tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc của vật liệu hút nước tinh bột - polyacrylic acid

Luận văn tốt nghiệp ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC BÁN CÔNG TÔN ĐỨC THẮNG ĐỀ TÀI: TỔNG HP VÀ NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU HÚT NƯỚC TINH BỘT –POLYACRYLIC ACID Chuyên ngành: Vật Liệu Hữu Cơ Mã số ngành: 23.00 Luận văn Kỹ sư Công nghệ hoá học Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN CỬU KHOA CN. TRẦN NGỌC QUYỂN Sinh viên thực hiện: ĐẶNG THỊ HIỀN TP. HỒ CHÍ MINH - 2005 GVHD: Nguyễn Cửu Khoa trang 1 Luận văn tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn! Thầy Nguyễn Cửu Khoa đã hướng dẫn em trong suốt thời gian qua để hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Anh Trần Ngọc Quyển và các anh, chò đã tận tình hướng dẫn và hết lòng giúp đỡ cho em trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp. Ban chủ nhiệm Khoa Hoá cùng q thầy, cô Trường ĐHBC Tôn Đức Thắng đã giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập và làm luận văn. Con xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ba, Mẹ và các anh chò, em trong gia đình đã động viên và giúp đỡ con trong thời gian qua. GVHD: Nguyễn Cửu Khoa trang 2 Luận văn tốt nghiệp MỞ ĐẦU Thời tiết luôn ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển của ngành nông nghiệp. Do ảnh hưởng của nạn phá rừng, hiệu ứng nhà kính, tốc độ phát triển tăng nhanh của các khu công nghiệp, khí hậu trên trái đất bò thay đổi dẫn đến lũ lụt xảy ra thường xuyên, hạn hán kéo dài, gây thiếu nước nghiêm trọng, làm cho ngành nông-lâm nghiệp gặp nhiều khó khăn. Đặc biệt là đời sống đồng bào miền trung và dân vùng cao bò đe doạ. Từ các vấn đề trên, việc tìm ra các giống mới có khả năng chòu hạn là vấn đề được đặt ra hàng đầu, nhiều đề tài đã đi sâu nghiên cứu lónh vực này. Bên cạnh đó, do tập quán của người dân thường sử dụng các giống cây truyền thống và đáp ứng được nhu cầu cần có một loại vật liệu cung cấp nước cho cây mà không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm nông nghiệp và môi trường xung quanh. Vật liệu polymer hút nước đã ra đời góp phần làm giảm lượng nước tưới cho cây, giữ độ ẩm cho đất, kéo dài thời gian giữ nước cho cây, tăng năng suất cây trồng. Nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất xuất phát từ dầu mỏ như acid acrylic, polymer acrylamide, polymer có nối đôi ethylenic, polyvinyl alcohol hoặc các copolymer của chúng với các tác nhân tạo liên kết ngang khác nhau và chúng được sử dụng trong nhiều lónh vực: y tế, dược phẩm, tả lót và trong nông lâm nghiệp. Trong đề tài này, chúng tôi tiến hành tổng hợp và khảo sát một số đặc tính ảnh hưởng đến khả năng hút nước của một số sản phẩm nhằm mục đích đưa ra điều kiện tối ưu cho từng loại sản phẩm, nghiên cứu cấu trúc ghép của PAA với tinh bột, từ đó đưa ra các phương pháp tổng hợp chung cho các phản ứng ghép giữa PAA với cellulose, các dẫn xuất của cellulose, tinh bột và polyvinylacol GVHD: Nguyễn Cửu Khoa trang 3 Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PAA: Polyacrylic acid PVA: Polyvinyl alchol PAM: Polyacrylamide ASA: Acrylic-styren-acrylonitril EMA: Ethylene-methacrylate EEA: Ethylene-ethylacrylate EBA: Ethylene-butylacrylate CMC: Carboximethylcellulose HEC: Hydroximethylcellulose LAS: Linear alkylbenzen sulfonate LES: Lauryl eter sulfate BKC: Benzalkoniumchloride MMA: Methyl methacrylat