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壳聚糖/纤维素纤维复合纸的制备及性能研究

  • 李冠辉
  • 莫奇勇
  • 胡稳
  • 侯高远
  • 谢鸿
  • 张德健
  • 崔锦怡
  • 方志强
华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640

中图分类号： TS762.6

最近更新：2020-11-24

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2020.11.001

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EN 引
目录contents

摘要

本研究采用浸渍工艺将壳聚糖填充到纸张的孔隙中形成密实的结构，制备具有优异综合性能的壳聚糖/纤维素纤维复合纸，并对其光学性能、力学性能和耐水性能进行表征。结果表明，壳聚糖分别与桉木浆、苇浆、杉木浆、麻浆纤维制备的复合纸均呈现出优异的光学与力学性能。其中壳聚糖/桉木浆纤维复合纸（70 g/m2，壳聚糖用量60%）的性能最佳，其透明度为88％，雾度为88％，拉伸强度和韧性分别达到75.0 MPa和7.68 MJ/m3，平均耐折度超过5000次；同时壳聚糖的加入赋予了复合纸较佳的耐水性，在达到43.9%饱和吸水率时，复合纸厚度仅增大12.5%，且达到38.1%的湿抗张强度保留率。

纸张作为一种可再生、可降解的生物基高分子包装材料，广泛应用于各种商品包装。通过“以纸代塑”可以有效缓解石油基塑料包装材料引起的白色污染、微塑料等问题，促进社会的可持续发展[

1-3]。然而，相比于石油基塑料，纸张存在强度较低、延展性差、透光性低、耐水性差、阻隔性欠佳等问题，阻碍了其在包装领域的进一步推广。2020年7月，国家发展改革委员会等九部门联合发布《关于扎实推进塑料污染治理工作的通知》，标志着我国的禁塑行动即将进入落实阶段，这为进一步拓宽纸张在包装领域的应用带来契机。因此，如何提升纸张性能，使其媲美甚至超越塑料并保留可降解性能，是造纸工业未来一段时间亟待解决的问题。

将纸张与其他可降解高分子材料复合是解决纸张上述问题的重要途径。壳聚糖是通过乙酰化甲壳素得到的一种重要的可降解功能高分子材料[

4-6]。壳聚糖中的胺基赋予壳聚糖特有的性质（如弱碱性的壳聚糖可溶解于酸性溶液中形成铵盐溶液），呈现出较好的吸附性、成膜性、通透性、成纤性、保湿性以及抗菌性。壳聚糖在造纸工业中是一种重要的阳离子湿部助剂，在酸性造纸体系下可作为助留助滤剂以及干强剂使用[7]。而通过特定的制备工艺，可以更充分地结合壳聚糖与纤维素纤维的优点，制备高性能甚至多功能的可降解复合纸。现有研究中最常见的是通过涂布工艺将壳聚糖附着在纸张表面，从而改善纸张的阻隔性能和抑菌性能[8-10]。但涂布后壳聚糖只留着于纸张表面，而不能充分渗透进入纸张内部，对纸张性能的改善效果十分有限。

本研究拟通过浸渍工艺，将壳聚糖填充于纸张的孔隙中形成密实的结构，制备出具有优异性能的壳聚糖/纤维素纤维复合纸。首先探究了纤维种类以及浸渍量（即复合纸中纤维与壳聚糖的质量比）对复合纸透明度、雾度、抗张强度、弹性模量、韧性以及耐折度的影响；然后研究了碱处理过程对壳聚糖/纤维素纤维复合纸耐水性能的影响；最后从结构的角度解析了复合纸具有优异光学与力学性能的原因。

1 实　验

1.1 材料及试剂

月亮牌漂白杉木浆、金鱼牌漂白桉木浆、漂白马尼拉麻浆、漂白苇浆，东莞理文造纸厂有限公司；壳聚糖（黏度为200～400 mPa·s），上海阿拉丁生化科技股份有限公司；冰乙酸、氢氧化钠，均为分析纯，广州化学试剂厂。

1.2 实验仪器

自动凯塞法抄片器，RK3AKWT，奥地利PTI公司；紫外可见近红外分光光度计，LAMBDA950，美国PerkinElmer公司；材料万能测试仪，INSTRON 5565，美国INSTRON公司；MIT耐折测试仪，MIT/U21B，美国TINIUS OLSEN 公司；OCA40 Micro表面张力表面接触角测试仪，德国Dataphysics公司；傅里叶变换红外光谱仪，Nicolet IS50-Nicolet Continuum，美国Thermo Fisher Scientific公司；扫描电子显微镜，EVO18，德国ZEISS公司。

