Bộ công thơng
Viện hoá học công nghiệp Việt nam

Báo cáo
Kết quả nghiên cứu đề tài cấp bộ

Nghiên cứu quy trình công nghệ
đồng trùng hợp ghép axit lên tinh bột
làm chất hút ẩm phục vụ dân sinh và y tế

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Nguyễn Thị Hơng

7451
15/7/2009 Hà Nội - 2009 Báo cáo khoa học Đề ti:
Nghiên cứu QUI trình công nghệ đồng
trùng hợp ghép axit acrylic lên tinh bột
lm chất hút ẩm phục vụ dân sinh v y tếThS. Nguyễn Thị Hơng H Nội, 12 - 2008

Bé c«ng th−¬ng
ViÖn Hãa häc C«ng nghiÖp ViÖt Nam Danh s¸ch nh÷ng ng−êi tham gia thùc hiÖn ®Ò tμi

Chñ nhiÖm ®Ò tμi:

III.6.2. Phản ứng trùng hợp ghép 17
III.6.3. Xà phòng hoá 17
III.6.4. Tinh chế sản phẩm 18
III.6.5. Sấy 18
IV. Tính chất của polymer siêu hấp thụ nước 19
IV.1. Tính chất trương nở và khả năng hấp thụ nước 19
IV.2. Tính chất nhiệt 22
IV.3. Đặc trưng nhiễu xạ tia X . 22
IV.4. Đặc trưng quang phổ hồng ngoại 22
IV.5. Tính tan 23
IV.6. Khả năng hấp thụ các ion kim loại 23
23V. Ứng dụng
V.1. Ứng dụng trong việc sử dụng bỉm trẻ em 23
V.2. Ứng dụng trong nông nghiệp 25
V.3 Ứng dụng trong các lĩnh vực khác 25
CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 26
I. Phương pháp nghiên cứu 26
I.1. Nguyên liệu, hoá chất. 26
I.2. Dụng cụ, thiết bị 28
I.3. Phương pháp thực nghiệm: 28
I.4 Xác định độ trương của sản phẩm. 29
I.5. Phần trăm gia trọng. 30
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31
I. Các yếu tố ảnh hưởng đến phần trăm gia trọng và độ trương của sản phẩm.31
I.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ nước đến độ trương của sản phẩm. 31
I.2. Ảnh hưởng của lượng xúc tác ceri 32
I.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ tinh bột/ axit acrylic 34
I.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 35
I.5. Ảnh hưởng của thời gian đến khối lượng sản phẩm và dung lượng hấp
thụ nước.

Hình 2: Cấu trúc phân tử amylopectin 17
Hình 3: Bức tranh ứng dụng của polymer siêu hấp thụ sử dụng làm bỉm trẻ em năm
2003 [6] 25
Hình 4: Sơ đồ thực nghiệm tổng hợp chất hút ẩm 29
Hình 5: Phổ hồng ngoại của tinh bột đầu……………………………………….
Hình 6: Phổ hồng ngoại của sản phẩm ghép……………………………………
Hình 7: Phổ hồng ngoại của axit acrylic………………………………………
Hình 8: Phổ nhiễu xạ của tinh bột đầu……………………………………….
Hình 9: Phổ nhiễu xạ của sản phẩm ghép………………………………………
Hình 10: Phổ phân tích nhiệt của tinh bột đầu………………………………
Hình 11: Phổ phân tích nhiệt của sản phẩm ghép……………………………
Hình 12: Sơ đồ qui trình công nghệ điều chế chất hút ẩm sử dụng cho người… 1 MỤC LỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Ảnh hưởng của tỷ lệ nước đến độ trương của sản phẩm 32
Bảng 2: Sự phụ thuộc của lượng sản phẩm và dung lượng hấp thụ nước vào lượng
xúc tác ceri 34

CAN: Ceri amoni nitrat
S/A: T ỷ lệ khối lượng tinh bột/ Axit acrylic

3
MỞ ĐẦU

Dược phẩm và mỹ phẩm là những ngành công nghiệp đã được phát triển
nhằm cung cấp những phương tiện không chỉ để duy trì sự sống, mà còn làm cho
cuộc sống của con người ngày càng được cải thiện hơn. Băng, bỉm vệ sinh với
việc sử dụng polymer siêu hấp thụ chính là một trong những phương tiện hữu
hiệu cải thiện điều kiện sống của con người, nhất là đối với trẻ em, phụ nữ và
người bệnh nặng. Nếu như trước đây việc sử dụng các băng, bỉm vệ sinh chỉ


