高分子材料学-淀粉的应用与合成.ppt

淀粉Starch 2 淀粉的来源淀粉的结构 化学结构 颗粒结构 结晶结构 淀粉的糊化淀粉的改性 物理改性 化学改性 淀粉的功能化 全淀粉塑料淀粉共混与复合材料 主要内容 3 淀粉的基本特性 是由许多葡萄糖分子脱水聚合而成的一种高分子碳水化合物 carbohydrates 分子式为 C6H10O5 n 广泛存在于植物的茎 块根和种子中 为无色无味的颗粒 无还原性 不溶于一般有机溶剂 各种淀粉的n值相差较大 其从大到小的顺序为马铃薯 甘薯 木薯 玉米 小麦 绿豆 淀粉在酸作用下加热逐步水解生成糊精 麦芽糖及异麦芽糖 葡萄糖 5 天然淀粉的来源 广泛存在于高等植物的根 块茎 籽粒 髓 果实 叶子等我国目前所利用的淀粉中80 玉米淀粉14 木薯淀粉6 其他薯类 马铃薯 甘薯 谷类淀粉 小麦 大米 高梁淀粉 野生植物淀粉 木薯cassava 7 淀粉的化学结构与性质 直链淀粉与支链淀粉 淀粉的颗粒结构淀粉的物理性状 淀粉的结构与性质 8 6CO2 6H2OC6H12O6 6O2 日光叶绿素 葡萄糖的合成反应 葡萄糖的分子结构式 9 H2O 麦芽糖 葡萄糖 1 4 葡萄糖苷 葡萄糖 形成糖苷反应 10 淀粉是由直链结构和支链结构的淀粉组成 amylose 直链淀粉amylopectin 支链淀粉 淀粉的化学结构与性质 11 由D 葡萄糖残基通过 1 4糖苷键连接成的一条长链 1 直链淀粉amylose 直链淀粉的螺旋链结构 直链淀粉是捲曲成螺旋状的葡萄糖长链 每6个葡萄糖单元组成螺旋的一个螺距 在螺旋内部只有氢原子 羟基位于螺旋外侧 螺旋结构的内腔表面呈疏水性 螺旋结构由分子内的氢键维持 直链淀粉一般也存在微量的支化现象 分支点是 1 6 D 糖苷键连接 平均每180 320个葡萄糖单元有一个支链 分支点 1 6 D 糖苷键占总糖苷键的0 3 0 5 13 直链淀粉遇碘的显色反应 深蓝色 螺旋管状内径恰可允许碘分子进入 直链淀粉遇碘时 碘分子便钻入管内呈链状排列 会吸引很多自由电子 由于分子间作用力形成复合物改变了原来碘的颜色而变蓝 加热至沸时淀粉的螺旋结构完全破坏 蓝色便消失 14 直链淀粉的主要性质 聚合度为1000 4000 分子量为160 000 600 000易溶于温水 水溶液黏度较小 溶液不稳定 静置后可析出沉淀遇碘变蓝 15 2 支链淀粉amylopectin 16 支链淀粉是有数千个D 葡萄糖残基中一部分通过 1 4糖苷键连接成的一条长链为主链 再通过 1 6糖苷键与由20 25个D 葡萄糖残基构成的短链相连形成支链 支链上每隔6 7个D 葡萄糖残基形成分支 呈树状分支结构 主链 支链均呈螺旋状 各自均为长短不一的小直链 直链淀粉的相对分子质量一般为105 106 流体流体力学半径为7 22nm 支链淀粉的相对分子质量为107 109 但流体力学半径仅为21 75nm 呈现高密度线团构象 17 支链淀粉遇碘的显色反应 红紫色 直链在40个D 葡萄糖残基以上者与碘变蓝 以下者则变红棕或黄色 糯米淀粉中支链淀粉占70 80 30 20 为直链淀粉 碘钻入长短不一的螺旋卷曲管内显出不同颜色 支链淀粉遇碘变紫色正是兰 红混合色 18 支链淀粉的主要特性 聚合度为1 000 3 000 000支链淀粉平均聚合度高达100万以上 相对分子质量在2亿以上 是天然高分子化合物中相对分子质量最大的 难溶于水 只有在加热条件下 才能溶于水 形成粘滞糊精遇碘变成红紫色 19 不同品种淀粉的直链淀粉含量 20 