1.3 壳聚糖/纤维素纤维复合纸的制备

首先，将10 mL冰乙酸加入到980 mL去离子水中，并以500 r/min的转速搅拌均匀；然后，将10 g壳聚糖粉末缓慢加入到搅拌状态的冰乙酸/水溶液中，在70℃下继续以500 r/min持续搅拌至粉末完全溶解；最后，用2000目的滤网趁热过滤，所得滤液即为1%的壳聚糖溶液。

将分散后的杉木浆、桉木浆、麻浆与苇浆通过自动凯塞法抄片器分别抄造成原纸。其中麻浆纤维较长，无法直接抄纸，在抄纸前需进行一定程度的打浆处理。将原纸置于模具中，加入一定量的1%的壳聚糖溶液，并在50℃、相对湿度50%的恒温恒湿箱中干燥约12 h，即得到壳聚糖/纤维素纤维复合纸（以下简称复合纸）。通过改变原纸定量与壳聚糖溶液用量，控制复合纸的定量为70 g/m2。表1为壳聚糖膜、各组原纸及复合纸的编号，以及对应的复合纸中纤维与壳聚糖的用量。

制备的复合纸需用1% NaOH溶液浸泡5 min以中和其中残留的冰乙酸；随后用清水浸泡洗涤，并在90℃、0.1 MPa压力下热压干燥。

表1 不同纤维种类与壳聚糖用量的复合纸
编号

纸基纤维

种类

纤维用量/%壳聚糖用量/%备注
CTS 无纤维 0 100 壳聚糖膜
E100 桉木浆 100 0 桉木浆原纸
E40 桉木浆 40 60
R100 苇浆 100 0 苇浆原纸
R40 苇浆 40 60
F100 杉木浆 100 0 杉木原纸
F60 杉木浆 60 40
F50 杉木浆 50 50
F40 杉木浆 40 60
F30 杉木浆 30 70
F20 杉木浆 20 80
J100 麻浆 100 0 麻浆原纸
J40 麻浆 40 60
注：

　编号中的数字表示复合纸中纤维的用量。

1.4 复合纸的性能测试

1.4.1 光学性能测试

采用紫外可见近红外分光光度计测定复合纸的光学性能。在有反射板和无反射板的情形下测定积分球接受到的光强，通过式（1）和式（2）分别计算其透明度（T）与雾度（H）。

T=T2T1×100% （1）
H=(T4T2-T3T1)×100% （2）

式中，T1为入射光通量；T2为通过样品的总透射光通量；T3为仪器的散射光通量；T4为仪器和样品的散射光通量。

1.4.2 力学性能测试

在测试力学性能前，需将制备的复合纸置于23℃、相对湿度50%的环境下平衡约24 h，以平衡复合纸中水分。复合纸的力学性能主要包括抗张性能和耐折性能。抗张性能采用材料万能测试仪进行测试，测试条件为：样条宽度10 mm，夹头间距30 mm，拉伸速度5 mm/min，并通过内置的软件计算其拉伸过程的韧性；耐折性能通过MIT耐折测试仪进行测试，测试张力为9.81 N，折叠速度为175次/min。

1.4.3 扫描电子显微镜（SEM）分析

采用SEM对原纸和复合纸的横截面与表面进行测定。

1.4.4 耐水性能测试

通过吸水率、接触角和湿抗张强度来评价复合纸的耐水性。吸水率通过质量法测试，将104℃下干燥至绝干的复合纸浸泡于水中，测定其质量和厚度的变化；复合纸的水接触角采用表面张力表面接触角测试仪进行测试，在复合纸接触水滴后每隔0.1 s自动记录1次接触角；将复合纸浸泡于去离子水中1 h后，取出并擦干表面的水分，按照上述方法测试此时复合纸的湿抗张强度。

