268

POLIMERY 2008, 53, nr 4

∗

KATARZYNA WILPISZEWSKA, TADEUSZ SPYCHAJ )

Politechnika Szczeciñska

Instytut Polimerów

ul. Pu³askiego 10

70-322 Szczecin

∗) e-mail: Tadeusz.Spychaj@ps.pl

Chemiczna modyfikacja skrobi na drodze reaktywnego wyt³aczania Streszczenie — Artyku³ stanowi przegl¹d literaturowy, w którym opisano otrzymywanie na drodze reaktywnego wyt³aczania estrowych, eterowych b¹dŸ uretanowych (karbaminianowych) pochodnych skrobi oraz kopolimerów szczepionych a tak¿e skrobi utlenionej i skrobi kationowych; skoncentrowa-no siê przy tym na podstawowych parametrach procesowych (profil temperaturowy, szybkoœæ obrotowa, L/ D). Przedstawiono zalety i ograniczenia metody reaktywnego wyt³aczania w porównaniu z konwencjonalnymi procesami chemicznej modyfikacji skrobi metodami okresowymi oraz scharak-teryzowano w³aœciwoœci uzyskiwanych produktów.

S³owa kluczowe: skrobia, reaktywne wyt³aczanie, chemiczna modyfikacja skrobi.

CHEMICAL MODIFICATION OF STARCH BY REACTIVE EXTRUSION

Summary — A review describes the preparation of various starch derivatives [ester, ether or urethane (carbamate) ones], graft copolymers, oxidized or cationic starch by reactive extrusion. Authors focused on the basic process parameters (temperature profile, rotational speed, L/D ratio). The advantages and limitations of reactive extrusion method in comparison with conventional processes of starch modification were presented. The properties of products obtained were characterized.

Key words: starch, reactive extrusion, chemical modification of starch.

Chemiczna modyfikacja skrobi pozwala na rozsze-

Wykorzystanie wyt³aczarki jako reaktora wi¹¿e siê

rzenie jej mo¿liwoœci aplikacyjnych [1]. Typowe procesy

jednak¿e z licznymi niedogodnoœciami:

modyfikacji skrobi przeprowadza siê w reaktorach pra-

— Ograniczony czas przebywania mieszaniny reak-

cuj¹cych w sposób okresowy. Z ekonomicznego i tech-

cyjnej w cylindrze wyt³aczarki, uprzywilejowuje reakcje

nologicznego punktu widzenia jest jednak najbardziej

zachodz¹ce odpowiednio szybko.

uzasadnione wykorzystywanie metod ci¹g³ych, takich

— W przypadku prowadzenia reakcji silnie egzoter-

jak reaktywne wyt³aczanie, które w jednej ci¹g³ej opera-

micznych pojawia siê trudnoœæ kontrolowania tempera-

cji ³¹cz¹ kilka odrêbnych procesów jednostkowych, np.

tury w cylindrze wyt³aczarki.

plastyfikacjê z chemiczn¹ przemian¹ skrobi [2].

— Efektywny transport mieszaniny reakcyjnej

W porównaniu z metodami konwencjonalnymi (pro-

wzd³u¿ wyt³aczarki staje siê mo¿liwy jedynie wówczas,

wadzonymi np. w reaktorze zbiornikowym) — proces

gdy lepkoœæ materia³u jest odpowiednio du¿a.

reaktywnego wyt³aczania skrobi charakteryzuje siê

— Wyt³aczarki przemys³owe, w porównaniu z labo-

mniejszym udzia³em plastyfikatora [3] oraz krótszym

ratoryjnymi, odznaczaj¹ siê mniejszym stosunkiem po-

czasem reakcji [4]. Dziêki efektywnemu mieszaniu

wierzchni do objêtoœci, co ogranicza odbiór ciep³a kom-

w ca³ym przekroju korpusu wyt³aczarki, modyfikowa-

plikuj¹c przenoszenie wyników uzyskiwanych w skali

ny materia³ polimerowy staje siê bardziej homogenicz-

doœwiadczalnej.

ny, a wzrost lepkoœci uk³adu bêd¹cy wynikiem ¿elowa-

— Zmiana lepkoœci mieszaniny reakcyjnej w trakcie

nia skrobi nie stwarza problemów technologicznych.

procesu mo¿e powodowaæ niestabilnoœæ uk³adu [5].

Do zalet reaktywnego wyt³aczania nale¿y zaliczyæ:

De Graaf i wspó³pr. [6] podali ogólny schemat wp³y-

ci¹g³oœæ procesu, mo¿liwoœæ operowania bardzo lepkimi

wu podstawowych parametrów reaktywnego wyt³acza-

uk³adami, efektywne mieszanie oraz ograniczenie,

nia na przebieg modyfikacji skrobi (rys. 1). Podstawowe

a czasem nawet wyeliminowanie koniecznoœci stosowa-

zmienne zwi¹zane z prac¹ wyt³aczarki to szybkoœæ obro-

nia rozpuszczalnika. Ta ostatnia zaleta, oprócz zmniej-

towa i charakterystyka geometryczna œlimaka, tempera-

szenia kosztów (brak etapu separacji kosztownego za-

tura oraz przepustowoœæ, zwi¹zane zaœ z reakcj¹ s¹ za-

zwyczaj rozpuszczalnika), czyni proces przyjaznym dla

wartoœæ wilgoci oraz iloœæ œrodka modyfikuj¹cego. Na

œrodowiska [5].

pozosta³e czynniki wp³ywaæ mo¿na jedynie poœrednio,

POLIMERY 2008, 53, nr 4

269

Geometryczna charakterystyka

ZawartoϾ wilgoci

PrzepustowoϾ

œlimaka

SzybkoϾ obrotowa

Œcinanie

Temperatura

Stopieñ

z¿elowania

Czas przebywania

Ciœnienie w g³owicy

wyt³aczarskiej

Œrodek modyfikuj¹cy

Stopieñ podstawienia

Rys. 1. Wp³yw parametrów wyt³aczania na przebieg procesu modyfikacji skrobi Fig. 1. Effects of extrusion parameters on the course of the process of starch modification zmieniaj¹c parametry g³ówne [6]. ¯elowanie skrobi w is-kwasowymi (np. chlorkiem kwasu heksanowego [18]

totnym stopniu zale¿y od czasu przebywania materia³u

i dodekanowego [19]). Wiêkszoœæ handlowych estrów

w wyt³aczarce oraz zawartoœci wilgoci.

