天然生漆的水基化改性及其性能研究

孫祥玲，吳國(guó)民，2，孔振武，2*

（1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所；生物質(zhì)化學(xué)利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；國(guó)家林業(yè)局林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室；江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210042；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091）

天然生漆的水基化改性及其性能研究

孫祥玲1，吳國(guó)民1，2，孔振武1，2*

（1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所；生物質(zhì)化學(xué)利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；國(guó)家林業(yè)局林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室；江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210042；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091）

采用復(fù)合乳化劑將天然生漆（RL）乳化成水包油型的穩(wěn)定水基化生漆乳液（WRL），研究了乳化劑的種類、乳化劑的用量及不同乳化劑的配比對(duì)相反轉(zhuǎn)過(guò)程及乳液穩(wěn)定性的影響，并通過(guò)透射電子顯微鏡（TEM）與熱重分析（TG）表征了水基化生漆乳液的粒徑、粒子形貌及漆膜的耐熱性能。研究結(jié)果表明，復(fù)合乳化劑聚氧乙烯辛基苯基醚（OP-10）／十二烷基硫酸鈉（SDS）／聚乙烯醇（PVA）的乳化效果最好，最佳質(zhì)量配比為7∶3∶10，乳化劑用量為生漆質(zhì)量的10%時(shí)能夠形成穩(wěn)定的乳液，粒徑較?。ǎ?00 nm）且分布均勻；水基化生漆漆膜保持了天然生漆漆膜優(yōu)良的機(jī)械性能、耐污染、耐化學(xué)介質(zhì)及耐熱性能，其鉛筆硬度為4H，附著力為2級(jí)，柔韌性為0.5 mm，正沖的抗沖擊強(qiáng)度由35 cm提高到50 cm，反沖的沖擊強(qiáng)度由25 cm提高到50 cm，且成膜時(shí)間由4～5 d縮短到3 d。

生漆；乳化；水基分散體系；性能

天然生漆素有“涂料之王”的美譽(yù)，是一種性能優(yōu)越的綠色環(huán)保生態(tài)涂料，在我國(guó)已有數(shù)千年的使用歷史。經(jīng)天然生漆髹飾的工藝品色澤光亮艷麗，具有凝重、高貴、典雅的質(zhì)感，深受人們的喜愛(ài)［1］。生漆因漆膜光亮以及耐久性、抗腐蝕性及耐磨性能優(yōu)異，被廣泛應(yīng)用與高檔家具、日用品及藝術(shù)品等領(lǐng)域。然而，生漆漆液存在黏度大、成膜條件苛刻、易致敏等缺點(diǎn)，很大程度上限制了生漆的應(yīng)用［2－3］。水性涂料以水為分散介質(zhì)，具有安全、無(wú)毒、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在涂料市場(chǎng)中具有廣闊的發(fā)展前景。天然生漆這一傳統(tǒng)油包水型（W／O）涂料經(jīng)相反轉(zhuǎn)制備成能以水直接分散的水包油型（O／W）乳液，可為生漆在水性涂料方面的應(yīng)用提供新的途徑。鄭燕玉等［4］用漆酚、環(huán)氧氯丙烷及聚乙二醇合成了一系列反應(yīng)性漆酚基乳化劑，漆酚基乳化劑與聚乙烯醇（PVA-124）復(fù)配使用，制備了乳液粒子尺寸小于1 μm的水基化生漆乳液。反應(yīng)性乳化劑雖然具有選擇性高、對(duì)漆膜性能影響小等優(yōu)點(diǎn)，但也存在獲取途徑少，制備成本高等不足。本文作者研究了傳統(tǒng)乳化劑對(duì)生漆乳液相反轉(zhuǎn)過(guò)程的影響及水基化生漆漆膜的機(jī)械性能、耐污染、耐化學(xué)介質(zhì)性能及耐熱性能。該制備方法簡(jiǎn)單易行，獲得了較好的乳化效果，可為傳統(tǒng)乳化劑在生漆水基化方面的應(yīng)用提供一定的實(shí)驗(yàn)參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料和試劑

生漆：產(chǎn)自湖北毛壩，用孔徑為38 μm的濾布過(guò)濾，水分22%；聚氧乙烯辛基苯基醚（OP-10），上海凌峰化學(xué)試劑有限公司，化學(xué)純；十二烷基硫酸鈉（SDS），天津市博迪化工有限公司，分析純；阿拉伯樹(shù)膠粉（E414）和聚乙烯醇（PVA）（醇解度98.0～99.0），國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；H2SO4、NaOH、NaCl、乙醇，均為分析純。

