Để nghiên cứu ảnh hưởng thời gian đến quá trỡnh thuỷ phõn tinh bột sắn, chỳng tụi tiến hành thớ nghiệm trong điều kiện: tỷ lệ nước/tinh bột 2/1; tỷ lệ khối lượng axit/tinh bột 0,08; nhiệt độ phản ứng 300C. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ nhớt của sản phẩm thuỷ phân được biểu diễn trong hỡnh 4:
0 100 200 300 400 500 600
0 10 20 30 40
Thời gian phản ứng
Độ nhớt
Độ nhớt
Hỡnh 4: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ nhớt của tinh bột sắn
Độ nhớt của tinh bột sắn biến tớnh cũng giảm mạnh theo thời gian đối với tất cả các loại axit. Tại thời điểm đầu quá trỡnh thuỷ phõn diễn ra chậm, thể hiện qua độ nhớt của tinh bột, đó là do quá trỡnh axit đang ở giai đoạn
Khoa hoá học Trường ĐHSPHN 2 29 phân tán vào trong các hạt tinh bột. Ở giai đoạn tiếp theo quá trỡnh thuỷ phân diễn ra mạnh hơn do xúc tác axit tác động vào vùng vô định hỡnh của cỏc hạt tinh bột, điều này được nhiều tác giả giải thích là do tỷ lệ amylopectin [ỏ-D (1→ 4)] liên kết với vùng vô định hỡnh lớn hơn là amylozo [ỏ-D (1→ 6)], cỏc liờn kết [ỏ-D (1→ 6)] của liên kết glucozit bền với axit hơn liên kết [ỏ-D (1→
4)] do đó tốc độ thuỷ phân của amylopectin sẽ lớn hơn amylozo.Ở giai đoạn tiếp theo thỡ tốc độ thuỷ phân diễn ra chậm hơn nhiều do quá trỡnh này là quỏ trỡnh tỏc động của axit lên
vựng tinh thể của hạt tinh bột.
Như vậy thời gian phản ứng có ảnh hưởng lớn tới quá trỡnh thuỷ phõn.
Khi thời gian thuỷ phõn càng dài thỡ xỳc tỏc H+ càng có điều kiện để xâm nhập và tái xúc tác vào các vị trí bên trong mạch tinh bột nên mức độ thuỷ phân càng cao. Sau khoảng 16 tiếng thuỷ phõn bằng axit HCl, độ nhớt của các mẫu tính bột đó giảm hơn 10 lần.
Từ cỏc kết quả nghiờn cứu ở trờn chỳng tụi lựa chọn thời gian thuỷ phõn thớch hợp là 16 giờ.
3.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ axit/tinh bột
Để nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng axit HCl đến quá trỡnh thuỷ phõn, phản ứng được tiến hành ở nhiệt độ 30oC, thời gian phản ứng là 16 giờ, tỷ lệ nước/tinh bột là 2/1. Ảnh hưởng của hàm lượng axit đến độ nhớt của tinh bột thuỷ phân được trỡnh bày trong hỡnh 5.
Khoa hoá học Trường ĐHSPHN 2 30
0 100 200 300 400 500 600
0 0.05 0.1 0.15
Tỉ lệ axit/ tinh bột
Độ nhớt
độ nhớt
Hỡnh 5. Ảnh hưởng của tỷ lệ axit/tinh bột đến quá trỡnh thuỷ phõn
Như vậy, việc tăng hàm lượng axit làm giảm rất nhanh độ nhớt của tinh bột. Điều này được giải thích là do khi hàm lượng HCl tăng làm tăng lượng H+ tấn công vào mạch tinh bột dẫn tới làm tăng khả năng cắt mạch của phân tử tinh bột, kết quả là làm giảm khối lượng phân tử tinh bột, do đó độ nhớt của tinh bột giảm nhanh. Khi tăng hàm lượng axit lên 10% so với tinh bột thỡ độ nhớt giảm xuống rất thấp (~ 7 cps). Ngoài ra khi tăng hàm lượng axit lên quá cao có thể tạo ra sự phân cắt triệt để các phân tử tinh bột thành monome – là thành phần tan hoàn toàn trong nước, do đó làm giảm mạnh hiệu suất thu hồi của sản phẩm. Do đó chúng tôi chọn tỷ lệ axit/ tinh bột là 0,08 (g/g).