淀粉的颗粒结构与物理性状 不同的淀粉品种 呈现不同的颗粒形状和颗粒尺寸 21 不同的植物储藏的淀粉颗粒有不同的形式 玉米淀粉 马铃薯淀粉 小麦淀粉 豌豆淀粉 Cornstarch Potatostarch X 射线衍射和偏光显微镜观察表明 淀粉颗粒内部具有结晶结构 并且结晶结构占颗粒体积的25 50 偏光显微镜 呈现 十 字消光图样 PotatoStarchUnderPolarizedLightPLM CornStarchUnderPolarizedLightPLM 25 A B 和Vh 型淀粉的X射线衍射图谱 26 27 Schematicviewofthestructureofastarchgranule withalternatingamorphousandsemi crystallinezonesconstitutingthegrowthrings 28 淀粉颗粒的组织结构 淀粉颗粒具有类似洋葱的环层结构 有的可以看到明显的环纹和轮纹 各环层共同围绕的一点称为粒心或核 直链淀粉分子和支链淀粉分子的侧链都是直链 趋向平行排列 相邻羟基间经氢键结合成散射状结晶 束 的结构 可将它看成双螺旋结构 淀粉晶束之间的区域分子排列较杂乱 形成无定形区 支链淀粉分子庞大 可以穿过多个晶区和无定形区 为淀粉颗粒结构起到骨架作用 29 淀粉糊化和溶解 糊化是淀粉的基本特性之一 将淀粉倒入热水中 淀粉颗粒吸水受热膨胀 继续加热 淀粉颗粒高度膨胀 当加热到一定温度时 淀粉变成具有黏性的半透明凝胶或胶体溶液 称为淀粉糊 这种现象称为糊化或淀粉的 化 此时淀粉称为 淀粉 淀粉的糊化过程是淀粉分子间的氢键断裂 晶体结构解体的过程 胶体体系的性质主要取决于颗粒结构 直链或支链淀粉的含量及其性质 30 淀粉糊化的三个阶段 第一阶段 加热初期 低于50 颗粒吸收少量水分 体积轻度膨胀 颗粒表面变软并逐渐发黏 但没有溶解 水溶液黏度也没有增加 此时若脱水干燥后仍为颗粒状态 第二阶段 温度升高到一定阶段 如65 颗粒急剧膨胀 表面黏度大大提高 并有少量淀粉溶于水中 溶液的黏度开始上升 此时的温度称为淀粉糊化的开始温度 第三阶段 温度继续上升至80 以上 淀粉颗粒增大到数百倍甚至上千倍 大部分淀粉颗粒逐渐消失 体系黏度逐渐升高 最后变成透明或半透明淀粉胶体 此时淀粉完全糊化 32 淀粉的糊化性质 淀粉的糊化性质主要包括 1 糊化温度 2 溶解度 3 临界浓度 33 虽然单颗淀粉颗粒的发生糊化的温度范围很窄 但是由于淀粉体系本身的结构比较复杂 颗粒结构的差异 直链淀粉与支链淀粉的含量不同 分子量分布 晶型多样 稀释剂 如水 含量不同等导致大量淀粉颗粒的糊化温度相对较宽 糊化温度可以用热台偏光显微镜或旋转式粘度计测得 1 糊化温度 34 热台偏光显微法是利用糊化过程中淀粉晶体结构被破坏来测定糊化温度 将淀粉颗粒稀释于水中 滴于载波片上 置于偏光显微镜的加热台 缓慢升温 观察淀粉颗粒偏光十字的变化情况 当有的颗粒亮区开始减少 便表明淀粉糊化开始发生 当约98 的颗粒中偏光十字现象消失 表明淀粉糊化完成 旋转式粘度法是利用淀粉开始糊化时 体系的粘度也随之上升来测得糊化温度 用外筒旋转式粘度仪按一定速度 1 5 C min 对淀粉悬浮液进行加热 通过扭矩的变化可以测定淀粉糊粘度的变化 随着温度升高 淀粉颗粒开始膨胀 粘度随着上升 粘度快速上升时的温度即为糊化温度 35 测试淀粉糊化的装置示意图 溶液透明度的变化可以反映淀粉的糊化程度 36 淀粉的糊化温度 C 37 淀粉产品的溶解度是指在一定温度下 