Luận văn tốt nghiệp
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN
GVHD: Nguyễn Cửu Khoa trang 1
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

polymer nền(Polyvinyl alcol, tinh bột, cellulose ) thường dùng là các muối Ceri
hoá trò 4 trong môi trường acid (Ceric sufate tetrahydrate Ce(SO
4
)
2
.4H
2
O ,
amonium Ceric nitrate (NH
4
)
2
Ce(NO
3
)
6
)

và các hệ phản ứng oxi-hoá khử như:
MnO
2
-acid oxalic, peroxydiphosphat-thioure, Fe
3+
- cystein
Chất làm đặc và chất để ghép tạo copolymerr: Tinh bột, Polyvinyl alcol,
bột cellulose và các dẫn xuất của nó như carboximethylcellulose (CMC),
hydroximethylcellulose (HEC).
Chất hoạt động bề mặt: Nonyl phenol, sorbitol monosterat, linear
alkylbenzen.
sulfonate (LAS), lauryl eter sulfate(LES).

+ Tổng hợp từ propylene: Propylen được oxy hoá qua hai giai đoạn
O
2
/
320
C
o
H
2
C
CH CH
3
o
C
/
320
2
O
H
2
C
CH CHO
H
2
C CH
COOH
propylen
acrolein
acrylic acid
Do chi phí tạo nên propylene thấp nên nó được sử dụng như một nguồn

H
2
O
H
2
C
CH
COOH

ThCl
2
FeCl
3
+ Tổng hợp từ ethylene oxide:
CH
2
CH
2

O
ethylene oxide
HCN
CH
2
CH
2
OH CN
ethylenecyanohydrin
H
2

CH
COOH
n
1.1.3. Polyacrylic acid (PAA):
 Tính chất:
Polyacrylic là polymer trong suốt, tan nhiều trong dung môi phân cực như
methanol, ethanol, ethyleneglycol, dioxan, dimethylformamide, methyl ethyl
ceton, nhưng không tan trong dung môi không phân cực như những hydrocacbon
GVHD: Nguyễn Cửu Khoa trang 5
Ethylen carbonmonoxide
Acid acrylic
Luận văn tốt nghiệp
thơm, hydrocacbon béo. Muối của kim loại hoá trò 1 và muối amoni của polymer
này thường tan được trong nước.
Polymer của acid acrylic và muối của nó thường cứng và dễ vỡ, PAA có
những phản ứng đặc trưng của acid carboxilic. Thông thường dung dòch polyacid
có độ nhớt thấp vì polymer thường cuộn chặt lại với nhau, nó bò oxi hoá rất ít.
Khi ta thêm NaOH thì càng nhiều nhóm carboxyl trở nên ion hoá, lực đẩy qua lại
của điện tích làm cho những sợi polymer duỗi ra và dẫn tới độ nhớt sẽ giảm vì sự
ion hoá của polyacid giảm so với lúc đầu và những sợi polymer bò cuộn chặt hơn
[19]
 Các phương pháp tổng hợp:
PAA được tổng hợp theo nhiều phương pháp với mỗi phương pháp các tác
giả dùng một chất khơi mào riêng cho mỗi loại khối lượng phân tử và mục đích
sử dụng khác nhau. Để tổng hợp PAA có khối lượng phân tử cao.
Mishra đã polymer hoá AA với chất khơi mào NO
•
2
được tạo ra từ phản ứng
nhiệt phân Pb(NO

+
M M
M
+
M M
n+1
M
n
+
M
m
polymer
Luận văn tốt nghiệp
Phương pháp này đơn giản, polymer sạch, tuy nhiên không điều chỉnh được
nhiệt độ do có độ nhớt cao, sự thoát nhiệt kém, dẫn đến sự xuất hiện nhiệt cục
bộ, không đồng đều trong toàn khối. Khó khăn này khiến cho polymer có độ
phân tán cao.
Ngoài phương pháp trên người ta còn dùng một số chất khơi mào như
benzoylperoxide (C
6
H
5
COO)
2
, potasiumpersulfat (K
2
S
2
O
8