1.2 試樣的制備

1.2.1 水基化生漆乳液的制備 在錐形瓶中加入一定比例的蒸餾水及PVA，待PVA充分溶脹后，于95℃水浴鍋中加熱攪拌2～3 h溶解，備用。將一定比例的生漆、乳化劑溶液（按不同配比稱取一定質(zhì)量的乳化劑于燒杯中，加水?dāng)嚢柚镣耆芙猓┗旌嫌谒芰蠠校覝叵掠梅稚⑷榛瘷C(jī)將樣品均勻分散于水中，以蒸餾水稀釋至合適的濃度，即制得一定固含量的水基化生漆乳液。

1.2.2 漆膜的制備 按標(biāo)準(zhǔn)GB 1727—1992《漆膜一般制備方法》分別將天然生漆、水基化生漆乳液涂布在潔凈的玻璃片或馬口鐵上，室溫條件下放置數(shù)天，自然固化成膜，制成的樣品相應(yīng)標(biāo)記為RL、WRL。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 水基化生漆乳液的離心穩(wěn)定性分析 將水基化生漆乳液（固含量20%）靜置1 h后用DZ4-WS型低速自動(dòng)平衡離心機(jī)離心，測(cè)其離心穩(wěn)定性。按如下方法對(duì)水基化生漆乳液進(jìn)行離心穩(wěn)定性級(jí)別評(píng)定：1級(jí)：在500 r／min×10 min下分層；2級(jí)：在1000 r／min×10 min下分層；3級(jí)：在2000 r／min×10 min下分層；4級(jí)：在3000 r／min×10 min下分層；5級(jí)：在4000 r／min×10 min下不分層。

1.3.2 水基化生漆乳液的粒子形態(tài)分析 將天然生漆在較佳條件下制備的水基化生漆乳液用蒸餾水稀釋至一定濃度，超聲振蕩20 min，滴在銅網(wǎng)上，待銅網(wǎng)干燥后用JEM-200CX型透射電鏡觀察并拍照。

1.3.3 漆膜的機(jī)械性能分析 按標(biāo)準(zhǔn)GB／T 9271—2008《色漆和清漆標(biāo)準(zhǔn)試板》，處理馬口鐵；按標(biāo)準(zhǔn)GB／T 1728—1989《漆膜、膩?zhàn)幽じ稍飼r(shí)間》，測(cè)定漆膜的干燥時(shí)間；按標(biāo)準(zhǔn)GB／T 6739—1996《涂膜硬度鉛筆測(cè)定法》，用PPH-H型鉛筆硬度計(jì)測(cè)漆膜的鉛筆硬度；按標(biāo)準(zhǔn)GB／T 1720—1993《漆膜附著力測(cè)定法》，用FZ-Ⅱ型漆膜附著力測(cè)定儀測(cè)漆膜的附著力；按標(biāo)準(zhǔn)GB／T 1731—1993《漆膜柔韌性測(cè)定法》，用QTX型漆膜柔韌性測(cè)定器測(cè)漆膜的柔韌性；按標(biāo)準(zhǔn)GB／1732—1993《漆膜耐沖擊測(cè)定法》，用QCJ型漆膜沖擊器測(cè)漆膜的耐沖擊性。

1.3.4 漆膜的耐水、耐污染性能分析 按標(biāo)準(zhǔn)HG／T 3828—2006《室內(nèi)用水性木器涂料》，測(cè)漆膜的耐水性能及耐污染性能。

1.3.5 漆膜的耐化學(xué)介質(zhì)性能分析 將漆膜分別浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%H2SO4、20%H2SO4、10% NaOH、5%NaCl及無(wú)水乙醇中1 h后取出，室溫放置1 h觀察，若漆膜未出現(xiàn)起泡、開(kāi)裂、剝落等涂膜病態(tài)現(xiàn)象，則評(píng)為“無(wú)異?！薄?/p>

1.3.6 漆膜的熱穩(wěn)定性分析 采用STA 409 PC／PG型同步熱分析儀測(cè)定漆膜的熱失重曲線，升溫范圍為30～600℃，N2氣氛，升溫速率10℃／min。

