在20世紀40年代人們對甲醛與蛋白質的反應機理進行了研究,由此奠定了人類認識鞣製過程的基礎,而且也促進了對不同醛類及其衍生物鞣革的探索。近年來研究工作者係統地研究了各種醛的鞣革性能。研究結果表明,隻有甲醛、丙烯醛及含2~5個碳原子的二醛及雙醛澱粉、雙醛纖維素具有良好的鞣性。從鞣製性能來看,在所研究的醛中以丙烯醛與戊二醛最優,其次為甲醛、乙二醛、丁二醛、雙醛澱粉,而丙二醛和己二醛鞣革性能較差。由於丙烯醛具有易揮發、刺激性強、性能不穩定、毒性大等缺陷,因而很難進入實用階段。甲醛、戊二醛及其衍生物、唑烷、雙醛澱粉等作為預鞣劑或複鞣劑目前已被廣泛應用於製革工業。

4.7.1甲醛鞣劑

甲醛是一種分子結構簡單、相對分子質量最小的鞣劑。甲醛的分子式是HCHO。在常溫下甲醛是無色且具有刺激性氣味的氣體,沸點為-21℃,易溶於水,因而常以水溶液的狀態保存。36%~40%的甲醛水溶液俗稱為“福爾馬林”,它是很好的消毒劑和固定劑。甲醛在水溶液中可形成水合物和低聚物,如下式所示。當其相對分子質量大時則以沉澱的形式析出,加入少量的甲醇可以促使此沉澱溶解。

(n+2)HCHOH+CH2O(CH2O)nCH2O

3HCHOH+OCH2OCH2OCH2

(1)甲醛鞣製機理

甲醛的化學性質非常活潑,對蛋白質有很強的固定能力,可以和膠原賴氨酸或羥基賴氨酸殘基上的氨基以及精氨酸殘基上的胍基發生反應,生成亞甲基化合物,從而在膠原纖維間形成交聯,發生鞣製作用。裸皮經甲醛處理後其等電點由4.7~4.8變為3.8~4.2,即為甲醛與膠原氨基作用的證據。甲醛的鞣製機理如下式所示:

(2)甲醛鞣革的特點

a.適合預鞣、複鞣等結合鞣,可與鋁、鉻、鋯、鈦等無機鞣劑及各種合成鞣劑配合使用。

b.成革的收縮溫度在純醛鞣中是最高的,可達90℃。

c.鞣製後期鞣液的pH要提高到8左右才可發揮最佳鞣效。

d.成革色澤潔白,耐光、耐堿、耐汗、耐氧化等性能優良,對金屬裝具及配件的腐蝕性較鉻鞣革和植物鞣革要小。

e.單獨使用甲醛鞣製,成革綜合性能差,革身扁薄、硬脆、力學強度低。甲醛多用於毛皮的鞣製和淺(白)色革的預鞣和複鞣。

f.甲醛鞣製會降低陰離子染料的上染率。

(3)甲醛鞣革工藝控製

①鞣液的pH當鞣液的pH小於4時,鞣性很差;大於8.7時皮易於堿腫而使成革發脆,所以在鞣製過程中應控製浴液的pH在6~7。

②用量1%的用量即可使坯革達到滿意的收縮溫度。濃度增加,鞣製速度加快,但坯革收縮溫度並無提高。相反,濃度過大時還會造成革的抗張強度下降。一般最適濃度為甲醛含量占裸皮質量的3%~4%。

③鞣液的溫度提高溫度,鞣速加快。但升溫會使甲醛的揮發加劇,所以一般控製在30~35℃為宜。

④鞣製時間初鞣30min內,就可以達到鞣製要求。延長時間可以增加甲醛的吸收和結合,但即使經過幾個月仍不能達到平衡。所以甲醛鞣製可以在幾小時內完成。

⑤中性鹽甲醛鞣製過程中加入3%~4%的食鹽或芒硝,可防止裸皮腫脹,有利於革的鞣製和收縮溫度的提高。

(4)操作實例

①羊皮手套革的甲醛鞣法采用浸酸皮質量100%的水,硫酸鈉4%,甲醛水溶液(36%~40%)6%~10%。初鞣pH2~3。轉動4h後,用硼砂中和,並升溫至37℃左右。最終pH為6.8~7.0,液比為2.0~2.5,收縮溫度為82℃左右。流水洗去過量的甲醛。

②毛皮的甲醛鞣法鞣液中甲醛10~30g/L,食鹽40~50g/L,pH7~8,溫度為30℃,鞣製時間12~16h,最後加入適當硫酸中和過量的堿,pH6~7。

4.7.2戊二醛鞣劑

20世紀60年代初期SabatiniDD等人係統地研究了雙醛類化合物對蛋白質的交聯作用,發現戊二醛在反應能力(以交聯程度測定)及交聯產物的抗沸水處理、抗水解等方麵具有優異的性能。這些開創性的工作,大大促進了戊二醛在製革工業中的應用。

(1)戊二醛鞣製機理

目前在工業上主要是通過吡喃水解法合成戊二醛,首先以丙烯醛、乙烯基乙醚為原料經狄爾斯-阿爾法加成反應製得烷氧基吡喃(EOHP),EOHP經水解得到戊二醛。這種製備方法具有操作簡便、產率高、產品質量好的優點,反應原理如下:

純戊二醛在常溫下是液體,極易聚合。商品戊二醛通常是25%或50%的水溶液,在水中戊二醛主要以水合物,尤其是以六元環醚狀水合物的形式存在,如下式所示:

戊二醛即使在稀溶液中也易發生自身聚合從而導致溶液變黃甚至產生沉澱。該反應是不可逆反應,酸和堿均可促進其聚合反應。堿不僅是聚合的有效催化劑,而且會使聚合產物的相對分子質量增加,因而商品戊二醛水溶液中均含有阻聚劑。

戊二醛分子式兩端各有一個醛基,可與蛋白質中的氨基、羥基、巰基、胍基等反應,產生鞣製作用,是一種性能優良的鞣劑。鞣製機理為:

(2)戊二醛鞣革的特點

①具有交聯性能好,結合量多的特點,可單獨作為鞣劑,成革豐滿、柔軟,且可長時間保持柔軟性。成革耐皂洗,耐汗、耐化學溶劑、耐酸堿和耐氧化性能優異。

②戊二醛適用於預鞣、複鞣等工序,與鉻、鋁、鋯、鈦、稀土以及油鞣劑、合成鞣劑、植物鞣劑進行結合鞣均有理想效果。

③成革耐水性優異,斥水性強,透水汽性優於鉻鞣革,因而適用於耐水洗革以及耐幹洗革的生產。

④具有填充作用,革身豐滿不鬆麵。

⑤可在廣泛的pH範圍內保持良好的鞣製效果。

⑥單獨鞣製時成革收縮溫度可以達到85℃,與鉻結合鞣時可以達到鉻鞣的最大收縮溫度,保持鉻鞣的優點,並可節約鉻鹽。

⑦可保持蛋白質的精細結構,對被交聯的組織變形性小,蛋白質的晶體結構基本保持不變。對羊毛雖具有交聯作用但其反應性能不及與膠原的反應,故可以提高羊毛的穩定性而不影響其物理力學性能。戊二醛可以在酸性和中性條件下完成鞣製,因此特別適合毛皮和毛革兩用革的生產。

⑧可促進染色均勻,但可能造成某些陰離子型染料上染率下降。

⑨成革對γ射線具有較好的防護作用。

⑩鞣革顏色易發黃,另外戊二醛價格較貴,不宜長期貯存。