COOH
n
SO
4

+
CO
2
+
C
6
H
5
COO C
6
H
5
C
O
O O C
O
C
6
H
5
C
6
H
5
+

xói mòn (PAM) phổ biến hiện nay trong nông nghiệp, thu hồi dầu đòa chất trong
các mỏ dầu thô đang khai thác, khử muối và loại bỏ kim loại nặng trong xử lý
nước, khai thác quặng mỏ…
C O
NH
2
CH
2
= CH
C O
NH
2
CH
2
= CH
y
C O
O
-
Na
+
CH
2
= CH
Aninonic polyacrylamide
C O
O
-
Na
+

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 (%) tính theo trọng lượng khô trong một số loài thực vật
như sau: [6]
Loại tinh bột Hàm lượng tinh bột(%)
Khoai tây 84
Bột sắn 95
Lúa mì 75
Lúa 75
Hạt đậu (giai đoạn chín) 60-66
Ngô 75
Chuối 90
Đại mạch 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 20-30%) và amylopectin (thường khoảng 70-
80%). Tỷ lệ amylose so với amylopectin trong đa số tinh bột xấp xỉ 1/4. Thường
trong tinh bột loại nếp (gạo nếp, ngô nếp) gần như 100% là amylopectin, trái lại
trong tinh bột đậu xanh, dong riềng hàm lượng amylose chiếm khoảng 59%.
GVHD: Nguyễn Cửu Khoa trang 9
Luận văn tốt nghiệp
Hiện nay người ta đã lai tạo được loại ngô có thành phần amylose trong tinh bột
chiếm tới 80%.
1.1.4.1. Cấu tạo, tính chất amylose:
 Cấu tạo của amylose:
Trong amylose, các gốc glucose được gắn vào nhau nhờ liên kết α(1,4)-
glucoside và tạo nên chuỗi dài bao gồm từ 200-2000 đơn vò glucose. Phân tử
amylose có một đầu khử và một đầu không khử.

Hàm lượng amylose của một số tinh bột:
 Tính chất của amylose:
a. Độ hoà tan:
Trong đa số trường hợp dung dòch amylose rất nhanh chóng tạo keo thậm
chí ngay cả khi ở nhiệt độ cao. Tốc độ tạo keo tụ thuộc vào nhiều yếu tố như:
thời gian, nhiệt độ, PH, nồng độ và phương pháp hoà tan amylose.
Amylose hoà tan dễ dàng trong kiềm loãng. Điều đđáng chú ý là để hoà tan
amylose cần có một lượng kiềm tối ưu. Nồng độ cao hơn hoặc thấp hơn đều làm
cho amylose tạo ra keo.
GVHD: Nguyễn Cửu Khoa trang 10
Tinh bột Hàm lượng amylose(%)
Ngô 25-28
Lúa mì 20
Lúa 13-35
Khoai tây 23
Sắn 20
Dong riềng 38-41
Luận văn tốt nghiệp
b.Tính lưu biến:
Các phân tử amylose thường tuyến tính và đều đặn, do đó trong dung dòch,
chúng có khuynh hướng liên kết lại với nhau để tạo ra các tinh thể. Khi sự liên
hợp xảy ra với tốc độ tối thiểu thì amylose sẽ tạo ra khối không tan của các hạt
đã thoái hoá, khi tốc độ liên hợp cực đại thì dung dòch chuyển thành thể keo.
Ở nhiệt độ thường, keo amylose thường là một khối trắng đục không thuận
nghòch, không thấy có hiện tượng co. Nghiên cứu amylose bằng kính hiển vi,
người ta thấy chúng có cấu trúc hạt rõ rệt, chứng tỏ có tính không tan của tinh
thể.
c. Phản ứng với iod:
Khi tương tác với iod, amylose sẽ cho phức màu xanh đặc trưng. Phản ứng
này đã được Shogmayer phát hiện vào năm 1812. Iod có thể coi là thuốc thử đặc

2
O
OH
CH
2
OH
OH
O
H
O
OH
CH
2
OH
OH
H
O
H
O
O
OH
CH
2
OH
OH
O
H
O
H
Phân tử amylopectin cũng tạo hình xoắn ốc với các dây nhánh hướng ra bên

