UNIVERZITET U BEOGRADU TEHNOLOŠKO-METALURŠKI FAKULTET Željko P. Stojanović SINTEZA I KARAKTERIZACIJA NEKIH DERIVATA SKROBA RASTVORIVIH U VODI - DOKTORSKA DISERTACIJA - Beograd, 2010 1 Izvod Predmet istraživanja ove doktorske disertacije bila su dva tipa derivata skroba: anjonski i katjonski skrob. Za sintezu anjonskog skroba (karboksimetil-skrob) korišćena je monohlorsirćetna kiselina (ili njena natrijumova so), a za sintezu katjonskog skroba korišćen je 3-hlor-2-hidroksipropil-trimetilamonijum hlorid. U prvom delu rada ispitivan je uticaj reakcionih uslova i količine reagenasa na stepen supsti- tucije i granični viskozitetni broj karboksimetil-skroba. Na osnovu dobijenih rezultata odre- đeni su optimalni uslovi pod kojima je sintetisano šest uzoraka karboksimetil-skroba - tri uzorka su pripremljena od skroba iz krompira, a tri od skroba iz kukuruza. Stepen supstitu- cije sintetisanih uzoraka je iznosio od 0.40 do 1.10. Uzorcima karboksimetil-skroba ispiti- vana su svojstva u razblaženim rastvorima upotrebom viskozimetrije, statičkog i dinamičkog rasipanja svetlosti. Kao rastvarač korišćeni su voda i rastvori natrijum hlorida u vodi. Za svaki uzorak određene su vrednosti molarne mase po masenoj zastupljenosti, MW, polu- prečnika rotacije, Rg, hidrodinamičkog poluprečnika, Rh, i graničnog viskozitetnog broja, [η]. Utvrđeno je da u rastvorima soli poreklo skroba i stepen supstitucije (u ispitivanom opsegu) ne utiču na oblik i unutrašnju strukturu makromolekula. Svojstva u razblaženim rastvorima natrijum-hlorida zavise samo od jonske jačine rastvarača. Ispitivanje termičke stabilnosti sintetisanih uzoraka karboksimetil-skroba termogravi- metrijskom analizom pokazalo je da porast temperature ima specifičan uticaj na osobine karboksimetil-skroba zavisno da li se on nalazi u kiselom obliku ili u obliku soli. Tempera- ture na kojima dolazi do gubitka 5 i 50 mas.% su nezavisne od stepena supstitucije kod uzo- raka karboksimetil-skroba u obliku soli, dok kod uzoraka karboksimetil-skroba u kiselom obliku postoji linearna zavisnost ovih temperatura od stepena supstitucije. Uzorcima su određene i energije aktivacije termičke degradacije i pokazalo se da je energija aktivacije termičke degradacije uzoraka karboksimetil-skroba u obliku soli niža, a energija aktivacije termičke degradacije uzoraka karboksimetil-skroba u kiselom obliku viša od energije aktiva- cije termičke degradacije nemodifikovanog skroba. Katjonski derivat je pripremljen modifikacijom skroba iz kukuruza. Sintetisan je jedan uzorak katjonskog skroba od koga su kontrolisanom ultrazvučnom degradacijom pripre- mljena još četiri uzorka. Vrednosti molarne mase po masenoj zastupljenosti, MW, polu- prečnika rotacije, Rg, hidrodinamičkog poluprečnika, Rh, i raspodele molarnih masa uzoraka, su određene upotrebom gel-propusne hromatografije, statičkog i dinamičkog rasipanja svetlosti. Utvrđeno je da se sa povećanjem vremena ultrazvučne degradacije smanjuje molarna masa uzoraka uz istovremeno suženje raspodele molarnih masa. Ultrazvučnom degradacijom dobijeni su makromolekuli čiji oblik i unutrašnja struktura nisu međusobno slični. Na osnovu podataka dobijenih metodom statičkog rasipanja svetlosti utvrđeno je da nede- gradirani katjonski skrob ima kompaktniju strukturu i u vodi i u rastvorima soli od odgova- rajućih uzoraka karboksimetil-skroba. Takođe, na osnovu ispitivanja zavisnosti viskoznosti od brzine smicanja koncentrovanih rastvora katjonskog skroba, kao i karboksimetil-skroba u vodi kao rastvaraču utvrđeno je da katjonski skrob ima nižu viskoznost od uzorka karboksi- metil-skroba slične molarne mase, ali izraženije pseudoplastično ponašanje. 2 Abstract The investigation of two type of starch derivates - anionic and cationic starch – is described in this thesis. Mono-chlor-acetic acid (or its sodium salt) was used for synthesis of anionic starch while its cationic derivate was synthesized by the use of 3-chlor-2-hidroxypropyl- N,N,N-trimethylamonium chloride. The experiments focused on the influence of reaction conditions and the amount of reagents on the degree of substitution and limiting viscosity number of carboxymethyl starch are presentsed in the first part of the thesis. According to the obtained results the optimal conditions for the starch carboximetilation were defined. Six samples of carboxymethyl starch differing in the degree of substitution (ranging from 0.4 to 1.1) were synthesized under previously defined optimal conditions – corn or potato starch were used as starting material for the synthesis of carboxymethyl starch. The properties of carboxymethyl starch were further examined in diluted solutions by means of viscometry, static and dynamic light scattering. Water and sodium chloride dissolved in water were used as solvent. Weight-average molecular weight, MW, radius gyration, Rg, hydrodynamic radius, Rh, i limiting vicosity number, [η] were determined for each sample. It was shown that starch origin and degree of substitution (within the investigated range) did not affect the shape and the internal structure of macromolecules in salt solution. Properties of macromolecules in diluted solutions depended only on the solvent ionic strength. The influence of temperature on acidic and salt form of carboxymethyl-starch was also analyzed. Thermogravimetric analysis showed that there are some differences in the behavior of these carboxymethyl starch forms. In salt form, temperatures needed for 5 or 50 mas.% weight loss were independent on degree of substitution in analyzed caboximethyl- starch samples while a linear dependence of temperature on degree of substitution were recorded for samples of carboxymethyl-starch in acid form. Comparing to unmodified starch, activation energy of thermal degradation for salt form of carboxymetyl starch was lower while it was higher for carboximethyl-strach acidic form. Finally, cationic derivate was prepared by modification of corn-originated starch. One sample of cationic starch was synthesized and four additional samples were prepared by its controlled ultrasonic degradation. Diluted solutions of cationic starch samples were investigated by gel-permeability chromatography, static and dynamic light scattering. Weight-average molecular weight, MW, radius gyration, Rg, hydrodynamic radius, Rh, and molar mass distribution were determined for each sample. It was shown that: 1) duration of ultrasonic degradation inversely correlated to sample molar mass; 2) increase in duration of ultrasonic degradation resulted in narrowing of the molar mass distribution. Changes in the internal structure of macromolecules that depended on duration of ultrasonic degradation were also observed. Comparison of synthesized cationic starch with samples of carboxymethyl starch showed that in both water and salt solutions cationic starch has more compact structure. It was also shown that viscosity of concentrated cationic starch solution was lower than viscosity of solution of carboxymetyl starch having similar molar mass. However, concentrated cationic starch solution showed more pronounced pseudoplastic behavior. 1 Lista simbola i skraćenica MW –molarna masa srednja po masenoj zastupljenosti Mn – molarna masa srednja po brojnoj zastupljenosti MZ – z-srednja vrednost molarne mase Rg – poluprečnik rotacije Rh - hidrodinamički poluprečnik Rη - viskozitetni poluprečnik [η] - granični viskozitetni broj <Δρ2> - srednja promena kvadrata gustine <Δc2> - srednja promena kvadrata koncentracije P(θ) = P(q) – faktor (funkcija) rasipanja čestice Rθ - Rejlijev odnos i(θ) - intenzitet rasute svetlosti I0 - intenzitet upadne svetlosti IB,R – relativna vrednost intenziteta rasute svetlosti benzena IB – apsolutna vrednost intenziteta rasute svetlosti benzena Ir(θ) - intenzitet rasute svetlosti rastvarača pri različitim uglovima I(c,θ) - intenzitet rasute svetlosti rastvora pri različitim uglovima i koncentracijama Rkor = Rθ n0, nB – indeks prelamanja svetlosti rastvarača i benzena λ0 – talasna dužina svetlosti K’ i K - optičke konstante μ - hemijski potencijal π - osmotski pritisak dn/dc - priraštaj indeksa prelamanja svetlosti c∂∂ /π - osmotska kompresibilnost q - vektor rasipanja svetlosti - srednji kvadrat poluprečnika rotacije G2 - vremenski korelisana funkcija (intenzitet-intenzitet autokorelisana funkcija) G1 - autokorelaciona funkcija električnog polja g2 - normalizovana vremenski korelisana funkcija g1 - normalizovana autokorelaciona funkcija električnog polja β (≈1) - odstupanje od idealne korelacije (koherentni faktor) Γ - prvi kumulant Dapp - prividni koeficijent difuzije Ch - karakterističan koeficijent D0 – translacioni koeficijent difuzije Dc - translacioni koeficijent difuzije zavisan od interakcija između čestica kB - Bolcmanova konstanta T – temperatura f – koeficijent trenja ηs – viskoznost rastvarača ρ = Rg /Rh – karakteristični parametar zavisan od oblika makromolekula (segmentalne gustine) ηsp=(η-η0)/η0 - specifična viskoznost rastvora Na – Avogadrov broj Φ - Foks-Florijev parametar penetracije df - fraktalna dimenzija čestice df,e – fraktalna dimenzija polidisperznog sistema 2 A2 - drugi virijalni koeficijent aA2 – koeficijent stepene zavisnosti A2 od MW ν - koeficijent stepene zavisnosti karakterističnih poluprečnika od MW Ψ - segment-segment interpenetraciona funkcija K* - optička konstanta polielektrolita Cs – masena koncentracija soli c – koncentracija polimera cs – molarna koncentracija soli cp – molarna koncentracija polijona MS – molarna masa soli Zp - valenca polijona A2’ - prividni drugi virijalni koeficijent ζ - eksponent Rg ∼ cs-ζ, f= fSE + feldis - ukupni koeficijent trenja Kη i aη – koeficijenti u KMHS jednačini η - viskoznost c*, c**- prva i druga kritična koncentracija η0 - viskoznost pri nultoj brzini smicanja Mc – kritična molarna masa cγ& - kritična brzina smicanja n – Osvald de Valov koeficijent d = 1 – n – koeficijent u d−∝ γη & (Osvald de Valov koeficijent) f0 - translacioni koeficijent trenja τR - najduže relaksaciono vreme G’- modul sačuvane energije G” - modul izgubljene energije ω – frekvencija τe – vreme potrebno za relaksaciju segmenata GN – modul sačuvane energije u platou gumolikog ponašanja Me – molarna masa između tačaka preplitanja d aE - energija aktivacije termičke degradacije R – univerzalna gasna konstanta β’ – brzina zagrevanja pri neizotermskoj TGA kSB – Šulc-Blaškeova konstanta G* - kompleksni oscilatorni modul tan δ - faktor gubitaka σ - napon smicanja ρp – gustina rastvora polimera υe – gustina preplitanja ξ - rastojanje između tačaka preplitanja ΔEvis – energija aktivacije tečenja k – konstanta brzine ultrazvučne degradacije GPC - gel-propusna hromatografija AGU - anhidroglukozidna jedinica DP – stepen polimerizacije DS – stepen supstiticije RE – reakciona efikasnost NS – nativni kukuruzni skrob CMS - karboksimetil-skrob ili karboksimetil-skrob u obliku natrijumove soli H-CMS – kiseo oblik karboksimetil-skroba 3 KS – katjonski skrob QUAB 188 - 65 mas.% 3-hloro-2-hidroksipropil-trimetilamonijum hlorid Na-MCA - natrijum-monohloracetat MCA – monohlorsirćetna kiselina SLS - statičko rasipanje svetlosti DLS - dinamičko rasipanje svetlosti SAXS - rasipanje X-zraka pri malim uglovima SANS - rasipanje neutrona pri malim uglovima GVB - granični viskozitetni broj KMHS - Kuhn-Mark-Houwink-Sakurada jednačina TGA - termogravimetrijska analiza DTG – diferencijalna termogravimetrijska analiza DSC - dinamička skenirajuća kalorimetrija DTA – diferencijalna termijska analiza IPD – indeks polidisperznosti 1 Sadržaj 1. UVODNI DEO .................................................................................................................................................1 2. TEORIJSKI DEO............................................................................................................................................3 2.1 SKROB .........................................................................................................................................................3 2.2 MOLEKULSKA STRUKTURA SKROBA ............................................................................................................4 2.2.1 Amiloza ...............................................................................................................................................4 2.2.2 Amilopektin .........................................................................................................................................5 2.3 NADMOLEKULSKA STRUKTURA SKROBA .....................................................................................................7 2.4 DERIVATI SKROBA .......................................................................................................................................8 2.4.1 Karboksimetil-skrob............................................................................................................................8 2.4.2 Katjonski skrob ...................................................................................................................................9 2.5 OBLIK I VELIČINA MAKROMOLEKULA U RAZBLAŽENIM RASTVORIMA .......................................................10 2.5.1 Statičko rasipanje svetlosti................................................................................................................11 2.5.2 Dinamičko rasipanje svetlosti ...........................................................................................................14 2.5.3 Viskoznost beskonačno razblaženih rastvora....................................................................................17 2.5.4 Oblik makromolekula u razblaženim rastvorima ..............................................................................18 2.5.5 Metode rasipanja svetlosti primenjene na rastvore polielektrolita...................................................21 2.5.5.1 Molarna masa polijona ............................................................................................................................... 