Chúng ta thường nói: “giấc ngủ là vàng”, thì hầu hết trẻ em ở độ tuổi thiếu
nhi không có được giấc ngủ sâu vì ở độ tuổi này các em chưa kiểm soát được
tiểu trong khi ngủ, vì vậy có thể nói đóng bỉm cho trẻ em khi đi ngủ là một điều
mà bất kỳ một người mẹ nào cũng mong đợi. Do đó nhu cầu sử dụng trong xã
hội ngày một tăng. Nhưng ở nước ta không phải bà mẹ nào cũng có thu nhập cao
để mua chúng dễ dàng, vì nguyên liệu chính để sản xuất ra những đồ dùng này là
vật liệu siêu hấp thụ, mà hiện nay nước ta hoàn toàn nhập từ nước ngoài về với
giá thành tương đối cao. Nhằm tiến tới sản xuất được sản phẩm trong nước,
chúng ta thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu để điều chế ra vật liệu siêu hấp thụ này
để thay thế cho sản phẩm nhập ngoại, góp phần làm giảm ngoại tệ nhập khẩu
đồng thời đáp ứng nhu cầu xã hội.
Trên cơ sở đó chúng tôi đã bước đầu nghiên cứu để điều chế ra vật liệu
siêu hấp thụ sử dụng cho người với mục tiêu đáp ứng được các chỉ tiêu chất
lượng theo nhà sử dụng về:
+ Độ hút ẩm: 35 lần đối với dung dịch nước muối 0,9%
+ Tốc độ hút ở 3000 vòng/phút
+ pH: 6,4 ÷ 7
+ Độ ẩm: 6%
+ Không kích ứng da
+ Đề xuất công nghệ sản xuất chất hút ẩm dùng được cho người.

5
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
I. Giới thiệu chung
I.1. Chất hút ẩm
Chất hút ẩm hay chất trương nở, trong các tài liệu khoa học chúng thường
được gọi là các polymer siêu hấp thụ, được định nghĩa là vật liệu polyme có khả
năng hấp thụ một lượng nước, hoặc dung môi lớn gấp nhiều lần so với trọng
lượng của chúng, nhưng không tan trong nước hoặc dung môi hữu cơ [2, 6].

dung dịch nước ở nồng độ 25% hoặc thấp hơn, nhiệt độ phản ứng vào khoảng
80-100
0
C [9].
Một số các patent lại công bố kết quả điều chế polymer siêu hấp thụ bằng
cách đồng trùng hợp axit acrylic và natri acrylat theo phương pháp trùng hợp
dung dịch hoặc bằng phương pháp trùng hợp huyền phù [13,19,46,47]
Axit acrylic còn dễ dàng đồng trùng hợp với những monome khác như
acrylonitrin, styrene, n-butylacrylat vv…
Từ năm 1976, trong khi hầu hết các patent công bố các kết quả tổng hợp
polymer siêu hấp thụ nước bằng con đường trùng hợp acrylic axit và acrylamit
trong sự có mặt của tác nhân tạo liên kết ngang [8,10] thì các patent số
3,935,099; 3,981,100; 3,985,616 và patent số 3,997,484 cùng công bố kết quả
điều chế và ứng dụng của polymer siêu hấp thụ nước sử dụng polymer tự
nhiên như tinh bột.

7
điều chế và ứng dụng của polymer siêu hấp thụ nước sử dụng polymer tự nhiên
như tinh bột.
Năm 1997, tác giả A. Hebeish đã sử dụng monomer là metacrylic axit
ghép lên tinh bột, trong hệ xúc tác potassium persulfate (K
2
S
2
O
8
) và sodium

)
2
(NO
3
)
6
vv Được nghiên cứu và
ứng dụng nhiều nhất là monomer acrylonitrin và axit acrylic
Phần lớn các patent đưa ra công nghệ sản xuất polymer siêu hấp thụ nước
qua các giai đoạn chính sau.
Giai đoạn 1: Hồ hoá tinh bột, theo cách này tinh bột được hồ hoá cùng nước ở
nhiệt độ 60-90
0
C
Giai đoạn 2: Thực hiện phản ứng trùng hợp ghép monomer lên tinh bột

Giai đoạn 3: Xà phòng hoá copolymer ghép lên tinh bột đến pH vào khoảng 6 ÷8 8
Các patent số 4,272,514; 3,278,383 và 3,932,322 cùng công bố về
polymer được sử dụng cho người, ngoài thành phần là polymer được tổng hợp ở
trên còn có các thành phần khác như chất phụ trợ hấp thụ, chất khử trùng, chất
thơm…
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu điều chế và ứng dụng rộng rãi của
polymer siêu hấp thụ, ngày càng nhiều các nhà máy được xây dựng lên với công
suất lớn, đứng đầu trong việc sản xuất chất này là Mỹ, mỗi năm đã sản xuất