skrobi cechuje siê niskim stopniem podstawienia ( SP)

Do wyt³aczania skrobi stosuje siê wyt³aczarki zarów-

mieszcz¹cym siê w przedziale 0,01—0,2 [20].

no jedno- [7], jak i dwuœlimakowe [8]. Te ostatnie — bar-

Do najczêœciej stosowanych œrodków fosforyluj¹cych

dziej z³o¿one i kosztowniejsze od jednoœlimakowych —

skrobiê zalicza siê trifosforan sodu (Na5P3O10) i tri(meta-

s¹ jednak czêœciej u¿ywane ze wzglêdu na swe zalety

fosforan sodu) (Na3P3O9) [21]. Rozpuszczalnoœæ i pêcz-

eksploatacyjne, mianowicie efektywny zarówno trans-

nienie w wodzie produktu zale¿¹ m.in. od zawartoœci w

port, jak i mieszanie wyt³aczanego materia³u [8].

nim fosforu (wartoœci SP) [15], ta natomiast roœnie wraz

W dalszej czêœci artyku³u dokonano zwiêz³ego prze-

z temperatur¹ procesu. Skrobie fosforanowe charaktery-

gl¹du procesów chemicznej modyfikacji skrobi metoda-

zuj¹ siê zwiêkszon¹ odpornoœci¹ na retrogradacjê [22].

mi reaktywnego wyt³aczania, przyjmuj¹c jako kryte-

Organiczne estry skrobiowe odznaczaj¹ce siê najko-

rium rodzaj przebiegaj¹cej reakcji chemicznej: konden-

rzystniejszymi w³aœciwoœciami fizykochemicznymi

sacji (pochodne estrowe [9] i eterowe [10]), addycji (po-

otrzymuje siê przy u¿yciu skrobi wysokoamylozowej

chodne uretanowe [11]) lub rodnikowych (kopolimery

[18]. Estrowe pochodne amylozy, w porównaniu z estra-

szczepione skrobi [12] oraz produkty utleniania [13]).

mi amylopektyny, wykazuj¹ lepsze cechy termoplas-

Skrobie jonowe [14] mo¿na natomiast otrzymywaæ b¹dŸ

tyczne [18], a ich hydrofobowoœæ zwiêksza siê wraz

w reakcjach typu rodnikowego, b¹dŸ te¿ w wyniku de-

z d³ugoœci¹ przy³¹czonego ³añcucha alkilowego oraz

rywatyzacji grup hydroksylowych.

stopniem podstawienia [19].

Materia³y skrobiowe przeznaczone do zastosowañ

Reaktywne wyt³aczanie stanowi tak¿e efektywn¹

technicznych, np. do produkcji opakowañ biodegrado-

metodê alternatywn¹ dla konwencjonalnych sposobów

walnych, powinny wykazywaæ odpornoœæ na dzia³anie

otrzymywania bursztynianowych pochodnych skrobi

wody. Jednym z rozwi¹zañ pozwalaj¹cych na uzyskanie

(w zawiesinach: wodnej lub rozpuszczalnika organicz-

takich materia³ów jest chemiczna modyfikacja skrobi za

nego, w obecnoœci NaOH lub NaHCO3 jako katalizato-

pomoc¹ zwi¹zków zawieraj¹cych alkilowe ³añcuchy

ra) o SP > 0,6 z wydajnoœci¹ przekraczaj¹c¹ 80 % [17].

o znacznej hydrofobowoœci oraz grupy reaguj¹ce z gru-

Reakcji acetylowania skrobi za pomoc¹ octanu winy-

pami hydroksylowymi polisacharydu. Z technologicz-

lu towarzyszy niepo¿¹dana hydroliza tego zwi¹zku

nego punktu widzenia uprzywilejowana by³aby tu reak-

oraz powstaj¹cego octanu skrobi [6]. W przypadku ta-

cja addycji, gdy¿ nie towarzyszy jej powstawanie ma³o-

kiej modyfikacji (katalizowanej NaOH), przeprowadza-

cz¹steczkowych produktów ubocznych [11].

nej na drodze reaktywnego wyt³aczania, najistotniej-

szym parametrem okaza³ siê stopieñ z¿elowania skrobi

ESTRY SKROBI

[6], wraz z jego wzrostem roœnie bowiem selektywnoœæ

procesu.

Estrowe pochodne skrobi otrzymuje siê w reakcji

W wyniku reaktywnego wyt³aczania otrzymano

tego polisacharydu z kwasami nieorganicznymi (np.

równie¿ estry skrobi w reakcji z bezwodnikiem kwasu

azotowym) lub ich solami (np. fosforanami sodu [15])

palmitynowego [9]. Reakcjê katalizowano wodorotlen-

albo z kwasami organicznymi (np. octowym) a tak¿e ich

kiem sodu, który ponadto zobojêtnia kwas organiczny

bezwodnikami (np. octowym [16], bursztynowym [17],

tworz¹cy siê podczas estryfikacji. Zaobserwowano, ¿e

propionowym, palmitynowym [16]) b¹dŸ chlorkami

wzrost stê¿enia bezwodnika u¿ytego w procesie wp³y-

270

POLIMERY 2008, 53, nr 4

wa na zmniejszenie wartoœci specyficznej energii mecha-

cych w efekcie wprowadzenia do skrobi w procesie ete-

nicznej, która zale¿y m.in. od lepkoœci wyt³aczanego

ryfikacji rozga³êzieñ w postaci jednostek hydroksypro-

materia³u [23]. D³ugie hydrofobowe ³añcuchy alkilowe

pylenowych przeciwdzia³aj¹cych agregacji ³añcuchów

w kwasie palmitynowym mog¹ spe³niaæ rolê œrodka

polisacharydowych i krystalizacji.

smaruj¹cego pomiêdzy cylindrem wyt³aczarki a lepk¹

mieszanin¹ rozklejonej skrobi. Jednoczeœnie obecnoœæ ta-

kich ³añcuchów przy³¹czonych do skrobi w wyniku

T a b e l a 1. Wp³yw d³ugoœci ³añcucha hydroksyalkilenowego na efektów sterycznych wp³ywa na ograniczenie wzajem-wartoœæ temperatury zeszklenia ( Tg) eterów skrobi [24]

T a b l e 1. Effect of hydroxyalkylene chain length on glass transi-nych oddzia³ywañ pomiêdzy fragmentami polisachary-

tion temperature ( Tg) values of starch ethers [24]

du, zmniejszaj¹c lepkoœæ wyt³aczanego produktu [9].

