环氧环己烷改性壳聚糖对纸张加固保护的研究

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纸张作为历史传承的文化载体,具有极高的文化、历史和科研价值。但随着时间的流逝和环境的变迁,许多纸质档案出现老化、破损等现象,因此开展纸质档案材料的保护工作具有十分重要的意义。天然材料壳聚糖与纸张纤维有很好的相容性,但老化性、柔韧性、粘附力等纸张加固性能欠佳;环氧环己烷是小分子单体,具有六元脂环刚性结构和三元环氧基活性高的特点,因此,将两者有机结合,制备天然高分子的改性材料,综合利用天然高分子材料和合成材料各自的优点,又可兼具小分子单体良好的机械、化学等性能。因此,本文以壳聚糖为主要原料,分别用环氧环己烷、甲基丙烯酸甲酯对壳聚糖材料进行改性,并对其进行纸张性能的测定,主要研究内容与研究结论如下:以壳聚糖(CS)为原料,环氧环己烷(CHO)为低聚物功能单体,二月桂酸二丁基锡为催化剂,乙酸为反应溶剂,合成环氧环己烷改性的壳聚糖衍生物CS-CHO。通过单因素和正交实验,找到了CS-CHO合成的优化条件;通过FTIR、XRD和DSC-TGA,对合成的CS-CHO结构进行表征;将合成的CS-CHO胶液应用于纸张的加固,通过不同质量浓度的胶液对纸张抗张强度、耐折度、撕裂度、白度和光泽度的影响,找到了CS-CHO用于纸张加固的适合条件;本文还考察了CS-CHO对纸张抗热老化性能、耐酸碱性能以及纸张字迹油墨的影响。结果表明,通过FTIR、XRD、DSC-TGA表征,证明环氧环己烷通过N-烷基化反应,成功接在了壳聚糖长链的C2-NH2上;CS-CHO的制备工艺条件为:m(CS):m(CHO)=1:5.5、反应温度65℃、反应时间7 h、催化剂用量0.06 g;将质量浓度为10%的CS-CHO胶液涂布于纸张,不仅机械性能大幅度提高,而且光泽度和白度变化也较小,符合“修旧如旧”原则;老化实验表明,CS-CHO胶液能明显提高纸张的机械性能和耐老化性能;耐酸碱实验表明,CS-CHO胶液可以渗透在纸纤维内部,并且在纸纤维表面形成一层保护膜,可以有效地减弱H+离子和OH-离子对纤维的侵蚀;字迹油墨实验表明,CS-CHO胶液对纸张字迹油墨基本无影响,纸样字迹清晰,墨迹无扩散。采用一锅法,以CS-CHO胶液为底物,甲基丙烯酸甲酯(MMA)为低聚物功能单体,过硫酸钾(KPS)为引发剂,磷酸氢二钠(DSP)为缓冲试剂,通过自由基接枝聚合的方法,合成了纸张保护用的CS-CHO-g-PMMA乳液。通过单因素实验对其合成工艺条件进行了优化,考察了自由基接枝聚合反应的单体用量、引发剂用量、反应温度、聚合时间对接枝参数和吸水率的影响;将合成的CS-CHO-g-PMMA胶液应用于纸张的加固,通过不同质量浓度的胶液对纸张抗张强度、耐折度、撕裂度、白度、光泽度等的影响,确定了CS-CHO-g-PMMA用于纸张加固的适合条件;同时还考察了CS-CHO-g-PMMA对纸张抗热老化性能、可逆性、耐酸碱性能和纸张字迹油墨的影响;为了提高纸张的机械强度,并使纸张保持原有的光泽度,将CS-CHO-g-PMMA乳液与磷酸酯淀粉(HPDSP)糊化液复配使用,寻找较佳复配比。结果表明,CS-CHO-g-PMMA的聚合工艺条件为:单体用量3 g、引发剂用量7.5 m L、反应温度80℃、反应时间3 h。该条件下合成的CS-CHO-g-PMMA乳液的性能好,自由基接枝聚合效果好、耐水性好。耐酸碱实验表明,CS-CHO-g-PMMA乳液可以有效地抵御外界酸碱腐蚀,对纸张起到保护作用;热老化实验表明,纸张涂覆乳液后,老化降解速率明显减缓;可逆性实验表明,CS-CHO-g-PMMA具有一定的可逆性;字迹油墨实验表明,该材料涂覆纸张后不会出现色泽和光泽的变化,也没有字迹油墨的扩散,纸张保持原貌;CS-CHO-g-PMMA乳液和糊化的HPDSP溶液之间较佳复配比为:m(CS-CHO-g-PMMA):m(HPDSP)=5:2,在此配比下,纸张的各项性能指标都达到要求,符合“修旧如旧,保持原貌”等各项要求。
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