21 2.5.5.2 Dinamička svojstva polielektrolita ............................................................................................................. 24 2.5.6 Oblik i veličina makromolekula skroba u razblaženim rastvorima...................................................25 2.5.7 Upotreba ultrazvučne degradacije za regulaciju molarnih masa.....................................................27 2.6 REOLOŠKA SVOJSTVA ................................................................................................................................28 2.6.1 Reološka svojstva koncentrovanih rastvora polimera.......................................................................28 2.6.1.1 Zavisnost viskoznosti od brzine smicanja u semirazblaženim i koncentrovanim rastvorima polimera ...... 30 2.6.2 Viskoelastična svojstva rastvora polisaharida..................................................................................32 2.6.2.1 Razblaženi rastvori ..................................................................................................................................... 32 2.6.2.2 Semirazblaženi rastvori (preplitanje lanaca)............................................................................................... 33 2.6.3 Polisaharidni gelovi..........................................................................................................................34 2.7 TERMOGRAVIMETRIJSKA ANALIZA ............................................................................................................34 3. EKSPERIMENTALNI DEO........................................................................................................................37 3.1 HEMIKALIJE...............................................................................................................................................37 3.2 SINTEZA DERIVATA SKROBA......................................................................................................................37 3.2.1 Sinteza karboksimetil-skroba u cilju optimizacije reakcionih uslova i količine reaktanata..............37 3.2.2 Priprema uzoraka karboksimetil-skroba u cilju ispitivanja svojstava karboksimetil-skroba u razblaženim i koncentro-vanim rastvorima i za termogravimetrijsku analizu...........................................37 3.2.3 Sinteza katjonskog skroba.................................................................................................................38 3.3 ODREĐIVANJE SADRŽAJA VLAGE ...............................................................................................................38 3.4 ODREĐIVANJE STEPENA SUPSTITUCIJE .......................................................................................................39 3.4.1 Određivanje stepena supstitucije karboksimetil-skroba....................................................................39 3.4.1.1 Određivanje stepena supstitucije direktnom titracijom............................................................................... 39 3.4.1.2 Određivanje stepena supstitucije povratnom titracijom hlorovodoničnom kiselinom ................................ 39 3.4.1.3 Određivanje stepena supstitucije karboksimetil-skroba taloženjem bakar-sulfatom................................... 40 3.4.2 Određivanje stepena supstitucije katjonskog skroba ........................................................................41 3.5 PRIPREMA RASTVORA ZA ISPITIVANJE UZORAKA METODOM STATIČKOG I DINAMIČKOG RASIPANJA SVETLOSTI I ZA ODREĐIVANJE GRANIČNOG VISKOZITETNOG BROJA ................................................................42 3.5.1 Priprema rastvora karboksimetil-skroba..........................................................................................42 3.5.2 Priprema rastvora katjonskog skroba...............................................................................................43 3.6 STATIČKO RASIPANJE SVETLOSTI RAZBLAŽENIH RASTVORA KARBOKSIMETIL-SKROBA I KATJONSKOG SKROBA ...........................................................................................................................................................43 3.6.1 Određivanje priraštaja indeksa prelamanja svetlosti .......................................................................44 3.7 DINAMIČKO RASIPANJE SVETLOSTI RAZBLAŽENIH RASTVORA KARBOKSIMETIL-SKROBA I KATJONSKOG SKROBA ...........................................................................................................................................................44 3.8 ODREĐIVANJE GRANIČNOG VISKOZITETNOG BROJA...................................................................................44 3.9 REOLOŠKA SVOJSTVA KONCENTROVANIH RASTVORA SKROBA, KARBOKSIMETIL-SKROBA I KATJONSKOG SKROBA ...........................................................................................................................................................44 3.9.1 Priprema rastvora.............................................................................................................................45 3.9.2 Reološka merenja..............................................................................................................................45 2 3.10 TERMOGRAVIMETRIJSKA ANALIZA SKROBA I KARBOKSIMETIL-SKROBA..................................................45 3.11 GEL-PROPUSNA HROMATOGRAFIJA KATJONSKOG SKROBA ......................................................................46 3.12 INFRACRVENA SPEKTROSKOPIJA..............................................................................................................46 4. REZULTATI I DISKUSIJA.........................................................................................................................47 4.1 – OPTIMIZACIJA REAKCIJE KARBOKSIMETILOVANJA SKROBA ....................................................................47 4.1.1 Uticaj vremena odigravanja reakcije karboksimetilovanja na stepen supstitucije skroba ...............47 4.1.2 Uticaj temperature odigravanja reakcije na stepen supstitucije i granični viskozitetni broj nastalog karboksimetil-skroba .................................................................................................................................47 4.1.3 Uticaj količine NaOH u reakcionoj smeši na stepen supstitucije i granični viskozitetni broj karboksimetil-skroba .................................................................................................................................48 4.1.4 Uticaj količine monohlorsirćetne kiseline na stepen supstitucije skroba i granični viskozitetni broj nastalog karboksimetil-skroba...................................................................................................................49 4.1.5 Uticaj koncentracije reaktanata i reakcionog medijuma na stepen supstitucije i granični viskozitetni broj karboksimetil-skroba .......................................................................................................50 4.2 SVOJSTVA KARBOKSIMETIL-SKROBA .........................................................................................................51 4.2.1 FTIR spektroskopija karboksimetil-skroba .......................................................................................52 4.2.2 Određivanje stepena supstitucije karboksimetil-skroba....................................................................53 4.2.3 Oblik i veličina makromolekula karboksimetil-skroba u razblaženim rastvorima............................56 4.2.3.1 Određivanje molarne mase, poluprečnika rotacije i drugog virijalnog koeficijenta uzoraka karboksimetil- skroba u razblaženim rastvorima upotrebom metode statičkog rasipanja svetlosti ................................................ 56 4.2.3.2 Određivanje koeficijenta difuzije makromolekula karboksimetil-skroba u razblaženim rastvorima upotrebom metode dinamičkog rasipanja svetlosti................................................................................................. 60 4.2.3.3 Uticaj jonske jačine rastvarača na ponašanje razblaženih rastvora karboksimetil-skroba .......................... 61 4.2.3.4 Uticaj molarne mase na ponašanje razblaženih rastvora karboksimetil-skroba .......................................... 64 4.2.3.5 Uticaj molarne mase i jonske jačine rastvarača na parametar ρ.................................................................. 68 4.2.4 Ispitivanja reoloških svojstava koncentrovanih rastvora skroba i karboksimetil-skroba .................73 4.2.4.1 Rezultati ispitivanja reoloških svojstava koncentrovanih rastvora skroba.................................................. 74 4.2.4.2 Rezultati ispitivanja reoloških svojstava koncentrovanih rastvora karboksimetil-skroba.......................... 81 4.2.5 Rezultati termogravimetrijske analize skroba i karboksimetil-skroba ..............................................86 4.2.5.1 Rezultati termogravimetrijske analize skroba............................................................................................. 86 4.2.5.2 Rezultati termogravimetrijske analize karboksimetil-skroba u kiselom obliku .......................................... 88 4.2.5.3 Rezultati termogravimetrijske analize karboksimetil-skroba u obliku natrijumove soli ............................. 90 4.2.5.4 Analiza diferencijalnih termogravimetrijskih krivih................................................................................... 94 4.2.5.5 Prividna energija aktivacije termičke degradacije ...................................................................................... 97 4.3 SVOJSTVA KATJONSKOG SKROBA ..............................................................................................................99 4.3.1 Ponašanje u razblaženim rastvorima – oblik i veličina makromolekula katjonskog skroba.............99 4.3.1.1 Uticaj vremena ultrazvučne degradacije na veličinu makromolekula katjonskog skroba......................... 101 4.3.1.2 Brzina ultrazvučne degradacije katjonskog skroba................................................................................... 103 4.3.1.3 Uticaj ultrazvučne degradacije na oblik makromolekula katjonskog skroba ............................................ 104 4.3.1.4 Uticaj rastvarača na ponašanje razblaženih rastvora katjonskog skroba................................................... 107 4.3.1.5 Uticaj molarne mase na ponašanje razblaženih rastvora katjonskog skroba............................................. 110 4.4 POREĐENJE SVOJSTAVA KARBOKSIMETIL-SKROBA I KATJONSKOG SKROBA.............................................112 4.4.1 Uporedna analiza ponašanja karboksimetil-skroba i katjonskog skroba u razblaženim rastvorima112 4.4.2 Uporedna analiza ponašanja karboksimetil-skroba i katjonskog skroba u koncentrovanim rastvorima................................................................................................................................................113 5. ZAKLJUČAK..............................................................................................................................................115 6. LITERATURA ............................................................................................................................................118 1 1. Uvodni deo Svest o tome da su raspoložive količine fosilnih sirovina ograničene, kao i svest o potrebi zaštite životne sredine, značajno su doprineli ponovnom povećanju interesa za obnavljajuće sirovine[1]. Zbog toga se u literaturi sreće sve više radova posvećenih izučavanju mogućnosti modifikovanja biodegradabilnih makromolekulskih supstanci na bazi obnavljajućih sirovina u cilju prilagođavanja njihovih svojstava različitim namenama i povećanja njihove potroš- nje[2-5]. Od oko 200 milijardi tona biomase koju biljke reakcijama fotosinteze svake godine sintetizuju na površini zemlje, najveći deo otpada na polisaharide. Među polisaharidima naj- više je zastupljena celuloza, sa oko 90 mas.