3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng
Để khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trỡnh thủy phõn chỳng tụi tiến hành thớ nghiệm với tỷ lệ xỳc tỏc axit so với tinh bột là 0,08 (g/g), tỷ lệ nước/tinh bột là 2/1, trong thời gian phản ứng là 16 giờ. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến độ nhớt của tinh bột được trỡnh bày ở hỡnh 6.
Khoa hoá học Trường ĐHSPHN 2 31
0 10 20 30 40 50
0 10 20 30 40 50
Nhiệt độ
Độ nhớt
Độ nhớt (Cp)
Hỡnh 6. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng tới độ nhớt của tinh bột biến tớnh
Từ kết quả ở hỡnh 6 ta thấy nhiệt độ có ảnh hưởng rừ ràng tới quỏ trỡnh thuỷ phõn tinh bột, khi nhiệt độ phản ứng tăng thỡ mức độ thuỷ phân tăng lên đáng kể dẫn đến độ nhớt của tinh bột bị giảm mạnh. Điều này có thể được giải thớch: Ở nhiệt độ cao cú xảy ra sự chuyển động nhiệt của ion H+ và của cỏc phõn tử tinh bột gõy ra sự khuếch tỏn của ionH+ trong toàn bộ dung dịch và tấn cụng vào mạch phõn tử tinh bột, làm các liên kết trong phân tử tinh bột cũng có thể bị đứt , toàn bộ dung dịch chuyển sang trạng thái keo, lúc này phân cắt mạch dễ dàng hơn bởi sự tấn công của ion H+. Nhiệt độ có ảnh hưởng đến hằng số tốc độ thuỷ phân của tinh bột. Khi tăng nhiệt độ phản ứng thỡ dẫn tới tăng hằng số tốc độ phản ứng và tăng tốc độ thuỷ phân.
Hiệu suất thu hồi sản phẩm cũng giảm khi tăng nhiệt độ phản ứng, kết quả này là do sản phẩm thuỷ phân tạo thành sẽ tan nhiều hơn ở nhiệt độ cao và làm giảm hiệu suất thu hồi của sản phẩm. Tuy nhiờn nếu t0 > 600C thỡ xảy ra sự hồ hoỏ tinh bột, vỡ vậy nờn thực hiện phản ứng ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ hồ hoá (từ 0 – 550C). Ở đây chúng tôi chọn nhiệt độ 30oC để khảo sát các phản ứng sau này.
Khoa hoá học Trường ĐHSPHN 2 32 3.5. Ảnh hưởng của tỉ lệ nước/tinh bột
Để khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ H2O/tinh bột đến quá trỡnh thuỷ phõn chỳng tụi tiến hành phản ứng ở 30oC, với tỷ lệ khối lượng axit/tinh bột là 0,08 (g/g) trong thời gian phản ứng là 16giờ. Ảnh hưởng của tỉ lệ H2O/tinh bột đến
độ nhớt của tinh bột được trỡnh bày trong hỡnh 7.
0 20 40 60 80 100 120 140
0 1 2 3 4
Tỉ lệ nước/tinh bột
Độ nhớt
Hỡnh 7. Ảnh hưởng của tỉ lệ nước/tinh bột đến độ nhớt của tinh bột biến tớnh
Với kết quả trờn chỳng ta cú thể nhận thấy rằng tỷ lệ H2O/tinh bột có ảnh hưởng đáng kể tới quá trỡnh thuỷ phõn. Khi tỷ lệ H2O/tinh bột thấp sẽ làm cản trở sự xõm nhập của ion H+ vào mạch tinh bột, kết quả mật độ tiếp xúc ion H+ bộ nờn hiệu quả quỏ trỡnh phõn cắt mạch tinh bột càng giảm. Tuy nhiên nếu tăng tỷ lệ H2O/tinh bột lên quá cao sẽ làm giảm nồng độ xúc tác, điều này dẫn tới làm giảm mật độ tiếp xúc của H+ với mạch tinh bột và quỏ trỡnh phõn cắt mạch tinh bột giảm đi, mặt khác khi tỷ lệ H2O/tinh bột lớn thỡ hiệu suất thu hồi giảm, hiệu quả kinh tế khụng cao. Từ kết quả trờn chỳng tụi chọn tỷ lệ H2O/tinh bột là 2/1.