2 結(jié)果與討論

2.1 制備條件對(duì)相反轉(zhuǎn)過(guò)程的影響

2.1.1 乳化劑種類的影響 生漆用量2 g，乳化溫度25℃，不同乳化劑種類對(duì)生漆乳液相反轉(zhuǎn)過(guò)程的影響見(jiàn)表1。天然生漆是一種油包水型的反應(yīng)性生物基微乳體系，非水溶性成分除了漆酚外，還有部分非水溶性的糖蛋白［5］。天然生漆成分復(fù)雜且黏度較大，研究發(fā)現(xiàn)，使用單一種類的乳化劑如OP-10、SDS、PVA及司班系列、吐溫系列乳化劑時(shí)難以達(dá)到理想的乳化效果，而復(fù)合乳化劑OP-10／SDS／PVA則能將天然生漆乳化成水包油的水基化生漆乳液。這主要是由于單一種類乳化劑的親水基頭間存在空間阻礙作用，使得乳化劑分子在相界面處排列的堆砌密度較低，兩相間界面強(qiáng)度較弱，從而難以形成穩(wěn)定乳液。兩種或兩種以上的乳化劑復(fù)合使用，則可以充分發(fā)揮各種乳化劑的協(xié)同作用，達(dá)到更好的乳化效果［6］。以O(shè)P-10、SDS為乳化劑時(shí)，親水親油平衡值（HLB值）較小的乳化劑OP-10的親油基具有與漆酚相似的苯環(huán)及長(zhǎng)碳鏈結(jié)構(gòu)，因此更容易與漆酚相結(jié)合，在更靠近漆酚相的位置排列。HLB值大的SDS親水性更強(qiáng)，則在更靠近水相的位置排列。由于兩種分子間隔排列，具有較高的堆砌密度，使得界面強(qiáng)度增加，從而獲得更好的乳化和穩(wěn)定效果。

高分子表面活性劑除了具有乳化作用外，還可以增強(qiáng)乳液的穩(wěn)定性。生漆黏度大，不易分散或分散后很不穩(wěn)定，因此，可通過(guò)選擇高分子表面活性劑強(qiáng)對(duì)生漆的乳化作用。如表1所示，對(duì)E414和PVA兩種高分子表面活性劑的乳化效果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，雖然E414與生漆中的樹(shù)膠質(zhì)相似，生漆卻不能夠乳化分散，而PVA則具有良好的乳化效果。這可能是由于OP-10分子的親水鏈段與PVA分子鏈間能夠形成氫鍵的相互作用，使得本來(lái)卷曲的高分子PVA鏈段展開(kāi)。展開(kāi)后的PVA鏈段能與水形成更多的氫鍵，使得乳液粒子與水分子間的結(jié)合力增強(qiáng)。此外，PVA鏈段間也能夠形成類似交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)［7］。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有利于形成的水基化生漆粒子在水中均勻分散。因此，復(fù)合乳化劑OP-10／SDS／PVA為最佳選擇。

表1 不同種類的乳化劑對(duì)相反轉(zhuǎn)過(guò)程的影響Table 1 Effect of emulsifiers on phase inversion

2.1.2 乳化劑用量的影響 當(dāng)生漆用量為15 g，在乳化劑OP-10∶SDS∶PVA質(zhì)量比為7∶3∶10的條件下，乳化劑用量對(duì)相反轉(zhuǎn)過(guò)程的影響如表2所示。當(dāng)乳化劑的用量低于生漆質(zhì)量的8%時(shí)，天然生漆不能被乳化；隨著乳化劑用量的增加，相反轉(zhuǎn)乳化更容易進(jìn)行；當(dāng)乳化劑用量大于生漆質(zhì)量的10%時(shí)能夠獲得較好的乳化效果。這是因?yàn)樵谌榛瘎┯昧枯^低（如8%）時(shí)，攪拌分散形成的小液滴沒(méi)有足夠的乳化劑進(jìn)行有效地包覆，相界面強(qiáng)度較低，在外力作用下極易碰撞聚結(jié)而不能乳化。隨著乳化劑濃度的增大，兩相間界面膜強(qiáng)度及乳液液滴聚結(jié)時(shí)所受阻力也不斷增大，故能形成分散性較好的乳液。當(dāng)乳化劑濃度增大到一定程度（如10%）后，繼續(xù)增加乳化劑的用量，多余的乳化劑在水相中則以膠束的形式存，乳液的乳化效果不再有明顯的提高。因此，復(fù)合乳化劑的最佳用量為10%。

