VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC BÁO CÁO NGHIỆM THU ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO CÁC LOẠI VẬT LIỆU GIỮ NƯỚC, GIỮ ẨM CÓ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG TRONG LĨNH VỰC NÔNG NGHIỆP Chủ nhiệm đề tài: PGS.TSKH. LƯU CẨM LỘC TS. NGUYỄN CỬU KHOA Cơ quan chủ trì đề tài: VIỆN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM Cơ quan quản lý đề tài: SỞ KH & CN Tp. Hồ Chí Minh THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 9-2004 MỤC LỤC I. TỔNG QUAN 1 1. Acid acrylic 1 2. Polyvinylalcol( PVA) 3 3. Tinh bột 4 4. Cellulose 6 5. Tổng quan về vật liệu hấp phụ nước 9 5.1.Tình hình nghiên cứu vật liệu hấp phụ nước thuộc lónh vực đề tài 10 5.2. Thành phần cơ bản của vật liệu tổng hợp 14 5.3. Một số phản ứng khơi mào gốc tự do dùng trong quá trình 15 polymer hóa 5.4. Phản ứng tạo gốc tự do trong quá trình ghép tạo copolymer 16 5.4.1. Tạo gốc tự do bằng hoá chất (muối ceri, H 2 O 2 ) 16 5.4.2. Tạo gốc tự do bằng phản ứng quang hóa kết hợp với hóa chất 16 5.4.3. Tạo gốc tự do bằng phản ứng quang hoá 17 6. Tính cấp thiết của đề tài 17 II.THỰC NGHIỆM 19 1. Hóa chất, dụng cụ, thiết bò 19 2. Tổng hợp các vật liệu hấp phụ nước 20 2.1 Phương pháp tổng hợp vật liệu hấp phụ nước Polyacrylic và chất 20 tạo liên kết ngang diethylenglycol diacrylat (PAA-DEGDAA) 2.2. Tổng hợp vật liệu hấp phụ nước PAA-PVA-DEGDAA dựa trên 21 phản ứng ghép tạo copolymer giữa Acid acrylic (AA), Polyvinylalcol (PVA) vàDEGDAA 2.2.1. Phương pháp tổng hợp 21 2.2.2. Mẫu đối chứng không dùng chất oxi hoá Ce(SO 4 ) 2 21 2.3. Tổng hợp vật liệu hấp phụ nước PAA-tinh bột-DEGDAA dựa trên 22 phản ứng ghép tạo copolymer giữa Acid acrylic (AA),tinh bột vàDEGDAA 2.3.1. Phương pháp tổng hợp 22 2.3.2. Mẫu đối chứng không dùng chất oxi hoá(Ce(SO 4 ) 2 ) 23 2.4. Tổng hợp vật liệu hấp phụ nước PAA-bã mía-DEGDAA dựa trên phản 23 ứng ghép tạo copolymer giữa Acid acrylic (AA), bã mía vàDEGDAA 2.4.1. Xử lý cơ học và lọai bỏ tạp chất của bã mía, mùn cưa 23 2.4.2. Phương pháp tổng hợp 23 2.4.3. Mẫu đối chứng không dùng chất oxi hoá(Ce(SO 4 ) 2 ) 24 3. Đánh giá khả năng hút ẩm và phương pháp đo thời gian phân 24 hủy cấu trúc 3.1. Phương pháp đo độ hấp phụ nước của các vật liệu 24 3.2. Phương pháp đo thời gian phân hủy cấu trúc 25 3.3 Các phương pháp xác đònh cấu trúc của vật liệu III. KẾT QUẢ 26 1.Vật liệu hấp phụ nước PAA-DEGDAA 26 1.1. Cấu trúc Polymer 26 1.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng 26 1.2.1. Ảnh hưởng liên kết ngang đến khả năng hấp phụ nước của vật liệu 26 1.2.2. Ảnh hưởng của liên kết ngang đến thời gian phân hủy cấu trúc 27 2. Vật liệu hấp phụ nước PAA-PVA-DEGDAA 28 2.1.Cấu trúc của vật liệu 28 2.2.Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng 30 2.2.1. Ảnh hưởng của PVA đến khả năng hấp phụ nước của vật liệu 30 PAA-PVA-DEGDAA 2.2.2. Ảnh hưởng của lượng PVA đến thời gian phân hủy cấu trúc của vật 31 liệu PAA- PVA-DEGDAA 3. Vật liệu hấp phụ nước PAA-tinh bột-DEGDAA 32 3.1. Cấu trúc của vật liệu 32 3.