Liczba atomów C w ³añcuchu ( SP)

Tg

ETERY SKROBI

6 (1,8)

180

12 (0,7)

150

Skutecznym sposobem nadania skrobi charakteru

16 (0,3)

130

hydrofobowego jest wprowadzenie do ³añcuchów poli-

sacharydowych fragmentów hydroksyalkilenowych.

Handlowe etery skrobiowe zawieraj¹ zazwyczaj krótkie

Pomimo istotnych niedogodnoœci procesowych

fragmenty alkilowe ( SP < 0,2) [24]. Ze wzrostem stopnia

[ma³a szybkoœæ prowadzonej w 40 oC reakcji gazowego

podstawienia oraz d³ugoœci ³añcucha hydroksyalkileno-

w tej temperaturze tlenku propylenu (POX) ze skrobi¹]

wego maleje rozpuszczalnoœæ w wodzie eterów skrobio-

w wyniku reaktywnego wyt³aczania otrzymywano jed-

wych, zmianie ulega równie¿ wartoœæ temperatury ze-

nak hydroksypropylenowe pochodne skrobi [10]. Odpo-

szklenia tych eterowych pochodnych (tabela 1) [24].

wiedni dobór parametrów geometrycznych œlimaków,

Zauwa¿ono, ¿e hydroksypropylenowa pochodna

rodzaju wyt³aczarki, warunków wyt³aczania oraz stê¿eñ

skrobi wykazuje niewielk¹ podatnoœæ na retrogradacjê

reagentów pozwala na osi¹gniêcie du¿ej selektywnoœci

[25]. Wynika to z przeszkód przestrzennych powstaj¹-

reakcji i konwersji monomeru (por. tabela 2). Uzyskano

T a b e l a 2. Charakterystyka i podstawowe parametry wybranych procesów chemicznej modyfikacji skrobi metod¹ reaktywnego wyt³aczania

T a b l e 2. Characteristics and basic parameters of selected processes of chemical modification of starch by reactive extrusion Produkty modyfikacji

L/D

SzybkoϾ obrotowa, obr./min

Profil temperaturowy wyt³aczarki, oC

Estry skrobi

bursztyniany [17]

251)

70

60/80/80/80/85

fosforany [15]

301)

250

120/140/160/180

70/96/130/135

[22]

*) 1)

50/200

80/100/135/140

90/102/140/145

Etery skrobi [10]

241)

210—400

80/90/70/80/70

Uretanowe pochodne skrobi [11]

*) 1)

50

60/100/120/130/140

Kopolimery szczepione

skrobia/PAAm [3]

441)

150

80/90/110/100/80

skrobia/PMA [43]

202)

*)

130/140

140/170

skrobia/PAN [12]

*) 2)

400

50—70

80/100/130

80/110/150

skrobia/PS [44]

61)

13—50

80/120/135

80/130/145

Skrobia utleniona [13]

451)

110

88/115/77/71/65/54/48

Skrobia kationowa [14]

361)

100—600

60/80/80/80/80/80/80/80

70/70/70/70/70/70/70/70

[51]

431)

100—400

70/80/80/80/80/80/80/80

70/90/90/90/90/90/90/90

1)

∗

Wyt³aczarka dwuœlimakowa.

2) Wyt³aczarka jednoœlimakowa.

) Nie podano.

POLIMERY 2008, 53, nr 4

271

1,0

w sposób istotny ogranicza rozpuszczalnoœæ produktu

w wodzie [28].

0,8

3

æ

2

Sieciowania skrobi mo¿na unikn¹æ blokuj¹c jedn¹

0,6

1

grupê NCO diizocyjanianu w uprzedniej reakcji z grup¹

0,4

hydroksylow¹, aminow¹ lub karboksylow¹ [34]. W re-

akcjach takich korzystne s¹ izocyjaniany niesymetrycz-

selektywnoœ 0,2

ne, w których ró¿nie usytuowane grupy NCO ró¿ni¹ siê

0

reaktywnoœci¹; np. w toluilenodiizocyjanianach grupa

0

250

500

750

1000

1250

w pozycji 4 jest ok. dziesiêciu razy bardziej reaktywna

3

stê¿enie NaOH, mol/m

od grupy w pozycji 2 [29].

Rys. 2. Zale¿noœæ selektywnoœci reakcji skrobi z POX w kie-

Rozpuszczalniki organiczne wykorzystywane w pro-

runku tworzenia pochodnej hydroksypropylenowej od stê¿enia

cesie modyfikacji skrobi izocyjanianami powinny spe³-

katalizatora (NaOH) w temperaturze: 30 oC (1), 60 oC (2) i 90

niaæ dwa warunki, mianowicie nie mog¹ zawieraæ ak-

oC (3) [10]

tywnego atomu wodoru oraz powinny powodowaæ ¿e-

Fig. 2. Dependence of reaction selectivity of starch with POX

lowanie/plastyfikowanie skrobi [29]. Najczêœciej stosuje

towards hydroxypropylene derivative on catalyst (NaOH)

siê pirydynê, sulfotlenek dimetylowy (DMSO), N-mety-

concentration at temperature: 30 oC (1), 60 oC (2) or 90 oC (3) lopirolidon, dimetyloformamid i dimetyloacetamid.

[10]

Powszechnie wykorzystywany katalizator reakcji

skrobi z izocyjanianem stanowi dilaurynian dibutylocy-

ny (DBTL) [33, 35, 36]; inne czêsto u¿ywane katalizatory

m.in. pochodne o SP 0,06—0,26, z wydajnoœci¹ i selek-

to np. 1,4-diazabicyklo[2.2.2]oktan (DABCO) oraz 4-(di-

tywnoœci¹ reakcji do 95 % oraz konwersj¹ do 91 % [10].

metyloamino)pirydyna (DMAP) [32].