1.4.5 红外光谱（FT-IR）分析

通过傅里叶变换红外光谱仪测定复合纸在500~4000 cm-1波数范围内的红外透射光谱（ATR法）。

2 结果与讨论

2.1 复合纸的光学性能

与塑料相比，大部分纸张可视性较差的原因是由于其疏松多孔的结构导致大量的漫反射（背向散射）发生，仅有少部分光线透过纸张。且透射光因纸张内部折射率的不均匀而产生剧烈的散射，因此纸张属于典型的低透明度、高雾度材料。对于壳聚糖膜，其可透射大部分入射光，且几乎不会对光线产生散射作用，从而呈现清晰透明的外观，属于典型的高透明度、低雾度材料。本研究所制复合纸的光学性能见图1。

首先研究壳聚糖与纤维素纤维的比例对复合纸的透光率和雾度的影响。由图1(a)可得，壳聚糖薄膜的透明度达到87%，但雾度只有6%。当纤维素纤维的用量从0增加到40%时，复合纸的透明度略微上升，而纤维素纤维用量大于40%后，复合纸透明度迅速降低；但在此过程中复合纸的雾度随着纤维素纤维用量的升高而不断升高。综合考虑透明度与雾度的变化趋势，纤维素纤维用量40%的复合纸具有最优的光学性能，其透明度与雾度均达到了88%以上。

(a) CTS与不同配比的壳聚糖/杉木浆纤维复合纸

(b) CTS和4种复合纸

图1 复合纸的光学性能

注：

　复合纸中壳聚糖用量均为60%。

在上述基础上，进一步研究纤维素纤维种类（桉木浆、苇浆、杉木浆、麻浆纤维）对复合纸光学性能的影响，结果如图1(b)所示。由图1(b)可知，4种纤维素纤维制成的复合纸具有相似的优异光学性能，其中壳聚糖/苇浆纤维复合纸的透明度最佳，达到90.5%。可见通过浸渍的方法制备复合纸，能够显著改善纸张的透光率。

2.2 复合纸的力学性能

纸张的力学性能（抗张强度、耐折度等）主要由纤维之间的氢键结合力与纤维间交织的作用产生。尽管可通过打浆或使用干强剂等方法提高纸张的力学性能，但纤维之间的接触不充分限制了纸张力学性能的进一步提高。通过对4种纤维素纤维抄造的原纸以及对应的复合纸进行拉伸测试和耐折度测试，从而评估浸渍对纸张力学性能的改善，结果如图2～图5所示。结果表明，相比原纸，所制备复合纸的抗张强度、弹性模量以及耐折度均有明显提高。

图2 CTS、原纸与复合纸的抗张强度

注：

　复合纸中壳聚糖用量60%。

原纸断裂时往往会发生纤维的抽离，纤维之间有限的接触与氢键结合被破坏，从而导致原纸力学性能较差。而在复合纸中，相对柔软的壳聚糖是连续相，将纤维网络包裹起来，在复合纸受力时阻止纤维之间发生相对运动；而相对硬挺的纤维素纤维形成了连续的网络结构，在复合纸中充当了增强相的作用，在复合纸受力时阻止裂纹的进一步扩散，二者的结合与相互作用使复合纸具有较好的抗张强度。由图2可以看出，E40复合纸的抗张强度由原纸的2.4 MPa提升至75.0 MPa，提升幅度最大；而含有麻浆的复合纸抗张强度的提升幅度最小，这是因为用来制备复合纸的麻浆纤维经过打浆处理，使麻浆原纸本身的抗张强度比其他3种纤维的原纸强度更高。

图3（a）是CTS、杉木原纸与复合纸拉伸过程的应力-应变曲线。壳聚糖的拉伸过程可以分为两个阶段：弹性阶段和非弹性阶段。弹性阶段的应力-应变曲线斜率较大，而非弹性阶段的曲线则较为平缓，且极限伸长率较高，说明壳聚糖膜在开始拉伸时表现为较高的刚度，而随后表现为柔软性。F40复合纸的拉伸过程也可以分为两个阶段：第一阶段的曲线基本与壳聚糖膜的曲线重合，表明此时的力学性能表现由壳聚糖主导，而第二阶段的曲线比壳聚糖膜非弹性阶段的曲线有更高的斜率，表明此时的力学性能表现由相对硬挺的纤维素纤维和相对柔软的壳聚糖共同作用主导，复合纸依然能保持一定的刚度继续拉伸。而F100原纸中仅有纤维之间不充分的氢键结合，不能充分发挥纤维素纤维优异的力学性能，在受拉后不久即发生断裂。对复合纸的拉伸实验结果也表明：复合纸（40 %纤维）的拉伸应变均较同种纤维的原纸有显著的提高，这表明复合纸充分发挥出壳聚糖的力学特性。图3（a）中复合纸（F40）的拉伸应变从杉木浆原纸（F100）的2.0%提高至15.1%，二者相比，原纸表现为一定的脆性，而复合纸具有较好的韧性，对拉伸断裂有更好的抵抗力。