%, dok se na drugom mestu nalazi skrob. Zbog toga se pri razvoju velikog broja novih tehnologija za dobijanje niskomolekulskih hemijskih proizvoda i novih polimernih materijala polazi od ova dva prirodna polimera kao osnovnih polaznih sirovina. Jedan od načina dobijanja biodegradabilnih polimera sa zadovoljavajućim mehaničkim i hemijskim svojstvima je modifikacija prirodnih polimera kao što su celuloza i skrob. Modifikacija ovih prirodnih polimera se zasniva na supstituciji hidroksilnih grupa skroba i celuloze odgovarajućim grupama. Supstitucija grupa se najčešće izvodi reakcijama esterifikacije i eterifikacije. U cilju poboljšanja rastvorljivosti u vodi hidroksilne grupe se zamenjuju grupama kao što su karboksimetil, hidroksietil, potom supstituentima sa terci- jarnim i kvaternernim aminom. U cilju poboljšanja hidrofobnosti skroba vrši se esterifikacija hidroksilnih grupa skroba višim alifatskim kiselinama ili aromatskim kiselinama i eterifika- cija višim alifatskim alkoholima ili fenolima. U poslednje vreme takođe se sve više radi na graft kopolimerizaciji skroba kao i na umešavanju derivata skroba sa sintetskim polimerima. Dobijeni derivati su našli primenu u industriji papira, tekstilnoj industriji, farmaceutskoj industriji, naftnoj industriji, industriji boja itd. Na svojstva derivata skroba mogu da utiču brojni parametri, između ostalog i poreklo skroba i stepen supstitucije. Veličina granula, sadržaj amiloze i amilopektina u skrobu, stepen kristaliničnosti i tip kristalne rešetke, građa amiloze i amilopektina zavise od biološkog porekla skroba. Koncentrovani rastvori skroba u vodi su skloni retrogradaciji, tj. promeni viskoznosti tokom stajanja rastvora. Ova pojava je uočena kod svih skrobova koji sadrže amilozu izuzev kod skroba iz krompira. Biološko poreklo skroba između ostalog utiče i na termička svojstva skroba. Temperatura pri kojoj dolazi do gubitka mase pri termogravi- metrijskoj analizi zavisi od molarne mase, pH, a verovatno i sadržaj amiloze u skrobu. Kako svojstva skroba zavise od biološkog porekla za očekivati je da će i svojstva derivata skroba zavisiti od porekla skroba. Kada se prilikom hemijske modifikacije skroba reakcija izvodi u suspenziji, odigravanje hemijske reakcije zavisi od dostupnosti hidroksilnih grupa skroba modifikujućem agensu. Zbog toga veličina granula, stepen kristaliničnosti i temperatura klajsterizacije mogu imati veliki uticaj na stepen supstitucije dobijenog derivata skroba. Uvođenjem polarnih grupa u makromolekul skroba povećava se hidrofilnost derivata skroba, a ukoliko su grupe jonogene, dobija se derivat skroba koji ima polielektrolitna svojstva. Vodeni rastvori polielektrolita skloni su agregaciji. Generalno, na pojavu agregaciji veliki uticaj ima prisustvo malih elektrolita (soli). Kod derivata skroba, na nastanak agregata veliki uticaj ima i stepen supstitucije. Imajući sve ovo u vidu, osnovni cilj ove doktorske teze je ispitivanje svojstava vodorastvo- rivih derivata skroba u razblaženim i koncentrovanim rastvorima u vodi i rastvorima soli. U tu svrhu biće sintetisana dva tipa derivata: anjonski i katjonski derivat skroba. Za dobijanje anjonskog derivata skroba biće korišćena monohlorsirćetna kiselina a za sintezu katjonskog skroba 3-hlor-2-hidroksipropil-trimetilamonijum hlorid. Za sintezu karboksimetil skroba biće korišćena dva tipa skroba: skrob od krompira i skrob od kukuruza. Ova dva tipa skroba se razlikuju po veličini granula, temperaturi klajsterizacije, stepenu kristaliničnosti, tipu kristalne rešetke, sadržaju amiloze i amilopektina, molarnim masama amiloze i amilopektina, stepenu grananja amiloze i amilopektina, dužini bočnih 2 grana amilopektina. Od oba tipa skroba biće sintetisana po tri derivata različitih stepena supstitucije. Pripremljenim uzorcima biće određen stepen supstitucije kako bi se utvrdilo da li poreklo skroba utiče na reakciju eterifikacije skroba. Za određivanje stepena supstitucije koristiće se tri metode: metoda direktne titracije, povratna titraciona metoda i taložna metoda. Upotrebom viskozimetrije i metoda statičkog i dinamičkog rasipanja svetlosti uzor- cima će biti određeni karakteristični parametri (granični viskozitetni broj, molarna masa, poluprečnik rotacije, drugi virijalni koeficijent, koeficijent difuzije i hidrodinamički polu- prečnik) u razblaženim rastvorima. Kao rastvarači biće korišćeni voda i vodeni rastvori natrijum hlorida. Iz dobijenih rezultata moći će da se zaključi u kojoj meri poreklo skroba, stepen supstitucije i prisustvo soli male molarne mase utiču na oblik i veličinu makromole- kula karboksimetil-skroba. Takođe, od dobijenog karboksimetil-skroba biće pripremljeni koncentrovani rastvori u vodi kao rastvaraču. Kako bi ispitali da li poreklo skroba i stepen supstitucije utiču na viskoznost koncentrovanih rastvora, koncentrovanim rastvorima karboksimetil-skroba biće određene krive tečenja. Za pripremu rastvora karboksimetil- skroba u vodi i vodenim rastvorima natrijum hlorida koristiće se karboksimetil-skrob prethodno preveden u oblik natrijumove soli jer je kiseo oblik karboksimetil-skroba neras- tvoran u vodi. Oba tipa (i kiseli i oblik soli) karboksimetil-skroba biće ispitana termogravi- metrijskom analizom kako bi se utvrdilo da li oblik karboksimetil-skroba utiče na termička svojstva, kao što je to slučaj kod lignina gde je utvrđeno da natrijum ima katalitičko dejstvo. Takođe, ispitaće se uticaj porekla skroba i stepena supstitucije na termička svojstva skroba. Za razliku od karboksimetil-skroba, katjonski skrob je daleko detaljnije izučavan. Postoji veliki broj radova u kojima je izučavana sama hemijska reakcija katjonizacije i uticaj razli- čitih reakcionih parametara na prinos i reakcionu efikasnost. Optimizacija hemijske reakcije katjonizacije skroba i karakterizacija hemijske građe katjonskog skroba je takođe dobro obrađena. Pored toga ispitivana su i svojstva katjonskog skroba u razblaženim rastvorima, kao i primenska svojstva katjonskog skroba pogotovo adsorpciona. Enzimska degradacija katjonskog skroba je takođe izučavana. Zbog toga je akcenat pri ispitivanju svojstava katjon- skog skroba stavljen na mogućnosti upotrebe ultrazvučne degradacije u cilju regulacije molarnih masa. Molarna masa derivata skroba zavisi od porekla skroba, načina izolovanja skroba, reakcionih uslova pri sintezi derivata, načina prečišćavanja itd., pa je stoga vrlo teško dobiti derivate skroba željenih molarnih masa. Željene molarne mase se mogu dobiti kontro- lisanom degradacijom makromolekula. Jedna od vrlo zahvalnih metoda kontrolisane degra- dacije je ultrazvučna degradacija. Nije još ispitano kako ultrazvučna degradacija utiče na molarne mase katjonskog skroba, kao i da li ultrazvučna degradacija dovoditi do promene u obliku i unutrašnjoj strukturi katjonskog skroba. Za sintezu katjonskog skroba biće korišćen skrob iz kukuruza. Ultrazvučnom degradacijom katjonskog skroba biće pripremljeno 5 uzo- raka različite molarne mase. Očekuje se da će ultrazvučna degradacija dovesti do suženja raspodele makromolekula pa će upotrebom gel-propusne hromatografije (GPC) biti ispitan uticaj vremena ultrazvučne degradacije na raspodelu molarnih masa. Molarne mase katjon- skog skroba biće određene upotrebom metode statičkog rasipanja svetlosti. Dobijene molarne mase će biti korišćene za kalibraciju gel-propusne hromatografije. Na osnovu dobi- jenih podataka biće određena kinetika ultrazvučne degradacije katjonskog skroba. Kako prilikom ultrazvučne degradacije dolazi do kidanja makromolekula uglavnom u centru mase upotrebom metoda statičkog i dinamičkog rasipanja svetlosti biće ispitano da li ultrazvučna degradacija dovodi do promene oblika makromolekula. Kod oba derivata skroba ispitivaće se uticaj jonske jačine rastvarača (koncentracije natrijum hlorida u vodenom rastvoru) na vrednosti poluprečnika rotacije, hidrodinamičkog polu- prečnika i drugog virijalnog koeficijenta. 3 2. Teorijski deo 2.1 Skrob Skrob je polisaharid koji se sastoji od amiloze i amilopektina. Oba makromolekula predsta- vljaju homopolimere D-glukoze. Razlika između ovih komponenti je u stepenu grananja. Amiloza je dominantno linearna dok je amilopektin razgranata komponenta skroba. Skrob se nalazi u svim zelenim biljkama. Fotosintezom, iz ugljendioksida i vode, nastaje glukoza koja enzimski katalizovanom polimerizacijom daje skrob. U asimilacionoj fazi, kao prvi produkt asimilacije nastaje teško rastvorni, takozvani asimilacioni skrob i skladišti se u obliku sitnih bezbojnih mikroskopskih čestica, granula, između hloroplasta. U tamnoj fazi fotosinteze (noću) biljka ovaj skrob ponovo, enzimski, razgrađuje na glukozu i maltozu. Jedan deo nastalih šećera biljka koristi za formiranje novih ćelija i dobijanje energije potre- bne za održavanje životnih funkcija. Drugi deo nastale glukoze i maltoze, koje su rastvorne u vodi, transportuje se u “skladišne “ organe (seme, koren, lukovica, itd.), prevodi u skrob i u obliku granula skladišti u amiloplastu. Veličina i oblik granula skroba, kao i svojstva skroba zavise od vrste biljke koja ga sintetiše. Prirodni skrobovi se razlikuju u odnosu amiloze i amilopektina i u sadržaju vode. Pored amiloze i amilopektina, u skrobu su prisutna i neka neugljenohidratna jedinjenja kao što su masti, proteini, fosfati, itd. „Normalni“ (genetski nemodifikovani) skrobovi, kao što su kukuruzni, pšenični i skrob iz pirinča i krompira sadrže od 70 do 80 % amilopektina i 20 do 30 % amiloze. Gustina suvog skroba kreće se od 1,514 do 1,520 g/cm3, dok je gustina pri ravnotežnom sadržaju vlage od 1,468 do 1,485 g/cm3. U SAD, kao i Evropi u početku se industrijski prerađivao samo pšenični skrob ali ubrzo su i drugi tipovi skroba uvedeni u proizvodnju – skrob iz pirinča 1815. godine, iz krompira 1820. godine, kukuruzni skrob 1844-1846, itd. Danas su u industrijskoj preradi zastupljeni brojni tipovi skroba, koji se razlikuju po svom biološkom poreklu. Neke od najčešće korišćenih biljaka iz kojih se dobija skrob su prikazane u tabeli 2-1. Rasprostranjenost ovih biljaka u pojedinim oblastima sveta je različita i zavisi od klime i ekonomskih uslova. Tabela 2-1 Najčešće korišćene biljke za proizvodnju skroba Vrsta biljke Tip skroba Oblast uzgajanja Sadržaj skroba, mas.% Sadržaj amiloze u skrobu, mas.% [6] Tip skroba Kukuruz Žitarica Svi kontinenti 64-78 22,5 A Pšenica Žitarica Svi kontinenti 55-78 25,8 A Pirinač Žitarica Azija, Amerika, Evropa 87-93 20,5 A Ječam Žitarica Svi kontinenti 54-60 28,0 A Beli krompir Krtola Svi kontinenti 8-29 16,9 B Tapioka Krtola Tropske oblasti Azije i južne Amerike 12-33 17,8 A Sago Srž Tropske oblasti Azije Oko 40 25,8 C 4 2.2 Molekulska struktura skroba 2.2.1 Amiloza Amiloza (slika 2-1) je dominantno linearna komponenta skroba. Ona je homopolimer D-glu- koze u kome su anhidroglukozidne jedinice (AGU), u piranoznom obliku, međusobno pove- zane α-1,4-glikozidnim vezama. U svakom molekulu amiloze nalazi se jedna neredukujuća i jedna redukujuća grupa. Slika 2-1 Segment molekula amiloze Iako se svi molekuli amiloze posmatraju kao linearni, mnogi molekuli amiloze ne mogu biti kompletno hidrolizovani upotrebom β-amilaze. Naime, β-amilaza razgrađuje makromolekul počevši od neredukujuće grupe, odvajajući po dve AGU, ali isključivo u linearnom delu jer ne može da pređe preko mesta grananja polisaharidnog niza. Smatralo se da nekompletna hidroliza potiče od retrogradacije ali neka najnovija istraživanja pokazuju da su i u amilozi prisutne bočne grane, i da je nepotpuna hidroliza amiloze upotrebom β-amilaze posledica grananja. Neke amiloze, pogotovo one velike molarne mase imaju i po 10 ili više grana po molekulu. Kada se amiloza podvrgne dejstvu β-amilaza razgradi se od 72 do 95 % amiloze, dok je taj procenat kod amilopektina od 55 do 61 %. Procenat razgradnje amiloze upotrebom β-amilaze zavisi od porekla skroba iz koga je amiloza izolovana. Tako, β-amilaza razgradi više od 80 % amiloze izolovane iz skroba od žitarica, a oko 72 % amiloze od slatkog krompira. Amiloza i amilopektin su uniformno raspoređeni u granulama skroba. Amiloza se nalazi u amorfnim oblastima dok amilopektin čini kristalne domene. Sadržaj amiloze i amilopektina varira u širokom opsegu, zavisno od tipa skroba. U većini skrobova sadržaj amiloze je 20-30 mas.% (tabela 2-1). Skrobovi sa neuobičajeno visokim ili niskim sadržajem amiloze, kao što su voskasti skrobovi i visokoamilozni kukuruzni skrobovi, izolovani su iz specijalnih biljaka dobijenih genetskim inženjeringom. Molarna masa amiloze zavisi od tipa skroba iz koga je izolovana tj. od biološkog porekla skroba. Amiloza izolovana iz žitarica ima manju molarnu masu od amiloze izolovane iz dru- gih biljaka (tabela 2-2)[6]. Tabela 2-2 Svojstva amiloze zavisno od biološkog porekla skroba[6] Kukuruz Pirinač Pšenica Tapioka Sladak krompir Jodni afinitet, g/100 g 21,1 20,6 19,9 20,0 19,7 λmax, nm 644 658 664 662 660 DP 960 1110 1290 2660 3280 Broj grana po molekulu 2,9 3,5 4,8 7,8 9,8 β-amilazom razgrađeno 82 81 82 75 76 β-amilazom i pululanazom razgrađeno 99 103 101 99 99 5 Molski udeo razgranatih jedinica u amilozi iz žitarica je od 0,27-0,44, dok je kod amiloze izolovane iz korenih biljaka udeo od 0,34 do 0,70. Neke amiloze, kao što su one izolovane iz kukuruza i pšenice imaju uglavnom kratke bočne lance (stepen polimerizacije, DP, oko 18), dok amiloze izolovane iz krompira ili slatkog krompira sadrže i duge i kratke bočne lance. Nakon tretiranja izoamilazama (raskidaju veze na mestima grananja) kod amiloze iz kukuruza i pšenice nema značajnije promene u molarnim masama, dok se kod amiloze iz krompira uočavaju značajne promene. U sveže pripremljenom rastvoru amiloza se nalazi u obliku nasumičnog klupka. U prisustvu kompleksirajućeg agensa vrlo brzo formira jednolančani heliks. U prisustvu nekih komple- ksirajućih agenasa (1-butanol, masne kiseline i glicerin monostearat) amiloza formira heliks sa oko šest glukoznih jedinica po zavoju, dok u prisustvu izo-butanola, tercijarnog butanola, dimetilsulfoksida formira heliks sa sedam jedinica po krugu. U prisustvu 1-naftola amiloza formira kompleks sa 8 jedinica po zavoju. U odsustvu kompleksirajućeg agensa amiloza formira dupli heliks. Minimalna dužina lanca za formiranje duplog heliksa je pri DP = 10. Brzina retrogradacije raste sa porastom molarne mase do oko DP = 90 do 110, a opada ako je DP veće od 250. Amiloze sa veličinom manjom od 110 AGU talože se iz rastvora na svim temperaturama. Amiloze veličine od 250 do 660 AGU se u zavisnosti od temperature i koncentracije talože ili formiraju gel. Amiloze koje imaju više od 1100 AGU uglavnom formiraju gel. 2.2.2 Amilopektin Druga komponenta skroba, amilopektin, od amiloze se razlikuje u stepenu grananja. Iako smo videli da i kod amiloze postoji određeno grananje ipak je taj broj grana daleko manji nego u amilopektinu. Amilopektin čini u proseku 72-85 mas. % skroba. Na razgranatost amilopektina ukazuje činjenica da se pod dejstvom β-amilaze amilopektin razlaže do pribli- žno 55 do 60 mas.