如95 C 在水中加热30min后 淀粉分子的溶解质量百分比 临界浓度指淀粉在95 C 100mL水中形成均一而不含有游离水的糊所需要的淀粉干基质量 2 溶解度 3 临界浓度 38 天然淀粉的糊化特性 39 淀粉糊的基本性质 淀粉糊的基本性质包括 1 淀粉糊的粘度 2 淀粉糊的热稳定性 3 淀粉糊的黏韧性 4 淀粉糊的透明度 5 淀粉糊的抗剪切稳定性 6 淀粉糊的凝沉性这些性质可以衡量淀粉的实际应用性能的优劣 40 1 淀粉糊的粘度一般 采用外筒旋转式粘度仪测定淀粉糊的粘度 马铃薯淀粉糊的粘度非常高 玉米淀粉和小麦淀粉的粘度低得多 2 淀粉糊的热稳定性利用Brabender粘度测定仪可以方便地测定淀粉糊化时的粘度变化曲线 一般 马铃薯淀粉在较低温度下就开始糊化 胶体粘度急速上升 很快就达到粘度最大值 然后又快速降低 表现出热力学的不稳定性 41 用在95oC下继续保留1h的粘度降低程度来表示淀粉胶体的热稳定性 用在50oC下保温1h的粘度升高表示淀粉胶体的凝沉性强弱 BU BrabenderUnites粘度测定 一种外筒旋转形粘度仪按一定速度 1 5oC min 加热或冷却淀粉悬浮的同时 通过扭矩的变化来测定淀粉粘度的变化 42 3 淀粉糊的抗剪切稳定性淀粉糊的抗剪切稳定性取决于淀粉颗粒的强度 马铃薯淀粉糊化膨胀能力最大 糊的粘度上升快 糊的粘度高 但继续搅拌受热后 其粘度迅速降低 这是因为膨胀颗粒强度低 搅拌剪切作用下颗粒易于碎裂 抗剪切稳定性较差 玉米淀粉颗粒较小 膨胀较小 强度高 抗剪切力大 糊热粘稳定性较高 且玉米淀粉中较高含量的脂类化合物易于直链淀粉形成络合结构 对颗粒膨胀起到抑制作用 若除去脂类化合物 可以使玉米淀粉膨胀自由 43 4 淀粉糊的黏韧性可用糊丝的长短来判断 糊丝较长 挺拔 不易断开 表明黏韧性较好 若糊丝较短 疲软 易断 则黏韧性较低 一般 马铃薯淀粉糊粘稠而有粘结力 玉米和小麦淀粉糊的糊丝短而软 黏韧性较低 5 淀粉糊的透明度与淀粉种类有关 不同种类淀粉糊化后其透明度一般为 马铃薯淀粉糊 黏玉米和木薯淀粉糊 普通玉米和小麦淀粉糊 44 6 淀粉糊的凝沉性淀粉糊在低温下放置一段时间后 溶解的淀粉分子链间趋于平行排列 经氢键结合成结晶结构 由于淀粉晶体不溶于水 因此体系会逐渐变混浊 有白色沉淀析出 胶体结构遭到破坏 这种现象称为淀粉糊的凝沉 也称退减 老化或 化 此时 溶解 分散 无定形的淀粉糊已经转变成不溶 聚合物结晶的淀粉 若要令其重新溶解 需加热到100 160 C 低温和高浓度都会促使凝沉现象发生 通常用在50 C下保温1h的粘度升高程度来表征淀粉胶体的凝沉性 45 影响凝沉性的因素 淀粉分子结构 脂类化合物含量 淀粉糊浓度以及温度 支链淀粉分子链中含有大量支叉结构 不易发生凝沉 直链淀粉则很容易发生凝沉现象 且与相对分子质量有很大关系 聚合度在100 200间的淀粉分子容易发生凝沉 凝沉速度最快 淀粉颗粒中脂类化合物含量较高时会促进凝沉现象的发生 淀粉糊浓度较高和温度较低时容易发生凝沉 对天然淀粉进行化学改性 在淀粉分子链中引入离子基团 通过离子间同类电荷的排斥效应来抑制分子间氢键的形成 从而使变性淀粉的凝沉现象大大低于天然淀粉 淀粉的改性 1 淀粉的物理改性方法预糊化淀粉淀粉的机械活化淀粉的细微粉化2 淀粉的化学方法改性酸变性淀粉淀粉的酯化淀粉的醚化淀粉的氧化接枝共聚淀粉交联淀粉 3 淀粉的功能化淀粉微球微孔淀粉纳米淀粉微晶淀粉泡沫材料4 全淀粉塑料5 淀粉共混与复合材料与合成聚合物共混与天然高分子材料共混与填料进行复合 