CN117230656A - 一种纸浆模塑材料用的防水剂、制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种纸浆模塑材料用的防水剂、制备方法，属于防水剂技术领域，所述防水剂包括以下重量份数的组分：改性荷叶颗粒24~32份、硅藻粉6~14份、碳纳米管4~7份、表面活性剂A5~9份、表面活性剂B11~15份和相容剂2~5份。本发明的防水剂的防水防油效果极好，还能改善纸浆模具的力学性能，抗挤压能力强，本发明的制备方法简单，安全环保，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于防水剂技术领域，具体涉及一种纸浆模塑材料用的防水剂、制备方法。
背景技术
纸浆模塑材料（纸塑）是以一次纤维或二次纤维为主要原料，并用特殊的模具使纤维脱水成型，再经干燥和整型而得到的一种包装材料。通常使用防水剂可以有效地降低纸塑模型对水分的吸收，并阻止水汽渗透，从而延长模型的使用寿命。随着快餐行业的飞速发展，纸浆模塑材料在一次性餐具中的已取得广泛应用。由于食物中的水分和蒸汽，纸塑模型的纸浆成分容易吸湿，导致模型在湿润环境中失去稳定性，使纸塑模型材料的餐具膨胀、变形，在运输过程中也更容易导致损坏，对商家和消费者都会产生多方损失。而现有的防水剂添加到纸浆模塑材料中效果并不理想，防水性能不足，无法解决纸浆模塑材料的一次性餐具在使用中遇到的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种纸浆模塑材料用的防水剂、制备方法，所述防水剂的防水防油效果极好，还能改善纸浆模具的力学性能，抗挤压能力强，本发明的制备方法简单，安全环保，具有广阔的应用前景。
为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
一种纸浆模塑材料用的防水剂，包括以下重量份数的组分：改性荷叶颗粒24~32份、硅藻粉6~14份、碳纳米管4~7份、表面活性剂A5~9份、表面活性剂B11~15份和相容剂2~5份。
所述改性荷叶颗粒的制备方法为：将重量比为（20~30）:（2~4）：（20~23）：（0.3~0.5）：100的荷叶颗粒、硅烷偶联剂、多巴胺盐酸盐、催化剂和40wt%乙醇水溶液混合，超声分散后，加热至55℃，反应2~3h，离心、洗涤，65℃干燥3~4h。
所述荷叶颗粒的制造方法可参考专利CN115073930B，也可以使用市售产品。
多巴胺盐酸盐，购自默克，H8502。
所述催化剂为含有5.5wt%CoCl2的pH=5的Tris-HCl溶液。
为了提供环境友好型的防水添加剂，利用天然的原料成为趋势，荷叶具有天然防水、泼水性能，经特殊粉碎处理后得到的荷叶颗粒逐渐被用作防水剂的原料。但是在研发过程中发现，添加荷叶颗粒后的餐具拉伸强度不理想，在使用过程中很容易破裂，并且制备的防水剂的防水性能无法满足餐具盛放食物需要更高防水性能的需求。本发明通过对荷叶颗粒进行改性，增加了荷叶颗粒表面的羟基，同时提升了荷叶颗粒与其余组分的结合能力，进而改善了防水剂的力学性能，同时意外提升了防油性。但是添加改性荷叶颗粒后，高温环境下，防水剂容易发生相分离或沉淀现象，导致成分不均匀，失去稳定性。
进一步地，所述表面活性剂B选自甘油单油酸酯、椰油酸二乙醇酰胺、蔗糖脂肪酸酯中的一种或多种。
进一步地，所述表面活性剂B为质量比1~3：1：2~5的甘油单油酸酯、椰油酸二乙醇酰胺和蔗糖脂肪酸酯。
蔗糖脂肪酸酯，单酯含量20%，购自阿拉丁。
椰油酸二乙醇酰胺，CAS号：68603-42-9。
甘油单油酸酯，CAS号：25496-72-4。