% od ukupne mase. Srednja dužina bočnih lanaca amilopektina varira zavisno od tipa skroba: od 19 do 28 za A tip, 29 do 31 za B tip i 25 do 27 za C-tip skrobova. Podela skroba na A, B i C tip je urađena na osnovu izgleda spektra difrakcije X-zrakai,[65]. Sekvenciona analiza makromolekula amilo- pektina je pokazala da makromolekul poseduje nekoliko populacija polimernih lanaca koji se definišu: kratki (1260). Kako bi se utvrdila dužina grana u amilopektinu, amilopektin se podvrgava dejstvu izoamilaze pri čemu dolazi do raskidanja lanaca na mestima grananja. Nakon razgradnje uzorak se frakcioniše hromatografskim metodama. Na ovaj način se dobija bimodalna raspodela lanaca, za razliku recimo od glikogena gde je raspodela unimodalna. Udeo kratkih lanaca je manji kod amilo- pektina B-tipa u odnosu na A-tip. Poboljšanim hromatografskim razdvajanjem dobijena je polimodalna raspodela grana. Amilopektin izolovan iz kukuruza i pšenice ima ekstremno duge lance sa 700 do 1000 AGU, kojih nema u amilopektinu izolovanom iz krompira. Amilo- pektin A-tipa ima značajno manji udeo dugih grana, ali je dužina dugih grana kod amilo- pektina A-tipa mnogo veća nego kod B-tipa. Lanci u amilopektinu se dalje klasifikuju na: A-, B- i C-lance. A-lanci su povezani sa drugim lancima (B- ili C-) preko redukujućih krajeva α-D-(1-6) vezom, ali sami nisu razgranati. B- lanci su povezani sa drugim B- ili C-lancima, ali B-lanci se granaju od A-lanaca ili drugih B- lanaca na C6 poziciji u glukozidnoj jedinici. Svaki molekul amilopektina ima samo jedan C- lanac, koji nosi redukujući kraj molekula (slika 2-2). i Spektar A-tipa ima “šumu” pikova.; B-tipa ima manji broj pikova, ali dobro definisanih; a izgled spektra C- tipa je između A i B-tipa. 6 Slika 2-2 Klaster model amilopektina sa A i B1-B3 lancima. Na C-lancu se nalazi redukujući kraj Najšire prihvaćen model za opisivanje strukture amilopektina je klaster („claster“) model. U ovom modelu tačke grananja nisu nasumično raspoređene već se nalaze u klasterima. Klasteri velikog broja kratkih lanaca (sa DP između 12 i 70) formiraju kristalne domene (lamele) debljine 5-7 nm koji su ispresecani amorfnim regionima debljine 3-4 nm u kojima se nalaze tačke grananja. Pokazano je da se B-lanci mogu nalaziti u više od jednog klastera. Ovo je dovelo do podele B-lanaca na: B1-lance (nalaze se samo u jednom klasteru), B2-lance i B3- lance (nalaze se u dva odnosno tri klastera) i B4-lance koji prožimaju 4 i više klastera. Kod skroba A-tipa tačke grananja se nalaze i u amorfnim i u kristalnim regionima, dok kod skroba B-tipa tačke grananja su dominantno u amorfnim regionima. Odnos A i B lanaca varira od 1:1 do 1:1.5. Whelan je 1971. god. predstavio amilopektin u obliku razgranatog drveta. Pošto su rastvori amilopektina veoma viskozni, zahvaljujući asimetričnosti strukture i dobroj kristaliničnosti, French je 1972. god. modifikovao Whelan-ov model makromolekula amilopektina. Ovaj model je predstavljen na slici 2-3. Slika 2-3. Robin -ov i French – ov model amilopektina iz a) kukuruza i b) krompira[7] Usled vrlo velike molarne mase i polidisperznosti i sklonosti degradaciji usled smicanja, određivanje molarne mase amilopektina je teško a rezultat varira od metode i korišćene tehnike. Molarna masa amilopektina varira od 50 do 500 miliona g/mol i jedan je od najvećih prirodnih polimera. 7 2.3 Nadmolekulska struktura skroba Kao što je već rečeno, u amiloplastu skrob se nalazi u obliku granula. Nadmolekulska struk- tura, oblik i veličina granula skroba zavise od njegovog porekla. Na slici 2-4 prikazani su različiti oblici granula skroba dobijenog iz kukuruza, pšenice, pirinča, tapioke, sagoa i krom- pira. Slika 2-4 Oblik granula skroba različitog porekla: a) kukuruz, b) pšenica, c) pirinač, d) tapioka, e) sago i f) krompir Molekulska struktura amiloze i amilopektina, kao osnovnih sastojaka skroba, kao i udeo ovih komponenti utiču na nadmolekulsku strukturu. Granule skroba se razlikuju po obliku (slika 2-4) - od oštrouglih u pirinčanom i kukuruznom do okruglih i ovalnih u pšenici i topioka skrobu, ili jajolikim u sago skrobu i skrobu iz krompira. Veličina granula različitih tipova skroba (iz kukuruza, pšenice, pirinča, tapioke, sagoa i krompira) varira u širokom opsegu vrednosti - od oko 3 do 100 μm. Raspodela veličine granula skroba takođe zavisi od biljke iz koje je skrob izolovan. Na slici 2-5 prikazana je raspodela veličine granula različitih tipova skroba. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 5 10 15 20 25 30 35 pšenični skrob fin kukuruzni skrob pšenični skrob skrob iz krompira vo l. % veličina zrna Slika 2-5 Raspodela veličine granula različitih skrobova Većina granula skroba je sačinjena od alternirajućih amorfnih i kristaliničnih slojeva koji su debljine od 100 do 400 nm. Radijalna organizacija vodi do pojave optičke polarizacije. Rasi- panje X-zraka povezano sa elektronskom mikroskopijom je pokazalo postojanje periodičnih domena debljine 9-10 nm. Periodičnost se interpretira kroz postojanje kristalnih i amorfnih 8 lamela formiranih od klastera. Ovo je univerzalna karakteristika skroba i ne zavisi od botani- čke vrste. 2.4 Derivati skroba Hemijska modifikacija skroba generalno obuhvata esterifikaciju, eterifikaciju ili oksidaciju hidroksilnih grupa na AGU. Mnogi komercijalni derivati se dobijaju reakcijama adicije u vodi ili organskim rastvaračima. Vrednost pH rastvora se kontroliše i iznosi za reakcije este- rifikacije od 7 do 9, a za reakcije eterifikacije od 11 do 12. Temperatura reakcije je obično ispod 60 oC. Natrijum-sulfat ili natrijum-hlorid se obično dodaju da se spreči bubrenje granula skroba u toku reakcije. Neutralizacija reakcionog medijuma nakon reakcije se obično izvodi hlorovodoničnom ili sumpornom kiselinom, praćena ispiranjem vodom, filtriranjem i sušenjem pri čemu se derivat skroba dobija u vidu praha. Uobičajeni stepeni supstitucije komercijalnih derivata su niži od 0,2. Skrob se često delimično depolimerizuje pri čemu nastaju proizvodi koji imaju manju molarnu masu pa i viskoznost. Depolimerizacija se izvodi kiselinama ili oksidantima. Ova degradacija se najčešće izvodi na granularnom skrobu. Kisela degradacija se izvodi upotre- bom sumporne ili hlorovodonične kiseline pri temperaturi od 40 – 60 oC. Zagrevanjem skroba u prisustvu kiseline na temperaturama od 100 do 200 oC, nastaju dekstrini koji imaju mnogo manje molarne mase. U toku ovog procesa dolazi do transglikolizacije pri čemu nastaju visoko razgranati molekuli. Prilikom kisele hidrolize, narušava se kristalna struktura unutar granule. Kisela hidroliza neumreženih estara ili etara skroba u vodenom rastvoru etanola pri temperaturi od 50 – 150 oC i pod povišenim pritiskom dovodi do nastanka degra- diranih derivata skroba rastvornih u hladnoj vodi. Ovi derivati formiraju transparentne rastvore koji se koriste kao lepila, zaštitni koloidi za emulzionu polimerizaciju. Skrob se često depolimerizuje i upotrebom različitih enzima. U ovom slučaju koriste se skrobne paste a degradacija se vodi do mnogo većeg stepena pri čemu nastaje D-glukoza i/ili oligosaharidi. Najveća upotreba skroba, pored prehrambene industrije, je u proizvodnji papira. Savremene linije za proizvodnju papira se kreću brzinom do 1800 m/min, pri čemu je širina trake i do 9 m. Tako pri proizvodnji 75 g/m2 papira, pri širini trake od 8 m i brzini od 1000 m/min u jednom minutu se proizvede 600 kg papira (ili 864 t/dan). Prilikom rafinacije, celulozna vlakna prolaze kroz uske proreze između diskova koji se obrću velikom brzinom i fibrilizuju spoljašnji sloj, tako povećavajući specifičnu površinu. Rafinisana vlakna se kombinuju sa pigmentima, punilima, bojama i različitim aditivima. U različitim fazama u toku procesa dodaju se flokulanti. Osnovni flokulacioni aditivi su katjonski skrob, poliakrilamidi, polieti- lenimini i različita jedinjenja aluminijuma. Većina flokulanata ima katjonsko naelektrisanje. Novi retencioni sistemi sadrže amfoterni skrob, sistem katjonskog i anjonskog polimera sa malim mineralnim česticama, uključujući i nanočestice. Prilikom proizvodnje papira skrob se koristi kao flokulant i retenciono sredstvo, agens za vezivanje, vezivo za premaz i kao adheziv. Za proizvodnju papira u SAD-u se godišnje potroši oko 1,1 milion tona skroba od čega je 40 % hemijski modifikovano. Nemodifikovani skrob se koristi samo za proizvodnju laminata i sličnih proizvoda. 2.4.1 Karboksimetil-skrob Karboksimetil-skrob (CMS) je poznat već duže vreme. Karboksimetil-skrob je jedan od najvažnijih derivata skroba koji se koristi u neprehrambenoj industriji, kao aditiv za papir, ugušćujući agens, pomoćno sredstvo u farmaceutskoj industriji. Komercijalni CMS ima prilično nizak stepen supstitucije (DS) koji obično nije viši od 0,3[17]. CMS se kao aditiv u industriji papira[4], tekstilnoj industriji[5] i naftnoj industriji[5]. U farmaceutskoj industriji CMS se koristi za tabletiranje lekova, čime obezbeđuje laku razgradnju. Takođe, CMS se koristi i u prehrambenoj industriji. Prilikom proizvodnje 9 džemova i kandiranog voća poboljšava viskoznost, stabilnost, sprečava gubitak vlage i oblika. Pri proizvodnji sokova, mleka i čajeva povećava viskoznost, stabilnost i suspenduje čvrste ingradijente. Kako bi se sprečio nastanak kristala leda pri hlađenju sladoleda takođe se dodaje CMS. Istovremeno CMS podiže i viskoznost sladoleda. Karboksimetil-skrob se koristi kao ugušćivač u premazima ili kao vezivo u premazima za posebne tipove papira. Anjonski skrobovi, dobijeni karboksimetilacijom skroba iz krompira, poboljšavaju jačinu formiranog filma, bistrinu i td. Naročito se upotrebljavaju u proizvodnji papira koji sadrže visok sadržaj recikliranih vlakana[6]. Karboksimetil-skrob se dobija kao proizvod reakcije skroba i monohlorsirćetne kiseline, u prisustvu natrijum-hidroksida. Ovo je dvostepena reakcija gde prvi stupanj predstavlja alkalizacija skroba[8], a drugi stupanj je reakcija karboksimetilovanja skroba (poglavlje 3.2.1.)[64-66]. Prva sinteza karboksimetil-skroba datira još iz 1924. godine, a reakcija je vođena u 40 % NaOH i natrijum–monohloracetatom. Reakcija se može izvoditi u vodi[9, 15-16] ili u organskim rastvaračima mešljivim sa vodom[10-12]. Viši stepeni stepena supstitucije (do oko 1) dobijaju se upotrebom nevodenog medijuma. Na AGU postoje tri položaja na kojima može da se veže karboksimetil grupa: O-2, O-3 i O-6. Utvrđeno je da se prilikom karboksimetilovanja skroba reakcija odigrava uglavnom na položaju O-2, nešto slabije na O- 6. Reakcija je najslabije zastupljena u poziciji O-3[13-14]. CMS se dobija reakcijom skroba sa monohlorsirćetnom kiselinom ili upotrebom natrijumove soli monohlorsirćetne kiseline. Pre toga se skrob aktivira vodenim rastvorom NaOH. O CH2OH O OH OH ** n NaOH O CH2OH O OH ** n ONa OH2 O CH2OH O OH ** n ONa O CH2OH O OH ** n O R1 NaClR1 Cl + n + ++ n n Slika 2-6 Dvostepena sinteza derivata skroba upotrebom hlornih supstituenata. Pri sintezi karboksimetil-skroba R1 je -CH2COONa, a pri sintezi katjonskog skroba R1 je – CH2CH(OH)CH2N(CH3)3+Cl- Reakcija se izvodi u suspenziji u organskim rastvaračima, najčešće alkoholima jer se na taj način dobija CMS u obliku suspenzije dok se u vodi kao rastvaraču CMS dobija u obliku gela. Postoji veliki broj radova[15-16, 66] u kojima je izučavan uticaj različitih parametara na prinos, reakcionu efikasnost i stepen supstitucije. Svojstva CMS-a kao što su viskoznost rastvora, interakcije sa katjonima, formiranje agregata su određene stepenom supstitucije. 2.4.2 Katjonski skrob Katjonski skrob ima značajnu upotrebu u proizvodnji papira[18], gde se koristi za slepljivanje papirne mase i bolje zadržavanje celuloznih vlakana i punilaca, kao i smanjenje gubitka vode koja prolazi kroz traku za formiranje papira. Takođe, koristi se za poboljšanje flokulacije fino dispergovanih suspenzija prilikom prečišćavanja otpadnih voda. Katjonski skrob se dobija upotrebom 2,3-epoksipropiltrimetilamonijum-hlorida ili mnogo stabilnije hlorohidrinske forme (3-hloro-2-hidroksipropiltrimetilamonijum hlorid), koji se konvertuje do reaktivnog epoksida prilikom sinteze u jako baznim reakcionim uslovima)[19]. Takođe, katjonski skrob se može dobiti i upotrebom kvaternernih amonijum katjonizujućih reagenasa u kojima je jedna metil grupa zamenjena hidrofobnom grupom (dodecil, oktadecil i sličnom). Ovi katjonski 10 skrobovi imaju izuzetna ugušćujuća svojstva (podižu viskoznost rastvora). Većina komerci- jalnih katjonskih skrobova sadrži od 0,1 – 0,4 % azota (DS<0.05). Pored kvaternernih amino skrobova prisutni su i tercijarni amino skrobovi nastali eterifika- cijom dietilaminoetilhloridom. Protonizacijom tercijarnog amina u kiselim pH uslovima nastaju katjonska naelektrisanja, koja nestaju porastom pH. Ovi skrobovi se koriste kao aditivi za imobilizaciju prevlaka za papir. Na pH 8-8,5 ove grupe nisu protonizovane ali u toku primene premaza uz zagrevanje dolazi do otparavanja amonijaka uzrokujući opadanje pH, protonizaciju grupa i flokulacije pigmenata što dovodi do imobilizacije premaza na površini papira poboljšavajući površinska svojstva papira. Poboljšanje katjonizacije se postiže mešanjem 65 % rastvora 3-hloro-2-hidroksipropiltri- metilamonijum hlorida sa 21 mas. % rastvorom NaOH čime se reagens brzo konvertuje u epoksidni oblik neposredno pre dodavanja skroba. Na ovaj način se dobija manje razblaženje reakcione smeše a samim tim i veći kapacitet. U drugom procesu, gde se dobija najbolja reakciona efikasnost, hlorhidrin se dodaje u razblaženi rastvor KOH a potom se dodaje skrob, mala količina Na2SO4 i CaO kako bi se pH održavao između 11,5 i 11,9. Kako je osnovna upotreba katjonskog skroba u industriji papira, veliki broj radova je posve- ćen ispitivanju adsorpcije katjonskog skroba i njegovih flokulacionih svojstava[20-21]. 2.5 Oblik i veličina makromolekula u razblaženim rastvorima Po tipu lančane građe polimeri se dele na: linearne, razgranate i umrežene. Kao što je već pomenuto amiloza je dominantno linearan makromolekul iako postoji određeni vid grananja. Amilopektin je visoko razgranat makromolekul. Svojstva skroba su uglavnom dominantno određena ponašanjem amilopektina, pa se može uopšteno smatrati da su makromolekuli skroba razgranati. Klasifikacija razgranatosti je vrlo kompleksna. Osnovna klasifikacija razgranatosti je izvedena na osnovu sređenosti strukture, tj. razgranati makromolekuli mogu biti regularno razgranati i statistički razgranati. Regularno razgranati makromolekuli obuhvataju: (a) zvezdaste makromolekule, (b) makromolekule u obliku „češlja“ (comb) i (c) dendrimere (meke sfere). Statistički razgranati makromolekuli obuhvataju: nasumično razgranate makromolekule, hiperrazgranate makromolekule. Hiperrazgranati makromolekuli nastaju polimerizacijom monomera tipa AB2 ili ABC. A grupa može reagovati samo sa B ili C grupom. U prvom slučaju obe B grupe monomera imaju istu reaktivnost sa A-grupom, dok u drugom slučaju reaktivnosti B i C grupe sa A grupom nisu identične. Amilopektin spada u ABC grupu polimera. Eksperimentalne metode koje se koriste za izučavanje oblika i strukture makromolekula u rastvoru su: - statičko rasipanje svetlosti (SLS) - dinamičko rasipanje svetlosti (DLS) - rasipanje X-zraka pri malim uglovima (SAXS) - rasipanje neutrona pri malim uglovima (SANS) - viskozimetrija - gel-propusna hromatografija (GPC) kuplovana različitim detektorima U poslednje vreme koriste se nove tehnike čiji je rad zasnovan na istovremenom frakcioni- sanju uzorka i metodama rasipanja. Za određivanje oblika makromolekula, osnovni parametri koji se koriste su molarna masa i poluprečnik ekvivalentne sfere. Dva poluprečnika ekvivalentne sfere se dobijaju direktno iz statičkog i dinamičkog rasipanja svetlosti. Drugi poluprečnici ekvivalentne sfere se mogu dobiti iz: a) drugog virijalnog koeficijenta i molarne mase (RA2) i b) graničnog viskozitetnog broja i molarne mase (Rη). 