47 淀粉的物理改性方法 1 预糊化淀粉 预先将淀粉糊化 干燥 磨细 过筛 包装制成商品预糊化淀粉 天然淀粉颗粒中分子间存在许多氢键 当其在水中加热升温时 首先水分子进入颗粒的非结晶区 水分子的水合作用使淀粉分子间的氢键断裂 随着温度上升 当非结晶区的水合作用达到某一极限时 水合作用即发生于结晶区 淀粉即开始糊化 完成水合作用的颗粒已失去了原形 若将完全糊化的淀粉在高温下迅速干燥 将得到氢键仍然断开的 多孔状的 无明显结晶现象的淀粉颗粒 这就是预糊化淀粉 它能在冷水中分散 为区别起见 又称预糊化淀粉为 淀粉 原天然淀粉为 淀粉 48 淀粉糊的基本性质包括 淀粉糊的黏度 黏韧性 透明度 抗剪切稳定性及凝沉性预糊化淀粉的制备方法 滚筒干燥法喷雾干燥法挤压法脉冲喷气法 2 淀粉的机械活化 mechanicalactivation 淀粉具有半结晶的颗粒结构 颗粒内部主要是非晶区域 外层主要为结晶区域 结晶区占颗粒体积的25 50 分子链排列规整 结构紧密 难以被化学试剂进攻 化学活性较低 不利于淀粉衍生物的制备 对淀粉进行活化处理 是提高淀粉反应活性 制备高取代度淀粉衍生物的关键 机械活化是指固体颗粒物质在摩擦 碰撞 冲击 剪切等机械力的作用下 物质晶体结构及物化性能发生变化 部分机械能转变成物质的内能 从而引入固体的化学活性增加 淀粉在机械活化过程中 机械力的作用能使其紧密的颗粒表面及结晶结构破坏 结晶度降低 使淀粉理化性质发生显著的变化 使淀粉的化学反应活性显著提高 机械活化后 淀粉的结晶度降低 冷水溶解度和透明度大幅提高 糊粘度下降 并能有效降低淀粉糊的触变性及剪切变稀现象 50 3 淀粉的细微粉化降低淀粉的粒度可使淀粉的比表面积增加 淀粉颗粒表面的羟基基团也随之增多 将淀粉细微粉化 可增加淀粉的反应活性 有利于酯化 醚化等进一步改性 采用现代粉体设备可制备出不同粒度梯度的微细化淀粉 如应用超音速气流粉碎机 筛选适宜的气流速度以及分级机转速 可制备出不同粒度的微细化淀粉 51 天然淀粉经物理 化学 生物等方法处理改变了淀粉分子中的某些D 吡喃葡萄糖单元的化学结构 同时也不同程度地改变了天然淀粉的物理和化学性质 经过这种变性处理的淀粉通称为变性淀粉 淀粉的化学改性方法 52 变性淀粉的制造加工方法可分为物理法 化学法和生物法 以化学法最主要 用化学法变性加工制成的淀粉应用最为广泛 目前 在世界范围内 变性淀粉的加工方法为 化学法80 物理法14 生物法6 在我国 72 20 8 53 几个基本概念1 取代度 degreeofsubstitution DS 取代度指每个D 吡喃葡萄糖基中被取代的平均基数 淀粉衍生物都以取代度表示取代程度 淀粉中大多数葡萄糖基中有3个可被取代的羟基 所以淀粉DS的最大值为3 162 100Mr Mr 1 式中 取代物质量分数 Mr 取代物相对分子质量 无论是单体还是聚合体都按整体计算 DS 54 2 单体转化率 单体转化为合成高分子 包括未接到淀粉分子上的高分子 的量占投入单体总量的百分比 反映了单体的利用率 3 接枝百分率 接枝到淀粉分子上的单体总量占整个淀粉接着共聚物总量的百分比 反映了接枝共聚物分子的大小和合成高分子占接枝共聚物分子的比例 4 接枝频率 淀粉分子上形成的接枝链之间的平均葡萄糖单位数量 反映了接枝点的密度和接枝链的相对长度 55 几种重要的化学改性方法酸变性淀粉淀粉酯交联淀粉氧化淀粉接枝共聚淀粉 56 天然淀粉在低于其糊化温度下经无机酸处理得到的变性产物 酸变性淀粉 一 生产工艺 