(a) CTS、杉木原纸（F100）与复合纸（F40）的应力-应变曲线

注：

　杉木复合纸中壳聚糖用量60%。

(b) CTS、原纸与复合纸的弹性模量

注：

　复合纸中壳聚糖用量60%。

图3 CTS、原纸与复合纸的应力-应变曲线图与弹性模量

壳聚糖膜（CTS）、原纸（E100、R100、F100、J100）与复合纸（E40、R40、F40、J40）的弹性模量如图3（b）所示，其中复合纸（E40）的弹性模量从原纸（E100）的0.38 GPa提高到1.57 GPa，提升幅度最大。因经过打浆处理，麻浆原纸（J100）的弹性模量稍高于其复合纸（J40）。

CTS、原纸与含复合纸的韧性见图4。从图4中可以看出，壳聚糖膜有极高的韧性，是因为其非弹性阶段中通过形变消耗了大量的能量；桉木浆、苇浆和杉木浆原纸的韧性均小于0.20 MJ/m3。而经过打浆处理，麻浆原纸的韧性达到1.61 MJ/m3。总体而言，4种纤维的复合纸的韧性相较于原纸均有显著的提高，其中复合纸（E40）的韧性从原纸（E100）的0.01 MJ/m3提高至7.68 MJ/m3，提升了近768倍。

图4 CTS、原纸与复合纸的韧性

注：

　复合纸中壳聚糖用量60%。

图5是4种原纸与复合纸的耐折性能。由实验室抄片机抄造的4种原纸的耐折度都比较低，只有麻浆原纸（J100）因为经过打浆处理而有相对较高的耐折度，可达到281次。而复合纸耐折度均有显著的提高，其中复合纸（E40）的耐折度平均达到5382次，最高可到达7000次。

图5 4种原纸与复合纸的耐折度

注：

　复合纸中壳聚糖用量60%。

综合分析可知，将纤维素纤维与壳聚糖相结合制备的复合纸，其力学性能较原纸有明显的提高，满足其作为包装材料的应用需要。

2.3 SEM分析

由纤维素纤维抄造的原纸中存在大量孔隙，包括纤维内部的孔隙以及纤维交织形成的间隙，使得纸张具有疏松多孔的结构，也一定程度上限制了纸张的光学性能与力学性能：一方面是由于纤维素的折射率（1.5）与空气（1.0）存在明显差异，使纸张中纤维表面与孔隙中空气的界面处发生剧烈的背向光散射，导致纸张从外观上表现为不透明（见图7(c)）；另一方面是纤维之间的氢键结合与交织力为纸张提供的强度有限，在受到外力作用的时候产生应力集中，纤维彼此抽离而断裂，故无法充分发挥出天然纤维素纤维的优异力学性能。

通过浸渍工艺将由纤维素纤维抄造的纸张与壳聚糖溶液进行复合后，壳聚糖填充了纸张中的孔隙，使复合纸表面和内部结构致密化。原纸和复合纸的结构通过SEM来观察（见图6）。从图6中原纸的横截面可以清晰地看出纸张内部纤维松散堆积，存在大量微米级的孔洞；而复合纸的横截面十分致密，无明显的微米级孔隙结构。原纸表面较为粗糙，可以清晰地看到交织的纤维网络，纤维之间也存在大量的间隙；而复合纸表面致密而光滑。

图6 原纸与复合纸的横截面与表面的SEM图

图7为原纸与复合纸的照片与光学性质示意简图。从图7可以看出，因壳聚糖填充了纸张内部的孔隙，消除了复合纸内部纤维与空气的界面，光线透过复合纸时发生较少的反射与背向散射（图7（d）），所以复合纸（图7（b））的透明度相比原纸（图7（a））有非常显著的提高；同时复合纸内部依然存在着不均匀的组分，以及纤维素纤维结晶区与无定形区共存等因素，使穿过复合纸的光线发生强烈的散射，所以复合纸结合了壳聚糖膜的高透明度和原纸的高雾度，可以在保持较高透明度的同时具有较高的雾度[