2.1.3 乳化劑配比的影響 在生漆用量15 g，乳化劑用量為生漆質(zhì)量10%的條件下，研究了（OP-10＋SDS）與PVC配比對(duì)水基化生漆乳液離心穩(wěn)定性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。當(dāng)（OP-10＋SDS）∶PVA為1∶1時(shí)離心穩(wěn)定性最高。若（OP-10＋SDS）含量降低，僅部分乳液粒子表面被乳化劑分子覆蓋，在離心條件下，乳液粒子極易破乳并發(fā)生聚結(jié)，穩(wěn)定性差。含量過(guò)低，生漆則不能被乳化。若PVA含量降低，水基化生漆乳液粒子表面PVA覆蓋度降低，PVA鏈與乳液粒子表面的OP-10親水鏈間的氫鍵作用減弱，乳液粒子與PVA鏈之間所形成的類似交聯(lián)網(wǎng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)受到影響，從而使得乳液穩(wěn)定性降低。此外，PVA還起到了增大體系黏度的作用，黏度增大會(huì)降低液滴因相撞而發(fā)生粒子合一和排液的機(jī)會(huì)，從而有利于維持乳液的穩(wěn)定性。

表2 乳化劑用量對(duì)相反轉(zhuǎn)過(guò)程的影響Table 2 Effect of emulsifier dosage on phase inversion

2.2 乳液粒子形態(tài)分析

圖1為天然生漆在復(fù)合乳化劑OP-10／SDS／PVA質(zhì)量比為7∶3∶10，乳化劑用量為生漆質(zhì)量的10%時(shí)制備的水基化生漆乳液的透射電鏡圖（TME）。水基化生漆乳液的分散相粒子單個(gè)分散，且粒徑分布均勻，粒徑尺寸＜800 nm，無(wú)團(tuán)聚現(xiàn)象，分析結(jié)果表明生漆已經(jīng)發(fā)生完全相反轉(zhuǎn)。通過(guò)放大后的電鏡圖片可以看到單個(gè)粒子的深色區(qū)域邊緣顏色較淺，這是由于在粒子表面形成的乳化劑和吸附水組成的雙電層，該雙電層構(gòu)成了生漆／水界面的界面膜，使得乳液粒子能夠在連續(xù)相中穩(wěn)定分散。

表3 乳化劑配比對(duì)水基化生漆乳液離心穩(wěn)定性的影響Table 3 Effects of emulsifier ratio on centrifugal stability

圖1 水基化生漆乳液的透射電鏡照片F(xiàn)ig.1 TME photos of waterborne raw lacquer

2.3 漆膜的性能

2.3.1 漆膜的成膜時(shí)間及機(jī)械性能分析 漆膜的成膜時(shí)間及機(jī)械性能見(jiàn)表4。水基化生漆比天然生漆具有更短的成膜時(shí)間，實(shí)干時(shí)間由原來(lái)的4～5 d縮短為3 d。由于天然生漆是在生物酶催化作用下完成生物轉(zhuǎn)化過(guò)程，自然干燥成膜的天然樹(shù)脂涂料，其成膜需要有適合的酶促反應(yīng)溫度及一定的水分含量。在生漆成膜過(guò)程中，水分不僅是反應(yīng)介質(zhì)，還是控制酶促反應(yīng)和漆酶蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的活性成分［5］。生漆水基化后，由于漆膜的持水時(shí)間延長(zhǎng)，漆酶能夠長(zhǎng)時(shí)間保持催化活性并不斷與底物作用，進(jìn)行催化氧化過(guò)程，從而使得水基化生漆乳液的成膜時(shí)間更短。此外，水分也能影響漆液的理化性能及氧氣的傳遞和吸收［8］。生漆經(jīng)水基化后，漆液中氧氣隨持水量的增多而增多，有利于酶促形成的漆酚醌的進(jìn)一步氧化聚合，從而縮短成膜時(shí)間。

表4 漆膜的成膜時(shí)間及機(jī)械性能Table 4 Drying time and mechanical properties of the films

水基化生漆漆膜基本保持了天然生漆漆膜優(yōu)良的物理機(jī)械性能，且漆膜的抗沖擊性比天然生漆漆膜有明顯提高。天然生漆含有大量的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，不飽和側(cè)鏈在成膜過(guò)程中也不斷氧化聚合，形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得天然生漆漆膜的抗沖擊強(qiáng)度較低。由于天然生漆在乳化過(guò)程中加入了具有柔性長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)的乳化劑，水基化生漆漆膜的抗沖擊性能明顯提高。

2.3.2 漆膜的耐水、耐污染及耐化學(xué)介質(zhì)性能分析 漆膜的耐水、耐污染及耐化學(xué)介質(zhì)性能見(jiàn)表5。與天然生漆漆膜性能一致，水基化生漆漆膜具有優(yōu)良的耐水性、耐污染性及耐化學(xué)介質(zhì)性能。但由于親水性乳化劑的加入，水基化生漆漆膜的耐沸水性能與天然生漆漆膜相比有所降低。

