ИЗУЧЕНИЕ ГИДРОЛИТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ГЕЛЕЙ ОКИСЛЕННОГО КРАХМАЛА В КЛЕЕВЫХ КОМПОЗИЦИЯХ С ПОЛИАКРИЛАМИДОМ И СИЛИКАТОМ НАТРИЯ

АННОТАЦИЯ

В данной статье приведены результаты исследования процесса образования клеевой композиции на основе окисленного крахмала кукурузы и водорастворимых компонентов. Разработанная клеевая композиция на основе окисленного крахмала, полиакриламида, а также Na₂SiO₃ имеет хорошие физико-химические свойства и весьма однородную  аморфную структуру.

ABSTRACT

This article presents the results of studying the formation of an adhesive composition based on oxidized cornstarch and water-soluble components. The developed adhesive composition based on oxidized starch, polyacrylamide and Na₂SiO₃ will have good physic-chemical properties, also very homogeneous amorphous structure.

Ключевые слова: окисленный крахмал, полиакриламид силикат натрия, физико-химические свойства.

Keywords: oxidized starch, polyacrylamide, silicate of sodium, physical-chemical properties.

В современном мире технологий поверхностной проклейки применяют клеи на основе многих химических, в основном полимерных, материалов. При всем их разнообразии, пока не удается в одной проклеивающей композиции достичь высокого гидрофобизирующего и упрочняющего эффекта, не решена проблема соответствующей гидрофобности проклеиваемого листа в объеме, а из-за высоких цен на импортную продукцию брендовых марок клеев остается проблема снижения себестоимости готовой продукции. Указанные факты обусловливают необходимость разработки новых химических связующих компонентов веществ, способных в значительной степени компенсировать такие недостатки [1, с.7].

В настоящее время для повышения прочности бумажного полотна наиболее широко применяется крахмал и его производные [2, c.50]. Это связано как с его уникальными функциональными свойствами, так и с низкой ценой крахмала, природным происхождением и экологической чистотой [3, 41]. При этом в производстве бумаги и картона большой удельный вес занимают различные модификации крахмалов, так как в нативном виде редко применяется в качестве связующего вещества из-за присущих ему недостатков [4, с.114].

Прочность бумаги при введении крахмала повышается, так как крахмал, будучи природным полимером, обладает сродством к целлюлозе и в набухшем состоянии, подобно гемицеллюлозам, устанавливает еще и дополнительные водородные связи через свои гидроксильные группы с целлюлозой [5, с.562].

К несомненным достоинствам крахмала относится способность частичного растворения в воде в виде клейстерном массы, термо- и механо-устойчивости продуктов на его основе. Однако, для крахмалопродуктов присущи и недостатки. Так, применение крахмала в производстве приводит к повышению слизеобразования и загрязнению технологических потоков продуктами жизнедеятельности микроорганизмов, что в купе приводит к вспениванию меловальной пасты и снижению непрозрачности и лоска бумаги [6, с.166].

В качестве синтетических связующих компонентов наиболее часто применяют водные дисперсии органолатексов, элементарным звеном которых является бутадиен-акрилнитрил, винилацетаты, акрилаты и др. За исключением поливинилового спирта все синтетические связующие являются гидрофобными веществами, устойчивыми к воздействию энзимов и микроорганизмов [7, с.134].

Недостатками самих синтетических связующих материалов являются их высокая чувствительность к резкому изменению температуры системы и ограниченная механическая стабильность, что создает большие трудности при их транспортировке зимой и ограничивает срок хранения таких компонентов. Кроме того, они, как правило, стоят дороже, чем натуральные связующие вещества.

Одним из путей решения вышеуказанных проблем является разработка технологии получения связующих материалов на основе окисленного крахмала и синтетических полимеров, отвечающих требованиям для таких материалов. В этом плане большой интерес представляют материалы, приготовленные нами на основе крахмала окисленного (ОК) с перекисью водорода в присутствии сульфата железа (II). Полученные гидрогели крахмалопродуктов представлены на рисунке 1.

Рисунок 1.Клейстеры гелей нативного (верхний) и окисленного крахмала (нижний)

В процессе получения гидрогелей вязкость крахмала уменьшается [8, с.86]. А для повышения вязкости крахмала и пластичности добавляются синтетические водорастворимые вещества в качестве связующих.

К таким же системам относится разработанная нами новая полимерная система, содержащая ОК, ПАА и Na₂SiO₃. При этом получаются клеящие полимерные композиции с более высокими связующими свойствами, по сравнению с нативным крахмальным связующим. Гидрогели систем на основе ОК показаны в рисунке 2.

Рисунок 2. Гели систем на основе ОК, ОК-ПАА и ОК-ПАА-Na₂SiO₃ (справа налево)

Также важнее значение имеет всестороннее изучение причины, приводящей к образованию прочных связующих систем после варьирования полимеров, и прогнозирование на этой основе, условий, обеспечивающих полное впитывание полимерной композиции. Полученные нами результаты представляют интерес в практическом плане, так как показывают, каким образом можно избежать слизеобразования, характерного для нативного крахмала. Это, обычно, связано с высоким содержанием анионного загрязнителя крахмала и обильным ростом микрофлоры в системах [9, c.3].

Для решения этой проблемы следует создать ряд условий, при которых резко повышается скорость гидролиза и происходит более глубокое расщепление крахмала в процессе проклейки.

Кинетическая зависимость щелочного гидролиза окисленного крахмала от соотношения компонентов системы представлена на рисунке 3

Рисунок 3. Кинетика щелочного гидролиза окисленного крахмала в системе

Содержание Na₂SiO₃:ПАА (в % масс.): 1 –0,07:0,12; 2 – 0,06:0,08; 3 –0,05:0,06; 4 – композиция без ПАА с содержанием Na₂SiO₃–0,06

Кривая 2 на рисунке 3 получена при чередовании операции заваривания и промывания при щелочной обработке. На ней отсутствует экстремум, а остаточное содержание окисленного крахмала составляло ниже 2 %.