11-13]。密实的纸张结构同样也改善了复合纸的力学性能，其中相对柔软的壳聚糖作为连续相填充了纤维间的孔隙，通过与纤维之间较强的氢键结合，使纤维的优异力学性能得到充分发挥；同时均匀分散的相对硬挺的纤维作为增强相，限制了复合纸中裂纹的扩散，使复合纸获得更高的抗张强度与韧性[12]。

图7 原纸与复合纸的照片与光学性质示意简图

2.4 复合纸的耐水性能

包装材料需要具有一定的耐水性能，以保证在使用过程中其结构与性能的稳定性。然而，纤维素含有大量羟基，从而呈现出较强的亲水性，这使得未经浆内施胶或未用防水涂料处理的普通纸张在吸水后力学性能发生急剧下降。

图8为碱处理前后复合纸在浸水后的变化与差异。从图8可以看出，碱处理前的复合纸（图8(a)）只需短暂的浸水（浸水5 s），就发生明显的润胀，复合纸体积增大，透明度降低，强度下降，只需要轻微的晃动就会断裂；而碱处理后的复合纸（图8(b)）在长时间的浸水后（浸水1 min），也仅是发生轻微的润胀，其透明度没有明显的变化，复合纸表面的水能够聚成液滴并滴落，且仍具有一定的强度。

图8 碱处理前后复合纸的耐水性能

图9为碱处理前后复合纸的接触角测试结果。从图9可以看出，两张复合纸在刚接触水滴时的接触角十分接近，分别为97°与95°。在接触水滴后，碱处理前的复合纸的水滴接触角急剧下降，在120 s内降低至76°，且水滴完全被复合纸吸收（接触角测试仪在第120 s时拍到的“水滴”影像，实际是吸收水滴后复合纸发生润胀而鼓起的小包）；而碱处理后的复合纸的水滴接触角在120 s内缓慢下降，到第120 s时仍然保持91°，且测试结束后水滴仍然能在复合纸表面流动。两张复合纸接触角的变化可说明碱处理过程改变了复合纸表面的亲水性，碱处理后的复合纸具有轻微的疏水性。

图9 碱处理前后复合纸的接触角变化

图10为复合纸吸水率以及厚度变化曲线。从图10可以看出，复合纸在浸水后迅速吸水，在1 min内即达到其饱和吸水率，此时复合纸质量增加了43.9%，厚度增加了12.5%，随后吸水率和厚度维持稳定，不再变化。复合纸的吸水率可通过准一级动力学方程进行拟合，见式（3）。

Qt=Qe(1-e-kt) （3）

式中，Qt为瞬时吸水率，%；Qe为已知时间的吸水率，%；t为时间，min；k为常数，min-1。将t=0、Qt=0以及t=1、Qt=43.87代入，求得Qe=43.917，k=7.0307，代入式（3）后得到拟合的复合纸吸水动力学方程见式（4）。

Qt=43.917(1-e-7.0307t) （4）

拟合相关系数R2=0.99993，且由图11可以明显看出，动力学方程拟合的相关性显著，因此复合纸的吸水过程符合准一级动力学模型[

13]。

图10 复合纸吸水率、厚度变化曲线以及吸水率拟合曲线

图11是复合纸（F40）在浸水前与浸水1 h后的应力-应变曲线。从图11可以看出，浸水前的复合纸抗张强度为60.9 MPa，而浸水后的复合纸虽然强度有所下降，但浸水后其抗张强度保留率为38.1%，达到23.2 MPa。说明复合纸在吸水后仍能保持较好的强度，呈现一定的耐水性。