C) 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 thước phân 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:
Nhiệt độ để phá vỡ hạt chuyển tinh bột từ trạng thái đầu có mức độ hydrat
hoá khác nhau thành dung dòch keo gọi là nhiệt độ hồ hoá. Dưới đây là khoảng
nhiệt độ hồ hoá của một số tinh bột:
Tinh bột ban Đầu (
o
C) T
o
trung bình (
o
C) T
o
cuối(
o
C)
Ngô 62 66 70
Ngô nếp 63 68 72
Thóc 68 74.5 78
Lúa mì 59.5 62.5 64
Sắn 52 59 64
GVHD: Nguyễn Cửu Khoa trang 13
Hấp thụ

từng sợi sẽ tương tác với nhau và với nước bằng cầu hidro để hình thành sợi.
Tiếp tục nhúng vào bể nước lạnh để các phân tử liên hợp lại với nhau, tạo nhiều
cầu hidro hơn. Cuối cùng, các sợi đó tiếp tục được gia nhiệt để khử nước cũng
như để làm tăng lực cố kết và độ cứng.
Ngoài khả năng tạo màng, tạo sợi chúng có khả năng tạo màng bao, tương
tác với một số chất khác như: tạo gel với protein, khả năng phồng nở của tinh
bột.
 Biến hình tinh bột:
Trong thực tế sản xuất ứng với mỗi loại sản phẩm thường đòi hỏi một dạng
tinh bột hoặc một dẫn xuất tinh bột nhất đònh. Để có được những loại hình tinh
GVHD: Nguyễn Cửu Khoa trang 14
Luận văn tốt nghiệp
bột phù hợp người ta cần biến hình tinh bột. Mục đích của quá trình biến hình
tinh bột nhằm: cải biến các tính chất của sản phẩm; tăng giá trò cảm quan; tạo ra
mặt hàng mới, sản phẩm mới.
Dựa vào bản chất của phương pháp có thể phân loại các phương pháp như
sau:
phương pháp biến hình vật lý; phương pháp biến hình hoá học;phương pháp
biến hình enzim.
+ biến hình vật lý:
- Trộn với chất rắn trơ:
Tinh bột có tính ái lực đối với nước nên hoà vào nước trực tiếp sẽ bò vón
cục. Nếu đem trộn nó với chất trơ sẽ làm cho các hạt tinh bột cách biệt nhau về
vật lý, do đó sẽ cho phép chúng hydrat hoá một cách độc lập và không kết lại
thành cục.
- Biến hình bằng hồ hoá sơ bộ:
Dưới tác dụng của nhiệt độ, đúng hơn là tác dụng nhiệt ẩm sẽ làm đứt các
liên kết giữa các phân tử, làm phá hủy cấu trúc của hạt tinh bột khi hồ hoá, cũng
như sẽ tái liên hợp một phần nào đó các phân tử khi sấy sau này.
Tinh bột hồ hoá có những tính chất sau: trương nhanh trong nước; biến đổi

trong công nghiệp giấy để làm bóng giấy, tăng độ bền với độ mài mòn và chất
lượng in của giấy.
 Biến hình tinh bột bằng kiềm:
Trong môi trường kiềm tinh bột hòa tan rất dễ vì kiềm làm ion hoá từng
phần và do đó làm cho sự hydrat hoá tốt hơn. Kiềm cũng có thể làm phá hủy từ
đầu nhóm cuối khử thông qua dạng enol để cuối cùng tạo ra những hợp chất có
màu kiểu humic. Sự phá hủy kiềm cũng có thể xảy ra ngẫu nhiên ở giữa mạch
GVHD: Nguyễn Cửu Khoa trang 16
Luận văn tốt nghiệp
nhất là khi có mặt của oxi và có gia nhiệt. Mục đích của biến hình này làm tăng
giá trò dinh dưỡng và tính cảm quan cho thực phẩm.
 Biến hình tinh bột bằng oxi hoá:
Thông thường tinh bột được oxi hoá bằng hypocholrit, nét đặc trưng của tinh
bột đã được oxi hoá là độ trắng, mức độ oxi hoá càng cao làm cho tinh bột càng
trắng hơn.
Tinh bột oxi hoá được sử dụng để hồ bề mặt trong sản xuất giấy, để hồ sợi
bông, sợi pha và tơ nhân tạo trong công nghiệp dệt và chất làm đặc trong công
nghệ thực phẩm.
 Biến hình tinh bột bằng xử lý tổ hợp 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 H
3
PO
4
được este hoá với nhóm OH của tinh bột thì được tinh
bột phosphat. Có hai loại tinh bột phosphat:
- Tinh bột dihydrophosphat: Đun nóng tinh bột với muối phosphat (như