Кривая 3 практически совпадает с кривой 2 и характеризует процесс гидролиза крахмала в присутствии полиакриламида.

Кривая 4 без ПАА представляет собой почти сглаженную линию.

Таким образом, выявленая специфика процесса гидролиза гелей ОК в присутствии Na₂SiO₃ в составе полимерной композиции, показала, что по мере накопления продуктов гидролиза начинается процесс формирования системы надмолекулярных структур, с образованием межмолекулярных связей (рис.4.).

Рисунок 4. Микрофотографии (400^х увел.): а–ОК; б–ОК-ПАА; в–ОК-ПАА-Na₂SiO₃

На основании микроскопических исследований поэтапного образования связующего клеевых композиций, видно, что по всей массе наблюдаются более длинные, точнее, анизодиаметричные частицы, являющиеся надмолекулярными образованиями макромолекул ПАА. Их основу составляют макромолекулы полимера, не успевшие про взаимодействовать с молекулами крахмала.

Вместе с тем, следует также указать на наличие в микроструктуре пленки ОК-ПАА областей, где отсутствуют анизодиаметричные агрегаты макромолекул ПАА.  Можно сделать вывод о том, что составляющие его компоненты: ОК, ПАА и Na₂SiO₃, придавая, в целом, композиту важные свойства, выполняют также задачу гомогенизации микроструктуры по всей массе. Иными словами, гидролиз изменяет природу и конформацию полимеров [10, с.45].   

Некоторая часть линейных декстринов образует компактные структуры с более высокой энергией межмолекулярного взаимодействия, что приводит к повышению их гидролитической устойчивости. Этим объясняется сорбционная способность пленок систем, содержащих ОК (6% по массе), Na₂SiO₃ (0,06 % по массе) и ПАА. Результаты полученных данных представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Сорбция влаги клеевой пленкой в зависимости от состава полимерной композиции

Повышение влаго-сорбционных свойств полимерной системы можно объяснить усилением ионогенности окисленного крахмала за счет образования прочных комплексов с ПАА [11, с.1127]. В результате щелочного гидролиза ПАА образуются макромолекулы сополимеров акриламида в смеси с солями акриловой кислоты, имеющие статистическое распределение звеньев в цепи при отсутствии блочных структур [12, с.1019; 13, с.28].

Таким образом, установлено, что содержание звеньев акрилата натрия в продукте щелочного гидролиза возрастает при увеличении концентрации Na₂SiO₃, температуры и продолжительности гидролиза окисленного крахмала.

Список литературы:

1. Вдовина О.С. Поверхностная проклейка бумаги и картона синтезированным полимерным клеем : Дисс....канд.техн.наук. –Красноярск, 2016. -182с.
2. Варепо Л. Г. Полиграфические материалы. Бумага: учеб. пособие / Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. – 132 с.
3. Пестова Н. Ф., Дёмин В. А. Технология переработки целлюлозы, бумаги и картона: учебное пособие. – Сыктывкар: СЛИ, 2013. – 96с.
4. Слаутин Д.В., Теплоухова М.В., Андраковский Р.Э. Повышение прочности бумаги, изготовленной из макулатурной массы // Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология, 2018. №1. –С.113-134.
5. Иванов С.Н. Технология бумаги. – М.: Школа бумаги, 2006. – 696 с.
6. Черная Н.В., Флейшнер В.Л., Чернышева Т.В., Карпова С.В., Мисюров О.А. Влияние рецептуры меловальной пасты на свойства полиграфического картона // Труды БГТУ, 2020, серия 2, № 1. -  С. 160-172
7. Хованский В.В., Дубовый В.К., Кейзер П.М. Применение химических вспомогательных веществ в производстве бумаги и картона. СПб. 2013. – 153 с.
8. Тиллаева Д.М., Шарипов М.С., Тухтаев С. Изучение влияние окислительной модификации на свойства крахмала с целью приготовления на его основе клеевых материалов для поверхностной проклейки бумаг // Развитие науки и технологии. Научный журнал БухИТИ, №6, 2021. – С. 85-95.
9. Житнюк В. А. Разработка и применение бинарной системы высокозарядных катионных полимеров для повышения удержания волокна и крахмала в технологии картона из макулатуры. // Автореф. дисс. ....канд. техн. наук. // Архангельск, 2017. – С. 16.
10. Шарипов М.С., Яриев О.М., Амонов М.Р., Равшанов К.А. Микроструктура загущающей композиции на основе окисленной модификации крахмала. - М.: Пластические массы, 2008. №7. –С.43-45.
11. Ma D., Zhu B., Cao B., Wang J., Zhang J. The Microstructure and Swelling Properties of Poly Acrylic Acid-Acrylamide Grafted Starch Hydrogels. Journal of Macromolecular Science, Part B. Physics. - 2016, vol. 55, n. 11.  P. 1124–1133.
12. Aalaie J., Vasheghani-Farahani E., Semsarzadeh M. A., Rahmatpour A. Gelation and swelling behavior of semiinterpenetrating polymer network hydrogels based on polyacrylamide and poly(vinyl alcohol) // J. Mac romol. Sci. Part B: Physics. - 2008, vol. 47, #. 5. – P. 1017–1027.
13. Байбурдов Т. А., Обшицер А. С., Романова Ю. О. Кинетика щелочного гидролиза и физико-химические свойства акриловых сополимеров на основе акриловой кислоты, эфиров акриловой кислоты и винилацетата // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Химия. Биология. Экология.-  2020. - Т. 20, вып. 1. - С. 24-31.