A butil-akrilát graft kopolimerizációjának vizsgálata keményítőn rendszer segítségével
A butil-akrilát graft kopolimerizációjának vizsgálata keményítőn redox iniciátor rendszer alkalmazásával
A butil-akrilát keményítőre történő ojtásos kopolimerizációjának vizsgálata redox iniciátor rendszer alkalmazásával
Alfredo Carlos Martinez-Arellano; Jose Luis Rivera-Armenta *; Ana Maria Mendoza-Martínez; Nancy Patricia Díaz-Zavala; Jose Guillermo Sandoval Robles; Ernestina Elizabeth Banda-Cruz
Posztgraduális Tanulmányok és Kutatások Osztálya, Ciudad Madero Technológiai Intézet, Juventino Rosas és Jesús Urueta s/n Los Mangos ezredes, Madero Cd., Tams., Mexikó, C.P. 89440
A szintetikus és természetes anyagok keveréke javított fizikai-kémiai tulajdonságú anyagot eredményez. Az ilyen anyag megszerzésének egyik módja a graft kopolimerizáció. Néhány természetes anyagot alkalmaztak a szintetikus monomerekkel történő ojtásos kopolimerizációban. Ebben a munkában a butil-akrilát (BA) keményítőre történő ojtásos kopolimerizációját hajtottuk végre redox iniciátor rendszer alkalmazásával. A graft hozamát különböző reakciókörülmények között értékeltük. Az ojtott kopolimert infravörös spektroszkópiával, hőelemzéssel és pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) jellemeztük.
Kulcsszavak: graft kopolimerizáció; redox; butil-akrilát.
BEVEZETÉS
A folyamatosan növekvő környezeti szennyezés miatt nőtt az érdeklődés a megerősített anyagok beszerzése iránt. A probléma megoldásának egyik módja megújuló forrásokból származó anyagok, például cellulóz, kitozán, természetes szálak, selyem és keményítő felhasználása olyan anyagok előállítására, amelyek szintetikus anyagokkal kombinálva jó mechanikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek.
Az ojtott kopolimerizáció elterjedt módszer a polimer tulajdonságainak, valamint a természetes polimer tulajdonságainak módosítására vinil- vagy akrilmonomerek alkalmazása esetén, amelyet egy olyan reakció révén lehet elérni, amely a monomer természete szerint javítja a fizikai vagy kémiai tulajdonságokat. A legszélesebb körben a szabad gyökös graft kopolimerizációs módszereket alkalmazzák. Emiatt különféle rendszereket tanulmányoztak, mivel ezek viszonylag egyszerűek. Korábban beszámoltak más módszerekről a jól meghatározott struktúrájú ojtott kopolimerek szintézisére. 1
A keményítő természetes polimer, amelyet olyan növényekből nyernek, mint a kukorica, rizs, búza, valamint a burgonya és a tápióka. 2 A keményítő olcsó, megújuló forrásokból származik, biológiailag lebontható és bőségesen elérhető.
A keményítő kémiai módosítását oxidációval, hidrolízissel, éterezéssel, észterezéssel, ojtással és dextrinizációval a múltban alaposan tanulmányozták. 3,4 Az ilyen módosítások hatékony eszközei a keményítő felhasználásának folytatására és növelésére a sűrítés, gélesedés, tapadás és filmképzés érdekében. A fent említett módosítások közül a graft kopolimerizáció érdekes és kihívást jelent a szubsztrát tulajdonságainak javítása szempontjából. Ezenkívül a keményítő-ojtott kopolimerek fontossá válnak a mezőgazdaságban, az orvosi és az élelmiszeriparban való lehetséges alkalmazásuk miatt. 5 Keményítő-ojtott kopolimerek úgy állíthatók elő, hogy szabad gyököket képeznek a keményítő fő láncában, és lehetővé teszik ezeknek a makro-gyököknek a monomerrel való reakcióját. Számos érdekes módszert alkalmaztak keményítő-ojtott kopolimerek előállítására, amelyek három csoportba sorolhatók: (i) iniciálás kémiai módszerekkel (ammónia-cérium-nitrát vagy vas-ion-peroxid redoxrendszereinek felhasználásával), (ii) sugárzás általi iniciálás (kobalt 60 felhasználásával) és (iii) iniciálás rágással. 6.
