mở đầu cho các quá trình gia công, chế tạo cấc hợp chất polyme thiên nhiên và đi vào nghiên cứu các polyme nhân tạo.[1] Đến năm 1933, Gay Lussac tổng hợp được polyeste va polylactic khi đun nóng với axit lactic, Braconnot điều chế được trinitrocelluose bằng phương pháp chuyển hóa đồng dạng và J.Berzilius là người đưa ra khái niệm về polymer. Từ đó polymer đã chuyển sang thời kỳ tổng hợp bằng phương pháp hóa học thuần túy, đi sâu vào nghiên cứu những tính chất của polyme nhất là những polyme tự nhiên. Những công việc này phát triển mạnh vào cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20. Trải qua 130 năm, đến năm 1925, Staudinger đã đưa ra kết luận về cấu trúc phân tử polymer, và cho rằng polymer có dạng sợi và lần đầu tiên dùng cụm danh từ “ cao phân tử”.
thuyết này mặc dù còn có một số nhược điểm nhưng đã được nhiều tác giả thừa nhận nên được dùng làm cơ sở cho đến ngày nay. Thành công của polymer là trùng hợp polymer ở trạng thái rắn có tính bền nhiệt cao, có tính dẫn điện, là cơ sở để hình thành nền công nghiệp sản xuất polymer bền nhiệt cao. Việc can thiệp vào quá trình tạo liên kết đôi dọc theo mạch chính của polymer, tạo liên kết sicma ,quá trình “doping” hay composite đã hình thành ngành công nghiệp sản xuất 1 do an các vật liệu polymer điện tử (electronics polymer ) với rất nhiều ứng dụng như: sản xuất các linh kiện điện tử, chip, tấm transparents, màn hình LCD, màn hình LEDs, cửa sổ thông minh… Bên cạnh đó việc tổng hợp các polymer có hoạt tính sinh học có tác dụng giải thích các quá trình sống, quá trình nên men, quá trình trao đổi chất trong tế bào cơ thể sống mà người ta goi nó là polymer sinh học (biopolymer).[1] Trong công nghiệp sản xuất vật liệu polymer cũng có những bước tiến lớn trong việc cải tiến các phương pháp gia công như phương pháp tổng hợp (compounding, blending), đúc (casting), gia công cơ học (rolling, laminating), tráng-phủ (coating)…làm cho thời gian đưa vào sản xuất những công trình nghiên cứu ngày một nhanh hơn. Với khả năng ứng dụng trong hầu hêt các ngành phụ vụ đời sống như: công nghệ cao su, chất dẻo, tơ sợi, thực phẩm, xây dựng, cơ khí, điện-điện tử, hành không, dược liệu, màu sắc và lĩnh vực quốc phòng như: tên lửa, tàu du hành vũ tru, máy bay siêu âm.
Vấn đề tái sinh polymer hay tiêu hủy polymer là một thách thức lớn cho các nhà khoa học và nghiên cứu công nghệ.2 Giới thiệu polymer có khả năng phân hủy từ tinh bột và cellulose Các polymer có khả năng phân hủy sinh học có chức năng giống như các thành phần của tế bào vi sinh vật. Vì vậy, để tạo ra được các loại nhựa hữu ích từ các polymer sinh học, chúng cần được biến tính. Nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo được biết nhiều nhất có khả năng tạo ra các nhựa có khả năng phân hủy sinh học là tinh bột và cellulose.[1] Tinh bột và cellulose không phải chất dẻo trong cấu trúc tự nhiên của chúng, nhưng khi được chuyển hóa thành chất dẻo bằng các phương pháp khác nhau bao gồm: phương pháp đùn, tạo các nhóm chức, và dẻo hóa. Tinh bột là một trong những nguồn vật liệu có khả năng phân hủy sinh học rẻ nhất trên thị trường thế giới hiện nay.
Nó là một polymer sinh học sinh học có tiềm năng lớn để sử dụng trong các ngành công nghiệp không phải thực phẩm. Các polymer trên cơ sở tinh bột có thể được chế tạo từ ngô, gạo, bột mì hoặc khoai tây. Tinh bột có thể chế tạo nhựa nhiệt rắn bằng cách phá vỡ hạt với sự có mặt của một lượng chất dẻo hóa phù hợp (ví dụ nước hoặc polyancol) trong điều kiện xác định để gia công bằng phương pháp đùn.[1] 2 do an Cellulose từ gỗ và cây bông là nguồn thay thế cho dầu mỏ để chế tạo nhựa cellulose. Cấu trúc của các este cellulose bao gồm cellulose acetat (CA, cellulose acetat propionat (CAP) và cellulose axetat butyrat (CAB).
