基于皮胶原蛋白改性的化学体系构建及其对纸纤维施胶行为研究

Based on the current situation of leather and papermaking industry and under the consideration of interdisciplinary integration, this project proposes a new method for paper sizing by taking the self-prepared graft-modified industrial collagen extracted from waste leather as a novel sizing agent. This is the first time that the idea of using leather solid waste as sizing agent is put forward. In this project, by taking the key scientific issues of the effects of the modified skin-collagen dispersion system as the exogenous components, the sizing behavior of paper fibers surface will be systematically studied. Meanwhile, the intermolecular interaction model of the modified collagen sizing agent and the paper fibers will be established by investigating the structure-function relationships between the chemical structure and the application performances of the modified collagen emulsion. Therefore, this study not only has theoretical and practical significance for reducing the pollution of chromium-containing waste to the environment, but also opens up a new way for resource utilization of tannery-containing waste and broadens the research field of paper sizing agents. Furthermore, the implementation of this project will enrich the theory of utilization of leather waste and biomass paper sizing agent. It is also of current significance in the field of circular economy, sustainable development and conservation of food and petrochemical resources. Owing to the advantages stated above, this is a worthy project and its findings will have great potential application prospect.

本项目根据皮革和造纸行业的发展现状，进行学科交叉与融合，提出废弃皮提取的人工蛋白进行接枝改性用于造纸施胶的新思路，并首次提出“以废施胶”的理念。基于改性皮胶原蛋白形成具有施胶黏合功能的分散体系，构建相应的多尺度化学体系，以此作为外源组份对纸纤维表面施胶行为等有关科学问题进行系统研究。通过研究阐明改性胶原蛋白乳液化学体系的组成、化学结构、粒子尺度表面活性和应用性能之间的构效关系，建立改性胶原蛋白施胶剂与纸张纤维结合机制模型。本研究不仅对于减轻含铬废弃物对环境的污染具有积极的理论和现实意义，同时也为制革含铬废弃物的资源化利用开辟了有效的新的途径，拓宽了造纸施胶剂研究领域；本项目的实施不仅具有理论研究价值，从而丰富皮革废弃物资源化利用和生物质造纸施胶剂的研究理论，还具有循环经济和持续发展以及节约粮食和石化资源的重要现实意义。由此显示出本项目具有很好的科学意义和潜在的应用前景。

传统皮革领域固体废弃物合理化处理已成为行业共同关注的话题，结合造纸行业的发展现状，本项目以废弃皮胶原蛋白为主要原料，基于蛋白质化学、有机化学、物理化学和植物纤维化学等基础理论，构建了胶原蛋白改性的多尺度化学体系，探索了胶原蛋白改性机理和施胶黏合机制，并以瓦楞纸为纸张模型，进行了应用工艺的优化及性能的调控，取得成果如下：. （1）以环氧化合物乙二醇二缩水甘油醚、四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯及三缩水甘油基对氨基苯酚为交联剂，苯乙烯、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，所合成施胶剂由于引入交联结构和疏水单体而形成较强的网络和疏水结构，加之胶原蛋白与纸张纤维间的黏合作用，使施胶后的瓦楞纸的抗水性和机械性能均有所提升；. （2）以制备的三类聚氨酯为交联剂对工业明胶进行改性，通过异氰酸酯基和醛基与明胶分子间形成交联结构，有效提升了产物的黏合性能和耐水性；改变热压温度、时间及施胶量可有效调控胶黏剂分子的运动、渗透及与木材表面的结合，从而优化胶黏剂的粘接性能；. （3）以合成的端环氧基超支化聚合物为交联剂改性明胶，能够改善明胶胶黏剂的粘接性能、耐水性和耐热性；反应pH、反应时间、反应温度和环氧基团数均对交联程度有所影响，通过工艺优化和性能检测，可有效控制反应程度，增强分子内聚力，提升粘接强度；. （4）通过亲水聚合物与明胶间形成氢键相互作用可屏蔽明胶分子链上的亲水极性基团，实现明胶的疏水改性，再引入少量丙烯酸酯类柔性聚合物改善明胶的成膜韧性，制备出明胶含量高、上临界会溶温度低的改性明胶造纸施胶剂。施胶过程中，施胶剂部分渗透入纸张纤维填充黏合，部分留着于纸张表面，通过成膜作用，亲水端通过氢键与纤维结合，疏水端暴露在纤维外侧，从而赋予纸张良好的耐水性和机械性能。. 本项目通过引入不同外源分子，采用多样化改性方式，建立了废弃皮胶原蛋白的改性体系，为皮革固体废弃物的资源化利用和新型造纸施胶剂的开发提供了新思路，对制革和造纸行业的可持续发展具有重要参考意义。