所述相容剂选自一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺中的一种或多种。
本发明通过添加表面活性剂B改善了防水剂的高温储藏稳定性。猜测是该条件下的表面活性剂通过降低本体系的防水剂中各成分之间的相互作用力，增加它们之间的分散性，减少相分离和沉淀的可能性，同时可以具有降低液体界面张力的特性，能够减少成分间的相互作用力，从而抑制防水剂的聚集与结晶，提高其在高温下的稳定性。
所述表面活性剂A的结构式为：
；
其中，m、n为正整数。
进一步地，所述表面活性剂A的结构式为：
；
其中，m为3、4或5；n为4或5。
所述表面活性剂A的制备方法为：
（1）在氮气保护下，将1,2-丙二醇置于反应釜中；
（2）将路易斯酸碱对催化剂和丙交酯混合后溶解在四氢呋喃中，再注入反应釜中，室温下反应50~55h；再加入环氧丙烷，室温下反应50~55h；
（3）反应结束后，向反应液中加入四氢呋喃和醋酸，滤除不溶物，减压蒸馏除去溶剂，得到表面活性剂A。
进一步地，路易斯酸碱对催化剂、1,2-丙二醇、丙交酯和环氧丙烷之间的摩尔比为(2~5)：(1~3)：(10~25)：(10~25)。
更进一步地，所述表面活性剂A的数均分子量为2400~4200g/mol。
本发明通过添加特定的表面活性剂A，提升了防水剂的防水性能。猜测是本发明制备的表面活性剂A的分子链具有较强的分散性和润湿性，可以促进防水剂与其余组分之间的相互作用，使得防水剂更容易渗透进入材料内部，从而提高防水性能。同时本发明的表面活性剂A分子同时含有亲水、疏水两个部分，与表面活性剂B协同增效，从而提高防水性能。发明人还意外发现，添加特定的表面活性剂A同时改善了防霉等级。
本发明第二方面提供了所述的纸塑模型防水剂的制备方法，所述制备方法的步骤为：将纸塑模型防水剂的组分按比例加入高速分散机中，在室温下以高速进行分散3~5分钟，即得纸塑模型防水剂。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果为：
1、本发明提供了一种纸浆模塑材料用的防水剂、制备方法及其应用，所述防水剂的防水防油效果极好，还能改善纸浆模具的力学性能，抗挤压能力强，本发明的制备方法简单，安全环保，具有广阔的应用前景。
2、本发明通过对荷叶颗粒进行改性，增加了荷叶颗粒表面的羟基，同时提升了荷叶颗粒与其余组分的结合能力，进而改善了防水剂的力学性能，同时意外提升了防油性。
3、本发明通过添加表面活性剂B改善了防水剂的高温储藏稳定性。本发明的表面活性剂A分子同时含有亲水、疏水两个部分，与表面活性剂B协同增效，从而提高防水性能。发明人还意外发现，添加特定的表面活性剂A同时改善了防霉等级。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明使用的原料如无特别说明，均为市售。
蔗糖脂肪酸酯，单酯含量20%，购自阿拉丁。
椰油酸二乙醇酰胺，CAS号：68603-42-9。
甘油单油酸酯，CAS号：25496-72-4。
丙交酯，CAS：4511-42-6。
多巴胺盐酸盐，默克，H8502。
碳纳米管，先丰纳米，货号100223。
硅烷偶联剂，硅烷偶联剂KH550，杭州杰西卡化工有限公司。
硅藻粉，200目，石家庄炬材矿产品有限公司。
实施例1：
本实施例提供了一种纸浆模塑材料用的防水剂，包括以下重量份数的组分：改性荷叶颗粒29份、硅藻粉10份、碳纳米管5份、表面活性剂A7份、表面活性剂B13份和相容剂4份。
所述改性荷叶颗粒的制备方法为：将重量比为25:3：22：0.4：100的荷叶颗粒、硅烷偶联剂、多巴胺盐酸盐、催化剂和40wt%乙醇水溶液混合，超声分散后，加热至55℃，反应2.5h，离心、洗涤，65℃干燥4h。