CAB và CAP hiện nay đang được sử dụng trong sản xuất nhiều loại nhựa khác nhau. Ví dụ, tay cầm của các loại bàn chải đánh răng thượng hạng thường được sản xuất từ CAP, tay cầm của các tô vít thường được làm từ CAB. Hiện nay, nhựa cellulose đã đóng vai trò quan trọng trong các công thức chế tạo biocomposite. Tổng quan về tinh bột Tinh bột là polysaccharide có phân tử lượng lớn, được tạo nên từ hàng trăm tới hơn 1 triệu đơn phân glucose, chúng liên kết với nhau bằng các liên kết 𝛼-glucoside.[2] Trong thực vật, tinh bột được tổng hợp từ sự quang hợp của cây xanh trong lục lạp hay từ các bột lạp.
Phân tử tinh bột bao gồm 2 thành phần chính là amylose và amylopectin.1 Hình dạng, kích thước của hạt tinh bột Hình dạng của tinh bột trong tự nhiên rất đa dạng, phổ biến là các hình tròn, hình bầu dục hay hình đa giác.(a) Hạt tinh bột khoai tây (b) Hạt tinh bột gạo [1] Trong nguyên liệu, tinh bột tồn tại thành từng hạt có kích thước từ 0. Có nhiều cách khác nhau để ta có thể biết được kích thước của hạt tinh bột như dùng phương pháp lắng, sử dụng rây lọc. Thành phần hóa học của tinh bột Tinh bột không phải là một hợp chất đồng thể mà gồm 2 polysaccharide khác nhau: vùng vô định hình chủ yếu là amylose và vùng kết tinh chủ yếu là amylopectin. Tỷ lệ 3 do an hàm lượng của amylose và amylopectin giữa những nguyên liệu không giống nhau, thường tỷ lệ amylose và amylopectin của tinh bột xấp xỉ ¼.
1 Tỷ lệ amylose và amylopectin của một số loại tinh bột [1] Tinh bột Amylose (%) Amylopectin (%) Gạo sáp 0 100 Ngô với amylose cao 70 30 Ngô 28 72 Sắn 17 83 Lúa mì 26 74 Khoai tây ngọt 18 82 Bột hoàng tinh 21 79 Khoai tây 30 70 1. Cấu trúc của amylose Hình 1. 2 Cấu trúc của amylose [3] Amylose có cấu trúc chủ yếu là mạch thẳng, được kéo dài từ những đơn phân glucose do sự tác động của enzyme synthate (enzyme synthate là enzyme xúc tác sự bổ sung ADP-glucose) tạo thành chuỗi dài tới vài nghìn đơn phân glucose trong phân tử liên kết với nhau bằng liên kết 𝛼-1,4 glucoside, chúng tạo thành xoắn lò xo, mỗi xoắn có 6 gốc 4 do an glucose tạo thành hình lục giác. Đường kính của xoắn ốc là 12.97 A0, chiều cao của vòng xoắn là 7.
[6] Bên ngoài vòng xoắn là những nhóm OH tương tác với nhau giúp giữ vững cấu trúc xoắn, bên trong là nhóm CH kỵ nước giúp cho phân tử amylose dễ dàng hấp thụ các phân tử chất béo, iot vào trong cấu trúc xoắn.[2] Chính vì amylose ở dạng hơi xoắn nên khi tác dụng với iot, nó cuốn phân tử iot vào trong cấu trúc của nó tạo nên phức màu xanh, đây là phản ứng đặc trưng cho tinh bột, khi ở nhiệt độ cao, các vòng xoắn bị duỗi ra, giải phóng phân tử iot, phức mất màu. Trong phân tử amylose bao giờ cũng có 1 đầu nhóm hydroxyl có tính khử và 1 đầu không khử. Cấu trúc của amylopectin Hình 1. 3 Cấu trúc của amylopectin [3] Amylopectin được tạo thành từ các đơn phân glucose liên kết với nhau bằng liên kết 𝛼- 1,4 glucoside và 𝛼-1,6 glucoside, mức độ phân nhánh của amylopectin cao hơn nhiều so với amylose.[2] Trong phân tử, liên kết 𝛼-1,4 glucoside chiếm 95%, trong khi liên kết 𝛼-1,6 glucoside chiếm tới 5% -trung bình trong phân tử có khoảng 20000 điểm phân nhánh.
