摘要
在限塑令、碳达峰及碳中和的大背景下，传统化工材料具有不可再生、难降解的缺点，有悖于当今社会绿色环保可持续发展的理念。生物基材料代替石油化工品是目前的研究重点。纸基材料具有可再生、可降解、环保无毒害等特点，在“以纸代塑”及纸基功能材料的研究上取得了突出进展。本论文使用生物基材料——木质素制备水性聚氨酯乳液用作纸基涂覆剂，改善传统纸基材料的力学强度，赋予涂布纸抗水、抗油、抗氧化等性能。 首先，对来自于玉米秸秆的酶解生物质木质素进行FTIR、GPC和13PNMR表征测试，对其结构官能团、分子量及活泼氢含量进行初步分析，显示该木质素含有大量活泼氢（羟基含量为3.8mmol/g）具备合成聚氨酯的必要条件。 以自乳化水性聚氨酯的制备为理论基础，添加含有反应性活泼氢的木质素做为聚氨酯材料的封端剂与-NCO发生聚合反应制备木质素基水性聚氨酯乳液。通过红外光谱、化学滴定分析对反应过程中-NCO含量表征，证明木质素参与聚氨酯反应消耗了-NCO。对不同木质素含量的木质素基水性聚氨酯乳液的热稳定、粒径、力学强度、阻隔性、抗氧化性等常规性能进行测试，数据分析得知最佳制备工艺条件为:n(IPDI）:n（PTMEG）∶n(DMBA）=4∶1∶1,当m（木质素)∶m（IPDI）=1∶11时（LnPU-2）性能最佳。最大拉力为57.4MPa,断裂伸长率为1377％;乳液粒径小于200nm能够长期贮存，在220℃以内不发生热分解，材料结构致密具有水、氧气阻隔性，在3h内对自由基清除率达到95％以上具有较好的抗氧化性。涂覆剂应用于纸张表面，涂布纸的抗张指数提高了50％、耐破指数提高了80％,赋予纸基材料极强的抗水抗油性。 其次，为了减少保温时间节约成本、增加生物质材料的利用，将木质素作为填料分散混合在水性聚氨酯乳液中制备木质素/水性聚氨酯复合乳液。木质素与聚氨酯之间的弱相互作用提高了材料的分子量，木质素上的羟基与游离的异氰酸酯基通过氢键交联分散在水性聚氨酯乳液中。实验探究了木质素含量对材料性能的影响。结果表明，少量木质素能增强材料力学性能（PU-Ls（5％）:拉伸强度为36.52MPa,伸长率为1823％，断裂吸收能25360MJ/m3），过量木质素削弱材料力学强度;材料的抗氧化性和阻隔性与木质素含量成正比，热稳定性与木质素含量成反比。将涂覆剂用于地膜纸，其对纸张性能的影响实验结果表明，经涂布改性后，抗张指数由原纸的42.36N·m/g提高至56.98N·m/g,随木质素含量增加抗张指数增大;PU-Ls复合涂料显著降低了原纸的撕裂指数，提高了原纸的耐破指数，而木质素作为涂覆剂填料表现出提高涂布纸撕裂指数和降低耐破指数的规律;PU-Ls作为地膜纸能延长纸张使用寿命，降低透光率，阻碍植物生长。降解实验表明PU-Ls(5％)样品降解速度最快。 经上述实验表明，木质素能够参与聚氨酯反应也可以作为填料与水性聚氨酯共同，使材料具有阻隔性、抗氧化性，并提高纸张力学强度、抗水抗油性。作为地膜纸具有可降解、遮光、保湿的特性，既能防止杂草生长，又能减少石油基塑料的使用，成本低、对环境友好具有重要的现实意义。
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