石碧院士、王亚楠教授团队:通过合成鞣剂的亲疏水性调控策略,提高皮革热稳定性

点击数:3092022-08-20 00:00:00 来源: Collagen and Leather

摘要:工程研究中心石碧院士和王亚楠教授团队以制革常用的酚类合成鞣剂(PFS)为例,通过调节磺化度控制PFS的亲疏水性,系统考察了PFS自身亲水性对皮革亲水性的影响。

  胶原/皮革的热稳定性与其水分含量密切相关,然而水分对皮革热稳定性的影响机制尚未阐释清楚。将不同结构(即具有不同亲疏水性)的皮革化学品引入皮革中,会引起皮革热稳定性的不同改变。因此,深入研究皮革化学品的亲疏水性与皮革热稳定性的关系,并深入探讨其作用机制,对于无铬生态皮革制造和新型皮革化学品设计开发具有重要意义。

  基于上述背景,工程研究中心 石碧 院士王亚楠 教授团队以制革常用的酚类合成鞣剂(PFS)为例,通过调节磺化度控制PFS的亲疏水性,系统考察了PFS自身亲水性对皮革亲水性的影响。PFS的磺化度与其复鞣革的亲水性正相关(图1)。随着PFS结构中亲水基团的增加,PFS自身吸水性增加,使得复鞣革吸水能力及坯革水分含量提高。拟二级动力学方程拟合结果表明,PFS主要影响皮革中吸附水的含量。


图1 (a)PFSs吸水曲线;(b)PFSs复鞣革的吸水曲线;(c)坯革中水分含量

  为阐释不同亲水性的PFS与胶原的作用机制,采用分子动力学模拟研究了PFS处理后胶原周围的水密度,特别是结合水含量的变化。磺化度越低、亲水性越弱的PFS处理的胶原,其周围水密度越低,距离胶原周围3.5 Å范围内的水分子(判定为双方以氢键结合)数量越少(图2),PFS主要以氢键的方式结合在胶原周围表面,故其亲水性差异将直接影响皮革中的水分分布,以及最终的吸附水含量。

图2(a)PFSs处理胶原周围水分子密度分布;(b)距离胶原3.5 Å范围内水分子数目;(c)距离胶原3.5 Å范围内水分子分布

  与此同时,坯革的耐干热能力,耐热分解能力则随着PFS磺化度的增加而呈降低趋势(图3a-3b)。磺化度低的PFS处理的坯革具有较好的耐热能力,干热后能保持较高的收缩温度以及孔隙率(图3c-3d)。这些结果表明,通过调节PFS的磺化度可调控皮革中的亲水能力,进而调控皮革的耐热稳定性。

图3 PFSs复鞣革的(a)耐干热性(150℃,30 min),(b)热重曲线,(c)耐干热处理前后收缩温度,(d)耐干热处理前后孔隙率及分布变化


该研究有望为无铬皮革制造体系中复鞣剂的合理选用,以及新型复鞣剂的设计开发提供理论参考。


博士研究生孙青永为该论文的第一作者,王亚楠教授为通讯作者。该项工作得到国家自然科学基金(21978176)的资助。


Reference

An exploration of enhancing thermal stability of leather by hydrophilicity regulation: effect of hydrophilicity of phenolic syntan
Qingyong Sun, Yunhang Zeng, Yue Yu, Ya-nan Wang* and Bi Shi


文章链接:
https://doi.org/10.1186/s42825-022-00096-1


期刊简介

Collagen and Leather,原名Journal of Leather Science and Engineering(纸质刊已启用新名称,网络版将于2023年初启用新名称),是在中国科技期刊国际影响力提升计划高起点新刊项目资助下创办的胶原与皮革领域重要学术期刊。由教育部主管,四川大学主办,Springer合作出版,主编为中国工程院院士 四川大学 石碧 教授英国北安普顿大学 终身名誉教授Anthony Dale Covington。2019年7月创刊,文章篇均引用率超过5.6,目前已被DOAJ和Scopus数据库收录,正在申请进入ESCI、EI、中国科技核心期刊等数据库


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