本实施例中荷叶颗粒为专利CN115073930B实施例1方法制得。
所述催化剂为含有5.5wt%CoCl2的pH=5的Tris-HCl溶液。
所述表面活性剂B为质量比2：1：4的甘油单油酸酯、椰油酸二乙醇酰胺和蔗糖脂肪酸酯。
所述相容剂为一乙醇胺。
所述表面活性剂A的制备方法为：
（1）在氮气保护下，将1,2-丙二醇置于反应釜中；
（2）将路易斯酸碱对催化剂和丙交酯混合后溶解在6倍1,2-丙二醇体积的四氢呋喃中，再注入反应釜中，室温下反应52h；再加入环氧丙烷，室温下反应52h；
（3）反应结束后，向反应液中加入四氢呋喃和醋酸，滤除不溶物，减压蒸馏除去溶剂，得到表面活性剂A。
路易斯酸碱对催化剂、1,2-丙二醇、丙交酯和环氧丙烷之间的摩尔比为3：2：22：22。
路易斯酸碱对催化剂为摩尔比1:3的三(二甲氨基)磷和三乙基硼复配。三(二甲氨基)磷，CAS：1608-26-0；三乙基硼，CAS：97-94-9。
所述表面活性剂A的结构式为：
。
所述的纸塑模型防水剂的制备方法，所述制备方法的步骤为：将纸塑模型防水剂的组分按比例加入高速分散机中，在室温下以高速进行分散4分钟，即得纸塑模型防水剂。
实施例2：
本实施例与实施例1的区别为：一种纸浆模塑材料用的防水剂，包括以下重量份数的组分：改性荷叶颗粒24份、硅藻粉14份、碳纳米管6份、表面活性剂A8份、表面活性剂B12份和相容剂5份。
实施例3：
本实施例与实施例1的区别为：一种纸浆模塑材料用的防水剂，包括以下重量份数的组分：改性荷叶颗粒32份、硅藻粉6份、碳纳米管6份、表面活性剂A8份、表面活性剂B12份和相容剂4份。
实施例4：
本实施例与实施例1的区别为：所述表面活性剂B为质量比3：1：5的甘油单油酸酯、椰油酸二乙醇酰胺和蔗糖脂肪酸酯。
实施例5：
本实施例与实施例1的区别为：所述表面活性剂A的制备方法为：
（1）在氮气保护下，将1,2-丙二醇置于反应釜中；
（2）将路易斯酸碱对催化剂和丙交酯混合后溶解在四氢呋喃中，再注入反应釜中，室温下反应50h；再加入环氧丙烷，室温下反应50h；
（3）反应结束后，向反应液中加入四氢呋喃和醋酸，滤除不溶物，减压蒸馏除去溶剂，得到表面活性剂A。
路易斯酸碱对催化剂、1,2-丙二醇、丙交酯和环氧丙烷之间的摩尔比为2：3：25：20。
所述表面活性剂A的结构式为：
。
对比例1：
本对比例与实施例1的区别为：一种纸浆模塑材料用的防水剂，包括以下重量份数的组分：改性荷叶颗粒35份、硅藻粉4份、碳纳米管9份、表面活性剂A6份、表面活性剂B12份和相容剂5份。
对比例2：
本对比例与实施例1的区别为：所述改性荷叶颗粒的制备方法为：将重量比为42:2：15：0.4：100的荷叶颗粒、硅烷偶联剂、多巴胺盐酸盐、催化剂和40wt%乙醇水溶液混合，超声分散后，加热至50℃，反应2h，离心、洗涤，65℃干燥3h。
对比例3：
本对比例与实施例1的区别为：所述表面活性剂B为质量比1：1：1的甘油单油酸酯、硬脂酸钙、硬脂酸镁。
对比例4：
本对比例与实施例1的区别为：所述表面活性剂A的制备方法为：
（1）在氮气保护下，将乙二醇置于反应釜中；
（2）将路易斯酸碱对催化剂和丙交酯混合后溶解在四氢呋喃中，再注入反应釜中，室温下反应50h；再加入环氧丙烷，室温下反应50h；
（3）反应结束后，向反应液中加入四氢呋喃和醋酸，滤除不溶物，减压蒸馏除去溶剂，得到表面活性剂A。
路易斯酸碱对催化剂、乙二醇、丙交酯和环氧丙烷之间的摩尔比为3：5：32：30。
所述表面活性剂A的结构式为：
。
对比例5：