4
)S
2
O
8
/Na
2
S
2
O
3,
KMnO
4
… Để tăng khả năng ghép của AA vào
tinh bột, nhóm tác giả đã sử dụng chất tạo lưới epiclohydrin, N,N
’
-metylendi
acrylamit …
Sự cộng hợp của axit acrylic vào tinh bột là một quá trình polymer hoá,
phản ứng xảy ra như sau.
COOH
St-OH + CH
2
=CH-COOH
(NH
4
)
2
S
2

2
-CH-CH
2
-O-CO-CH
2
-CH
2
- (CH
2
-CH )
n-1

Chất giữ ẩm được điều chế trên cơ sở biến tính tinh bột bằng AA, Ep và
chất xúc tác (NH
4
)S
2
O
8
, có giá thành hạ, phù hợp với điều kiện sử dụng hiện nay
của nông dân nước ta.
Năm 2001 trung tâm Vật liệu-Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã
triển khai c
ác nghiên cứu khoa học thành đề tài cấp nhà nước , đưa ra

10
dây chuyền sản xuất 100kg/mẻ, đề tài đã được xây dựng thành dự án sản
xuất năm 2006 với dây chuyền sản xuất 200 tấn một năm.
Polymer siêu hấp thụ nước do Viện Hoá học chế tạo đã được thử nghiệm
cho nhiều loại cây, tại nhiều địa phương như: cây bông, cây cỏ sữa, cây chè, cây

Trên mạch polymer ghép có các nhóm cacboxylic (-COOH), trong quá
trình trung hoà, chừng 50-70% các nhóm đó được chuyển thành dạng
cacboxylat. Khi tiếp xúc với nước, các nhóm đó bị phân ly và trên mạch tích
điện âm (-COO
-
). Các ion đó tạo thành liên kết hydro với phân tử nước và giữ
các phân tử nước bằng lực liên kết đó. Trên mạch cơ sở của phân tử càng có
nhiều nhóm cacboxylat tích điện như vậy thì càng nhiều phân tử nước tham gia
vào tạo thành liên kết hydro. Từ đó có thể thấy rằng khả năng giữ nước của chất
đồng trùng hợp phụ thuộc vào phương pháp và điều kiện tiến hành phản ứng.
Trong trường hợp đồng trùng hợp ghép lên tinh bột, thì quan trọng là tạo thành
nhiều gốc tự do trên mạch cơ sở của phân tử polysacarit. Nếu gốc tự do tạo thành
trên mạch cơ sở càng nhiều thì càng có nhiều nhóm cacboxylat được gắn vào
thành các túi trong polymer, khả năng tạo thành liên kết hydro với phân tử nước
càng lớn , polymer càng có khả năng hút giữ nước lớn. Một trong những yếu tố
dẫn đến việc đạt được khả năng như vậy là sử dụng chất xúc tác thích hợp. Khi
đưa vào hỗn hợp phản ứng, chất xúc tác vừa tác dụng với tinh bột vừa tiếp xúc
với các monomer. Tuy nhiên có những chất xúc tác có tương tác lựa chọn với
các nhóm chức trên phân tử polysacarit, còn chất xúc tác khác lại tác dụng ưu
tiên với monomer . Nếu tương tác ưu tiên với mạch cở sở, thì gốc tự do được tạo
thành trên mạch cơ sở nhiều hơn, khả năng tạo thành mạch ghép lớn hơn, còn

12
nếu tương tác ưu tiên với monomer thì khả năng tạo thành polymer đồng nhất
lớn hơn.
Khi tiếp xúc với nước, khả năng xảy ra là có sự chênh lệch về nồng độ ion
điện ly (Na
+
) ở bên trong và bên ngoài polymer [31, 46], ví dụ: Trong nước cất,
nồng độ ion bên ngoài gần bằng không, trong khi nồng độ ion điện ly trong

H
2
O
H
2
O
H
2
O
H
2
O

Mặt khác trong các túi tạo nên từ các mạch polymer, các tâm tích điện âm
đẩy nhau, đưa đến làm dãn chuỗi mạch trong hạt polymer, làm cho chúng trương
lên, áp suất bên trong giảm, nước bị hút vào làm tăng thể tích đựng nước [6, 45].