11 2.5.1 Statičko rasipanje svetlosti Rasipanje svetlosti[22-25] potiče od ekscitacije elektrona u spoljašnjem omotaču atoma primarno monohromatskom svetlošću, koja uzrokuje periodične oscilacije polarizabilnosti. Usled interakcija upadne svetlosti sa elektronskim omotačem emituje se svetlost iste talasne dužine. Osnove kvantitativne teorije dolaze od lorda Rejlija (Rayleigh) koji je primenio Maksvelovu (Maxwell) teoriju na svetlost. Kasnije je Ajnštajn (Einstein) otkrio da pored regularnih oscilacija polarizabilnosti moraju da se posmatraju i termičke promene. Tako se intenzitet rasipanja može izraziti jednačinom koja sadrži tri važna doprinosa a koji su (1) srednja promena kvadrata gustine <Δρ2>, (2) srednja promena kvadrata koncentracije <Δc2> i (3) ugaono zavisna funkcija P(θ). Tako, ukupan intenzitet rasipanja je: )(' 22 θρθ PcKKRukupno Δ+Δ= (2-1) gde je Rθ takozvani Rejlijev odnos koji predstavlja normalizovan intenzitet rasipanja: 2 0 )( r I iR θθ = (2-2) gde i(θ) i I0 predstavljaju intenzitet rasute i upadne svetlosti, a r je rastojanje detektora od centra zapremine u kojoj se rasipa svetlost. Ugaone zagrade u jednačini (2-1) predstavljaju srednju vrednost promena gustine i koncentracije. K’ i K su optičke konstante. Iskustvo u radu sa makromolekulima i koloidnim česticama je pokazalo da čak i pri vrlo niskim koncentracijama promene u vrednosti koncentracije prevazilaze promene u vrednosti gustine za red veličine. Promene vrednosti gustine proizilaze iz promena gustine rastvarača tako da se prvi član jednačine (2-1) može zanemariti. Srednji kvadrat promene koncentracije može se izraziti kroz hemijski potencijal, Δμ1 ili osmotski pritisak π: )(var θπθθθ P cKcRTRRR acarastukupno ∂ ∂=−= (2-3) Konstanta K je jako zavisi od priraštaja indeksa prelamanja svetlosti, dn/dc, i za vertikalno polarizovanu svetlost je 2 04 0 24 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∂ ∂= c nnK λ π (2-4) Jednačina (2-3) sadrži osmotsku kompresibilnost, c∂∂ /π , pa jako rasipanje svetlosti nastaje ako male promene u osmotskom pritisku uzrokuju veliku promenu koncentracija. Ovo se dešava u blizini kritične tačke faznog razdvajanja, ali u većini slučajeva ispitivani sistemi su daleko od takvog kritičnog ponašanja. U ovim slučajevima osmotski pritisak se može izraziti jednačinom: ...33 2 2 +++= cAcAM c RT π (2-5) Ako se jednačina (2-5) ubaci u jednačinu (2-3) dobija se kompleksan izraz za rasutu svetlost. Debaj (Debye) sugeriše upotrebu recipročne vrednosti intenziteta rasute svetlosti: ...32 )( 1 2 32 +++= cAcAPMR Kc W θθ (2-6) Ova jednačina se naziva Debajeva. Iz jednačine (2-3) se vidi da intenzitet rasipanja zavisi od dva fizički vrlo različita faktora. Prvi, (∂π/∂c)RT-1 je termodinamička funkcija koja daje informacije o silama između individualnih makromolekula ili koloidnih čestica. Drugi faktor, P(θ), je funkcija koja opisuje veličinu čestica, a u idealnom slučaju i oblik čestica i unutrašnju strukturu. Veličina P(θ) se naziva faktor rasipanja čestice. ∑∑ = = === n l n k lk lk qr qr nR R P 1 1 2 )sin(1 0 )( θ θθ (2-7) gde rlk predstavlja rastojanje između dva elementa rasipanja, a q je vektor rasipanja svetlosti: 12 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= 2 sin4 0 0 θ λ πnq (2-8) Razvijanje duple sume u jednačini (2-7) može biti veliki problem za kompleksne strukture i mora se rešavati numerički na računaru. U takvim slučajevima uvek pomaže posmatranje pri granično malim uglovima rasipanja (ili malim q vrednostima). Tako se sin(qrlk)/(qrlk) može izraziti Tejlorovim (Tailor) redom: ... 2 1 3 11)( 1 1 2 2 +⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡−= ∑∑ = = n l n k lkrn qP θ (2-9) ili u Debajevoj jednačini: 22 1 1 2 2 3 11... 2 1 3 11 )( 1 Sqr n q P n l n k lk +=+⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡+= ∑∑ = =θ (2-9a) gde su viši redovi člana q2 zanemareni. Ovo je značajno jer je izraz u ugaonim zagradama poznat kao srednji kvadrat poluprečnika rotacije , koji se u pojednostavljenom slučaju predstavlja kao Rg2. Tako crtanjem 1/P(θ) u zavisnosti od q2 dobijamo nagib početnog dela krive koji je (1/3)Rg2. Proizvod qRg postaje univerzalna skalarna funkcija pomoću koje mogu biti opisane čestice istog oblika i strukture ali različite veličine. Poluprečnik rotacije je suma rastojanja svih n elemenata u makromolekulu od centra mase. Ako centar mase nije pozicioniran na jednom elementu korisno je izraziti ovu poziciju u smislu elementa rasipanja, koji rezultuje nastanak duple sume: ∑∑∑ = == == n l n k lk n j CMjg rn r n R 1 1 2 2 1 2 , 2 2 11 (2-10) Na slici 2-7 je šematski prikazano objašnjenje definicije Rg i značenje duple sume. Slika 2-7 a) Šematski prikaz poluprečnika rotacije CM - centar mase, si i sj su vektori od centra mase do monomernih jedinica i i j. R – rastojanje krajeva lanaca. Poluprečnik rotacije je dat kroz jednačinu 2-9, gde je rj – rCM = sj. b) šematski prikaz hidrodinamičkog poluprečnika. Hidrodinamičke interakcije zavise od propustljivosti čestica ka rastvaraču. Propustljivost opada sa porastom segmentalne gustine. Jezgro čestice zadržava nepropustljivost za rastvarač kada se čestica kreće kroz tečnost. Jednostavno rečeno, jezgro određuje hidrodinamički poluprečnik Za ograničen broj slučajeva moguće je rešiti jednačinu (2-7), kao što je to slučaj sa tvrdom sferom uniformne gustine, tankim krutim štapom, nasumičnim klupkom fleksibilnih linearnih makromolekula. U tabeli 2-3 je dat prikaz faktora rasipanja čestica za različite strukture. Faktor rasipanja čestica predstavlja ugaonu zavisnost intenziteta rasipanja pri koncentraciji jednakoj 0. Kontinualnim razblaženjem rastvora rastojanje između susednih čestica postaje sve veće, a pri c=0 ne postoje interakcije između čestica. Ovakav faktor rasipanja čestica reprezent je strukture individualnih čestica. Da bi se našla granična funkcija neophodno je 13 primeniti ekstrapolaciju (jer na c = 0 imamo samo rastvarač u realnim uslovima pa nema ni rasipanja). Najčešće korišćena metoda za dobijanje ovog graničnog slučaja je Cimova (Zimm) metoda. Tako, u Cimovom grafiku leva strana jednačine (2-6) se crta u zavisnosti od q2+kc, gde je q2=(4πn0/λ)2sin2(θ/2) povezano sa uglom rasipanja θ, c je koncentracija, k je konstanta proizvoljno izabrana. Cimova metoda je izvedena za faktor rasipanja čestica polidisperznih linearnih i fleksibilnih lanaca. Faktor rasipanja čestica polidisperznih linearnih lanaca u obliku klupka ima najjednostavniji oblik i može se predstaviti jednačinom: 2)3/1(1 1)( u qP += gde je gqRu = (2-11) Tabela 2-3 Faktor rasipanja čestica različitih struktura[22,26] Model Faktor rasipanja čestica u Klupko, polidisperznoa) 2)3/1(1 1)( u qP += gqRu = Debye-Bueche model (beskonačno razgranati lanci) [ ]22)6/1(1 1)( uqP += gqRu = Hiperrazgranate strukture C=1, nasumično klupko C=0, Debye-Bueche [ ]22 2 )1)(6/1(1 )3/1(1)( uC CuqP ++ += gqRu = Kruti lanci, beskonačno tanki, polidisperzni )( 1)( uarctg u qP = gqRu = Krute sfere, monodisperzne ( ) 23 cossin3)( ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −= XXX X qP uqRX XqRu g 5.0 5.0 )3/5( )6.0( == == Krute sfere, polidisperzneb ∫ ∞ −= 0 )/( 0 8 3)()/( 2 1)( dreqrPRrqP Rr uqRX XqRu g 5.0 5.0 )3/5( )6.0( == == Šuplje sfere 2)sin()( ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= X XqP qRX = a) Polidispernost – MW/Mn=2 b) w(M) i M su proporcionalni r3 Prilikom ispitivanja fleksibilnih polidisperznih lanaca u Cimovom dijagramu dobija se line- arna zavisnost Kc/Rθ od q2. U pojedinim slučajevima dolazi do odstupanja od linearnosti (krivljenja). Kriva se povija ka apcisnoj ili ordinatnoj osi u Cimovom grafiku. Odstupanje od linearnosti je posledica nelinearne zavisnosti 1/P(q) = f(q2) (tabela 2-3). Na slici 2-8 prika- zana je zavisnost 1/P(q) = f(q2) za čvrste sfere homogene gustine, tanke krute štapiće i nasumična klupka linearnih fleksibilnih lanaca. Sa slike 2-8 se vidi da se u slučaju krutih sfera kriva zavisnosti 1/P(q) = f(q2) povija ka ordinatnoj osi a u slučaju krutih štapića dolazi do povijanja ka apcisnoj osi, dok je u slučaju polidisperznih linearnih fleksibilnih lanaca dobijena linearna zavisnost. Tako, može se očekivati da kriva zavisnosti 1/P(q) od q2 za globularne i razgranate strukture leži u oblasti koju formiraju krive koje opisuju ponašanje nasumičnog klupka i čvrste sfere, dok kriva zavisnosti 1/P(q) od q2 za semi-fleksibilne lance mora biti u oblasti koju formiraju krive koje opisuju ponašanje nasumičnog klupka i krutih štapića (slika 2-8). U pojedinim slučajevima kada dolazi do odstupanja zavisnosti 1/P(q) od q2 od linearnosti teško je odrediti molarne mase i poluprečnik rotacije. Linearizacija početnog dela krive 1/P(q) od q2 daje nerealne rezultate a u pojedinim slučajevima i fizički besmislene. U slučaju ispitivanja uzoraka velikih molarnih masa odsečak krive Kc/Rθ = f(q2) je vrlo blizu koordi- 14 natnog početka pa se linearizacijom mogu dobiti negativne vrednosti odsečka (1/MW). U ovim slučajevima bolje je koristiti metodu koju je uveo Beri (Berry). Berijeva metoda je slična Cimovoj s tom razlikom što se konstruiše grafik zavisnosti (Kc/Rθ)1/2 od q2+kc. U ovom slučaju odsečak je (1/MW)1/2 i dovoljno je daleko od koordinatnog početka. U Berije- vom grafiku poluprečnik rotacije je Rg2=6x(nagib/odsečak)c=0. Berijeva metoda je naročito pogodna u slučaju razgranatih makromolekula kada dolazi do povijanja krive zavisnosti 1/P(q) od q2 ka ordinatnoj osi. 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 1/ P( q) u2=q2Rg 2 krute sfere polidisperzno klupko kruti štapići kruti lanci globularne strukture Slika 2-8 Recipročna vrednost faktora rasipanja čestice od kvadrata bezdimenzione veličine qRg za krute sfere, polidisperzna nasumična klupka i polidisperzne tanke štapiće (indeks polidisperznosti MW/Mn = 2). U oblasti između krutih sfera i fleksibilnih linearnih lanaca nalazi se globularna struktura, a u oblasti između klupka i krutih štapića nalaze se kruti lanci. Ponekad se čak i kod Berijevog dijagrama javlja krivljenje ka ordinatnoj osi. Takvo ponaša- nje je uglavnom posledica globularnih koloidnih čestica. Guinier (Guinier) je, izučavajući rasipanje X-zraka u rastvorima globularnih koloidnih čestica, našao da faktor rasipanja česti- ca može da se opiše sledećom aproksimacijom ])3/1(exp[)( 2uP −≈θ ili ))3/1exp(()(/1 2uP =θ . Ova aproksimacija sugeriše logaritamsku modifikaciju Cimovog grafika. Generalno se u ovakvim slučajevima dobija dobra linearizacija. Primenom ln(Kc/Rθ) u Debajevoj jednačini za c=0 dobija se 2 3 11lnln u MR Kc W += θ (2-12) Čak i ukoliko Guinierova modifikacija ne da linearnu zavisnost, grafik zadržava prednosti za određivanje masa velikih čestica reda 109 g/mol. Tako velike molarne mase se dobijaju za razgranate uzorke blizu tačke želiranja ili za visoko asocirane polisaharide. 2.5.2 Dinamičko rasipanje svetlosti Prilikom dinamičkog rasipanja svetlosti[27-29,60] (DLS), zapremina iz koje se rasipa svetlost je mala (< 10-2 mm3), a vremenski interval u kome se snimaju signali varira od 10-7 do 104 sekundi. Čak i kraća vremena od 10-7 mogu se postići modernim uređajima. Usled promena u koncentraciji, koje nastaju kao rezultat Braunovog kretanja, uočava se promena intenziteta u toku vremena ispitivanja. Ove promene nisu potpuno nasumične već su korelisane. Ova korelacija postaje evidentna kada se formira vremenski korelisana funkcija od ovih intenzi- teta rasute svetlosti. Intenziteti rasute svetlosti se skupljaju u n kanala a intenzitet rasipanja u prvom kanalu se množi sa onim iz j-tog kanala, gde je j skup svih n-1 parova. Ova procedura 15 se ponavlja 105 puta. Na ovaj način se dobija vremenski korelisana funkcija (intenzitet- intenzitet autokorelisana funkcija), G2(t). ∑ = +=+= m i jii AAtititG 1 2 )()()( τ (2-13) njm ,...2,1;106 =≈ u kojoj Ai i Ai+j predstavljaju registrovane fotone u kanalima i i i+j, m je broj ponavljanja a n je broj kanala. Ugaone zagrade označavaju srednju vrednost, koja je aproksimirana sumom m ponavljanja. Sa povećanjem vremena između dva merenja, τ, vrednosti postaju sve manje korelisane. Za izuzetno duga vremena dva stanja postaju kompletno nekorelisana. U ovom slučaju je 22 )()( qitG =∞→ . Za ekstremno kratka vremena između dva merenja pokreti su potpuno korelisani, a dobija se srednja vrednost kvadrata intenziteta rasute svetlosti, 2 2 )()0( qitG == . Pošto je 22 )()( qiqi ≥ , G2(t) ima maksimum za τ = 0 i ostaje konstantna ili opada do 2)(qi . Na slici 2-9 je pokazano da intenzitet vremenski korelisane funkcije (TCF), G2(t), opada do bazne linije koja je upravo kvadrat rasute svetlosti u SLS (ne normalizovana vrednost) tj. 22 )()( qitG =∞→ . Slika 2-9 Vremenski korelisana funkcija, G2(t) i polje vremenski korelisane funkcije g1(t) U dinamičkom rasipanju svetlosti promenljiva može biti ili intenzitet svetlosti (kao što je to gore opisano, G2(t)) ili električno polje (autokorelaciona funkcija električnog polja, G1(t)). Uobičajeno je da se normalizuje izmereni intenzitet TCF u odnosu na baznu liniju. Na ovaj način se dobija normalizovana intenzitet-intenzitet autokorelaciona funkcija: A tGtg )()( 22 = (2-14) gde je A bazna linija. Između normalizovane vremenski korelisane funkcije g2(t) i normali- zovane autokorelacione funkcije električnog polja, g1(t) postoji zavisnost: )(1)( 212 tgtg ⋅=− β (2-15) Jednačina (2-15) se naziva Zigertova (Siegert) jednačina, u kojoj je β (≈1) odstupanje od idealne korelacije (koherentni faktor) koji zavisi od instrumenta. Za jednostavne monodis- perzne čestice kao što su krute sfere, ili čestice i makromolekuli malih dimenzija u odnosu na talasnu dužinu g1(t) je: tDqt eetg 2 )(1 −Γ− == (2-16) 16 tj normalizovana autokorelaciona funkcija polja, g1(t), eksponencijalno opada sa konstant- nom, Γ, koja se označava i kao prvi kumulant. U ovim slučajevima koeficijent difuzije se određuje iz odnosa Γ/q2=D. U većini slučajeva ispitivani uzorci su polidisperzni, a u nekim slučajevima postoji i seg- mentalna pokretljivost. U tom slučaju g1(t) nije prosta eksponencijalna funkcija, već dolazi do odstupanja na dužim vremenima (slika 2-9). Još uvek se u početnom delu pri kratkim vremenima funkcija može izraziti kao prosta eksponencijalna. Ovo sugeriše upotrebu tako- zvanog Cumulant izraza[29]: ... !4!3!2 )(ln 443322101 −Γ+Γ−Γ+Γ−Γ= tttttg (2-17) gde je Γ1 = Γ. Često, prvi kumulant nema striktnu zavisnost od q2. U ovim slučajevima izražava se prividni koeficijent difuzije Dapp(q) = Γ1/q2. Prividni koeficijent difuzije ima dimenzije cm2/s a zavisan je od ugla i koncentracije. Kada je veličina čestica takva da je qRg < 2, zavisnost Dapp(q) od q, može se definisati kao: [ ] ...)