所述表面活性剂A的制备方法为：
（1）在氮气保护下，将1,2-丙二醇置于反应釜中；
（2）将路易斯酸碱对催化剂和丙交酯混合后溶解在四氢呋喃中，再注入反应釜中，室温下反应60h；再加入环氧丙烷，室温下反应60h；
（3）反应结束后，向反应液中加入四氢呋喃和醋酸，滤除不溶物，减压蒸馏除去溶剂，得到表面活性剂A。
路易斯酸碱对催化剂、1,2-丙二醇、丙交酯和环氧丙烷之间的摩尔比为3：2：35：45。
所述表面活性剂A的结构式为：
。
性能测试
1、将实施例1-5和对比例1-5制得的防水剂均匀涂覆1.5mm在纸塑模型表面，105℃干燥1h后，得到待测样品。用胶头滴管吸取水或油，然后在距待测样品平面处1cm处将水或油滴到待测样品表面；3s后，测量其接触角。
2、参照GB/T12914-2018测定拉伸强度。
3、参照GB21551.2-2010进行防霉性的测试。
4、将实施例1-5和对比例1-5制得的防水剂45℃放置一个月，观察是否分层。结果见表1。
表1性能测试结果：
。
通过结果可知，本发明制备的防水剂具有优秀的防水、防油、防霉性能，高温下稳定性强，改变制备条件的防水剂的性能均有所下降。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种纸浆模塑材料用的防水剂，其特征在于，包括以下重量份数的组分：改性荷叶颗粒24~32份、硅藻粉6~14份、碳纳米管4~7份、表面活性剂A5~9份、表面活性剂B11~15份和相容剂2~5份；
所述改性荷叶颗粒的制备方法为：将重量比为（20~30）:（2~4）：（20~23）：（0.3~0.5）：100的荷叶颗粒、硅烷偶联剂、多巴胺盐酸盐、催化剂和40wt%乙醇水溶液混合，超声分散后，加热至55℃，反应2~3h，离心、洗涤，65℃干燥3~4h；
所述表面活性剂A的结构式为：
；
其中，m、n为正整数。
2.根据权利要求1所述的纸浆模塑材料用的防水剂，其特征在于，所述表面活性剂B为质量比1~3：1：2~5的甘油单油酸酯、椰油酸二乙醇酰胺和蔗糖脂肪酸酯。
3.根据权利要求1所述的纸浆模塑材料用的防水剂，其特征在于，所述相容剂选自一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的纸浆模塑材料用的防水剂，其特征在于，所述表面活性剂A的结构式为：
；
其中，m为3、4或5；n为4或5。
5.根据权利要求4所述的纸浆模塑材料用的防水剂，其特征在于，所述表面活性剂A的制备方法为：
（1）在氮气保护下，将1,2-丙二醇置于反应釜中；
（2）将路易斯酸碱对催化剂和丙交酯混合后溶解在四氢呋喃中，再注入反应釜中，室温下反应50~55h；再加入环氧丙烷，室温下反应50~55h；
（3）反应结束后，向反应液中加入四氢呋喃和醋酸，滤除不溶物，减压蒸馏除去溶剂，得到表面活性剂A。
6.根据权利要求5所述的纸浆模塑材料用的防水剂，其特征在于，路易斯酸碱对催化剂、1,2-丙二醇、丙交酯和环氧丙烷之间的摩尔比为(2~5)：(1~3)：(10~25)：(10~25)。
7.根据权利要求6所述的纸浆模塑材料用的防水剂，其特征在于，路易斯酸碱对催化剂、1,2-丙二醇、丙交酯和环氧丙烷之间的摩尔比为3：2：22：22。
8.权利要求1~7任一项所述的纸浆模塑材料用的防水剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法的步骤为：将防水剂的组分按比例加入高速分散机中，在室温下以高速进行分散3~5分钟，即得防水剂。
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