Reakcjê katalizowano NaOH (zwiêkszaniu stê¿enia wo-

Jak ju¿ wspomniano, reakcja skrobi z izocyjanianami

dorotlenku towarzyszy³ wzrost szybkoœci reakcji i kon-

zachodzi nawet w temperaturze pokojowej, jednak jej

wersji, podczas gdy selektywnoœæ mala³a tylko nie-

szybkoœæ znacznie roœnie w temperaturze podwy¿szo-

znacznie). Podwy¿szenie temperatury skutkuje zwiêk-

nej. Stopieñ podstawienia skrobi izocyjanianem fenylu

szeniem konwersji tlenku propylenu a tak¿e selektyw-

w funkcji czasu w warunkach ró¿nej temperatury przed-

noœci reakcji w kierunku tworzenia hydroksypropyleno-

stawia rys. 3 [30].

wej pochodnej skrobi (rys. 2). Nieprzereagowana czêœæ

POX zu¿ywa siê w ubocznej reakcji syntezy glikolu pro-

3

pylenowego. Wed³ug de Graafa i Janssena [10] mo¿na

100oC

uzyskaæ ca³kowit¹ konwersjê POX, co jest istotne

zw³aszcza ze wzglêdów ekonomicznych a tak¿e z powo-

du toksycznego charakteru tego reagenta.

2

80oC

POCHODNE URETANOWE

SP

Skrobiowe pochodne uretanowe (karbaminianowe)

mo¿na otrzymaæ w reakcji skrobi z izocyjanianami [11],

1

60oC

mocznikiem [26] lub jego pochodnymi, np. allilomoczni-

kiem [27].

Reakcja skrobi z izocyjanianem zachodzi ju¿ w tem-

peraturze pokojowej [28]. Proces nale¿y prowadziæ

w œrodowisku bezwodnym poniewa¿ pod wp³ywem

0

1

2

3

4

5

6

7

8

wody nastêpuje przekszta³cenie izocyjanianu w odpo-

t, h

wiedni zwi¹zek mocznikowy. Pierwsze doniesienia lite-

Rys. 3. Zale¿noœæ stopnia podstawienia (SP) skrobi kukury-

raturowe [28—31] dotycz¹ uzyskiwania pochodnych

dzianej od czasu reakcji (t) z izocyjanianem fenylu w warun-

uretanowych skrobi w reakcji z izocyjanianami aroma-

kach ró¿nej temperatury [30]

tycznymi {np. z 2,4-diizocyjanianem toluilenu (TDI) [29]

Fig. 3. Dependence of substitution degree (SP) of corn starch lub izocyjanianem fenylu (PI) [28]}; póŸniej stosowano

on reaction with phenyl isocyanate time (t) at various tempera-tak¿e izocyjaniany alifatyczne (zawieraj¹ce od 4 [32] do

tures [30]

18 atomów wêgla w ³añcuchu [11, 33]) oraz cykloalifa-

tyczne (izocyjanian cykloheksylu [32]). Je¿eli w procesie

u¿yty zostanie diizocyjanian, np. diizocyjanian heksa-

W³aœciwoœci fizykochemiczne alkilowych pochod-

metylenu (HMDI), istnieje mo¿liwoœæ sieciowania ³añ-

nych uretanowych zale¿¹ od stopnia podstawienia oraz

cuchów skrobi. W takim przypadku wprowadzona do

od rodzaju podstawnika (d³ugoœci ³añcucha wêglowo-

skrobi stosunkowo niewielka iloϾ grup uretanowych

dorowego b¹dŸ rodzaju specyficznych ugrupowañ

272

POLIMERY 2008, 53, nr 4

w ³añcuchu, np. estrowych, eterowych, uretanowych,

KOPOLIMERY SZCZEPIONE

mocznikowych) [37]. Dane literaturowe prowadz¹ do

wniosku, ¿e im d³u¿szy jest ³añcuch alifatyczny wpro-

Szczepione kopolimery skrobi otrzymuje siê kon-

wadzony do pochodnej skrobi oraz im wy¿szy jest sto-

wencjonalnie metod¹ okresow¹ w zawiesinie. Wymaga-

pieñ podstawienia, tym cechy hydrofobowe zmodyfiko-

na przy tym wzglêdnie ma³a zawartoœæ w niej czêœci

wanej skrobi s¹ wyraŸniej zaznaczone.

sta³ych (<25 % mas.) i d³ugi wynosz¹cy kilka godzin

Uretanowe pochodne skrobi na ogó³ nie rozpuszczaj¹

czas reakcji [39], utrudniaj¹ prowadzenie procesu ze

siê w wodzie (niektóre z nich jedynie w pewnym stop-

wzglêdu na mo¿liwoœæ powstania lepkiego ¿elu.

niu pêczniej¹) [11, 28, 31]. Wykazuj¹ one tak¿e ograni-

Do uzyskania kopolimerów szczepionych skrobi jest

czon¹ rozpuszczalnoœæ w powszechnie stosowanych

niezbêdne wytworzenie wolnych rodników na ³añcu-

rozpuszczalnikach organicznych [11].

chach polisacharydowych, które mo¿na wtedy trakto-

Zespó³ Engelmanna i wspó³pr. [11] podj¹³ próby

waæ jako makroinicjatory [40]. Powstaj¹ce kopolimery

otrzymania uretanowych pochodnych skrobi grochowej

maj¹ na ogó³ nieliczne rozga³êzienia boczne o du¿ym

(zawartoϾ amylozy ok. 70 % mas. [38]) na drodze reak-

ciê¿arze cz¹steczkowym. Istniej¹ trzy sposoby inicjowa-

tywnego wyt³aczania. Izocyjaniany u¿ywane do mody-

nia kopolimeryzacji szczepionej skrobi: chemiczny, ra-

fikacji uzyskiwano z odpowiednich chlorków kwaso-

diacyjny oraz na drodze mastykacji. Wybór sposobu za-

wych. Wykorzystywana do tego celu wyt³aczarka by³a

le¿y od rodzaju monomeru (szczepionego polimeru)

wyposa¿ona w siedem stref grzejnych o profilu tempe-

oraz oczekiwanych w³aœciwoœci produktu koñcowego

raturowym (od podajnika do dyszy wyt³aczaj¹cej):

[40].