57 酸变性淀粉的生产工艺流程 58 1 淀粉乳浓度一般为36 40 2 酸作为催化剂而不参与反应 不同的酸催化作用不同 盐酸最强 其次为硫酸和硝酸 酸的催化作用与酸的用量有关 酸用量大 则反应激烈 3 当温度在40 55 时 粘度变化趋于稳定 因此反应温度一般选在40 55 范围 反应条件 59 二 酸变性淀粉的性质a 酸变性淀粉具有较低的热糊粘度 既有较高的热糊流度 冷热糊粘度比值大于原淀粉 易发生凝沉 b 酸变性淀粉组分的相对分子质量随流度升高而降低 c 随着酸处理程度的增高 淀粉分子减小 碱值逐渐升高 酸解淀粉的特性粘度随流度增加而降低 d 酸解反应在颗粒的表面和无定形区 颗粒仍处于晶体结构 具有偏光十字 60 三 应用1 纺织工业用作经纱浆料 2 建筑工业用于制造无灰浆墙壁结构用的石膏板 3 食品工业用于制造胶姆糖 4 造纸工业用作表面施胶剂 淀粉的酯化 淀粉酯是一类由淀粉分子上的羟基与无机酸或有机酸反应而生成的淀粉衍生物 也称为酯化淀粉 常用的无机酸 硝酸 硫酸 磷酸等常用的有机酸 醋酸 甲酸 丙酸 硬脂酸等淀粉羟基被长链取代后 淀粉分子间氢键大大减弱 使淀粉分子可在较低温度下运动 从而达到降低熔融温度的目的 酯化后的淀粉双螺旋链结构被破坏 更容易被酶进攻 降解性能得到进一步提高 62 1 醋酸酯化淀粉醋酸酯化淀粉又称为乙酰化淀粉或淀粉醋酸酯 是酯化淀粉中最普遍 最重要的一个品种 由于在淀粉分子中引入了乙酰化基团 削弱了分子间的氢键作用 醋酸酯化淀粉具有一定的热塑性 热加工性能好于天然淀粉 63 淀粉醋酸酯 酯化剂主要有醋酸酐 醋酸乙烯 醋酸 Starch OH CH3CO2 2Ostarch O CCH3 CH3COONa H2O NaOH 醋酸酐 乙酐 Starch OH CH2 CHOCHstarch O C CH3 CH3CHO O 醋酸乙烯 Starch OH CH3COOHstarch O C CH3 H2O 醋酸 H 64 醋酸酯化淀粉的取代度分为高 2 3 中 0 3 1 低 0 01 0 2 三个种类 醋酸酯化淀粉的共同特征 糊化温度降低 凝沉性减弱 对酸 热的稳定性提高 糊的稳定性 透明度增加 冻融稳定性好 粘度增大 贮存更加稳定 并具有良好的成膜性 醋酸酯化淀粉的制备主要分为两个步骤 预氧化和乙酰化 原淀粉和醋酸酯化淀粉的SEM照片取代度 a 0 b 0 06 c 1 61 d 2 95 66 预氧化主要发生在淀粉颗粒的无定形区或低结晶区 起到切断甙键 降低聚合度的作用 从而有利于后续变性反应的进行 淀粉经预氧化 可降低浆液粘度 提高粘度热稳定性 常用的氧化剂有 次氯酸钠 氯酸钠 双氧水 溴水等 次氯酸钠的氧化降解作用比较有效 能大幅度降低浆液粘度 提高粘度热稳定性 次氯酸钠分解产生的氧原子具有很强的氧化能力 新生氧原子把羟基氧化成醛基 最后氧化成羧基 67 低取代度醋酸酯淀粉一般以醋酸酐或醋酸乙烯酯作乙酰化试剂 在弱碱性条件下处理悬浊液而得 反应中常用的催化剂是NaOH或Na2CO3 在35 下反应2 3h 反应效率可达70 反应产物经过多次过滤 漂洗 然后烘干或离心脱水 即得高纯度颗粒状醋酸酯淀粉 低取代度的醋酸酯淀粉比原淀粉有更好的稳定性 表现为糊化温度较低 凝沉性降低 同时黏度及透明度提高 成膜性好 形成的薄膜澄明度和光泽都较好 柔软性和伸长性都较高 较易溶于水 68 高取代度醋酸酯化淀粉的制备方法包括非均相法和均相法 非均相法通常是以氢氧化钠溶液 吡啶或无机酸等做催化剂 将活化后的淀粉和醋酸酐混合进行酯化 