DEG: Diethylenglycol DAA: Diacrylat NMR: Nuclear Magnetic Resonance IR: Infva red PPm: Part Per Million GVHD: Nguyễn Cửu Khoa trang 4 Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC CÁC BẢNG trang Bảng 1: Ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột lên khả năng hấp thụ nước của vật liệu PAA- Tinh bột Bảng 2: Ảnh của hàm lượng potasium persulfat lên khả năng hấp thụ nước của vật liệu PAA- tinh bột bảng 3: Ảnh hưởng của các loại tinh bột lên khả năng hấp thụ nước của vật liệu PAA-tinh bột Bảng 4: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng hấp thụ nước của vật liệu PAA- Tinh bột Bảng 5: Ảnh hưởng của lượng NaOH lên khả năng hấp thụ nước của vật liệu PAA-tinh bột Bảng 6: Ảnh hưởng của các loại chất tạo liên kết ngang lên khả năng hấp thụ Nước Bảng 7: Phổ IR Bảng 8: Phổ NMR GVHD: Nguyễn Cửu Khoa trang 5 Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC CÁC HÌNH, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ Sơ đồ 1: Quy trình tổng hợp vật liệu PAA- tinh bột Hình 2.1: Hệ thống phản ứng tổng hợp vật liệu hấp thụ nước Hình 1: Tinh bột Hình 2: Vật liệu PAA-Tinh bột Hình 3: Vật liệu PAA- Tinh bột đã hút nước Đồ thò 1: Ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột lên khả năng hấp thụ nước của vật liệu PAA- Tinh bột Đồ thò 2: Ảnh hưởng của hàm lượng potasium persulfat lên khả năng hấp thụ nước của vật liệu PAA- tinh bột Đồ thò 3: Ảnh hưởng của các loại tinh bột lên khả năng hấp thụ nước của vật liệu PAA-tinh bột Đồ thò 4: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng hấp thụ nước của vật liệu PAA- Tinh bột Đồ thò 5: Ảnh hưởng của lượng NaOH lên khả năng hấp thụ nước của vật liệu PAA-tinh bột Đồ thò 6: Ảnh hưởng của các loại chất tạo liên kết ngang lên khả năng hấp thụ Nước GVHD: Nguyễn Cửu Khoa trang 6 Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1 1.1. VẬT LIỆU HẤP THỤ NƯỚC 2 1.1.1. Thành phần cơ bản của vật liệu tổng hợp 2 1.1.2. Giới thiệu về acid acrylic 4 1.1.3. polyacrylic acid (PAA) 5 1.1.4. Tinh bột 8 1.1.4.1. Cấu tạo, tính chất amylose 9 1.1.4.2. Cấu tạo và tính chất amylopectin 11 1.1.4.3. Tính chất chức năng của tinh bột 12 1.1.4.4. Ứng dụng 18 1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC ĐỀ TÀI 19 1.3. PHẢN ỨNG TẠO GỐC TỰ DO TRONG QUÁ TRÌNH GHÉP TẠO COPOLYMER 21 1.3.1. Tạo gốc tự do bằng hoá chất (muối ceri, hydrogenperoxide) 21 1.3.2. Tạo gốc tự do bằng phản ứng quang hoá kết hợp với hoá chất 24 1.3.3. Tạo gốc tự do bằng phản ứng quang hoá 24 1.4. Phương pháp và nội dung nghiên cứu 25 CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 26 2.1. HOÁ CHẤT, THIẾT BỊ 27 2.1.1. Hoá chất 27 2.1.2. Thiết bò 27 2.1.3. Hệ thống phản ứng tạo vật liệu 28 2.2. TỔNG HP VẬT LIỆU PAA- TINH BỘT 28 2.2.1. Phương pháp tổng hợp 28 2.2.2. Quy trình tổng hợp 29 2.2.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến độ hấp thụ nước của vật liệu PAA- tinh bột 29 GVHD: Nguyễn Cửu Khoa trang 7 Luận văn tốt nghiệp 2.3. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG HẤP THỤ NƯỚC VÀ THỜI GIAN PHÂN HUỶ VẬT LIỆU 31 2.3.1. Phương pháp đo độ hấp thụ nước 31 2.3.2. Phương pháp do thời gian phân huỷ cấu trúc 31 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ – THẢO LUẬN 32 3.1. VẬT LIỆU PAA – TINH BỘT 33 3.1.