Khoa hoá học Trường ĐHSPHN 2 33 3.6. Cấu trỳc của tinh bột biến tớnh
3.6.1. Hỡnh thỏi học
Ảnh kớnh hiển vi điện tử quột của tinh bột sắn tự nhiờn và biến tính axit được trỡnh bày trờn hỡnh 8. Quỏ trỡnh thuỷ phõn tinh bột bằng axit HCl được tiến hành ở 30oC, thời gian phản ứng là 16 tiếng, tỷ lệ H2O/tinh bột là 2/1 (g/g) với tỷ lệ khối lượng axit/tinh bột biến đổi từ 0,02 đến 0,10.
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Hỡnh 8. Ảnh kớnh hiển vi điện tử quột của tinh bột sắn tự nhiờn (a) và biến tớnh với tỷ lệ khối lượng axit/tinh bột lần lượt là: 0,02 (b); 0,04 (c);
0,06 (d); 0,08 (e) và 0,10 (f).
Khoa hoá học Trường ĐHSPHN 2 34 Từ ảnh kớnh hiển vi điện tử quột cú thể nhận thấy rằng bề mặt cỏc hạt tinh bột sắn tự nhiờn rất nhẵn và hầu như không xuất hiện cỏc lỗ xốp. Sau 16 giờ thuỷ phõn bằng HCl với tỷ lệ khối lượng axit/tinh bột là 0,02 và 0,04 thỡ bề mặt hạt tinh bột bị bào mũn nhẹ, và trờn bề mặt đó xuất hiện cỏc lỗ xốp.
Sự bào mũn bề mặt trở nờn rừ ràng hơn khi tăng tỷ lệ khối lượng axit/tinh bột lờn 0,06 và phần lớn lớp ngoài cựng của hạt tinh bột bị ăn mũn khi tỷ lệ này là 0,10. Cỏc kết quả này cho thấy quỏ trỡnh thuỷ phõn diễn ra chủ yếu trờn bề mặt cỏc hạt tinh bột, cỏc tỏc nhõn axit phỏ huỷ cấu trỳc hạt tinh bột theo từng lớp. Ngoài ra kết quả này cũng cho thấy nồng độ tác nhân axit ban đầu cú ảnh hưởng mạnh đến mức độ ăn mũn bề mặt của hạt tinh bột. Quỏ trỡnh ăn mũn thực sự diễn ra mạnh khi tỷ lệ khối lượng axit/tinh bột cao hơn 0,06.
3.6.2. Đồng trựng hợp ghộp với axit acrylic
Quá trình đồng trùng hợp ghép xảy ra đồng thời với quá trình tự trùng hợp của monome tạo thành homopolyme. Hai quá trình này cạnh tranh gay gắt, để đặc trưng cho quá trình ghép cần quan tâm đến cả 2 quá trình này qua việc xác định các thông số ghép. Các thông số của quá trình đồng trùng hợp ghép được tính như sau:
- Hiệu suất ghép: phần trăm khối lượng polyme được ghép ứng với khối lượng sợi ban đầu.
GY (%) = 100
1 1
2
W W
W
- Hiệu quả ghép: phần trăm khối lượng polyme ghép trên tổng khối lượng polyme.
GE (%) = 100
1 3
1
2
W W
W
W
- Phần trăm chuyển hoá tổng số: khối lượng monome chuyển hoá thành polyme.
Khoa hoá học Trường ĐHSPHN 2 35
TC (%) = 100
4 1
3
W W W
Trong đó W1, W2, W3, W4 lần lượt là khối lượng sợi ban đầu, khối lượng copolyme ghép, khối lượng sản phẩm ghép và khối lượng monome ban đầu.
ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét của sản phẩm tinh bột ghép AM được trình bày trên hình 9
Hình 9. ảnh kính hiển vi điện tử quét
của tinh bột ghép AM
Quan sát ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét của tinh bột ghép AM thấy rằng quá trình ghép làm thay đổi đáng kể hình thái học của tinh bột. Pha vô định hình của PAM bám trên bề mặt của tinh bột, điều này một lần nữa chứng tỏ sự tồn tại của sản phẩm ghép.
Khoa hoá học Trường ĐHSPHN 2 36