非均相法的缺点是反应通常会消耗大量酯化试剂 产生大量的副产物 并且产物取代度难以控制 产物性能的均一性也不好 研究新型环境友好的淀粉均相酯化反应介质是人们努力的目标 69 7 玉米淀粉离子液体溶液 在完全溶解的淀粉离子液体中 淀粉可以更迅速地和醋酸酐发生反应 减少反应时间 提高反应速率 节省反应能耗 制备的醋酸酯化淀粉的取代度高 70 2 硫酸酯化淀粉3 磷酸酯化淀粉4 烷基脂肪酸酯化淀粉5 烯基琥珀酸淀粉酯 71 淀粉的醚化 淀粉醚是以天然淀粉为基本原料 经过碱化 醚化反应的产物 其羟基的氢被烃基取代 重要的淀粉醚包括 羧甲基淀粉 羟乙基淀粉 羟丙基淀粉等 72 氧化淀粉 氧化淀粉 淀粉在一定pH和温度下与氧化剂反应所得到的产品 常见的氧化剂 酸性介质氧化剂 硝酸 过氧化氢 高锰酸钾 卤氧酸等 碱性介质氧化剂 碱性次卤酸盐 碱性高锰酸钾 碱性过氧化物 碱性过硫酸盐等 中性介质氧化剂 溴 碘等 73 淀粉中一般有三个类型的基团可以被氧化成羧基和羰基 还原端的醛基和葡萄糖分子中的伯 仲醇羟基 影响淀粉氧化的因素有 氧化剂类型 体系的pH 温度 氧化剂浓度 淀粉的来源和结构 74 原淀粉和醋酸酯化淀粉的SEM照片取代度 a 0 b 0 06 c 1 61 d 2 95 不同氧化剂对淀粉的氧化机理高锰酸钾 氧化反应主要发生在淀粉无定形区的C6上 把伯羟基氧化为醛基 仲羟基不受影响 碳链不断开 高碘酸 一般只发生在C2和C3上 促使C2 C3键断裂 得到双醛淀粉 H2O2 在碱性条件下可以使C6上的伯羟基氧化成羧基 76 1 次氯酸盐 工业上最常用的氧化剂 氧化机理 氧化剂使淀粉的醇羟基变为醛基 然后分子链部分断裂生成羟基 随着分子链的断裂 淀粉的平均相对分子量有所降低 同时由于亲水性更强的羧基官能团的导入 改变天然淀粉原有的性质 两种常见的氧化淀粉的制备与应用 77 反应式简单表示如下 starch CH2OHstarch CHOstarch COOH NaClONaClO 工业上制备次氯酸盐氧化淀粉可采用如下工艺流程 淀粉浆乳 氧化 中和 洗涤 干燥 成品 NaOHNaClO HCl Na2SO3 78 次氯酸盐氧化淀粉的工艺说明 1 淀粉浆乳浓度控制在33 44 淀粉浆乳浓度越高则氧化反应越快 2 反应温度控制在30 50 温度过高不但会造成淀粉颗粒受热膨胀 使后处理困难 转化率下降 而且会导致氧化剂的无效热分解 3 反应pH值一般控制在8 10 在反应过程中不时地滴加碱使pH值保持一定值 在加入氧化剂NaClO之前 必须将反应体系的pH调节到8 10的范围内以保证NaClO能够以ClO 形式存在并参与氧化反应 4 中和 反应结束后用盐酸中和至pH 6 6 5 再加入脱氧剂亚硫酸钠除去残余的有效氯成分 5 次氯酸钠用量直接影响氧化淀粉的羧基和羰基含量 79 次氯酸盐氧化淀粉的特性 1 对天然淀粉有漂白作用 使其白度增加 2 使淀粉黏度降低而黏度稳定性增加 3 糊化温度低 流动性好 透明度高 成膜性能好 次氯酸盐氧化淀粉的用途 1 造纸工业 用于纸张的表面施胶剂或浆内施胶剂 涂布纸用胶黏剂 淀粉分子上羧基的引入有利于形成氢键 增强了淀粉和纤维素之间的亲和力 使上浆均匀并容易进行 2 纺织工业 适合棉 人造棉 合成纤维和混纺纤维的上浆剂 3 食品工业 增稠剂等食品添加剂 80 2 高碘酸或其钠盐所氧化的淀粉被称为双醛淀粉或二醛淀粉 指淀粉分子中葡萄糖单元上C2 C3的碳碳键断裂开环后C2和C3碳原子上的羟基被氧化成醛基 高碘酸和其钠盐氧化淀粉的反应式 