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ nước của vật liệu PAA- tinh bột 33 3.2. XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC VẬT LIỆU 39 3.2.1. Hình SEM 39 3.2.2. Phổ IR (bảng 1) 39 3.2.3. Phổ NMR ( bảng 2) 40 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN 45 GVHD: Nguyễn Cửu Khoa trang 8 Luận văn tốt nghiệp CHƯƠNG I TỔNG QUAN GVHD: Nguyễn Cửu Khoa trang 9 Luận văn tốt nghiệp 1.1. VẬT LIỆU HẤP THỤ NƯỚC: Vật liệu hấp thụ nước rất đa dạng, được chia thành 2 nhóm  Vật liệu thiên nhiên: Là các loại rơm rạ, bã mía, mùn cưa, vỏ lúa (trấu), thân các loại cây ngắn ngày sau khi thu hoạch, các loại cỏ… là loại polymer thiên nhiên và các loại khoáng thiên nhiên diatomit, bentonic… đều có khả năng hấp thụ hoặc trương nở. Các vật liệu này có sẵn trong thiên nhiên, tuy nhiên hiệu quả giữ nước rất kém.  Vật liệu tổng hợp: + Vật liệu vô cơ: Gồm silicagel, Na 2 SO 4 , CaCl 2 … những vật liệu này có khả năng hút ẩm nhưng không thể giữ một lượng nước lớn, và dễ gây ngộ độc cho cây trồng. + Vật liệu hữu cơ: Có rất nhiều loại vật liệu hữu cơ có khả năng hút nước cao đã được tổng hợp và thương mại hoá. Các hoá chất dùng để tổng hợp các loại vật liệu này phần lớn xuất phát từ nguồn nguyên liệu dầu mỏ như acid acrylic, methacrylic, acrylamide, các polymer polyacrylic acid (PAA), polyvinyl alcol (PVA) và một số ít polymer thiên nhiên như tinh bột, cellulose. Nhiều công ty và các viện khoa học trên thế giới đã nghiên cứu ra các loại vật liệu hút nước nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế của đời sống như: các loại tả lót có thể tự hút nước dùng cho trẻ em, băng gạt dùng trong y tế và vệ sinh cá nhân, vật liệu giữ nước cho đất để nâng cao năng suất cây trồng trong nông nghiệp. 1.1.1. Thành phần cơ bản của vật liệu tổng hợp: [18] Monomer: Chiếm từ 20-80% gồm: + Ester có chứa nối đôi vinyl của acid (meth)acrylic với các alcol mạch ngắn: metyl(meth)acrylate, etyl(meth)acrylate, propyl(meth)acrylate. + Acid acrylic, methacrylic và muối của chúng với kim loại kiềm, acrylamide, acrylonitril. Trong các loại vật liệu tổng hợp từ các loại monomer GVHD: Nguyễn Cửu Khoa trang 10 [...]... có chứa các acid amin, có lẽ polypeptit này là chất khơi mào của sự sinh tổng hợp tinh bột 1.1.4.3 Tính chất chức năng của tinh bột: Tinh bột là chất rắn, màu trắng, ở dạng vô đònh hình không tan trong nước lạnh Trong nước nóng (từ 65oC) tinh bột phồng lên do hút nước và tạo một dung dòch keo nhớt gọi là hồ tinh bột  Tính chất thuỷ nhiệt và sự hồ hoá tinh bột : Khi hòa tan tinh bột vào nước do kích... tử của tinh bột lớn nên các phân tử nước sẽ xâm nhập vào giữa các phân tử tinh bột Tại đây chúng sẽ tương tác với nhóm hoạt động của tinh bột tạo ra lớp vỏ nước làm cho lực liên kết ở mắt xích nào đó của phân tử tinh bột bò yếu đi, dẫn đến phân tử tinh bột bò xê dòch và bò trương lên Khi hoà tan tinh bột trong nước sẽ xảy ra các quá trình sau: Hấp thụ nước qua vỏ Hạt tinh bột Dung dòch Ngưng tụ nước. .. 1.4 Phương pháp và nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu  Theo nhiều tài liệu tham khảo và điều kiện hoá chất, thiết bò ở Việt Nam nên chúng tôi chọn phương pháp tạo gốc tự do để phản ứng ghép tạo vật liệu dựa trên những hoá chất cơ bản như K2S2O8 có ở Việt Nam Nội dung nghiên cứu  - Nghiên cứu khả năng ghép AA vào tinh bột bằng chất khơi mào K 2S2O8 - Nghiên cứu tổng hợp vật liệu trên 3 loại... để thu nhận tinh bột keo đông: Tinh bột biến hình này có khả năng keo đông cao, không còn mùi đặc biệt và có độ trắng cao, người ta dùng tinh bột keo đông