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng 33 3.2.1. lượng tinh bột ảnh hưởng đến khả năng hút nước 33 3.2.2 Ảnh hưởng của lượng tinh bột đến thời gian phân hủy cấu trúc của 35 vật liệu PAA-tinh bột-DEGDAA 4. Vật liệu hấp phụ nước PAA-bã mía –DEGDAA 36 4.1. Cấu trúc của vật liệu 36 4.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng 37 4.2.1. Lượng cellulose ảnh hưởng đến khả năng hút nước 37 4.2.2.nh hưởng của lượng cellulose đến thời gian phân hủy cấu trúc 38 5 So sánh các tính chất vật liệu giữ ẩm 39 5.1.Thành phần tối ưu cho từng loại vật liệu 39 5.2. So sánh các tính chất và giá thành dự kiến của từng loại vật liệu 40 6. Khảo sát thời gian giữ ẩm của vật liệu khi trộn với đất 42 IV. KẾT LUẬN 44 V. KIẾN NGHỊ 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC I. TỔNG QUAN: 1. Acid acrylic:[1], [8] acroleic acid; propenoic acid: H 2 C =CH – COOH  Tính chất: Acid acrylic là chất lỏng không màu, có vò chua, mùi hăng. Có khả năng polymer hoá cao, tan trong nước, alcol và ête nhiệt độ sôi 140.9 0 C, nhiệt độ nóng chảy 2.1 0 C, d= 1.052, có thể gây nổ trong quá trình polymer hoá  Phương pháp tổng hợp: Acid acrylic được điều chế bằng 3 phương pháp: propylen, axêtylen và ethylene. Ngày nay chủ yếu là phương pháp từ propylen. * Tổng hợp từ propylen: Propylen được oxy hoá qua hai giai đoạn H 2 C = CH–CH 3 O 2 \320 0 C H 2 C = CH–CHO O 2 \230 0 C H 2 C = CH –COOH Propylen Acrolein Acid acrylic Do chi phí tạo nên propylene thấp nên nó được sử dụng như một nguồn nguyên liệu lý tưởng cho tổng hợp acid acrylic. * Tổng hợp từ acetylen: HC CH + CO + H 2 O H 2 C = CH COOH Phản ứng được thực hiện trong dung môi tetrahydrofuran ở nhiệt độ khoảng 200 0 C, từ 6 -10 MPa (60- 200 atm). xúc tác Nickel bromide. Do acetylen quá đắt cho nên hiện nay ít được sử dụng để thực hiện phản ứng này. * Tổng hợp từ ethylene oxide: CH 2 O CH 2 HCN CH 2 CH 2 OH CN H 2 O H 2 C = CH CN H 2 C=CH COOH H 2 O ethylene oxide ethylenecyanohydrin acrylonitril acid acrylic NH 3  Ứng dụng: Điều chế polyacrylic(PAA): nH 2 C=CH – COOH [ - CH2 – CH - ] n COOH PAA là polymer có rât nhiều ứng dụng trong công nghiệp - Sản phẩm trùng hợp dạng rắn: có màu trong suốt thường được dùng làm nguyên liệu cho sản xuất các thiết bò như kính sát tròng, thiết bò y khoa, thiết bi quan học, kính chiếu hậu, các loại nhựa trao đổi ion, khi tạo copolymer với acrylamide được dùng làm chất chống sói mòn phổ biến hiện nay trong nông nghiệp…. -sản phẩm trùng hợp dạng nhủ(keo sữa): kỹthuật này cho polymer cao phân tử, dụng rộng rãi trong những ứng dụng về sơn phủ bề mặt, trong công nghiệp nhuộm, in ấn, dệt, tổng hợp vecni hoặc màng polymer kim loại có hoạt tính sinh học với các kim lọai có tính kháng khuẩn, kháng nấm, khử mùi( Cu, Zn, Ag).