(1)( 221 −+=Γ= ghcapp qRCDqqD (2-18) gde je Ch karakterističan koeficijent koji je određen najsporijim unutrašnjim (segmentalnim) pokretima u odnosu na centar mase. Za krute sfere parametar Ch ima vrednost 0, a poveća- njem fleksibilnosti raste i dostiže vrednost od oko 0,2, da bi razgranatost dovela do opadanja ovog parametra. Dc predstavlja samo translacionu pokretljivost i ne sadrži doprinose segmentalne pokretljivosti, ali je zavisan od interakcija između čestica unutar rastvora. Indeks c označava koncentracionu zavisnost. On se dobija nakon ekstrapolacije Dapp(q) na vrednost za q2 = 0. Koncentraciona zavisnost se uglavnom dobro opisuje linearnom relaci- jom: )1(0 ckDD Dc += (2-19) gde je D0 translacioni koeficijent difuzije. Primenom Štoks-Ajnštajnove (Stokes-Einstein) jednačine: hS BB R Tk f TkD πη60 == (2-20) iz translacionog koeficijenta difuzije dobija se poluprečnik hidrodinamičke sfere, Rh. kB je Bolcmanova konstanta, T – temperatura, f - frikcioni koeficijent, ηS – viskoznost rastvarača. Hidrodinamički poluprečnik je rezultat hidrodinamičkih interakcija između segmenata u čestici, dok je ranije pomenuti poluprečnik rotacije, Rg, geometrijski definisan. Makromolekuli i polimerni mikrogelovi jako bubre, a rastvarač može da penetrira kada se čestica kreće kroz viskozni medijum. Ova penetracija jako zavisi od rastojanja između segmenata. Strujne linije u laminarnom protoku počinju da obilaze česticu. Šematski ovaj efekat je prikazan na slici 2-4b. Ako rastojanje postane manje od neke kritične vrednosti rastvarač biva zarobljen unutar čestice, a strujnice počinju da obilaze jezgro čestice bez penetracije. Prosto govoreći poluprečnik ovog jezgra predstavlja hidrodinamički poluprečnik. Imajući ovo u vidu, za dve čestice istog poluprečnika rotacije, čestice velike segmentalne gustine imaće veći hidrodinamički poluprečnik nego čestice niske segmentalne gustine. Oba poluprečnika, i Rg i Rh, zavise od molarnih masa čestica. Očekivalo se vrlo slično pona- šanje i za odnos ova dva poluprečnika ali zavisnost od molarne mase ne postoji. Odnos poluprečnika je mera segmentalne gustine. Odnos h g R R=ρ (2-21) je karakterističan parametar na osnovu koga se može steći uvid u oblik čestice, tj. da li je čestica recimo u obliku klupka ili mnogo kompaktnije strukture. U tabeli 2-4 prikazane su teorijske vrednosti parametra ρ za različite oblike čestica. 17 Tabela 2-4 Parametar ρ u zavisnosti od strukture čestice[22, 30, 31] Struktura čestice ρ = Rg/Rh Homogene (krute) sfere 0,774 Nasumična klupka, monodisperzne (Linearni lanci) θ-rastvarač 1,504 Dobar rastvarač 1,78 Nasumična klupka, polidisperzna (Mw/Mn = 2) (Linearni lanci) θ-rastvarač 1,73 Dobar rastvarač 2,05 Regularni zvezdasti molekuli uniformne dužine grana θ-rastvarač, f = 4 1,333 θ-rastvarač, f >> 1 1,079 Regularni zvezdasti molekuli polidisperzne grane (Mw/Mn = 2) θ-rastvarač, f = 4 1,534 θ-rastvarač, f >> 1 1,225 „Meke“ sfere (dendrimeri) 0,977 Nasumično razgranati lanci θ-rastvarač A3 monomeri 1,732 Hiperrazgranati, θ-rastvarač (AB2 monomeri), DPw >> 10 1,225 Ciklični fleksibilni lanci, monodisperzni, θ-rastvarač 1,253 Kruti prstenovi (N > 3) ∝(1/π) ln N Kruti štapići (N > 3) ∝ (1/3)1/2 ln N Mikrogelovi 0,3 – 0,5 2.5.3 Viskoznost beskonačno razblaženih rastvora Viskoznost rastvora makromolekula značajno raste sa porastom koncentracije. Specifična viskoznost rastvora, ηsp=(η-ηs)/ηs uglavnom raste proporcionalno koncentraciji makromole- kula. Redukovana viskoznost ηsp/c takođe raste sa porastom koncentracije. Ekstrapolacijom podataka na vrednost specifične viskoznosti za koncentraciju jednaku nuli dobija se granični viskozitetni broj, [η]. c sp c ηη 0 lim][ →= (2-22) Štaudinger (Staudinger) je utvrdio da granični viskozitetni broj, GVB, zavisi od molarne mase. Ova zavisnost se može izraziti Kuhn-Mark-Houwink-Sakurada (KMHS) jednačinom: ηηη aMK=][ (2-23) gde su Kηi aη konstante koje zavise od makromolekula i rastvarača. Za uspostavljenu empi- rijsku zavisnost nije postojalo teorijsko objašnjenje. Ajnštajn je ispitivao viskoznosti suspen- zija krutih sfera i dobio je sledeću zavisnost: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= M RN M VN a sfere a 3 3 105,2][ πη (2-24) gde je R poluprečnik sfere. Jednačina (2-24) može se izraziti u univerzalnijem obliku ako se zapremina sfere izrazi kroz poluprečnik rotacije, Rg: 18 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛Φ= M Rg 3 ][η (2-25) Relacija je poznata kao Foks-Florijeva (Fox-Flory) jednačina. Faktor Φ može se izračunati za fleksibilne lance i nađeno je da je konstantan kada je Mw > 104. Međutim, veličina faktora Φ zavisi od hidrodinamičkih interakcija, a ove su pak zavisne od rastojanja između čestica ili od koncentracije segmenata. Druga interpretacija jednačine (2-24) je posmatranje zapremine sfere kroz ekvivalentni polu- prečnik sfere Rη: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= M R Na 3 3 10][ ηπη (2-26) ili ( ) 3 1 3/10 ][ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= aN MR π η η (2-27) koje daje 3 3 3 10 g a R R N ηπ=Φ (2-28) Grubo govoreći, parametar Φ opisuje koliko je prodiranje (penetracija) rastvarača u česticu. Laka i duboka penetracija rastvarača uzrokuje smanjenje hidrodinamički efektivne sfere i smanjuje se parametar Φ, i suprotno slaba penetracija uzrokuje povećanje Rη i povećanje parametra Φ. Parametar Φ predstavlja otpornost ka penetraciji rastvarača u unutrašnjost makromolekula. Penetracija rastvarača u unutrašnjost čestice zavisi od segmentalne gustine. Tako, povećanjem gustine grananja, raste segmentalna gustina pa raste i otpornost ka pene- traciji rastvarača u česticu. Zbog toga, parametar Φ ima veću vrednost za razgranate nego za linearne lance. Tako, parametar Φ za krute sfere ima vrednost 13.57 1024 mol-1, а 3.69 1024 mol-1 za makromolekulska klupka u θ-rastvaraču i 2.31 1024 mol-1 za klupka u dobrom rastvaraču[158]. 2.5.4 Oblik makromolekula u razblaženim rastvorima Kao što se može videti iz tabele 2-3 i slike 2-8 na osnovu oblika krive zavisnosti faktora rasipanja čestica od q2, može se utvrditi oblik čestica u rastvorima. Razlike u strukturi se mnogo bolje uočavaju upotrebom Kratki (Kratky) grafika. Na slici 2-10 prikazan je Kratki grafik čestica različitih oblika. Alternativna metoda za određivanje oblika čestica je ugaona zavisnost intenziteta (faktora) rasipanja čestica. Ova druga metoda je bazirana na takozvanim fraktalnim dimenzijama, koja dovodi u vezu molarnu masu i veličinu čestica (tj. poluprečnik rotacije ili hidrodinamički poluprečnik). Uopšteno, poluprečnik rotacije je dat kao zapreminski integral masene raspodele čestica: ∫ ∫ = V i V ii g dVrm dVrrm R )( )( 2 2 r r (2-29) Za homogene sfere poluprečnika R i gustine ρ, Rg je: 19 2 0 2 0 22 2 5 3 4 4 R drr drrr R R R g == ∫ ∫ πρ πρ (2-30) pa se dobija da je 223 2 RRM g ∝∝ . Za šuplju sferu se dobija da je Rg2 = R2 a 22 RRM g ∝∝ itd. 0 2 4 6 8 10 0 1 2 3 4 P (q )(q R g) 2 qRg beskonacno razgranat polidisperzno klupko štapići krute sfere Slika 2-10 Kratki grafik različitih oblika (krute sfere, beskonačno razgranate lance, polidis- perzne linearne lance, i krute linearni lance (štapići)) Generalno govoreći za svaku česticu datog oblika molarna masa je povezana sa njenom veli- činom R kroz sledeću jednačinu: fdRRM ∝)( (2-31) U jednačini (2-31) df je takozvana fraktalna dimenzija čestice. U oblasti gde je q > Rg-1, faktor rasipanja fraktalne čestice je: fdqqP −∝)( , ili qdqP f log)(log −∝ (2-32) Ako se nacrta log P(q) u zavisnosti od log q dobija se linearna zavisnost čiji je nagib –df. Ovakvo određivanje fraktalne dimenzije je moguće samo ukoliko se dobija linearna zavisnost u bar jednoj dekadi q vrednosti. U tabeli 2-5 prikazane su vrednosti fraktalnih dimenzija čestica određenog oblika. Tabela 2-5 Fraktalne dimenzije, df, nekih struktura[26] Oblik čestice df Cilindri, štapići 1 Idealno Gausovo klupko 2 Gausovo klupko u termodinamički dobrom rastvaraču 5/3 Razgranati Gausovi lanci 16/7 Nabubreli razgranati lanci 2 2D-objekti sa zaobljenom površinom 2 2D-objekti sa fraktalnom površinom 1–2 3D-objekti sa zaobljenom površinom 3 3D-objekti sa fraktalnom površinom 2–3 Izučavanja globalnih svojstava makromolekula u razblaženim rastvorima metodama statičkog i dinamičkog rasipanja svetlosti i viskozimetrijom omogućava određivanje molarnih masa, 20 MW, i četiri različita poluprečnika, Rg, Rh, Rη i RA2 (dobijen iz drugog virijalnog koeficijenta). Svi ovi poluprečnici imaju neku zavisnost od molarne mase. Veličine ovih poluprečnika mogu varirati jedan u odnosu na drugi. Različite vrednosti su posledica toga da su poluprečnici različito fizički definisani. Poluprečnik rotacije je čista geometrijska veličina. Hidrodinamički poluprečnici Rh i Rη su posledica interakcija makromolekula sa rastvaračem (Rη se razlikuje od Rh jer su prilikom viskozimetrije čestice izložene smicajnim silama). Iz zavisnosti poluprečnika od molarne mase može se steći utisak o obliku i unutrašnjoj strukturi makromolekula. Međutim, dobijene rezultate treba uzeti sa rezervom. Za realnije zaključke neophodno je ispitati ugaonu zavisnost funkcije rasipanja upotrebom SLS, SAXS i SANS. Pored zavisnosti poluprečnika od molarne mase, uočena je i zavisnost drugog virijalnog koe- ficijenta, A2, od molarne mase: 2 22 Aa WA MKA −= (2-33) Eksponent aA2 se menja od oko 0,20 za linearne lance do 0,65 za nasumično razgranate. Ova zavisnost u prvom momentu nije bila potpuno teorijski razumljiva. Odgovarajući odgovor na ovo pitanje dali su fizičari uvođenjem novih argumenata (fraktalnih dimenzija). Posmatrajmo zavisnost Rg od molarne mase: νKMRg = (2-34) Eksponent ν varira od 0,33 za krute sfere do 1,00 za štapiće. Za linearne lance ν je 0,5 u θ - rastvaraču, a 0,588 u dobrim rastvaračima. Sa druge strane df = 2,5 za klastere u θ - rastvaraču, a u termodinamički dobrom rastvaraču df = 2,0. Poređenjem jednačina (2-31) i (2- 34) uočavamo da je df = 1/ν. Za sfere, disk i štapić je: df = d3 = 3 za krutu sferu df = d2 = 2 za ravan disk df = d1 = 1 za beskonačno tanak štapić što znači da df predstavlja geometrijsku dimenziju tela, koje je u navedenim slučajevima trodimenzionalno, dvodimenzionalno ili jednodimenzionalno. Kada se jednačina primeni na rastvore makromolekula ne dobijaju se celi brojevi već fraktali, otuda i pojam fraktalnih dimenzija. Moglo bi se reći da je ovaj prilaz samo novi način izražavanja matematičke zavi- snosti. Međutim, ovo je više od običnog matematičkog prikaza. Takozvani, međusobno slični objekti moraju pokazati stepeno ponašanje. Izraz međusobno slični ima sledeće značenje: nezavisno od dimenzija koje se koriste za izražavanje poluprečnika rotacije u aktuelnim merenjima, isti eksponent ν = 1/df se mora dobiti. Ako se eksponent menja sa porastom molarne mase ovo jasno ukazuje da se ovi objekti (čestice) značajno razlikuju od objekata na manjim molarnim masama. Sada se može objasniti postojanje zavisnosti u jednačini (2-33). A2 se može izraziti u zavis- nosti od molarne mase i segment-segment interpenetracione funkcije, Ψ: Ψ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= 2 3 2/3 2 4 M R NA gaπ (2-35) Interpenetracija segmenata zavisi od odbojnih sila između segmenata, i očekuje se da Ψ zavisi od molarne mase. Iznenađujuće, u dobrim rastvaračima Ψ teži skoro konstantnoj vrednosti Ψ*. Vrednost Ψ* raste sa grananjem usled porasta segmentalne gustine. 