Khoảng cách giữa 2 điểm phân nhánh vào khoảng 20-30 gốc glucose, sự phân nhánh lớn này làm cho các phân tử cồng kềnh, khó cuộn xoắn, nên khi phản ứng với iot chỉ cho màu nâu. Tính chất của tinh bột 1. Tính hòa tan Tinh bột ở điều kiện thường không tan trong nước, vì vậy nó tồn tại lượng lớn trong tế bào mà không ảnh hưởng đến áp suất thẩm thấu. Amylose khi mới tách ra khỏi hạt tinh bột có khả năng hòa tan tốt trong nước.
Tuy nhiên, chúng nhanh chóng bị thoái hóa tạo 5 do an kết tủa. Amylopectin tan tốt trong nước ấm, trong nước lạnh chúng khó tan hơn. Khi phân tán trong môi trường cồn, tinh bột bị kết tủa, điều này giúp tăng hiệu suất thu hồi tinh bột. Khả năng trương nở Khi ngâm nước ở nhiệt độ thấp, hạt tinh bột không bị hydrat hóa nên không trương nở.
Khi tăng dần nhiệt độ lên, hạt tinh bột sẽ hút nước và tăng nhanh thể tích do tinh bột được cấu tạo từ các đơn phân glucose, chứa nhiều nhóm OH trong phân tử, có khả năng tạo liên kết hydro với các phân tử nước. Nước tương tác với các mạch polysaccharide tạo nên lớp vỏ hydrat dày, kích thước lớn làm hạt tinh bột bị trương nở. Quá trình trương nở làm amylose được tách ra, hòa tan 1 phần vào nước. Tinh bột trương nở nguyên nhân chính do các mạch amylopectin trong tinh bột.
Nhiệt độ hồ hóa Nhiệt độ hồ hóa không phải là là một điểm mà là một khoảng nhất định. Nhiệt độ hồ hóa của tinh bột được chia làm 3 nhóm: thấp (nhỏ hơn 700C), trung bình (từ 70-740C), cao (trên 740C). Độ trong của hồ tinh bột Độ trong của hồ tinh bột được thể hiện thông qua tỷ lệ ánh sáng ở bước sóng 650 nm truyền qua dịch hồ tinh bột 1%. Tỷ lệ này ở mỗi loại tinh bột là khác nhau, dựa vào thành phần và cấu trúc của chúng.
2 Tỷ lệ ánh sáng truyền qua của các dịch hồ tinh bột khác nhau. Khả năng tạo gel Tinh bột được hồ hóa để chuyển sang trạng thái hòa tan, ở nồng độ đậm đặc vừa phải và trạng thái tĩnh, tinh bột sẽ tạo gel. Gel tinh bột là tổng hợp gel mạch polysaccharide hoặc giữa các phân tử nước với nhau. Khả năng tạo gel của của các phân tử chứa nhiều amylose lớn hơn phân tử chứa nhiều amylopectin.
[1],[6] Độ cứng của gel tinh bột thường tăng theo nồng độ của tinh bột. Khi bảo quản càng lâu thì độ cứng của gel càng cao. Hiện tượng này được giải thích bởi sự mất nước của tinh bột do khả năng thoái hóa của chúng. Phản ứng tạo phức Phản ứng tạo phức của tinh bột chủ yếu là do mạch amylose.
Phân tử tinh bột chứa chứa mạch amylose tồn tại ở dạng xoắn, với mỗi vòng xoắn là 6 đơn vị glucose. Mạch này có khả năng tạo phức với nhiều hợp chất hữu cơ có cực cũng như vô cực bằng cách cuốn các phân tử đó vào trong trục rỗng của cuộn xoắn.[2] Khi tham gia phản ứng tạo phức với iot ở nhiệt độ thường, mỗi vòng xoắn sẽ cuốn lấy 1 phân tử iot và nhốt chúng trong đó, tạo nên phức màu xanh đặc trưng.