60/100/120/120/130/140/140 oC. Istotny parametr w

Typ inicjatora wp³ywa na parametry procesu wyt³a-

takich uk³adach stanowi zawartoœæ skrobi w mieszani-

czania [4]. Inicjatorem chemicznym, czêsto stosowanym

nie reakcyjnej. Rysunek 4 przedstawia zale¿noœæ stopnia

podczas kopolimeryzacji szczepionej skrobi w skali la-

boratoryjnej,

jest

azotan

cerowo-amonowy

[(NH4)2Ce(NO3)6, CAN]. Tworzy on kompleksy z gru-

pami hydroksylowymi jednostki glikozydowej, a w wy-

1,0

niku ich dysproporcjonowania powstaj¹ wolne rodniki

zdolne do inicjowania reakcji polimeryzacji [4, 41] (sche-

0,8

mat A). Inne u¿ywane inicjatory to m.in. nadsiarczany

0,6

SP 0,4

CH2O*

O

0,2

OH

+ Ce+4 + +H

O

CH2OH

0,0

O

OH

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

OH

+ Ce+4 lub

O

CH2OH

3

stê¿enie skrobi, mol/dm

OH

O

O -H

O

Rys. 4. Wp³yw stê¿enia skrobi plastyfikowanej w uk³adzie

z DMSO na jej stopieñ podstawienia (SP) w reakcji z izocyja-

OH

nianami; czas reakcji 4 min, teoretyczna wartoϾ SP = 2 [11]

Ce(IV)

Fig. 4. Effect of concentration of plastified starch in DMSO

kompleks

system on its substitution degree (SP) in the reaction with

isocyanates; reaction time 4 min, theoretical value of SP = 2

CH2OH

CH2OH

[11]

O

O

OH

H

lub

H

H

O

O

C*

C

C

*C

H

O

O

OH

podstawienia pochodnej uretanowej od stê¿enia skrobi

+ Ce+4 + +H

w plastyfikatorze (DMSO) [11]. Jak widaæ, wzrost stê¿e-

nia skrobi w uk³adzie reakcyjnym powoduje spadek wy-

Schemat A. Inicjowanie reakcji kopolimeryzacji szczepionej

dajnoœci reakcji. Fakt ten mo¿na t³umaczyæ zmniejsze-

skrobi jonami ceru(IV) [40]

niem udzia³u reaktywnych solwatowanych grup hyd-

Scheme A. Initiation of starch graft copolymerization with ce-roksylowych wchodz¹cych w reakcjê addycji z grupami

rium (IV) ions [40]

izocyjanianowymi. Ze wzglêdu na problemy technolo-

giczne (ma³a lepkoœæ monoizocyjanianów oraz nieefek-

tywne mieszanie) na drodze reaktywnego wyt³aczania

[potasu K2S2O8 lub amonu (NH4)2S2O8] [3], uk³ad re-

otrzymano polimery skrobiowo-uretanowe o niskim

doks Fentona [siarczan ¿elazowo(II)-amonowy/H2O2

stopniu podstawienia (0,02, teoretyczna wartoϾ SP =

(FAS)] [4] oraz KMnO4 w obecnoœci kwasu cytrynowego

0,5) [11].

[42].

POLIMERY 2008, 53, nr 4

273

Do najczêœciej otrzymywanych na drodze reaktyw-

49 % mas. Kopolimer uzyskany w wyniku wyt³aczania

nego wyt³aczania kopolimerów szczepionych skrobi za-

charakteryzowa³ siê wy¿szym stopniem szczepienia

licza siê uk³ady z poliakryloamidem (PAAm) [3, 4, 39],

oraz mniejszym ciê¿arem cz¹steczkowym szczepionych

poliakrylonitrylem (PAN) [11], poli(akrylanem metylu)

rozga³êzieñ PAN [12].

(PMA) [43] i polistyrenem (PS) [40]. W procesie syntezy

W procesie reaktywnego wyt³aczania jest mo¿liwe

kopolimerów skrobia/PAAm du¿o efektywniejszymi

tak¿e wytwarzanie bardziej hydrofobowych kopolime-

inicjatorami od CAN — konwersja ok. 15 %, wydajnoœæ

rów szczepionych, np. skrobia/polistyren. Zauwa¿ono,

szczepienia ok. 25 % [4] — okaza³y siê: (NH4)2S2O8 (od-

¿e zwiêkszenie szybkoœci obrotowej œlimaków nie po-

powiednia wartoϾ ok. 85 % i ok. 60 %) [2] oraz FAS (ok.

woduje istotnej zmiany konwersji monomeru [44]. Fakt

80 % i ok. 50 % [4]). Porównuj¹c wyniki po inicjacji

ten zaskakuje, gdy¿ skrócenie czasu przebywania mie-

wspomnianym uk³adem redoks z wynikami procesu

szaniny reaktywnej w wyt³aczarce powinno raczej wy-

inicjowanego nadsiarczanem amonu stwierdzono, ¿e

wo³aæ spadek stopnia przereagowania monomeru. Ob-

ten ostatni pozwala na otrzymanie kopolimerów

serwowan¹ sprzecznoœæ autorzy t³umacz¹ równowag¹

o mniejszej wprawdzie liczbie szczepionych ³añcuchów,

pomiêdzy dwoma przeciwstawnymi zjawiskami bêd¹-

lecz charakteryzuj¹cych siê wiêkszym ciê¿arem cz¹s-

cymi konsekwencj¹ zwiêkszenia szybkoœci obrotowej

teczkowym [4]. Mo¿e to byæ skutkiem nieobecnoœci

œlimaków, mianowicie skróceniem czasu reakcji (krótszy

jonów Fe3+, efektywnie powoduj¹cych terminacjê poli-

czas przebywania) oraz zwiêkszeniem efektywnoœci

meryzacji rodnikowej.