图11 浸水前后复合纸（F40）的应力-应变曲线图

图12为碱处理后复合纸耐水性能机理图。类似纤维素，在较强的分子间氢键作用力下，壳聚糖不溶于水；但在酸性溶液中，壳聚糖的游离伯胺基吸收一个质子转变为带正电荷的伯铵根形式，分子间产生电荷排斥力，从而使壳聚糖溶解。本研究使用乙酸助溶的壳聚糖会以壳聚糖乙酸盐的形式留在复合纸中（含有一定的残余乙酸，使复合纸散发出乙酸的气味），而这种盐的形式在接触到水后会重新解离，壳聚糖的伯铵根离子暴露出来，在电荷斥力的作用下，水分子更多地进入到壳聚糖基质中，造成复合纸的高度润胀，且壳聚糖之间的氢键作用力减弱，无法有效地包覆纤维素纤维并形成氢键作用力，最终复合纸无法承受外力而发生断裂。而经过碱处理的复合纸，其伯铵根因与溶液中氢氧根离子发生反应，失去1个质子转换为非离子型的伯胺基，因为没有阳离子的相互排斥，水分子难以进入壳聚糖基质中，只会形成有限的润胀，不会大规模地破坏壳聚糖分子间以及壳聚糖-纤维素间的氢键，因此复合纸能保持一定的湿强度，能满足其作为包装材料的需求[

14]。

图12 壳聚糖/纤维素纤维复合纸的耐水性能机理示意图

2.5 复合纸的FT-IR分析

图13为碱处理前后复合纸（F40）的FT-IR谱图。从图13可以看出，在3300～3500 cm-1之间的宽峰是壳聚糖与纤维素的—OH、N—H伸缩振动重叠峰[

15]，碱处理后该峰强度略微提高，说明复合纸内氢键作用增强[16]。在2800～3000 cm-1间是纤维素和壳聚糖糖环上C—H的伸缩振动峰。在2900、2932 cm-1处有微弱的吸收峰表明伯铵根的存在，这两个峰在碱处理后减弱，直到被C—H的伸缩振动峰覆盖，表明碱处理后的复合纸中不存在伯铵根。1656 cm-1处是酰胺I带羰基吸收峰，酰胺II带与胺基N—H弯曲振动峰从碱处理前的1556 cm-1（与羧酸根的不对称伸缩振动峰重叠）蓝移至碱处理后的1578 cm-1，且强度有所减弱；同时出现的1410 cm-1处的壳聚糖酰胺III带峰、1372 cm-1处的N—H面内弯曲振动峰、1314 cm-1处的N—H伸缩振动峰，表明碱处理后生成了伯胺基[17]。碱处理前复合纸在1400 cm-1处有强烈的羧酸根的对称伸缩振动峰，但碱处理后该峰极大减弱，表明碱处理前的复合纸中壳聚糖以乙酸盐的形式存在，复合纸中有残余的乙酸，碱处理前后均没有出现1700 cm-1处C=O的峰，表明残余乙酸以乙酸根的形式存在，而在碱处理后乙酸被大量去除[18]。FT-IR分析的结果表明，碱处理使复合纸内壳聚糖中的伯铵根失去质子而转变为伯胺基，同时除去复合纸中残余的乙酸。

图13 碱处理前后F40复合纸的FT-IR谱图

3 结　论

本研究通过浸渍工艺，将壳聚糖填充于纸张的孔隙中形成密实的结构，分别与桉木浆、苇浆、杉木浆、麻浆制备出具有优异性能的壳聚糖/纤维素纤维复合纸。

3.1　复合纸的光学性能与壳聚糖和纤维素纤维的质量比相关：含杉木浆纤维的复合纸的透明度随纤维用量的增加先缓慢上升后下降，雾度则不断上升。当杉木浆纤维用量为40%时，复合纸的透明度和雾度均达到88%以上；同时含40%不同纤维的复合纸均能达到85%以上的透明度与雾度。

3.2　复合纸的力学性能（抗张强度、弹性模量、韧性、耐折度）较原纸均有显著提升。其中含40%桉木浆纤维复合纸的抗张强度提升最为显著，从桉木浆原纸的2.4 MPa提高至75.0 MPa，韧性从0.01 MJ/m3提高至7.68 MJ/m3，耐折度从10次提高至平均5382次（最高可达到约7000次）。

3.3　复合纸具有一定的耐水性，在吸水后发生轻微的润胀，浸水后在1 min内就达到43.9%的饱和吸水率，复合纸厚度仅增加了12.5%，并且浸水后复合纸（F40）抗张强度保留率为38.1%。

3.4　复合纸具有耐水性的原因在于碱处理去除了复合纸中残余的乙酸，并将壳聚糖上阳离子性的伯铵根转变为中性的伯胺基，增强了氢键作用，减弱了复合纸的润胀。

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