製備澱粉接枝共聚物,一般用物理或化學引發方法,使澱粉分子上產生活性高的自由基。常用的物理引發方法是用放射元素(60Co)的γ-射線照射和電子束照射。澱粉受到照射,產生自由基,此時加入高分子單體溶液,在20~30℃起反應。為防止空氣中氧氣的不利影響,澱粉的照射在氮氣中進行,高分子溶液也先通氮氣30min,排除存在的空氣。無氧、低溫和低水分情況下,澱粉自由基的穩定性較高。在適當條件下,於室溫保存照射過的澱粉,幾天仍能保有大部分自由基。也可將澱粉與單體的溶液先混合在一起,一同照射,但產生的均聚物較多。化學引發方法是利用氧化還原,目前廣泛應用的引發方式有三種:過硫酸銨、硝酸鈰銨、高錳酸鉀等鹽引發,Fentons試劑引發和輻射法。最常用的化學引發劑是鈰離子,如配合物[Ce(NH4)2(NO3)6],鈰離子(Ⅳ價)氧化澱粉生成絡合結構的中間體澱粉—Ce(Ⅳ),分解產生自由基,與單體發生接枝反應。生成澱粉—Ce(Ⅳ)絡合結構,Ce(Ⅳ)被還原成Ce(Ⅲ),一個氫原子被氧化,生成澱粉自由基,葡萄糖基的C2—C3鍵斷裂。澱粉自由基與單體發生接枝反應。自由基也能再被Ce(Ⅳ)氧化而消失。
四、生產工藝
1.吸水性接枝共聚物
許多單體與澱粉接枝後的產物具有吸水功能,稱為超級吸水劑。這類產品中,最常見的是澱粉與丙烯腈(AN)接枝共聚。
澱粉與丙烯腈接枝共聚物側鏈上帶有氰基,而氰基是憎水基團,這類化合物不吸水。為了使它吸水,必須加堿皂化水解,使氰基轉變為酰胺基和羧酸基或羧酸鹽基等親水基團,才能成吸水基團。加堿皂化後,再用酸溶液中和至pH 2~3,轉變成酸型,再沉澱、離心分離、洗滌,再把產物用NaOH溶液調至pH 6~7,在110℃下幹燥,粉碎後即得產品。例如,將玉米澱粉加入水中,打漿均勻,加入四口烷瓶中,通氮氣約30min,加入硝酸銨鈰,然後加入丙烯腈。在35℃下保持不停攪拌反應1h,過濾,水洗多次,80~90℃幹燥得到共聚物。共聚物中含有丙烯腈均聚物,用二甲基甲酰胺溶解除去。將共聚物混於二甲基甲酰胺溶液中,在室溫下靜置3d,不時攪拌,換新二甲基甲酰胺2次,檢查無均聚丙烯腈,過濾、水洗、幹燥得到不含均聚物的接枝共聚物。
澱粉的品種及形態、引發劑種類、濃度及加入方式、反應溫度及反應介質等影響澱粉與丙烯腈的接枝共聚反應。
(1)澱粉的種類及形態對澱粉與丙烯腈的接枝共聚反應的影響不同來源的澱粉與丙烯腈接枝的收率不同。一般馬鈴薯澱粉的接枝收率最好。
同一來源不同形態的澱粉與丙烯腈接枝的收率也不同。澱粉經糊化,再與烯類單體接枝,比顆粒澱粉直接接枝的效率、接枝百分率、接枝頻率以及支鏈的平均分子質量高。這是因為澱粉經糊化以後,分子鏈在水中充分伸展,便於催化劑和單體與其各部位的接枝。因此,澱粉的接枝首先進行糊化是必要的。
(2)引發劑的種類、濃度及加入方式對澱粉與丙烯腈的接枝共聚物的影響不同引發劑引發澱粉與丙烯腈的接枝共聚反應在效能方麵存在差別。Wolf等比較了鈰、錳和鐵鹽對丙烯腈與馬鈴薯澱粉接枝共聚反應的引發效能,從中可看出鈰離子引發效能高,接枝效率高。鈰離子引發糊化的馬鈴薯澱粉接枝反應,接枝丙烯腈的數均分子質量高。顆粒澱粉接枝的丙烯腈,其數均分子質量較小,受不同引發劑的影響也小。