mieszania, a tym samym rozwiniêciem powierzchni ze-

Na w³aœciwoœci kopolimerów skrobia/PAAm uzys-

tkniêcia miêdzy faz¹ wodn¹ (zawieraj¹c¹ zdyspergowa-

kiwanych na drodze reaktywnego wyt³aczania istotny

n¹ skrobiê oraz rozpuszczony inicjator — K2S2O8) a faz¹

wp³yw wywiera stosunek masowy sk³adników mono-

styrenow¹ [44]. Wiêksza liczba wolnych rodników jest

mer/skrobia oraz zawartoœæ wilgoci. Zwiêkszanie war-

wówczas zdolna do inicjowania polimeryzacji, co pro-

toœci tego stosunku powoduje wzrost udzia³u szczepio-

wadzi do wiêkszej konwersji. Górny zakres temperatu-

nego PAAm o wiêkszym ciê¿arze cz¹steczkowym, ros-

rowy wyt³aczarki wynosi 130 oC, poniewa¿ temperatura

n¹ca zaœ zawartoœæ wilgoci skutkuje wiêksz¹ liczb¹ roz-

ta odpowiada ca³kowitemu ju¿ rozk³adowi Ÿród³a rod-

ga³êzieñ o mniejszym ciê¿arze cz¹steczkowym oraz ma-

ników — inicjatora.

lej¹cymi: konwersj¹ i wydajnoœci¹ szczepienia [3].

Konwersja monomeru zwiêksza siê ze wzrostem

SKROBIA UTLENIONA

szybkoœci zasilania wyt³aczarki dwuœlimakowej (w wa-

runkach stosunku masowego skrobia/akryloamid 5:1)

Utlenianie skrobi ma na celu zmniejszenie ciê¿aru

[2]. Parametry procesu reaktywnego wyt³aczania w tym

cz¹steczkowego, co w efekcie u³atwia rozpuszczalnoœæ

uk³adzie oraz w przypadku innych uk³adów omawia-

produktu w wodzie [13]. W wyniku utleniania w jedno-

nych w dalszym tekœcie przedstawiono w tabeli 2.

stkach glikozydowych skrobi powstaj¹ grupy karbony-

Inny przyk³ad kopolimeru szczepionego wytwarza-

lowe i karboksylowe w iloœci zale¿nej od rodzaju

nego w wyniku reaktywnego wyt³aczania stanowi

i stê¿enia œrodka utleniaj¹cego, warunków procesu

uk³ad skrobia/poli(akrylan metylu) [43]. W³aœciwoœci

oraz pochodzenia botanicznego skrobi [45]. Utlenianiu

uzyskanych produktów zale¿¹ od zawartoœci ³añcu-

towarzyszy depolimeryzacja polisacharydu, a tak¿e

chów PMA w kopolimerze i wilgoci oraz od temperatu-

zmiana struktury powierzchni granul skrobiowych

ry procesu. Najwiêkszymi wartoœciami wytrzyma³oœci

[46].

na rozci¹ganie i wyd³u¿enia przy zerwaniu charaktery-

Skrobia utleniona ma szerokie zastosowanie w prze-

zowa³ siê kopolimer o najwiêkszym (58 % mas.) udziale

myœle papierniczym (do zaklejania porów papieru,

PMA (wyt³aczany w temp. 180 oC). Elektronowa mikro-

zwiêkszania wytrzyma³oœci na rozerwanie), spo¿yw-

skopia skaningowa wykaza³a, ¿e w produkcie pozosta³y

czym, do sorpcji kationów metali oraz w produkcji œrod-

widoczne granule skrobiowe. Wiêkszy stopieñ rozkleje-

ków adhezyjnych [47].

nia skrobi zaobserwowano w odniesieniu do produktu

Najczêœciej wykorzystywanymi i zarazem najstar-

o 46-proc. udziale PMA; ze wzrostem zawartoœci wilgoci

szymi œrodkami utleniaj¹cymi skrobiê s¹ tlenowe zwi¹z-

z 10 do 30 % mas. iloϾ nierozklejonych ziaren skrobio-

ki chloru; u¿ywa siê tak¿e nadtlenku wodoru, nadsiar-

wych znacznie maleje [43].

czanów oraz dichromianów [13, 15]. Tradycyjnie skrobiê

Yoon i wspó³pr. [12] opisali kopolimery skrobia/PAN

utlenia siê metod¹ okresow¹ w temperaturze pokojowej,

otrzymane b¹dŸ na drodze reaktywnego wyt³aczania,

w warunkach ma³ego stê¿enia œrodka utleniaj¹cego

b¹dŸ te¿ metod¹ okresow¹ w zawiesinie wodnej. Po 7

(<3 % mas.). W toku wydzielania produktu z uk³adu

minutach przebywania mieszaniny w cylindrze wyt³a-

poreakcyjnego (na drodze filtracji i przemywania wod¹)

czarki dwuœlimakowej zawartoœæ PAN w produkcie wy-

jego czêœæ rozpuszcza siê w wodzie zwiêkszaj¹c straty

nosi³a 42 % mas. (w odniesieniu do pocz¹tkowego rów-

produkcyjne. Istotnym parametrem procesu jest wartoϾ

nowagowego stosunku skrobia/akrylonitryl). Dla po-

pH uk³adu: znaczn¹ degradacjê polisacharydu obserwo-

równania, po 2 h prowadzenia procesu okresowego

wano wówczas, gdy pH > 7, a w œrodowisku o pH < 5

udzia³ szczepionego PAN w mieszaninie by³ równy

proces przebiega z niewielk¹ wydajnoœci¹.