- Tinh bột monohidrophosphat: Cho muối trimetaphosphat tác dụng với tinh
bột thu được sản phẩm có cấu trúc
GVHD: Nguyễn Cửu Khoa trang 17
Luận văn tốt nghiệp
O
OH
CH
2
OH
OO
H
H
OO
CH
2
OH
H
H
OH
O
O
ONa
P
O
O
Tinh bột monohidrophosphat có liên kết ngang rất bền trong một thời gian
dài ở nhiệt độ cao và pH giảm. Tuy nhiên, dòch hồ tinh bột loại này sẽ không
trương và không đạt được khả năng làm đặc tối đa.
Tinh bột phosphat được dùng làm chất độn trong các sản phẩm thực phẩm,
dùng trong công nghiệp giấy, công nghiệp dệt, tinh chế quặng, sản xuất chất tẩy

dextrin phân tử thấp hoặc thành từng đơn vò glucose, do đó mà tính chất của
dung dòch tinh bột cũng thay đổi theo. Quá trình này làm cho dung dòch tinh bột
bò loãng và độ nhớt giảm xuống còn gọi là quá trình dòch hoá. Quá trình này
được ứng dụng khởi đầu cho quá trình đường hoá sản xuất rượu hay rủ hồ vải rất
có hiệu quả.
1.1.4.4. Ứng dụng:
Tinh bột là nguồn nguyên liệu vô tận cho các ngành kỹ nghệ hoá học nếu
xem dầu mỏ là nguồn nguyên liệu có giới hạn. Tinh bột có thể được sử dụng ở
dạng “nguyên thuỷ” hoặc được làm biến tính. Nó được ứng dụng rộng rãi trong
công nghiệp như: công nghiệp giấy, công nghiệp dệt, kỹ nghệ chế tạo vật liệu
bản mỏng và dợn sóng, kỹ nghệ keo dán, bao bì…
Tinh bột còn được ứng dụng rộng rãi trong các ngành như: kỹ nghệ mỏ và
luyện kim, kỹ nghệ amiăng, bản thạch cao. Hai sản phẩm từ tinh bột có tên
thương phẩm là Impermex và Mylogel được dùng trong ngành khoan giếng dầu.
GVHD: Nguyễn Cửu Khoa trang 19
Luận văn tốt nghiệp
Trong công nghiệp thực phẩm và thực phẩm, người ta dùng tinh bột để tạo
kết cấu, tạo trạng thái, tạo dáng bề ngoài, tạo độ ẩm, tạo độ chắc và độ bền cho
sản phẩm. Ngoài ra, trong những năm gần đây tinh bột được dùng như là một
nguyên liệu quan trọng trong sản xuất ra các sản phẩm tiêu dùng mà sau khi sử
dụng có khả năng phân huỷ rất nhanh như màng polyme phân huỷ trên cơ sở
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 ẩm
tốt thì đặc đbiệt phát triển trong những năm thập kỷ 80-90 của thế kỷ 20. Hàng loạt
kết qủa đã được công bố.
Tháng 2 năm 1978 tại công ty hoá chất Sanyo, Masuda và các cộng sự [15]