81 双醛淀粉用途 造纸工业 用于高级纸种的表面施胶以及高湿强度功能纸等 纸张湿强效果的产生是双醛淀粉中的醛基与纤维上的羟基反应形成半缩醛直到缩醛所致 医药工业 双醛淀粉用于治疗尿毒症 由于使用时又经过表面覆醛处理 用于这种场合时常称为包醛氧化淀粉 皮革 食品 建筑材料 日用品领域 82 接枝共聚淀粉 接枝共聚淀粉 由淀粉与某些化学单体通过接枝共聚反应得到的产物 AGU 失水葡萄糖单元M 接枝单体图3 21淀粉接枝示意图 83 84 产生淀粉自由基的方法 物理法 化学法物理法 60Co电子束辐射 紫外光引发化学法 引发剂单体 丙烯腈 丙烯酰胺 乙酸乙烯等 接枝共聚淀粉的性质主要取决于所用的单体和接枝百分率 接枝效率 接枝链的平均分子量 85 世界上第一个高分子吸水材料 淀粉接枝丙烯腈共聚物 硝酸铈铵 86 87 交联淀粉 交联淀粉 淀粉的醇羟基与具有二元或多元官能团的化合物反应形成二醚键或二酯键 使两个或两个以上的淀粉分子交叉连接在一起 形成多维空间网状结构 称为交联淀粉 Starch OH HO StarchStarch O x O Starch 交联后 平均分子量明显提高 糊化温度提高很多 随着交联度的提高 淀粉颗粒变得紧密 溶胀和溶解程度降低 常用的交联剂有 三氯氧磷 偏磷酸三钠 甲醛 丙烯醛 环氧氯丙烷等 88 1 醛类交联常用的交联剂 甲醛 乙醛 丙烯醛 尿素甲醛树脂等 木薯淀粉 加水 调至糊状 调节pH 加甲醛 产品 干燥交联 脱水 水洗 搅拌 木薯交联淀粉的生成工艺流程 89 2 环氧氯丙烷交联 Starch OH NaOHStarch O Na H2O 2Starch O CH2 CH CH2ClStarch O CH2 CH CH2 O Starch O OH 90 交联淀粉的特性 交联作用使得淀粉分子之间架桥形成化学键 即使在水中加热条件下 交联淀粉的颗粒仍保持不变 随着交联度的增加 交联淀粉的糊化温度也随之上升 在沸水中也不能溶解 交联淀粉颗粒在常压下受热膨胀但不易糊化 交联淀粉的糊黏度对热 酸和剪切力影响具有高稳定性 91 交联淀粉的应用 造纸工业纺织工业医药工业 制成淀粉微球 用于给药系统或作为药物载体 手术手套和乳胶手套的润滑剂 食品工业的增稠剂 日用品爽身粉 石油钻井泥浆 印刷油墨等 92 1 淀粉微球淀粉微球具有良好的生物相容性 无毒 无免疫原性 可生物降解 并具有特殊的吸附性能和载药靶性等功能 是一类极具开发潜力的新型药物载体 淀粉微球的制备主要采用反相乳液法 即在反相乳液体系中 淀粉分子与交联剂发生交联反应成球 淀粉的功能化 93 酸解法制备的淀粉微球机械法制备的淀粉微球 2 微孔淀粉 微孔淀粉 又称多孔淀粉 是用物理 机械或生物酶处理方法使淀粉颗粒由表面至内部形成孔洞的一种新型变性淀粉 微孔淀粉的比表面积较大 具有良好的吸附性能 能吸附多种形式的物质 可广泛应用于医药 食品 化妆品和农药等行业 微孔淀粉可通过超声波作用 机械撞击 酸水解和酶水解等方法生产 95 3 纳米淀粉微晶 淀粉是半结晶聚合物 淀粉颗粒中分布着无定形的非晶部分和分子链规则排列的纳米级结晶部分 经过酸水解后便可得纳米尺度的淀粉微晶 与纤维素的棒状纳米结晶形态不同 淀粉的纳米结晶区呈盘状结构 厚度约6 8nm 长度为20 40nm 宽度为15 30nm Starchgranulesandnanocrystals 97 4 淀粉泡沫材料 淀粉材料的发泡方法可分为2类 1 升温发泡在常压下迅速加热材料使得其中的水分汽化蒸发 