2)/3(2 /3 2 3 2 −=∝⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛∝ f f d d g M M M M R A (2-36) Poređenjem jednačine (2-32) i (2-35) dobija se: 232 −=− f A d a (2-37) 21 gde se pretpostavlja da se interpenetraciona funkcija Ψ* ne menja značajno sa brojem tačaka grananja u makromolekulima. Za klastere u θ - rastvaraču i termodinamički dobrom rastvaraču dobija se: df = 2,5 ν = 0,4 2Aa− = -0,8 2,0=ηa df = 2,0 ν = 0,5 2Aa− = -0,5 5,0=ηa Fraktalne dimenzije koje su određene u jednačini (2-31) nisu u svim slučajevima stvarne fraktalne dimenzije individualnih makromolekula. U polidisperznim sistemima dobija se fraktalna dimenzija df,e. efd zgW RM ,,∝ (2-38) Pošto je poluprečnik rotacije z-srednja vrednost, a MW molarna masa srednja po masenoj zastupljenosti, fraktalne dimenzije ostaju nepromenjene samo ako je MZ/MW nezavisno od molarne mase ili blisko jedinici. Ovi uslovi su ispunjeni za polidisperzne linearne lance ali nisu za nasumično razgranate. Ovde ovaj odnos MZ/MW drastično raste sa porastom molarne mase pogotovo kod razgranatih makromolekula. Osnovni parametar koji karakteriše raspo- delu nasumično razgranatih uzoraka je eksponent τ: )3(, τ−= fef dd (2-39) gde τ ima vrednosti od 2,2 do 2,5. Stvarna fraktalna dimenzija se može odrediti samo ako se zna z-srednja vrednost molarne mase. 2.5.5 Metode rasipanja svetlosti primenjene na rastvore polielektro- lita 2.5.5.1 Molarna masa polijona Upotrebom metode rasipanja svetlosti dobijaju se molarne mase i drugi važni parametri kao što su poluprečnik rotacije, drugi virijalni koeficijent. Pored ovoga upotrebom metode rasi- panja svetlosti dobijaju se informacije o obliku i unutrašnjoj strukturi makromolekula. Zbog kompleksne prirode rasipanja svetlosti naelektrisanih polimera dobijaju se multimodalni spektri relaksacionih vremena. Multimodalni spektar relaksacionih vremena potiče od multi- komponentne prirode polielektrolitnih rastvora koji sadrže rastvarač (najčešće voda), poli- jone, kontrajone nastale disocijacijom jonogenih grupa polijona, i soli male molarne mase. Mali joni soli sličnog naelektrisanja kao polijon nazivaju se kojoni. U rastvorima polielektrolita[26, 32, 33] bez prisustva soli, intenzitet rasute svetlosti je ekstremno nizak i nezavisan je od molarne mase polielektrolita. Zbog toga je vrlo teško izvesti merenja statičkog rasipanja svetlosti u čistoj vodi, i merenja se najčešće izvode u prisustvu soli. Na slici 2-11 prikazan je uticaj soli na rezultate statičkog rasipanja svetlosti. Zahvaljujući maloj pokretljivosti polijona u odnosu na jone soli, razmatra se kvazi dvokomponentni sistem, koji može biti analiziran na isti način kao i neutralni polimeri. Rastvori polielektrolita u prisustvu soli su mnogo kompleksniji sistemi i solvatacioni efekat se mora uzeti u obzir[33]. Za rastvore linearnih polielektrolita je pokazano da odnos molarne koncentracije monomera i soli mora biti manji od 1 da bi se anulirale Kulonove (Coulomb) sile. Kod razgranatih polimera je utvrđeno da ovaj odnos može biti i 25, a da se uticaj Kulonovih sila ne uočava[26]. U ovom slučaju vredi jednačina: s cRTI cK μ π ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∂ ∂= 1 )0( * (2-40) Rastvarač u ovom slučaju je rastvor soli (rastvarač sa malim jonima) koji je u Donanovoj (Donnan) ravnoteži[34,35,65] sa polielektrolitnim rastvorom. Indeks μs označava hemijski potencijal. Konstanta K* je 22 2 4 0 2 * 4 s c nnK S μλ π ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∂ ∂= (2-41) formalno ekvivalentna konstanti K za neutralne polimere. Slika 2-11. Rezultati statičkog rasipanja svetlosti naelektrisanih čestica sa (•) i bez (o) dodate soli U slučaju polielektrolita priraštaj indeksa refrakcije je izražen pri konstantnom hemijskom potencijalu, a ne pri konstantnoj koncentraciji soli. Konstantan hemijski potencijal soli je posledica Donanove ravnoteže. Donanov osmotski pritisak se izražava u virijalnoj formi: ( ) ( ) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +++= ...3322 cAcAM cRT ss W μμπ (2-42) gde je MW molarna masa polielektrolita a (Ai)μ virijalni koeficijent pri Donanovom pritisku. Otuda je Debajeva jednačina za rasipanje svetlosti: ( ) ( ) ... )( 1 2 32 * +++= cAcA qPMR cK ss W μμ θ (2-43) Jednačina (2-42) je formalno identična jednačini za nenaelektrisane makromolekule ali se eksperimenti u slučaju polielektrolita moraju izvoditi na konstantnom hemijskom potencijalu soli. Da bi se ispunio ovaj uslov rastvor polielektrolita se prvo dijalizuje nasuprot rastvaraču. Ovako dijalizovan rastvor i rastvarač, koji su u Donanovoj ravnoteži, se koriste za metodu rasipanja svetlosti i merenja priraštaja indeksa prelamanja svetlosti. Razlike između priraštaja indeksa prelamanja svetlosti merenog pri konstantnom hemijskom potencijalu i konstantnoj koncentraciji soli ne mogu se zanemariti (razlike između K i K*). Ako uzorci nisu dijalizovani a meri se priraštaj indeksa refrakcije pri konstantnoj koncentraciji soli upotrebom ovog koeficijenta u Debajevoj jednačini (2-6) dobiće se prividna a ne stvarna molarna masa. Prividna molarna masa je povezana sa stvarnom preko jednačine[32, 33] ( ) ( ) 2 * ' / / 1 ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∂ ∂ ∂∂ ∂∂+== s c C cn Cn M K KMM s Cs cs WWW μ (2-44) gde je Cs koncentracija soli. Član ( ) s cCs μ∂∂ / odgovara vezivanju soli na polijonu, koji nastaje kao posledica formiranja dvostrukog električnog sloja (višak kontrajona i deficit kojona u blizini polijona) ima najveći doprinos na promenu molarne mase. Koncentracija dodate soli u rastvoru će biti manja u blizini polijona nego u okolnom rastvoru. Razlike između priraštaja indeksa refrakcije pri konstantnoj koncentraciji soli i konstantnom hemijskom potencijalu (upotreba dijalize) mogu biti i do 10 %. Ovo vodi do pojave razlika u dobijenim molarnim 23 masama. Kako intenzitet rasute svetlosti zavisi od kvadrata priraštaja indeksa prelamanja svetlosti razlike u molarnim masama mogu biti i veće od 10 %. Član ( ) s cCs μ∂∂ / može biti određen iz teorije Donanove membranske ravnoteže ili rešavanjem Poason-Bolcmanove (Poisson-Boltzmann) jednačine određivanjem koncentracije kontrajona i kojona u blizini polijona. aZ M M c c M M c C p W S p S W Ss SS −=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ∂ ∂−=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∂ ∂ μμ (2-45) gde su cs i cp molarne koncentracije, MS i Mw molarne mase soli i polijona, Zp je valenca polijona, a faktor a = 0,5 za niske Zp i a < 0,5 za visoko Zp. Veličina ( ) s ps cc μ∂∂ / je adsorpcija soli na polijonima tj. broj molekula soli adsorbovan na jednom polijonu. ( ) ( ) ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ∂∂ ∂∂−= aZ M M cn Cn MM p W S Cs cs WW / / 1' (2-46) ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ∂ ∂−= cS SW C nMconstM 1 Prividna molarna masa je manja od stvarne molarne mase. Razlika je veća ukoliko je so veće molarne mase. Na slici 2-12 prikazana je zavisnost molarne mase od tipa korišćene soli u vodi kao rastvaraču. Takođe je uočeno da izmerena molarna masa metodom rasipanja svetlo- sti uključuje molarnu masu polijona uvećanu za proporcionalnu koncentraciju kontrajona. Slika 2-12 Zavisnost prividne molarne mase, MW’, od priraštaja indeksa refrakcije soli poli(metakrilne kiseline) (50 % karboksilnih grupa neutralisano NaOH) Slično relaciji između stvarne i prividne molarne mase postoji zavisnost između stvarnog i prividnog drugog virijalnog koeficijenta: ( ) ( ) 2 2 * 2 ' 2 / / 1 − ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∂ ∂ ∂∂ ∂∂+== s c C cn Cn A K KAA s Cs cs μ (2-47) Zavisnost drugog virijalnog koeficijenta od jonske jačine ili molarne mase je obično značaj- nija nego poznavanje stvarnih i prividnih vrednosti. Drugi virijalni koeficijent opada sa pora- stom cs. Generalno, zavisnost je jače izražena na nižim koncentracijama soli, a slabije na višim. U prvom slučaju je A2 ∼ Cs-1, a u drugom A2 ∼ Cs-0.5. Pri vrlo visokim koncentracijama soli odstupanje od zavisnosti vodi do teta uslova i do mikrofaznog razdvajanja („efekat isoljavanja“ A2<0). Zavisnost A2 od molarne mase je slabije izražena nego kod neutralnih polimera. A2 je uglavnom nezavisan od MW na niskim koncentracijama soli i slabo zavisan pri visokim Cs. U radovima se vrlo često razmatra i uticaj koncentracije soli na poluprečnik rotacije. Gene- ralno govoreći Rg opada sa cs u stepenoj zavisnosti, Rg ∼ cs-ζ, sa eksponentom ζ koji je u 24 opsegu od 0,15 do 0,25. za linearne lance[32,36]. Vrednost parametra ζ opada sa hidrofobnošću polijona i dužinom lanca[36]. 2.5.5.2 Dinamička svojstva polielektrolita Polielektrolitni rastvori u praksi nisu unimodalni[32,37] već su smeša makromolekula različitih molarnih masa. Polijoni nisu uvek raspoređeni u rastvoru uniformno već mogu da formiraju velike strukture nazvane domeni ili klasteri. Ove strukture takođe doprinose rasipanju svetlo- sti i moraju se posmatrati kao još jedna komponenta sistema. Za diskusiju efekata koji utiču na rasipanje svetlosti moraju se uzeti u obzir parametri kao što su: veličina komponenti, koncentracija komponenti, efekat međučestične interferencije. Između komponenti u polielektrolitnom rastvoru postoje velike razlike u veličini. Polupreč- nik malih jona je veličine angstrema (0,1 nm do 0,2 nm u slučaju Na+ ili Cl-), prividni poluprečnik molekula vode je približno 0,1 nm, a poluprečnik polielektrolita može imati i vrednost od nekoliko stotina nm. Ako se grubo posmatra da je intenzitet rasute svetlosti proporcionalan šestom stepenu poluprečnika čestica, vidimo da se doprinosi pojedinih vrsta mogu jako razlikovati usled različite veličine čestica. Takođe, koncentracija čestica se može značajno razlikovati idući od rastvora bez soli (molarna koncentracija niskomolekulskih soli oko 5 10-6 mol/dm3) do rastvora visoke koncentracije soli (oko 1 mol/dm3) ili variranjem koncentracije polijona (10-10 do 10-1 mol/dm3). Priraštaj indeksa refrakcije dn/dc je obično mnogo veći u rastvorima polielektrolita nego u rastvorima neutralnog polimera (npr dn/dc rastvora natrijum-poli(stirensulfonata) u vodi je 0,23 cm3/g). Za izračunavanje doprinosa pojedinih pokreta, neophodno je ispunjenje dva uslova: odgova- rajući pikovi u spektru relaksacionih vremena ne smeju se u potpunosti preklapati i intenzitet ne sme biti manji od 2% ukupnog intenziteta rasipanja. Joni soli u rastvoru polielektrolita su atomski joni ili molekulski joni male molarne mase. Oni se najčešće nazivaju mali joni. U poređenju sa makromolekulima ili supramolekulskim strukturama, pokreti malih jona su brzi a doprinos rasipanju je mali. Oba efekta su posledica malih dimenzija. Merenje dinamičkog ponašanja malih jona je teško. Primera radi koefici- jentu difuzije NaCl u vodi odgovara relaksaciono vreme od približno 4 μs pri uglu od 45 o. Mnogo veći problem je ekstremno slab signal. Koeficijent difuzije NaCl je 1,7 10-5 cm2/s Difuzija polijona je jako zavisna od: naelektrisanja polijona, koncentracije dodate niskomo- lekulske soli (jonske jačine) i koncentracije polijona (srednje rastojanje između polijona). Koeficijent difuzije pri visokim vrednostima koncentracije soli opada sa povećanjem molarne mase. Ovo je slično ponašanju neutralnih polimera gde je koeficijent difuzije inverzno proporcionalan molarnoj masi polimera, tj. ν−− ≅≅ WMfD 1 . Zbog jakih interakcija u rastvorima polielektrolita bez dodate soli, upotreba Štoks-Ajnštajn- ove jednačine (2-20) je ograničena. Čak i na vrlo niskim koncentracijama, gde se intermole- kulske interakcije mogu zanemariti, frikcioni faktor koji je sadržan u Štoks-Ajnštajnovoj jednačini uvećava se za elektrolitnu disipaciju, tako da je ukupni frikcioni faktor, f = fSE + feldis. Štoks-Ajnštajnova jednačina za difuziju slobodnih čestica može se primeniti na beskonačno razblaženje pod uslovom zaklanjanja naelektrisanih grupa dodatkom soli, pri čemu važe jednačine (2-18) i (2-19). kD je recimo kod natrijumove soli poli(stirensulfonske kiseline) (NaPSS) proporcionalno 1/cS, a proporcionalno je i molarnim masama polijona. D0 raste sa povećanjem cS, što znači da hidrodinamički poluprečnik opada sa porastom cS. Hidrodinami- čki poluprečnik je povezan sa mogućnošću rastvarača da prodre u unutrašnjost makromole- kula i teče kroz makromolekul. Makromolekuli sa otvorenijom strukturom omogućavaju rastvaračima prodiranje u unutrašnjost makromolekula, dok kompaktnija struktura dozvo- ljava prodiranje rastvarača samo po periferiji. Granični slučajevi su „slobodno prodirući“ lanci („free draining“) i „neprodirući“ lanci („nondraining“). U „slobodno prodirućem“ slučaju Rh ∼ MW, zbog toga što svaki segment doprinosi povećanju frikcionog koeficijenta. U 25 „neprodirućem“ slučaju Rh ∼ Rg ∼MWν, gde je ν <1. Za neke polielektrolite je nađeno da u određenoj oblasti, D0 ne zavisi od cs, iako se Rg menja. U slučaju smeše dva polielektrolita različitih molarnih masa pored uobičajenog „sporog“ i „brzog“ moda (pokreta) javlja se još jedan mod. Spori mod potiče od pokreta celog polimera a brzi mod od pokreta vezanih za unutrašnju strukturu polimera (segmenti, grupe, mono- merne jedinice). Intenzitet ovog srednjeg moda zavisi od masenog odnosa dva polielektrolita. Takođe, intenzitet ovog moda raste sa opadanjem ukupne koncentracije. Za razliku od polielektrolita, kod neutralnih polimera nije uočena pojava ovog moda, stoga je jasno da ovaj mod potiče od elektrostatičkih interakcija i naziva se „interakcioni mod“. Još ne postoji teorija koja opisuje ovu pojavu. 2.5.6 Oblik i veličina makromolekula skroba u razblaženim rastvorima Makromolekuli u rastvorima mogu imati različite konformacije: od ispruženog lanca, preko statističkog klupka do krutih sfera. Konformacija koju će zauzeti makromolekuli zavisi od građe makromolekula (linearan, razgranat), veza između monomernih jedinica, tj. stepena rotacije koji veze dozvoljavaju, interakcija makromolekula sa rastvaračem itd. Skrob je smeša amiloze i amilopektina. Amiloza je linearan lanac, dok je amilopektin razgranat. U skrobu varira sadržaj amiloze i amilopektina. Molarna masa amiloze i amilopektina takođe variraju zavisno od porekla skroba. Amilopektin se takođe razlikuje po molarnim masama ali i po broju i dužini bočnih grana. Sve ovo čini strukturu skroba izuzetno kompleksnom. Ukoliko se ovome doda i sklonost rastvora skroba ka retrogradaciji situacija je još komplikovanija. Način pripreme rastvora skroba[38, 83] ima veliki uticaj na oblik makromolekula skroba u rastvorima. Rastvaranje skroba zahteva upotrebu visokih temperatura koje neminovno dovode do degradacije skroba. Zbog svega ovoga u poslednje vreme je posebna pažnja posvećena izučavanju strukture skroba[39-52, 70-73, 88, 89, 94, 95, 110, 156]. Uprkos ovome mnoge sličnosti su nađene između različitih vrsta skroba. Najopštije govoreći, mikrostruktura granula skroba za sve vrste je skoro identična. Semikristalna struktura skroba je formirana naizmenično od kristalnih i amorfnih regiona. Kristalne oblasti su isprekidane nekristalnim slojevima niže gustine. Neočekivano za ponašanje polimera, razgranati amilopektin u granuli formira kristalne regione što je suprotno ponašanju sintetskih polimera, jer grananje kod sintetskih polimera inhibira kristalizaciju. Granule skroba su visoko stabilisane i nerastvorne su u hladnoj vodi. Rana ispitivanja amilo- pektina rastvorenog u vreloj vodi metodom rasipanja svetlosti su pokazala da amilopektin ima molarne mase od 400 do 500 106 g/mol i poluprečnik rotacije od 400 do 480 nm, neza- visno od vrste i količine amiloze u skrobu. Merenja u smeši DMSO/H2O=90/10 su pokazala neka variranja u molarnoj masi ali ne i u poluprečniku rotacije. Ovo je verovatno posledica jako stabilisanih agregata. Neka poboljšanja su načinjena dispergovanjem u DMSO na 80 oC za oko 1h. Dobijene su nešto manje molarne mase ali je reproduktivnost bila nezadovolja- vajuća. Značajan pomak je načinjen 1994. godine kada je počela upotreba autoklava za rastvaranje skroba (145 do 165 oC), ali svaka vrsta skroba zahteva različite temperature i vremena. Aberle[49] je ispitivao uticaj amiloze na molarne mase skroba. Slaba nelinearna zavisnost vodi do vrednosti molarnih masa za amilopektin od oko 80 106 g/mol. Pretpostavljena je molekulska disperzija komponenti skroba, a amilopektin i amiloza su prisutni kao indivi- dualni makromolekuli. U metodi rasipanja svetlosti srednja vrednost molarne mase je: APWAMWAPWskrobW MppMMpM ,,,, )1()1( −≅+−= Udeo amiloze, p, je određivan iz afiniteta prema jodu. Pojednostavljena aproksimacija potiče od velike razlike u molarnim masama (100 puta veća molarna masa amilopektina od amiloze). U tabeli 2-6 su prikazane vrednosti molarnih masa amilopektina. Neočekivano su dobijene približno iste vrednosti. 