏度為465.0 mPa?s。改性產(chǎn)物的接枝率隨著改性劑GPU加入量的增多先增大后略有降低,接枝率最高可達到18.01%。當GPU加入量從10%~50%變化時,乳液粒徑從300.5nm下降到127.0 nm,薄膜的拉伸強度從88.44 MPa下降到12.51 MPa,斷裂伸長率從6.87%上升到41.82%,水接觸角從55.0°上升到77.1°,薄膜的水蒸氣透過率從2450.28 g?m~(-2)?24h~(-1)下降到1078.74 g?m~(-2)?24h~(-1),柔軟度從5.3提高到6.2,薄膜的可見光透過性略有提升。因此可通過控制GPU加入量達到上述指標的高效可控。采用核磁共振氫譜(~1H-NMR)、傅里葉紅外變換光譜(FT-IR)、X-射線衍射(XRD)、凝膠滲透色譜(GPC)、掃描電鏡(SEM)和熱重(TG)等儀器研究了GPU改性海藻酸鈉結(jié)構(gòu)以及薄膜的性能。~1H-NMR和FT-IR證明了GPU接枝到SA上;XRD測試結(jié)果表明SA以彌散狀的無定型寬峰為主,結(jié)晶度低,當GPU引入后,改性薄膜的晶型結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,結(jié)晶度下降;GPC分析結(jié)果表明GPU的引入使得SA的分子量變大;SEM結(jié)果表明SA薄膜斷面光滑致密,SA-g-GPU薄膜斷面粗糙且出現(xiàn)孔狀結(jié)構(gòu);TG結(jié)果表明GPU的引入提高了SA薄膜在低溫段(30~300℃)的熱穩(wěn)定性,降低了其在高溫段(300~600℃)的穩(wěn)定性。同時,將SA-g-GPU薄膜用氯化鈣進行交聯(lián)改性制得交聯(lián)改性薄膜(CaA-g-GPU),并將其用于皮革涂飾,探究了CaA-g-GPU薄膜的性能及其涂飾性能。研究發(fā)現(xiàn),當氯化鈣濃度為3%,交聯(lián)時間為3 min時,CaA-g-GPU薄膜的拉伸強度為33.48 MPa,斷裂伸長率為40.51%,溶脹度為16%,膜損失率為6.31%,薄膜的耐水性大大提高。涂層的光澤度為8.0 Gu,耐干擦級為4級,耐濕擦級為3級,耐磨性為2級,改性交聯(lián)涂層具有很好的耐干擦性和耐磨性。FT-IR測試表明鈣離子與海藻酸鈉上的羧酸根發(fā)生交聯(lián)反應(yīng);XRD測試表明鈣交聯(lián)使得薄膜的結(jié)晶度下降;SEM結(jié)果表明鈣離子交聯(lián)后薄膜斷層斷面緊密;TG分析結(jié)果表明鈣離子交聯(lián)后薄膜的熱穩(wěn)定性提高,熱損失率從81.52%下降到77.97%。
【學(xué)位單位】：陜西科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TS529.5
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
1 緒論
    1.1 研究背景及意義
        1.1.1 研究背景
        1.1.2 研究意義
    1.2 海藻酸鈉的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)
    1.3 海藻酸鈉改性的研究現(xiàn)狀
        1.3.1 共混改性
        1.3.2 酯化改性
        1.3.3 酰胺化改性
        1.3.4 氧化改性
        1.3.5 接枝共聚改性
        1.3.6 交聯(lián)改性
        1.3.7 點擊化學(xué)改性
    1.4 課題的研究內(nèi)容
2 實驗部分
    2.1 實驗所用原料及實驗儀器
        2.1.1 實驗原料
        2.1.2 實驗儀器
    2.2 環(huán)氧封端聚氨酯的制備
        2.2.1 原料的預(yù)處理
        2.2.2 制備方法
        2.2.3 反應(yīng)體系中-NCO含量的測定
        2.2.4 反應(yīng)體系中羥基含量的測定
    2.3 環(huán)氧封端聚氨酯改性海藻酸鈉的制備
    2.4 環(huán)氧封端聚氨酯改性海藻酸鈉薄膜的制備
    2.5 鈣交聯(lián)環(huán)氧封端聚氨酯改性海藻酸鈉薄膜的制備
    2.6 環(huán)氧封端聚氨酯改性海藻酸鈉的結(jié)構(gòu)及性能測定
        2.6.1 分子量的測定
        2.6.2 接枝率的測定
        2.6.3 ~1H-NMR表征
        2.6.4 紅外表征
        2.6.5 乳液穩(wěn)定性表征
        2.6.6 乳液黏度的測定
        2.6.7 乳液粒徑的測定
        2.6.8 乳液的掃描電鏡觀測
    2.7 改性海藻酸鈉薄膜的結(jié)構(gòu)及性能測定
        2.7.1 結(jié)晶性測試
        2.7.2 掃描電鏡表征
        2.7.3 力學(xué)性能測試
        2.7.4 耐溶劑性與耐水性性測試
        2.7.5 水接觸角測定
        2.7.6 水蒸氣透過率測定
        2.7.7 柔軟度的測定
        2.7.8 透光率的測定
        2.7.9 熱穩(wěn)定性測定
    2.8 聚氨酯改性海藻酸鈉涂層的測定
        2.8.1 光澤度測定
        2.8.2 耐干濕擦性測定
        2.8.3 耐磨性測定
3 結(jié)果與討論
    3.1 環(huán)氧封端聚氨酯的結(jié)構(gòu)
        3.1.1 紅外光譜特征
        3.1.2 分子量
    3.2 環(huán)氧封端聚氨酯與海藻酸鈉的反應(yīng)條件
        3.2.1 反應(yīng)溫度對乳液黏度的影響
        3.2.2 反應(yīng)pH值對乳液黏度的影響
        3.2.3 反應(yīng)時間對乳液黏度的影響
        3.2.4 環(huán)氧封端聚氨酯用量對乳液黏度的影響
    3.3 環(huán)氧封端聚氨酯改性海藻酸鈉的結(jié)構(gòu)特征
        3.3.1 接枝率
        3.3.2 分子量
        3.3.3 核磁共振氫譜特征
        3.3.4 紅外光譜特征
        3.3.5 粒徑
        3.3.6 乳粒微觀形態(tài)
    3.4 環(huán)氧封端聚氨酯改性海藻酸鈉薄膜的結(jié)構(gòu)及性能
        3.4.1 結(jié)晶度
        3.4.2 斷面形貌分析
        3.4.3 機械性能
        3.4.4 薄膜的耐溶劑性
        3.4.5 水接觸角
        3.4.6 水蒸氣透過性
        3.4.7 柔軟度
        3.4.8 透光性
        3.4.9 熱性能
    3.5 鈣交聯(lián)環(huán)氧封端聚氨酯改性海藻酸鈉薄膜的結(jié)構(gòu)及性能
        3.5.1 交聯(lián)劑的選擇
        3.5.2 機械性能
        3.5.3 紅外光譜特征
        3.5.4 結(jié)晶度
        3.5.5 斷面形貌分析
        3.5.6 耐水性
        3.5.7 熱性能
    3.6 聚氨酯改性海藻酸鈉的涂飾性能
        3.6.1 涂層的光澤度
        3.6.2 涂層的耐干濕擦性能
        3.6.3 涂層的耐磨性
4 結(jié)論與展望
    4.1 結(jié)論
    4.2 創(chuàng)新點
    4.3 展望
致謝
參考文獻
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