* Điều chế các ester acrylat dùng làm dung môi cho cho một số loại sơn, mực in, nhuộm, monomer cho nhiều loại copolymer. chất tạo liên kết ngang và chất trung gian trong nhiều phản ứng tổng hợp hữu cơ. 2. Polyvinylalcol( PVA):[1], [8] Polyvinyl alcohol: -CH 2 CHOH(CH 2 CHOH) n Cấu trúc lập thể của PVA: OH OH OH OH H H H H C C C C CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2  Tính Chất: PVA là một polymer tổng hợp tan được trong nước, dạng bột màu từ trắng đến kem, d 1.27-1.3, nhiệt độ thuỷ tinh hoá 80 0 C, gặp iod cho màu xanh. Khi đung sôi trong dung dich nước PVA sẽ tách ra khỏi nước và kết tủa.Tính chất phụ thuộc vào độ polymer hoá và mức độ thủy phân polyvinylacetat tạo polyvinylalcol như độ tan trong nước tăng khi khối lượng phân tử giảm. Trong một số loại PVA có sự liên quan giữa độ nhớt ở 20 0 C, lượng acetat chưa thủy phân và khối lượng phân tử như bảng sau: Trọng lượng phân tử (đvc) Hàm lượng acetat (%) Độ Nhớt của dung dòch(%) 4 8 12 10.000 20 0.01 65 0.026 0.054 15.000 20 0.0 24 0.054 0.125 33.000 5 0.048 0.18 0.65 135.000 5 0.26 5.5 28 33.000 20 0.045 0.16 0.52 400.000 1 0.50 16 40 PVA chứa mức Axêtat thấp thì có thể không tan trong hầu hết các nhiệt độ hoặc ở nhiệt độ thường như : xăng, Kerozense, xylense, ête,  Điều chế: Polyvinylalcohol(PVA) được nói đến lần đầu vào năm 1927 bởi Herrmann & Haehne, chúng được làm từ việc xà phòng hóa Polyvinyl esters. CH = CH 2 O CO CH 3 n CH 2 ] [ CH O CO CH 3 H 2 O CH O CO CH 3 CH 2 1 n CH CH 2 CH CH 2 OH OH [ ] n 1 polyvinyl alcol (PVA) vinyl acetat polyvinyl acetat  Ứng dụng: PVA thương mại có chủ yếu 3 dạng: - Độ nhớt rất cao (khối lượng phân tử 250.000 – 300.000) - Độ nhớt cao (khối lượng phân tử 125.000 – 150.000) - Độ nhớt thấp (khối lượng phân tử 25.000 – 35.000) 3. Tinh bột:[2], [3], [4], [8] Tinh bột là chất dinh dưỡng dự trữ của thực vật, do cây xanh quang hợp tạo nên . Tinh bột có nhiều trong các loại hạt, củ, quả… . Hàm lượng tinh bột trong một số loại thực vật như sau:  tính chất vật lí : Tinh bột là một chất rắn vô đònh hình, màu trắng, không tan trong nước ở nhiệt độ thấp. Trong nước nóng trên 65 o C tinh bột cho ta dung dòch keo nhớt gọi là hồ tinh bột và đó là quá trình bất thuận nghòch. Loại tinh bột Lượng tinh bột % trọng lượng khô - Khoai tây - Bột sắn - Lúa mì - Lúa - Hạt đậu ( giai đoạnchính) - Chuối. 84 95 75 75 60 – 66 90  Thành phần hoá học của tinh bột: Tinh bột không phải là một hợp chất đồng thể mà gồm hai polisacarit khác nhau là amiloza và amilopectin. Tỉ lệ của amiloza / amilopectin trong đa số các loại tinh bột là 1/4. Thường trong tinh bột loại nếp gần như 100% là amilopectin, trái lại trong tinh bột đậu xanh, dong riềng hàm lượng amiloza chiếm trên 50%. * Amilose: Trong amiloza các các gốc glucoza được gắn vào nhau nhờ liên kết α(1-4) glucoside và tạo nên một chuổi dài bao gồm từ 200 – 1000 gốc glucoza. Khi ở trạng thái tinh thể amiloza có cấu hình xoắn ốc, mỗi vòng xoắn ốc gồm 6 đơn vò glucoza. Đường kín xoắn ốc là 12.97A 0 và chiều cao vòng xoắn ốc là 7.91A 0 . * Amilopectin: Phân tử của amilopectin còn lớn và dò thể hơn amiloza nhiều. Bằng phương pháp tán xạ ánh sáng người ta đã xác đònh được phân tử lượng của một amilopectin vào khoảng 5*10 8 . Cấu trúc phân tử ngoài các liên kết α (1,4) còn có các liên kết α (1,6) glucoside, chính liên kết này tạo nên mạch nhánh của amilopectin. CH 2 OH CH 2 CH 2 OH OHOH OH OH OHOH …O CH 2 OH CH 2 OHCH 2 OH H CH 2 OH H OH H H O H HO OHH OH OH OH H OH …O CH 2 OH CH 2 OHCH 2 OH OH OH OH OH CH 