274

POLIMERY 2008, 53, nr 4

W porównaniu z konwencjonalnym utlenianiem

(wydajnoœæ reakcji roœnie ze wzrostem temperatury

skrobi reaktywne wyt³aczanie jest metod¹ szybsz¹ oraz

w badanym zakresie 100—140 oC) [14, 51, 52]. W opty-

wielokrotnie tañsz¹ (0,43 USD/kg i 4,5 USD/kg metod¹

malnych warunkach procesu wyt³aczania (por. tabela 2)

okresow¹) [13].

uzyskano skrobiê kationow¹ z wydajnoœci¹ 90 % z za³o-

Wing i Willett [13] do utleniania skrobi na drodze

¿on¹ wartoœci¹ SP = 0,01.

reaktywnego wyt³aczania u¿yli korotacyjnej wyt³aczarki

dwuœlimakowej. Zawartoœæ wilgoci podczas wyt³acza-

WNIOSKI

nia wynosi³a ok. 40 % mas., katalizatorami by³y nadtle-

nek wodoru, siarczan miedzi oraz siarczan ¿elaza a czas

Wyt³aczanie reaktywne stanowi korzystn¹ technolo-

przebywania wynosi³ 80—90 s. Parametry wyt³aczania

gicznie alternatywê dla wielu stosowanych dotychczas

przedstawiono w tabeli 2. Zwiêkszanie iloœci stosowane-

okresowych, tradycyjnych metod otrzymywania che-

go H2O2 powodowa³o wzrost zawartoœci grup karbony-

micznie modyfikowanej skrobi. Aby jednak w pe³ni wy-

lowych i karboksylowych w produkcie, podczas gdy

korzystaæ mo¿liwoœci tej techniki nale¿y poznaæ wp³yw

zwiêkszeniu udzia³u amylozy w skrobi towarzyszy³a

rodzaju i udzia³u czynników modyfikuj¹cych okreœlaj¹-

mniejsza jego rozpuszczalnoœæ w wodzie. Zauwa¿ono,

cych kinetykê reakcji oraz mechanizmu mieszania jak

¿e w warunkach podobnej iloœci wykorzystywanego

równie¿ parametrów omawianego procesu wyt³aczania

H2O2 zawartoœæ utlenionych grup w wyt³aczanym pro-

na jego przebieg. Odpowiedni dobór warunków mody-

dukcie by³a wiêksza ni¿ w przypadku procesu okreso-

fikacji umo¿liwi³by wtedy realizacjê stabilnego procesu

wego, w którym zachowana zosta³a ziarnista struktura

wyt³aczania reaktywnego oraz uzyskiwanie produktów

skrobi [13]. Lepkoœæ wodnych roztworów skrobi utlenio-

o optymalnych cechach u¿ytkowych, ekonomicznie bar-

nej wskazuje tu na znaczn¹ degradacjê ³añcuchów skro-

dziej op³acalnych ni¿ produkty wytwarzane w konwen-

bi wyjœciowej.

cjonalnych procesach szar¿owych.

SKROBIE KATIONOWE

LITERATURA

Skrobie kationowe znajduj¹ zastosowanie m.in.

[1] Fiedorowicz M., Kapuœniak J., Karolczyk-Kostuch

w przemyœle w³ókienniczym (zw³aszcza ze wzglêdu na

S., Khachatrym G., Kowalski S., Para A., Sikora M., Sta-

specyficzne oddzia³ywanie z w³óknami celulozowymi),

roszczyk H., Szymañska J., Tomasik P.: Polimery 2006, 51, papierniczym, klejowym oraz jako flokulanty zawiesin

517. [2] Willett J. L., Finkenstadt V. L.: Polym. Eng. Sci.

organicznych i nieorganicznych [48, 49]. Otrzymuje siê

2003, 43, 1666. [3] Willett J. L., Finkenstadt V. L.: Macro-je w reakcji skrobi ze zwi¹zkami kationogennymi lub

mol. Chem. Phys. 2005, 206, 1648. [4] Willett J. L., Finken-kationowymi, tj. zawieraj¹cymi grupy aminowe, amo-

stadt V. L.: J. Appl. Polym. Sci. 2006, 99, 52. [5] Janssen L.

niowe, sulfoniowe lub fosfoniowe.

P. B. M.: „Reactive extrusion systems”, Marcel Dekker,

Procesowi modyfikacji równie¿ w tym przypadku to-

New York 2004. [6] de Graaf R. A., Broekroelofs A., Jans-

warzyszy degradacja skrobi [50]. Stopieñ podstawienia

sen L. P. B. M.: Starch 1998, 50, 198. [7] Chuang G. Ch.-

kationowych skrobi przemys³owych mieœci siê zazwy-

Ch., Yeh A.-I.: J. Food Eng. 2004, 63, 21. [8] Akdogan H.: czaj w przedziale 0,01—0,15 [48]. Wad¹ metod konwen-Food Res. Int. 1996, 29, 423. [9] Miladinov V. D., Hanna M.

cjonalnych (okresowych) wykorzystywanych do otrzy-

A.: Ind. Crops Prod. 2000, 11, 51. [10] de Graaf R. A., Jans-mywania skrobi kationowych jest niewielka wydajnoϾ

sen L. P. B. M.: Adv. Polym. Technol. 2003, 22, 56.

procesu i zwi¹zana z tym koniecznoœæ usuwania nie-

[11] Engelmann G., Bonatz E., Bechthold I., Rafler G.:

przereagowanych reagentów [14]. Wyt³aczanie reaktyw-

Starch 2001, 53, 560. [12] Yoon K. J., Carr M. E., Bagley E.

ne pozwala na uzyskiwanie skrobi kationowej w sposób

B.: J. Appl. Polym. Sci. 1992, 45, 1093. [13] Wing R. E., ci¹g³y, eliminuj¹cy czêœæ wspomnianych powy¿ej wad.

Willett J. L.: Ind. Crops Prod. 1997, 7, 45. [14] Tara A., Berzin i Tighzert ze wspó³pr. [48] opracowali model,

Berzin F., Tighzert L., Vergnes B.: J. Appl. Polym. Sci. 2004, który pozwala na przewidywanie z du¿¹ dok³adnoœci¹

93, 201. [15] Kim Ch.-T., Shih F. F., Daigle K.: Starch 1999, przebiegu reakcji skrobi ze zwi¹zkiem epoksydowym

51, 280. [16] Miladinov V. D., Hanna M. A.: Ind. Crops (wobec NaOH jako katalizatora) wzd³u¿ cylindra wyt³a-Prod. 2000, 11, 51. [17] Rudnik E., ¯ukowska E.: Polimery czarki. Stwierdzono, ¿e istotny wp³yw na proces wywie-2004, 49, 132. [18] Sagar A. D., Merrill E. W.: J. Appl.