从而在淀粉材料中形成多孔结构 2 降压发泡在一定的压力下加热材料 使材料中的水成为过热液体 然后快速释放外部压力造成其中过热的水汽化蒸发 从而使淀粉材料发泡 淀粉发泡的工艺可分为挤出 在加热模具中焙烤 压模成型以及冷冻干燥 98 不同淀粉的发泡结构天然马铃薯淀粉马铃薯支链淀粉马铃薯高直链淀粉 Amylopectinfoamwitha 0 b 10 c 40andd 70 MFC BerglundLA etal AdvancedMaterials 2008 淀粉作为开发具有生物降解性塑料的潜在优势在于 淀粉在各种环境中都具备完全的生物降解能力 塑料中的淀粉分子降解或灰化后 形成CO2 不对土壤或空气产生毒害 采取适当的工艺使淀粉热塑性化后可达到用于制造塑料材料的机械性能 淀粉是可再生资源 取之不绝 开拓淀粉的利用有利于农村经济发展 全淀粉塑料 101 3 全淀粉塑料全淀粉塑料是指以淀粉为主体加入适量可降解添加剂生产的生物全降解塑料 淀粉含量在90 以上 添加的其他组分也能够完全降解 可在1个月至1年内完全生物降解而不留任何痕迹 无污染 可用于制造各种容器 瓶罐 薄膜和垃圾袋等 全淀粉塑料的生产原理 通过一定的方式使天然淀粉微晶熔融 使淀粉分子发生无序化 形成具有热塑性能的淀粉树脂 102 操作步骤 先将淀粉在强烈的机械作用下细化 破坏部分微晶 再将天然原淀粉按不同配方与适量水 增塑剂 羟基间氢键的破坏剂 及抗氧剂等助剂在高速混合机中高速混合 然后在双螺杆挤出机塑化挤出 利用双螺杆挤出压缩段的高剪切力和高温破坏淀粉的微晶 使其大分子呈无序状线形排列 从而使天然原淀粉具有热塑性 103 淀粉挤出生产示意图 意大利Novamont公司生产的商品名为Mater Bi的产品 分为A V和Z类 A类树脂由淀粉 乙烯醇共聚物和其他添加剂组成 主要用于注射成型硬制品 V类树脂的淀粉含量大于85 主要用于替代聚乙烯发泡材料 Z类树脂除淀粉和其他添加剂外 含约50 的PCL 适合薄膜的吹塑成型 106 美国Werber Lambert公司开发出热塑性淀粉的全降解塑料 商品名为 Novon 这是以糊化淀粉为主要原料 其中支链淀粉占70 直链淀粉占30 以水为增塑剂 添加其他全降解添加剂组成的材料 用通用的塑料成型加工技术即可成型 国内武汉丽华 107 淀粉共混与复合材料 1 淀粉 聚乙烯塑料应用 塑料地膜 薄膜 垃圾袋 包装袋等存在问题 二者相容性较差淀粉大分子不易分散均匀淀粉的亲水性不利于成品的尺寸稳定性淀粉的热稳定性较差不是真正意义上的可降解塑料 108 人们希望 在合成高分子材料中添加可被微生物利用的 源物质 如淀粉 通过这些物质的被利用吸收而致使整个材料物理性能崩溃 促使大量端基暴露以致氧化降解 但这种 崩溃 后的剩余高分子材料达到完全降解还需要很长时间 这种共混物从严格意义上讲并非完全生物降解型高分子 2 淀粉 可降解聚合物塑料聚乙烯醇 聚乳酸 聚己内酯 壳聚糖降解机理 淀粉塑料中的淀粉易吸水溶胀 先被细菌 真菌 放线菌等微生物侵袭被完全除去 使淀粉塑料的强度大大削弱 并使其表面积增加 然后在酶的作用下 聚合物可被土壤中的细菌完全分解 当淀粉塑料于土壤中或水份中存在的盐类接触时 发生催化氧化作用使薄膜形成过氧化物 从而导致聚合物大分子链断裂 110 3 淀粉 填料TiO2 SiO2 纤维 蒙脱土等 111 淀粉及改性材料的应用 自学 了解 在食品工业中的应用在纺织工业中的应用在造纸工业中的应用在生物医用领域的应用在水处理中的应用在日用化学品中的应用在功能性材料中的应用