增加引發劑鈰離子量,接枝效率有所提高,但對接枝丙烯腈的分子質量和接枝頻率影響不大。一般鈰鹽濃度5.0×10-3mol/L時,共聚物中聚丙烯腈含量最高,再提高濃度則含量反而降低。
不同鈰鹽對相同單體和澱粉接枝共聚反應的引發效能不同。一般對澱粉接枝丙烯腈而言硝酸鈰銨是性能良好的催化劑,而對澱粉接枝丙烯酰胺硫酸鈰銨效能較高。
鈰鹽與澱粉和丙烯腈單體都能生成絡合結構,單體與引發劑加入的先後次序對接枝反應有影響。鈰鹽在丙烯腈以後加入,所得共聚物中丙烯腈含量高,均聚物丙烯腈含量增加很少。另外,鈰鹽分批加入,也降低共聚物中丙烯腈的含水量,因此應當將鈰鹽一次加入。
(3)對澱粉與丙烯腈接枝共聚反應的影響在一定溫度範圍內,當溫度降低時,接枝效率大大降低,共聚物中丙烯腈含水量降低,接枝頻率降低,但接枝鏈數均分子質量降低卻很少。
(4)反應介質對澱粉與丙烯腈接枝共聚反應的影響澱粉與硝酸鈰銨在很少量水中混合,再與丙烯腈的有機溶劑起接枝反應,此有機溶劑能與水混合,所得共聚物的接枝鏈的數均分子質量低,接枝頻率低,但均聚物的生成量高。
(5)預處理對澱粉與丙烯腈接枝共聚反應的影響澱粉先經加熱、酸或次氯酸鹽預處理,可使澱粉顆粒膨脹或破裂,澱粉的分子質量降低,溶解度增高。經預處理的澱粉再與丙烯腈的鈰離子引發接枝共聚反應,用水和二甲基甲酰胺抽提共聚物,試驗結果顯示:澱粉經加熱預處理,澱粉顆粒膨脹或破裂,再於室溫進行接枝反應,對接枝效率無大影響,但接枝鏈的數均分子質量及接枝頻率隨預處理的溫度升高而增加。溶解度高的澱粉所產生的共聚物,水溶解部分為未被接枝的碳水合物,二甲基甲酰胺溶解部分含聚丙烯腈量高,但用離心密度差法處理的結果表明,其中大部分為未被接枝的均聚物。溶解度低的變性澱粉,澱粉顆粒還基本保持原來的結構情況,經過接枝共聚反應後所產生的共聚物基本與原澱粉所得的共聚物相同,但接枝鏈的數均分子質量較高,接枝頻率較低,未接枝均聚物的生成量較高。
2.水溶性高分子接枝聚合物
具有水溶液性的高分子共聚物較多,最常見的是澱粉與丙烯酞胺、丙烯酸和幾種氨基取代的陽離子單體接枝共聚,所得共聚物具有熱水分散性,可用作增稠劑、絮凝劑和吸收劑等。
這類聚合物最普通的引發劑是60Co或電子束。在某些情況下高鈰離子的化學引發也是有效的,但接枝效率低。一種大規模的生產工藝是0.3~0.5cm的澱粉薄層,在氮氣的保護下經電子束輻射,然後加到反應釜中,同時加入丙烯酰胺溶液,反應30min,共聚物含丙酰胺的量隨丙烯酰胺與澱粉分子比例增加而提高。分子比1∶1,吸收劑量15~20μGy,所得共聚物含聚丙烯酰胺最高達25%。例如,30份澱粉與400份水調成澱粉乳,升溫到80℃,通氮氣1h,將生成的凝膠冷至30℃,再和1200份甲醇、70份丙烯酰胺、30份硝酸鈰鹽溶液和0.1份的N,N-二甲基雙丙烯酰胺混合,在35℃下攪拌3h,幹燥後得到澱粉-丙烯酰胺接枝共聚物。