表5 漆膜的耐水、耐污染、耐化學(xué)介質(zhì)性能1）Table 5 Resistance to water，soling and chemical of the films

2.3.3 漆膜的熱穩(wěn)定性分析 圖2為天然生漆與水基化生漆漆膜的熱重曲線圖。天然生漆具有良好的熱穩(wěn)定性，在400℃附近才開(kāi)始出現(xiàn)明顯的熱失重。在質(zhì)量損失為5%時(shí)，溫度為252℃，當(dāng)升溫至470℃時(shí)，剩余質(zhì)量為30%。水基化生漆漆膜的質(zhì)量損失5%時(shí)，溫度為251℃，在溫度470℃時(shí)，剩余質(zhì)量為27%。從TG曲線可知，經(jīng)過(guò)水基化改性后的生漆漆膜與天然生漆漆膜一樣，具有良好的熱穩(wěn)定性。同時(shí)，在溫度高于300℃時(shí)，由于水基化生漆中起到親水改性作用的PVA開(kāi)始分解［9］，以及添加的乳化劑降低了生漆漆膜的交聯(lián)密度，使得水基化生漆漆膜的熱穩(wěn)定性較天然生漆略有降低。

3 結(jié)論

圖2 天然生漆（a）與水基化生漆乳液（b）的TG分析Fig.2 TG curves of RL（a）and WRL（b）

3.1 乳化劑的種類、配比及用量對(duì)天然生漆的乳化效果及水基化生漆的乳液性質(zhì)有顯著影響。復(fù)合乳化劑OP-10／SDS／PVA對(duì)天然生漆具有較好的乳化效果，最佳質(zhì)量配比為7∶3∶ 10；當(dāng)乳化劑用量為生漆質(zhì)量的10%時(shí)，相反轉(zhuǎn)乳化后的水基化生漆乳液粒徑分布均勻，粒徑在800 nm以下。

3.2 水基化生漆保持了天然生漆漆膜優(yōu)良的機(jī)械性能、耐污染、耐化學(xué)介質(zhì)及耐熱性能，其鉛筆硬度為4H，附著力為2級(jí)，柔韌性為0.5 mm，正沖的抗沖擊強(qiáng)度由35 cm提高到50 cm，反沖的沖擊強(qiáng)度由25 cm提高到50 cm，且成膜時(shí)間由4～5 d縮短到3 d。

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Preparation and Properties of Waterborne Raw Lacquer

SUN Xiang-ling1，WU Guo-min1，2，KONG Zhen-wu1，2
（1.Institute of Chemical Industry of Forest Products，CAF；National Engineering Lab.for Biomass Chemical Utilization；Key and Open Lab.of Forest Chemical Engineering，SFA；Key Lab.of Biomass Energy and Material，Jiangsu Province，Nanjing 210042，China；2.Research Institute of Forestry New Technology，CAF，Beijing 10091，China）

Waterborne dispersion of raw lacquer（WRL）was prepared by composite emulsifier.The effects of types and the content of emulsifier，as well as the ratio of different emulsifiers on the stability of emulsion and phase inversion were investigated.The particle size，morphology and mechanical properties of the WRL film were examined by TEM and TG.It was shown that the emulsification could be improved by using composite emulsifier of OP-10／SDS／PVA and the optimum mass proportion was 7∶3∶10.The dispersion had a good stability，and its particle size was not more than 800 nm when the dosage of composite emulsifier reached 10%of raw lacquer by weight.The film of WRL had excellent mechanical properties，thermal-stability and resistance to chemicals and pollution.It was similar to raw lacquer.Pencil hardness，adhesion and flexibility were 4H，2 grade and 0.5 mm，respectively.The square impact strength of the films was increased from 35 cm to 50 cm and the reverse impact strength was increased from 25 cm to 50 cm.The formation time was shortened form 4-5 to 3 days.

raw lacquer；emulsification；waterborne dispersion；property

TQ 35；TQ316.6

A

1673-5854（2014）04-0018-05

10.3969／j.issn.1673-5854.2014.04.004

2013-11-19

國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目（2011DFA32440）

孫祥玲（1987—），女，山東濰坊人，碩士研究生，研究方向：天然資源化學(xué)利用

*通訊作者：孔振武，男，研究員，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事天然資源化學(xué)利用及聚合物高分子材料研究；E-mail：kongzw＠hotmail.com。