- Nippon Shokubai Co. Ltd (Japan), Water-absorbent resin, hydrophylic
polymer, process for producing them, and uses of them, patent EP 1,178,059 A2,
2001.
- Nippon Catalytic Chem Ind (Japan), Process for production of water-
absorbent resin, patent WO 0,198,382, 2002.
- Industrial Technology Reasearch Insitute (Đài Loan), Method for
preparing hydrphylic porous polymer material, patent 6,635,684, 2002.
- Dainippon Ink and Chemicals, Inc (Japan), Water absorbent material,
patent 6,653,399, 2003.
- Sumimoto Seika Chemicals, Co. Ltd (Japan), Process for preparing water
absorbent resin, patent 6,573,330, 2003.
- Nippon Shokubai Co. Ltd (Japan), Water-absorbent resin powder and
production process there for, 2003.
GVHD: Nguyễn Cửu Khoa trang 21
Luận văn tốt nghiệp
Hầu hết các nghiên cứu của các tập đoàn trên đềuđxuất phát từ nguồn
nguyên liệu dầu mỏ: polymer acrylic, polymer acrylamide, polymer có các nối
đôi ethylenic, polyvinyl alcohol hoặc các copolymerr của chúng. Với các tác
nhân liên kết ngang khác nhau (N,N
’
-methylenebisacrylamide, ethyleneglycol
di-(meth)acrylate, trimethyol propane di- or tri-(meth)acrylate, glycerol diallyl
ether, trimethylol propane triallyl ether… Những sản phẩm đđược tạo ra có những
tính năng khác nhau, đđặc biệt khả năng hấp thụ nước rất cao (80-600 lần đối với
nước cất và 60-80 lần đđối với nước muối sinh lí). Và chúng được sử dụng trong
rất nhiều lĩnh vực: y tế, dược phẩm, sản phẩm tả lót, khăn vệ sinh, làm đông cặn
dầu, loại nước trong dầu và cả trong ngành nông lâm nghiệp.
Ở Việt Nam, trong những năm gần đây (1999-2000) dựa trên nền tảng tinh
bột ghép acrylic, Viện Hóa Học, trung tâm KHTN và CNQG cũng đã thành công
trong việc nghiên cứu chế tạo đđược chế phẩm AMS-1 hút nước cao (300 lần) tuy

GVHD: Nguyễn Cửu Khoa trang 23
C H
OH
: một carbon trên sườn tinh bột
+
C e
4

C H
OH
=
C e
3

+
C
OH
+
H
+
C M
OH
M
=
C
OH
M
M :
monomer acid acrylic, acrylamide
XOH

O
H
OH
OH
H
+
O
O
CH
2
OH
O
H
OH
OH
H
Ce
4+
Ce
4+
- Oxi hoá mở vòng pyranose, tạo thành gốc tự do
O
O
CH
2
OH
O
H
OH
OH

n
MMA
Copolymer MMA cellulose
Luận văn tốt nghiệp
- Gốc tự do được tạo thành khởi đđầu phản ứng trùng hợp ghép với acid acrylic
CH H
2
C
O
CH
2
OH
OO
O O
+
CH
2
CH COOH
.
Copolymer ghep
1.3.2.Tạo gốc tự do bằng phản ứng quang hoá kết hợp với hoá chất: [20]
Tháng 3 năm 1960, Stanett và các cộng sự đđã ứng dụng phản ứng quang
hoá (tia UV) đđể ghép monomer vào cellulose và dẫn xuất của nó với sự hỗ trợ
của chất hãm màu trong phẩm nhuộm là anthraquinon đđể tạo gốc tự do trên các
vị trí H-C-O- của mạch PVA, các đđơn vị glucose trong tinh bột hoặc cellulose
cũng với mục đích biến tính các loại sợi hoặc polymer trên.
Cơ chế của phản ứng ghép:
tia UV

O

OH
M: các monomer có nối đôi bất bão hòa như acrylamide, acrylic, acrylonitril.
1.3.3. Tạo gốc tự do bằng phản ứng quang hoá:[8]
Tháng 2 năm 2002, các nhà hoá học Esmaiel Jabbari, Samyra Nozari,
trường Đại học kỹ thuật Amir-Kabbir, Tehran, Iran đđã dùng tia γ với liều lượng
5-25 Kg y chiếu xạ lên polyacrylic (PAA) đđã tạo đđược vật liệu có cấu trúc không
gian chứa các liên kết ngang có đđộ hút nước 80-500 lần tuỳ theo liều lượng chiếu
xạ.
Và đưa ra cơ chế của phản ứng như sau:
GVHD: Nguyễn Cửu Khoa trang 25