13

Khi trong nước có các ion kim loại tan (Na
+
), sự chênh lệch nồng độ ion
điện ly không lớn lắm, sự hút giữ nước giảm. Trong trường hợp, nếu nồng độ ion
bên ngoài lớn hơn so với bên trong, thì cũng do áp suất thẩm thấu, nước đi ra
ngoài polyme để cân bằng nồng độ ion, làm cho khả năng hấp thụ nước giảm
hơn nữa. Nếu ion điện ly là ion đa hoá trị, ví dụ như Ca
2+
, Mg
2+
… thì còn làm

O
O
H
2
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O

làm biến đổi cấu trúc tinh thể.
I.3.4. Đặc trưng quang phổ hồng ngoại [2, 20, 47]
Trên quang phổ hồng ngoại của mẫu đồng trùng hợp ghép axit acrylic lên
tinh bột xuất hiện vạch ở vùng 1730 cm
-1
, đây là vạch đặc trưng cho nhóm
>C=O, chứng tỏ đã xảy ra phản ứng ghép và vạch 1020 cm
-1
đặc trưng cho nhóm
C-O trong tinh bột, ngoài ra còn xuất hiện các pick đặc trưng khác của sản phẩm
ghép.
I.3.5. Tính tan [2, 27, 38]:
Hợp chất đồng trùng hợp ghép axit acrylic lên tinh bột không tan trong
nước và nói chung không tan trong các dung môi.
I.3.6. Khả năng hấp thụ các ion kim loại [2, 27, 38]
Vì trên bề mặt polymer siêu hấp thụ có nhiều nhóm chức có thể tạo phức
chelat với các cation kim loại, nên có thể hấp phụ các cation đó và sau đó lại có

15
thể tái sinh, tức là đẩy các cation đó ra khỏi bề mặt polymer để sử dụng nhiều
lần. Chẳng hạn, hợp chất đồng trùng hợp ghép polyacrylat lên tinh bột là chất
hấp phụ lựa chọn đối với Hg
2+
ở pH 0,5 – 1,0. Khả năng hấp phụ đối với các
cation khác có thể được sắp xếp theo thứ tự sau: Hg
2+
> Cu
2+
> Zn
2+


OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH

Hình 2: Cấu trúc phân tử amylopectin
Trong phân tử amylose các đơn vị anhydroglucose (AGU) nối với nhau
bằng liên kết 1-4, còn trong phân tử amylopectin, ngoài liên kết 1-4, còn có liên
kết 1-6. Trọng lượng phân tử của amylose vào khoảng 200.000, còn của
amylopectin lên đến hàng triệu đơn vị.
Trong đa số các tinh bột, hàm lượng của amylopectin lớn hơn, chiếm tới
70÷80%, còn amylose chỉ chiếm khoảng 30%. Tỷ lệ này có thể thay đổi trong
tinh bột từ một số nguồn thực vật. Ví dụ: ở một số lúa nếp trong tinh bột chứa rất
ít amylose, còn trong tinh bột của một số họ đậu lượng amylose chiếm tới 75%.
Trong hạt tinh bột khoai tây có 19÷22% amylose và 78÷91% amylopectin, ở hạt
lúa mì và hạt ngô amylose chiếm 25% còn amylopectin chiếm 75% [2, 22].
Các loại bột lấy từ khoai tây, ngô, sắn, gạo, ngoài tinh bột còn chứa protit,
chất béo, và các tạp chất khác. Để tổng hợp chất trương nở cần sử dụng loại bột
có hàm lượng tinh bột từ 75% trở lên.
Tổng hợp chất trương nở khi sử dụng tinh bột là quá trình phản ứng ghép
lên mạch cơ sở của polysacarit. Đó là phản ứng xảy ra theo cơ chế gốc tự do. Để
tạo thành gốc tự do cho phản ứng đồng trùng hợp, cần sử dụng các tác nhân oxi
hoá mạnh. Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu trong lĩnh vực này, có những

Trên mạch polysacarit các gốc tự do có thể được tạo thành tại nguyên tử
cacbon số 6 hay trên nguyên tử oxy gắn với cacbon số 6, hoặc cũng có thể xảy ra
sự mở vòng pyran [2, 9, 38, 43]:
O
CH
2
OH
H
OH
H
H
OH
H
H
H
H
H
OH
OH
CHOH
CH
2
O
O
O
H
H
OH
OH
H

O
O
OH
H
H
OH
OH
H
O
+ Ce
4+
.
+ Ce
3+
+ H
+
H
.18
Quá trình tiếp tục phát triển phản ứng dây chuyền qua tương tác của gốc
tự do trên mạch polysacarit với monomer .
H
COOH
H
COOH
H
COOH
H

H
COOH COOH
H
COOH
CH
2
- C
H
COOH
H
COOH
H
COOH
H
COOH
C-CH
2
CH
2
- C-O-St
H
COOH
St-O CH
2
-C
n
+ St-O
St-O CH
2
-C

COOH COOH
COOH COOH
St-O CH
2
-C
n
St-O CH
2
-C
m
+
St-O CH
2
-C
n
St-O CH
2
-C
m
+19