làm chất ổn đònh trong sản xuất kem và có thể dùng thay thế aga-aga và agaroit  Biến hình tinh bột bằng phosphat: Khi cho acid H3PO4 được este hoá với nhóm OH của tinh bột thì được tinh bột phosphat Có hai loại tinh bột phosphat: - Tinh bột dihydrophosphat:... nhựa LDPE và các tinh bột sử dụng chất trợ tương hợp [1], [2] người ta cũng có thể dùng tinh bột để nhũ hoá hoặc để tạo ra các màng bao không thấm dầu… 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC ĐỀ TÀI : [4], [7], [10], [12], [16],[17], [18], [22], [23], [24] Nghiên cứu vật liệu giữ nước, hút ẩm là đề tài nghiên cứu từ rất lâu, nhưng nghiên cứu để tổng hợp ra những chất có khả năng hấp thụ nước cao và giữ... liên kết ngang, Acid Acrylic, tinh bột và một số hoá chất cơ bản - Trên cơ sở tinh bột, chúng tôi tiến hành tổng hợp một số vật liệu hấp thụ nước nhằm thay thế các sản phẩm ngoại nhập cùng loại có giá thành cao bằng những vật liệu sản xuất trong nước có giá thành hạ, phục vụ vào nhu cầu đời sống - Sử dụng các phương pháp phân tích phổ (IR, NMR 13C, SEM) nhằm xác đònh cấu trúc vật liệu và giải thích các... Tokyo [16] đã nghiên cứu ra vật liệu siêu hấp thụ nước từ 21,8g acid acrylic, 11,9g acrylamide, 179,1g nước, 10.9g natri hydroxide, 0,003g N,N’-methylene bisacrylamide và 0,04g 2,2-azobis(2amidinoprppan), sản phẩm có khả năng hút nước 650 lần Tháng 11 năm 1984, Fanta và các cộng sự đã thành công trong việc nghiên cứu polymer hấp thụ nước tinh bột- polyacrylonitrile có khả năng hấp thụ nước 500 lần [9]... quang hợp, nhanh chóng được chuyển thành tinh bột Tinh bột ở mức độ này gọi là tinh bột đồng hoá, rất linh động, có thể được sử dụng ngay trong quá trình trao đổi chất hoặc có thể được chuyển thành tinh bột Tinh bột dự trữ ở trong hạt, quả, củ, rễ, thân và bẹ lá Tinh bột có nhiều trong các loại lương thực, do đó các loại lương thực được coi là nguyên liệu chủ yếu để sản xuất tinh bột Hàm lượng tinh bột. .. loài thực vật như sau: [6] Loại tinh bột Khoai tây Bột sắn Lúa mì Lúa Hạt đậu (giai đoạn chín) Ngô Chuối Đại mạch Hàm lượng tinh bột( %) 84 95 75 75 6 0-6 6 75 90 75  Thành phần hoá học của tinh bột: Tinh bột không phải là hợp chất đồng thể mà gồm hai polysacharid khác nhau: amylose (thường khoảng 2 0-3 0%) và amylopectin (thường khoảng 7080%) Tỷ lệ amylose so với amylopectin trong đa số tinh bột xấp xỉ... chưa nghiên cứu sâu về cơ chế phản ứng và yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hút nước trong giới hạn đề tài chúng tôi nghiên cứu về phản ứng ghép AA vào tinh bột, từ đóđđưa ra các phương pháp tổng hợp chung cho các phản ứng ghép giữa AA với các dẫn xuất của tinh bột 1.3 PHẢN ỨNG TẠO GỐC TỰ DO TRONG QÚA TRÌNH GHÉP TẠO COPOLYMERR: 1.3.1.Tạo gốc tự do bằng hoá chất (muối ceri, hydrogenperoxide):  Đồng trùng hợp . trình tổng hợp vật liệu PAA- tinh bột Hình 2.1: Hệ thống phản ứng tổng hợp vật liệu hấp thụ nước Hình 1: Tinh bột Hình 2: Vật liệu PAA -Tinh bột Hình 3: Vật liệu PAA- Tinh bột đã hút nước Đồ. hưởng của các loại tinh bột lên khả năng hấp thụ nước của vật liệu PAA -tinh bột Bảng 4: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng hấp thụ nước của vật liệu PAA- Tinh bột Bảng 5: Ảnh hưởng của lượng. hưởng của các loại tinh bột lên khả năng hấp thụ nước của vật liệu PAA -tinh bột Đồ thò 4: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng hấp thụ nước của vật liệu PAA- Tinh bột Đồ thò 5: Ảnh hưởng của lượng