2 OH OH OHOH OH  Ứng dụng * Tinh bột khi biến tính bằng phương pháp vật lý tạo tinh bột hồ hóa hoặc thành dextrin được dùng làm keo dáng giấy, băng dính, dùng đế hồ vải, sợi, chất làm đặc cho các phẩm nhuộm vải sợi. * Biến tính bằng các phương pháp hóa học - Tinh bột biến tính bằng acid được dùng trong công nghiệp dệt để hồ sợi tổng hợp, sợi visco, sợi acetat… nhằm mục đích tạo độ bền và chòu mài mòn cao cho sợi, làm bóng giấy trong công nghiệp giấy. - Tinh bột biến tính bằng kiềm làm tăng độ mòn dẽo, dai nên đươc dùng nhiều trong công nghệ thực phẩm. - Tinh bột biến tính bằng cách tạo cấu trúc mạng lưới được dùng làm nhựa trao đổi ion, làm vật liệu hấp phụ nước, trong thực phẩm, trong dung dich sét để khoan dầu mỏ… tùy từng mục đích sử dụng mà người ta dùng các tác nhân tạo mạng khác nhau. 4. Cellulose:[2], [5] Cellulose là một polymer sinh học quan trọng và phổ biến nhất trên thế giới. Phân tử cellulose có cấu tạo mạch thẳng, bao gồm các đơn vò D-glucopyranose liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4-glucoside, tuỳ loại cellulose mà số đơn vò glucose từ 2000 đến 15000 Thành phần cellulose trong một số loại thực vật: Loại thực vật Gổ Bã mía(*) Rơm rạ Bông Cellulose(%) 45 32-44 28-38 95-98 Hemicellulose(%) 25-35 33-54 <10 - Bã mía(*): Bã mía đã khữ tủy  Tính chất vật lý: Chất rắn, màu trắng, không tan trong nước ngay cả khi đun nóng, không tan trong các dung môi hữu cơ thông thường như alcol, eter, benzen…. Cellulose có thể hoà [...]... quan về vật liệu hấp phụ nước: Vật liệu hấp phụ nước thường được chia thành 2 nhóm: + Vật liệu thiên nhiên: Thường sử dụng dụng các loại rơm rạ, bã mía, mùn cưa Các loại vật liệu này có sẵn trong nông nghiệp, tuy nhiên hiệu quả giữ nước rất kém + Vật liệu tổng hợp: Các hóa chất để tổng hợp các loại vật liệu thường xuất phát từ nguồn nguyên liệu dầu mỏ như acid acrylic, methacrylic, acrylamide và một... thể tạo thành acid ascorbic, acid glucuronic  Ứng dụng - Nguyên liệu trong quá trình sản xuất bột giấy, sợi visco - Nguyên liệu để điều chế CMC, HEC, NC, etylcellulose, metyl cellulose dùng như là các chất làm đặc để bảo vệ hệ keo, chất sơn phủ bề mặt… - Nguyên liệu để ghép các monomer tạo copolymer ghép, có nhiều ứng dụng trong thực tế trong công nghiệp dệt, nhuộm để tạo các loại sợi có khả năng giữ. .. PAA-PVA-DEGDAA có chất oxi hoá (hình 3) để ghép acrylic và PAA-PVA-DEGDAA không có chất oxi hoá (hình 2), chúng tôi nhận thấy vật liệu có chất oxi hoá có cấu trúc xốp hơn chứng tỏ PVA đã tham gia một phần vào quá trình tạo liên kết với vật liệu Dựa trên phổ IR, SEM chúng tôi kết luận rằng PVA đã tham gia vào phản ứng ghép tạo copolymer với acid acrylic để tạo nên vật liệu có khả năng hấp phụ nước mạnh 2.2 Khảo... 1.