raj¹ nastêpuj¹ce czynniki: miejsce dozowania reagentów

Polym. Sci. 1995, 58, 1647. [19] Aburto J., Alric I., Thie-

(reakcja rozpoczyna siê zaraz po umieszczeniu reagen-

baud S., Borredon E., Bikiaris D., Prinos J., Panayiotou

tów w wyt³aczarce), szybkoœæ obrotowa œlimaków (naj-

C.: J. Appl. Polym. Sci. 1999, 74, 1440. [20] Heinze T., Tala-wiêksza wydajnoœæ odpowiada 400 obr./min), czas

ba P., Heinze U.: Carboh. Polym. 2000, 42, 411.

przebywania mieszaniny reakcyjnej w wyt³aczarce (sto-

[21] Seker M., Sadikoglu H., Ozdemir M., Hanna M.

pieñ podstawienia SP roœnie z czasem przebywania),

A.: J. Food Eng. 2003, 59, 355. [22] Landerito N. A., Wang szybkoœæ zasilania ( SP zmniejsza siê ze wzrostem tej

Y. J.: Cereal Chem. 2005, 82, 271. [23] Wilpiszewska K., zmiennej, co mo¿na t³umaczyæ krótszym czasem prze-Spychaj T.: Polimery 2006, 51, 325. [24] Funke U., Lind-bywania materia³u w wyt³aczarce) oraz temperatura

hauer M. G.: Starch 2001, 53, 547. [25] Perera C., Hoover

POLIMERY 2008, 53, nr 4

275

R.: Food Chem. 1999, 64, 361. [26] Khalil M. I., Farag S.,

[41] Brzozowski Z. K., Noniewicz K.: Polimery 1993,

Aly A. A., Hebeish A.: Carboh. Polym. 2002, 48, 255. [27]

38, 8. [42] Mostafa K. M.: Polym. Degrad. Stab. 1995, 50, Olivier A., Cazaux F., Coqueret X.: Biomacromolecules

189. [43] Trimnell D., Swanson C. L., Shogren R. L., Fanta

2001, 2, 1260. [28] Pat. USA 2 562 978 (1951). [29] Pat.

G. F.: J. Appl. Polym. Sci. 1993, 48, 1665. [44] de Graaf R.

USA 3 065 223 (1962). [30] Wolff I. A., Watson P. R., Rist A., Janssen L. P. B. M.: Polym. Eng. Sci. 2000, 40, 2086. [45]

C. E.: J. Am. Chem. Soc. 1951, 74, 3061.

Pietrzyk S.: Electr. J. Pol. Agr. Universities 2005, 8, art. 23

[31] Wolff I.A., Watson P. R., Rist C. E.: J. Am. Chem.

www.ejpau.media.pl/volume8/issue2/art-23.html. [46]

Soc. 1953, 76, 757. [32] Zg³osz. Pat. RFN 10 129 312 (2002).

Zhu Q., Sjoholm R., Nurmi K., Bertoft E.: Carboh. Res.

[33] Zg³osz. Pat. RFN 4 338 152 (1995). [34] Spychaj T., 1998, 309, 213. [47] Kweon D. K., Choi J. K., Kim E. K.,

Wilpiszewska K., Spychaj S.: w pracy zbiorowej: „Engi-

Lim S. T.: Carboh. Polym. 2001, 46, 171. [48] Tara A., Be-neering biopolymers: homopolymers, blends and com-

rzin F., Tighzert L., Vergnes B.: „40th World Polymer

posites” (red. Fakirov S.), Hanser Publ., Munich 2007,

Congress IUPAC Macro2004”, Pary¿, mat. konf. str. 58.

pp. 155—191. [35] Ha S., Broecker H. C.: Polymer 2002,

[49] Haack V., Heinze T., Oelmeyer G., Kulicke W. M.:

43, 5227. [36] Carvalho A. J. F., Curvelo A. A. S., Gandini Macromol. Mater. Eng. 2002, 287, 495. [50] Radosta S., Vor-A: Ind. Crops Prod. 2005, 21, 331. [37] Wilpiszewska K., werg W., Ebert A., Begli A. H., Grulc D., Wastyn M.:

Spychaj T.: Carboh. Polym. 2007, 70, 334. [38] Gerard C., Starch 2004, 56, 277.

Barron C., Colonna P., Planchot V.: Carboh. Polym. 2001,

[51] Carr M. E.: J. Appl. Polym. Sci. 1994, 54, 1855. [52]

44, 19. [39] Willett J. L., Finkenstadt V. L.: „ANTEC”

Ayoub A., Berzin F., Tighzert L., Bilard C.: Starch 2004, 2004, mat. konf. str. 336. [40] Chinnaswamy R., Hanna

56, 513.

M. A.: Starch 1991, 43, 396.

Otrzymano 7 II 2007 r.

W kolejnym zeszycie uka¿¹ siê m.in. nastêpuj¹ce artyku³y:

— D³ugo³añcuchowe rozga³êzione polipropyleny otrzymane w wyniku kopolimeryzacji wobec katalizatorów metalocenowych ( j. ang.)

— Funkcjonalizacja poliolefin w wyniku kopolimeryzacji etylenu (propylenu) z podstawionym nor-bornenem ( j. ang.)

— Tytanowo-magnezowe katalizatory w polimeryzacji olefin — wp³yw stopnia utleniania atomu tyta-nu na w³aœciwoœci katalityczne ( j. ang.)

— Badanie polimeryzacji propylenu wobec cyrkonocenów Ph2CCpFluZrCl2 i rac-Me2Si(2-Me,4-

-PhInd)2ZrCl2 aktywowanych uk³adem kokatalizatorów MAO/TIBA ( j. ang.)

— Salenowe kompleksy metali jako katalizatory polimeryzacji etylenu — wp³yw sk³adu katalizatora na jego aktywnoœæ i na w³aœciwoœci produktów polimeryzacji ( j. ang.)

— Chloroglinianowe ciecze jonowe jako œrodowisko polimeryzacji etylenu prowadzonej wobec katalizatora tytanocenowego aktywowanego zwi¹zkami glinoorganicznymi ( j. ang.)

— Kationowa oligomeryzacja α-hydroksy-γ-butyrolaktonu

— Badania toksycznoœci produktów degradacji poliestru „Bionolle®”

— Konstrukcja osiowo-symetrycznych wytworów polimerowych o kszta³tach z³o¿onych