[发明专利]一种层状的疏水改性废纸增强聚合物复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于疏水改性的复合材料技术领域，公开了一种层状的疏水改性废纸增强聚合物复合材料及其制备方法和应用，所述复合材料是将废纸浸渍于长链脂肪酸的有机溶液中，待有机溶剂完全挥发；将沉积长链脂肪酸的废纸在100～180℃反应，得到疏水改性废纸；将单层疏水改性废纸与单层聚合物薄膜交替层叠组坯，在130～180℃，压力为0.1～5MPa热压成型制得。该复合材料具有高强度和低吸水率，纸张疏水改性过程高效、环保。该方法采用固相反应方式，有效保持废纸的完整，保持其力学性能的同时降低废纸增强聚合物层状复合材料的吸水率，扩大废纸增强聚合物层状复合材料的使用范围、延长其使用寿命，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于疏水改性的复合材料技术领域，更具体地，涉及一种层状的疏水改性废纸增强聚合物复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

废纸主要指废弃的纸和纸板，包括新闻纸、办公纸、包装纸、滤纸、瓦楞纸板等。纸张是由纤维网络形成的多孔薄层材料，由于纸纤维的长度、质量和机械性能一致性高，具有较高的拉伸强度和杨氏模量，近年来，国内外对利用整纸废纸制备层状复合材料的研究日益增加。然而，由于废纸中含有大量的纤维成分，而纤维具有高亲水性，纸张中连续的纤维网络难以被疏水的聚合物基体完全包覆，水分容易通过毛细管作用传递到纤维和基体结合界面的间隙以及未被基体填充的纸张孔隙中，导致废纸增强聚合物层状复合材料的吸水率往往处于较高水平。许多研究表明，当纸含量大于50wt％时，废纸增强聚合物层状复合材料的24h吸水率通常大于20％。在前期的研究中，我们发现，当纸含量为78.5wt％时，废旧报纸/聚乙烯层状复合材料的24h吸水率高达49.3％。尽管可以对复合材料的横截面进行充分保护以防止水分进入，但复合材料在使用过程中会不可避免地产生开裂和翘曲，水分仍然可以通过这些缺陷进入复合材料中，这极大地限制了复合材料的开发和应用。因此，在制备废纸增强聚合物层状复合材料过程中，对废纸进行疏水改性是十分有必要的。

目前，对纸张进行疏水改性的方法主要包括疏水/超疏水涂层和纤维表面改性。疏水/超疏水涂层的附着力较弱，耐久性差，制备过程复杂且成本较高，难以应用于工业生产。目前，主要通过化学改性方法对纤维进行表面疏水改性，包括硅烷化、醚化和酯化等化学方法，使纤维素葡萄糖基环上亲水的活性羟基与化合物发生反应，转化为疏水基团。

长链脂肪酸是一种从动植物油脂中提取的且碳链上碳原子数大于12的脂肪酸，具有低表面能的长烃链和活性羧基，其活性羧基能与纤维素上的活性羟基反应形成酯键，从而把低表面能的长烃链接枝到纤维表面，赋予纤维疏水性，以提高纸张的耐水性能。由于长链脂肪酸具有成本低、环境友好、与纤维素生物相容等优点，近年来已被广泛用作纤维素的疏水改性剂。He等(He,etal.AcsApplied MaterialsInterfaces,2013,5(3):585-591.)采用溶剂蒸发结晶法，制备了一种新型的可生物降解的高疏水性纤维素膜，水接触角达到145°。Chen等(Chen,etal.InternationalJournalofBiologicalMacromolecules,2020,142:846-854.)以硬脂酸改性后的微晶纤维素(MCC)/纳米纤维素(NCC)为增强剂，制备了具有良好力学性能和疏水性能的淀粉复合膜。结果表明，添加2％改性MCC和0.5％改性NCC可以使复合膜的疏水性分别提高65.0％和30.3％。这些研究表明，长链脂肪酸是一种良好的纤维素疏水改性剂，有利于提高纸张的耐水性能。然而，在上述的改性方法中，为了使纤维素和长链脂肪酸充分反应，通常需要将纤维素薄膜或纤维素纸浸泡在有机溶剂中，并且在高温下剧烈搅拌以获得疏水性。这种在溶剂体系中反应的方法尽管能提高纸张的耐水性，但会破坏纸张的纤维网络，甚至会导致纤维的解离，破坏纸张的完整性，而纸增强聚合物层状复合材料良好的力学性能主要得益于纸张中连续的纤维网络结构。因此，溶剂反应体系是一种低效的纸张改性方法，不适用于废纸增强聚合物层状复合材料的疏水改性。

因此，开发一种温和、简易且环境友好的长链脂肪酸疏水改性方法，同时在疏水改性过程中维持纸张的完整性，对废纸增强聚合物层状复合材料的开发和应用具有深远的意义。

发明内容