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng: 1.2.1 Ảnh hưởng của liên kết ngang đến khả năng hấp phụ nước của vật liệu: Để khảo sát ảnh hưởng của liên kết ngang đến khả năng hấp phụ nước chúng tôi sử dụng vật liệu nền AA không đổi là 10 g, lượng DEGDAA để tạo liên kết ngang trong vật liệu thay đổi từ 0 đến 0.4 g Kết quả được trình bày trong bảng 1 Bảng 1: Ảnh hưởng của liên kết ngang đến độ hấp phụ nước của vật. .. không có chất oxi hoá Hình 3: PAA-PVA-DEGDAA có Hình 4:PAA-PVA-DEGDAA đã hút nước chất oxi hoá * Nhận xét: - Trong phổ IR cho thấy giữa PVA và vật liệu PAA-PVA-DEGDAA có nhiều mũi đặc trưng giống nhau như –CH, -CH 2,-OH, -C-O Trong phổ IR của vật liệu PAA-PVA-DEGDAA có mũi với tần số hấp thu 1561cm -1 là mũi của ion carboxylat Chính ion carboxylat này tạo nên khả năng hút nước cho vật liệu - Trong. .. Bản) 2 Tổng hợp các vật liệu hấp phụ nước : Trong nghiên cứu chúng tôi đã tổng hợp được 4 vật liệu giữ ẩm sau: 2.1 Phương pháp tổng hợp vật liệu hấp phụ nước Polyacrylic và chất tạo liên kết ngang diethylenglycol diacrylat (PAA-DEGDAA): Cho vào bình cầu 250 ml có lắp ống sinh hàn và máy khuấy từ 5g NaOH, 24g nước, 10g acid acrylic, DEGDAA, sau 15 phút cho 40 g petroleum ether, NP9 và 0.05g benzoylperoxide... tinh bột không có chất oxi hoá (hình 6) để ghép AA (polymer hoá bằng nhiệt) và các mảng polymer ở mẫu có chất oxi hoá lớn hơn so với mẫu không có xúc tác để ghép Vậy chứng tỏ có sự tạo thành vật liệu bằng phản ứng ghép monomer acrylic acid (AA) vào tinh bột 3.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng: 3.2.1 Lượng tinh bột ảnh hưởng đến khả năng hút nước : Nhằm tạo ra được một vật liệu hấp phụ nước có giá thành... triển mạnh trong những thập kỷ 80-90 của thế kỷ 20 Hàng loạt các kết quả nghiên cứu đã được công bố Tháng 2 năm 1978 tại công ty hóa chất Sanyo, Masuda và các cộng sự đã nghiên cứu thành công vật liệu hấp phụ nước từ cellulose, acid acrylic, Natriacrylat, dd amonium cericnitrat và N,N – methylenbisacrylmide Sản phẩm có khả năng hút nước 192 lần Tháng 6 năm 1983 tại phòng nghiên cứu hóa công nghiệp Kyoritsu... sản phẩm được tạo ra có những tính năng khác nhau, đặc biệt khả năng hấp thụ nước rất cao (80-600 lần đối với nước cất và 60-80 lần đối với nước muối sinh lý) Và chúng được sử dụng trong rất nhiều lónh vực: y tế, dược phẩm, sản phẩm tã lót, 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... ghép tạo copolymer :[21], [23], [24], [25] 5 4.1 Tạo gốc tự do bằng hoá chất (muối ceri, H2O2): Guido Mino và các cộng sự là những người đầu tiên nghiên cứu khả năng dùng các muối của cation đa hóa trò để oxi hóa tạo gốc tự do trên các H-C-O- của mạch polymer tổng hợp PVA, PVAc, sợi visco hoặc các polymer thiên nhiên như các polysacharide (tinh bột, bột giấy) Tuy nhiên các tác giả trên chưa thấy khả năng . VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC BÁO CÁO NGHIỆM THU ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO CÁC LOẠI VẬT LIỆU GIỮ NƯỚC, GIỮ ẨM CÓ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG TRONG LĨNH VỰC NÔNG NGHIỆP Chủ. Nguyên liệu để ghép các monomer tạo copolymer ghép, có nhiều ứng dụng trong thực tế trong công nghiệp dệt, nhuộm để tạo các loại sợi có khả năng giữ màu cao khi nhuộm… 5. Tổng quan về vật liệu. phụ nước: Vật liệu hấp phụ nước thường được chia thành 2 nhóm: + Vật liệu thiên nhiên: Thường sử dụng dụng các loại rơm rạ, bã mía, mùn cưa. Các loại vật liệu này có sẵn trong nông nghiệp, tuy