A keményítő graft kopolimerizációjának leggyakoribb iniciátor rendszere a redox rendszer. Korábban különböző redox iniciátor rendszereket alkalmaztak: cérium-nitrát, 7,8 kálium-dikromát, 9 brómozott kálium-tiokarbonát, 10 és kálium-perszulfát. 11 Ezek a különböző rendszerek olyan monomereket használtak, mint akrilsav, akrilamid, sztirol, akrilnitril, metil-metakrilát és etil-akrilát.
Néhány akril- és vinilmonomert oltottak keményítőre, amely az egyik legismertebb természetes anyag a graft-kopolimerizációban, de kevés jelentés van a butil-akriláttal ellátott ojtott kopolimerekről. 8,12,13 Néhány vizsgálatot végeztek a keményítő-sztirol ojtott kopolimerek, metil-metakrilát és butil-akrilát alkalmazásának értékelésére a vas-peroxid-ion-redox rendszer alkalmazásával. 12 Jelen munkámban a butil-akrilát graft kopolimerizációja keményítőn, módosítva a monomer és az iniciátor koncentrációját és a reakció hőmérsékletét három szinten, valamint ezen változók hatása az oltás százalékára.
KÍSÉRLETI RÉSZ
A következő reagenseket és anyagokat használtuk: Aldrich márkanevű keményítő, Aldrich márka n-butil-akrilát (BA) 99%, J.T. Baker márka ammónium-cérium-nitrát (CAN), J.T. Baker, Fermont márkájú ACS minőségű etanol és butanol, és mindegyiket előzetes tisztítás nélkül használták fel.
Graft kopolimerizáció
Az iniciátort szobahőmérsékleten készítettük CAN 1 N HNO3 oldatban való feloldásával. A CAN három különböző koncentrációját vizsgálták: 0,1, 0,15 és 0,2 mol/l. A monomer-koncentrációt 3 szinten is tanulmányoztuk: 0,05, 0,1 és 0,15 mol/l BA-t, valamint 70 és 80 ° C-ot vizsgáltunk az oltás százalékának értékelése céljából. Az I. táblázat bemutatja a jelen munkában alkalmazott kísérleti tervet.
Az 5 g száraz keményítőt 200 ml desztillált vízben diszpergáljuk, és az oldatot háromnyakú üvegreaktorba helyezzük. Állandó hőmérsékleten nitrogénatmoszférában tartottuk, hogy a közeg inert maradjon, állandó mágneses keverés mellett. Hozzáadtuk a szükséges mennyiségű CAN-t, 10 percig keverni hagytuk, majd hozzáadtuk a BA-t, 3 órán keresztül végrehajtva a reakciót. A reakcióidő végén a reakcióterméket etanollal kicsapjuk, és többször mossuk 1: 1 arányú etanol-víz oldattal. Ezt követően a képződött homopolimert Soxhlet butanollal végzett extrakciójával 24 órán át eltávolítottuk, mindegyik reakciót két példányban hajtottuk végre.
Ezt követően a terméket 24 órán át szárítottuk, és a graft százalékát a következő képlet segítségével határoztuk meg: 9
ahol: w2 oltott keményítő és w1 kezdeti keményítőtömeg
Jellemzés
Az oltás bizonyítékának megállapításához elvégeztük a kapott kopolimerek jellemzését. Először egy elemzést végeztek infravörös spektroszkópiával (IR) Perkin Elmer Spectrum One modell infravörös spektrofotométer alkalmazásával, cink-szelenid csúcsú ATR tartozék felhasználásával, 4000-600 cm-1 tartományban, 12 pásztázással. 4 cm-1. Termogravimetriás elemzést (TGA) is végeztek a módosítatlan és ojtott keményítő hőstabilitásának értékelése céljából. Erre a célra egy TA Instruments STD 2960 típusú készüléket alkalmaztunk, amely a mintát szobahőmérsékletről 600 ° C-ra elemezte 5 ° C/perc melegítési rámpával, nitrogénatmoszférában 10 ml/perc áramlás mellett. A pásztázó elektronmikroszkópiát (SEM) egy Jeol JSM-6060 típusú berendezésen végeztük 20 kV gyorsulási feszültséggel vákuumban.