26 Tabela 2-6 Molarne mase i poluprečnici rotacije različitih tipova skroba[49] Skrob Amilopektin Amiloza Poreklo skroba MW 106, g/mol Rg, nm p MAP 106, g/mol RAp, nm MAM 106, g/mol RAm, nm Voskast kukuruzni skrob 76,9 234 0 76,9 234 - - Kukuruz 88,0 213 0,22 112,2 213,6 2,09 19,4 Visokoamilozni kukuruzni skrob 16,7 231 0,76 68,9 237,6 2,45 60,1 „Smežuran“ grašak 30,5 235 0,63 77,9 241,5 2,62 38,1 „Gladak“ grašak 33,5 165 0,42 53,8 170,8 5,45 27,6 Krompir 51,0 222 0,24 60,9 224,3 19,6 31,8 S. You sa saradnicima[42] su ispitivali raspodelu molarnih masa i uticaj tipa skroba na molarne mase amilopektina. Svi korišćeni tipovi skroba su bili izolovani iz ječma ali sa različitim sadržajima amiloze (0, 5, 24 i 42 %). Upotrebom GPC-a dobijena je bimodalna raspodela molarnih masa. Najveće molarne mase amilopektina su dobijene u skrobu sa niskim sadržajem amiloze. Raspodela molarnih masa amilopektina je takođe najniža kod amilopek- tina izolovanih iz ova dva tipa skroba. Dobijene molarne mase amilopektina (130 do 300 miliona g/mol) su daleko veće od onih koje je dobio Aberle sa saradnicima[49] i S.Radosta sa saradnicima[89], a slični su vrednostima koje su dobili Bello-Perez sa saradnicima[50] i S. Yoo sa saradnicima[110]. Poluprečnici rotacije približno su slični. Razlike koje se javljaju pri odre- đivanju molarnih masa su verovatno posledica upotrebe različitih rastvarača i metoda rastva- ranja. Raskidanjem bočnih grana na amilopektinu uočena su tri tipa bočnih grana. Najduži B- lanci su uočeni kod visokoamiloznog skroba, a najmanji kod skroba bez amiloze. Međutim udeo dugih grana je najmanji kod visokoamiloznog skroba, a najveći kod skroba bez amiloze. Amilopektin izolovan iz skroba bez amiloze ima najkraće bočne grane ali je udeo ovih grana najveći. Udeo najkraćih lanaca je najmanji. Sa druge strane visokoamilozni skrob ima najduže bočne grane sa najmanjim udelom ovih grana. Udeo kratkih lanaca je najveći. Galinsky[51,95,156] priprema skrobove različitih molarnih masa kiselom degradacijom skrobova u metanolu i višim alifatskim alkoholima. Kisela degradacija je dominantna u nekristalnoj oblasti gde se pretpostavlja da su tačke grananja. Merenja su izvođena u 0.5 mol/dm3 NaOH. Saglasno Florijevoj (Flory) sugestiji i mnogo detaljnijem proračunu molarnih masa Erlander- a i French-a, amilopektin je posmatran kao specijalan primer hiperrazgranatih makromolekula. Kratki grafik je pokazao da se eksperimentalni rezultati mogu fitovani teorijskom krivom za ABC-tip polikondenzacije pri čemu je korišćena mala vrednost za gustinu grananja. Autori ovo objašnjavaju efektom isključene zapremine što uzrokuje pome- ranje krivih u asimptotskoj oblasti na više vrednosti[52]. Amilopektin je ispitivan i upotrebom sedimentacionog FFF kuplovanog sa MALLS detekto- rom. Skrobovi različitog porekla su rastvarani u autolavu. Pokazano je da se dobija odlična univerzalna kriva u Kratki grafiku, koja ukazuje na međusobnu sličnost uzoraka amilopek- tina. U slučaju međusobno sličnih struktura, struktura makromolekula ne zavisi od molarne mase pa je faktor rasipanja čestica nezavisan od molarne mase uzorka, tj. za uzorke različitih molarnih masa dobija se univerzalna kriva zavisnosti. Za uzorke skroba univerzalnost je postignuta do vrednosti qRg = 2, dok na višim vrednostima dolazi do odstupanja. Sa druge strane sve krive na višim vrednostima qRg pokazuju linearnu zavisnost u logaritamskom koordinatnom sistemu što je očekivano za rasipanje svetlosti fraktala ili međusobno sličnih objekata. Nagib ovih krivih odgovara fraktalnim dimenzijama i varira od 1,85 do 2,32. Galinsky i Burchard[95, 156] su izučavali ponašanje degradiranog skroba u 0.5 mol/dm3 NaOH dinamičkim rasipanjem svetlosti. Za određivanje relaksacionog moda Γ korišćena je metoda Cumulant. Uslovi za adekvatno određivanje prvog kumulanta su: - svi kumulanti moraju biti pozitivni - Γ2/2! ≈ Γ3/3! τ 27 Dobijeni rezultati su normalizovani kroz Dapp i dobijeno je superponiranje krivih za svih pet uzoraka bez obzira na njihove razlike u molarnim masama i poluprečniku rotacije. Početni nagib na grafiku odgovara koeficijentu Ch i ima vrednosti između 0,102 i 0,134. Ovo je iznenađujuće jer autori nisu mogli da superponiraju faktor rasipanja čestica dobijen nakon statičkog rasipanja svetlosti uzoraka. Na qRg>3 ne postoje translacioni pokreti već samo unutrašnji pokreti u makromolekulu. Normalizovani koeficijent difuzije umesto q-1 zavisnosti kako se očekuje za relaksaciju Gausovih segmenata menja se sa stepenom manjim od 0,85. Uočeno je da unutrašnja segmentalna pokretljivost razgranatih sistema veća na višim q vrednostima nego za Gausove linearne lance ili nasumično razgranate lance. Autori su takođe pokazali da grananje dovodi do smanjenja fleksibilnosti lanaca. 2.5.7 Upotreba ultrazvučne degradacije za regulaciju molarnih masa Fizičko-hemijska svojstva polimernih materijala jako zavise od molarne mase makromole- kula. Molarne mase prirodnih makromolekula (celuloza, skrob, glikogen itd) zavise od biološkog porekla i na njihovu molarnu masu ne može da se utiče. Da bi se dobile željene molarne mase (tj. željene fizičko-hemijske karakteristike), neophodno je pronaći brzu, efikasnu i jevtinu metodu za regulaciju molarne mase. Jedna od mogućnosti je hemijska degradacija, ali je ona često vremenski i energetski neopravdana i zahteva upotrebu hemika- lija uz nastanak otpada. Enzimska degradacija zahteva kompleksnu proceduru, tako da su najprihvatljivije metode zračenja tj. jonizujuće zračenje i ultrazvučna degradacija. Jonizujuće zračenje je pogodna metoda jer se degradacija odigrava u bilo kom stanju (čvrsto, suspenzija, pasta, rastvor), nema otpada, a uz degradaciju se odigrava istovremeno i sterilizacija. Nedostatak metode jonizujućeg zračenja je mogućnost zaostanka radikala u kristalnim domenima koji kasnije uzrokuju neželjenu degradaciju. Čini se, da je ultrazvučna degradacija adekvatnije rešenje. Za razliku od hemijskih i termičkih degradacija, ultrazvučna degradacija nije nasumičan pro- ces i prilikom ultrazvučne degradacije nastaju fragmenti definisane molarne mase. Zahva- ljujući ovoj činjenici ultrazvučna degradacija se koristi za kontrolisanu redukciju molarnih masa. Pored toga za razliku od ultrazvučne degradacije, ostali vidovi degradacije (termička, hemijska...) mogu dovesti do nastanka ili gubitka hemijskih grupa na lancu što utiče na promenu hemijske prirode makromolekula. Takođe, uzorke nakon ultrazvučne degradacije nije potrebno naknadno prečišćavati[53]. Do degradacije pod dejstvom ultrazvuka dolazi usled lokalne promene pritiska u rastvoru. Ova lokalna promene pritiska dovode do isparavanja rastvarača što uzrokuje formiranje mehurića veličine i do 100 μm. Ovi mehurići pucaju u mikrosekundi i oslobađaju veliku količinu energije. Ovaj proces se naziva kavitacija (cavitation). Oslobođena energija uzro- kuje nastanak jakog „šok“ talasa koji uzrokuju kidanje lanaca u centru mase, što uzrokuje smanjenje molarne mase. Molarna masa polimera opada eksponencijalno sa vremenom degradacije i dostiže skoro konstantnu vrednost. Ispod ove vrednosti molarne mase hidrodi- namičke sile nastale ultrazvučnom degradacijom nisu dovoljno jake da uzrokuju dalje kidanje lanaca. Minimalna molarna masa („granična molarna masa“) zavisi od tipa polimera i korišćene energije ultrazvuka. Proces ultrazvučne degradacije zavisi od molarne mase monomera, veličine i oblika bočnih grupa, prečnika polimernog lanca, krutosti polimera, od rastvarača itd[53]. Na primeru derivata celuloze je utvrđeno da supstituenti na osnovnom lancu ne utiču značajno na proces ultrazvučne degradacije i granične vrednosti molarnih masa[56]. Sa druge strane kod hitozana stepen deacetilacije utiče na konstantu brzine ultrazvučne degradacije i raste sa stepenom deacetilacije[54]. Ultrazvučna degradacija je daleko efikasnija u termodinamički dobrim rastvaračima[55]. Prilikom procesa degradacije makromolekula uglavnom dolazi do suženja širine raspodele molarnih masa[53,56-58]. Ultrazvučna degradacija efikasnije sužava polidisperznost nego 28 recimo ekstruzija polimera. A.M. Striegel[58] je ispitivao ultrazvučnu degradaciju linearnih i razgranatih poli(stirena). Uočio je da postoje razlike u mehanizmu ultrazvučne degradacije linearnih i razgranatih makromolekula. Kod linearnih poli(stirena) tokom ultrazvučne degra- dacije dolazi do širenja raspodele molarnih masa. Kod zvezdastih polistirena vrlo brzo dolazi do pojave bimodalne raspodele molarnih masa. Pokazano je da za istu molarnu masu, pove- ćanje grananja utiče na smanjenje ultrazvučne degradacije. Kod zvezdastih poli(stirena) uočeno je postojanje dvostepene reakcije gde u prvom stupnju dolazi do kidanja grana a u drugom stupnju do degradacije otkinutih bočnih grana. N. Schittenhelm i W.M. Kulicke[56] su ispitivali uticaj hemijske strukture na ultrazvučnu degradaciju derivata celuloze i skroba. Prilikom ultrazvučne degradacije dolazilo je do suženja raspodele molarnih masa. Raspodela molarnih masa je eksponencijalno opadala sa vremenom ultrazvučne degradacije. Autori su ispitivali zavisnost graničnog viskozitetnog broja i poluprečnika rotacije od molarne mase. Dobijene parametre su poredili sa vrednostima izračunatim teorijski. Uglavnom je dobijeno dobro slaganje rezultata izuzev kod naelektrisanih makromolekula gde su vrednosti parame- tara νRg i aη imale nižu vrednost (iako je očekivana viša vrednost nego kod nenaelektrisanih polimera usled odbojnih sila) što autori objašnjavaju eventualnim nastankom agregata i asocijata. Ispitivanja uticaja molarnog stepena supstitucije hidroksietilsulfoetil-celuloze su pokazala da ovaj parametar ne utiče na brzinu i mehanizam ultrazvučne degradacije. Ispiti- vanja ultrazvučne degradacije hidroksietil-skroba i acetil skroba su pokazala da granična molarna masa derivata skroba (razgranat) ima veće vrednosti od linearnih derivata celuloze ili amiloze, dok je konstanta degradacije za pola reda veličine manja. Dobijene granične molarne mase su iznosile 83000 i 74000 g/mol, dok je ova vrednost kod karboksimetilami- loze oko 34000 g/mol. R. Czechowska-Biskup i saradnici[59] ispitivali su ultrazvučnu degrada- ciju hitozina i skroba pri frekvenciji od 360 kHz. Granična vrednost molarne mase hitozina je iznosila oko 40000 g/mol, a skroba oko 6000000 g/mol. Molarnu masu skroba autori su određivali na osnovu [η] određenog u 0.05 mol/dm3 NaClO4 (početna vrednost oko 70 cm3/g a krajnja oko 30 cm3/g) i parametara u KMHS jednačini Kη=1.44 10-5 cm3/g i αη = 0.93. Utvrđeno je da prisustvo tercijarnog butanola dovodi do sporijeg smanjenja molarne mase što autori objašnjavaju smanjenjem koncentracije OH radikala, nastalog usled ultrazvučne degradacije vode a koji je vezao tercijarni butanol. 2.6 Reološka svojstva Reologija[23,60,61] je nauka koja se bavi izučavanjem tečenja neke materije: uglavnom tečnosti ali i čvrstih tela. Idealna čvrsta tela se ponašaju kao elastična tj. celokupna energija uneta za deformaciju tela ponovo se dobija nakon prestanka delovanja sile. Idealni fluidi pod dejstvom spoljašnje sile se trajno deformišu, tj. počinju da teku a uneta energija se pretvara u toplotu. Kod idealnih fluida je uočeno da je napon smicanja direktno proporcionalan brzini deformacije: γησ &= (2-48) Konstanta proporcionalnosti, η, se naziva viskoznost. Tečnosti kod kojih viskoznost ne zavisi od brzine smicanja i napona smicanja nazivaju se njutnovske tečnosti. Kod određenog broja tečnosti, η zavisi od brzine smicanja (napona smicanja) pa se ove tečnosti nazivaju nenjutnovske. 2.6.1 Reološka svojstva koncentrovanih rastvora polimera Reološka svojstva polimera su vrlo kompleksna. Kompleksnost potiče od činjenice da poli- meri poseduju i svojstva tečnosti (viskozna) i čvrstih tela (elastična), pa se ova svojstva polimera često nazivaju viskoelastična. Pri malim frekvencijama ili velikim vremenima 29 delovanja sila (ili napona) polimeri se ponašaju kao viskozne tečnosti, dok u slučaju kratkih vremena delovanja sile ili velikih frekvencija pokazuju elastična svojstva. U opsegu između ovih graničnih slučajeva polimeri pokazuju i jedna i druga svojstva tj. poseduju viskoelas- tična svojstva. Postoji nekoliko važnih razlika između polimera i „običnih“ tečnosti: - molarne mase polimera su znatno veće - polimeri su smeše makromolekula različitih molarnih masa, a reološka svojstva su izuzetno osetljiva na raspodelu molarnih masa - polimerni molekuli poseduju veliki broj konformacija čak i u ravnotežnom stanju, a konformacija se može menjati usled mehaničkih i termičkih sila uzrokovanih tečenjem - u koncentrovanim rastvorima ili rastopima molekuli mogu formirati prepletaje Da bi razumeli ponašanje polimernih rastvora, neophodno je uzorke karakterisati u odnosu na njihovu konformaciju, molarnu masu, polidisperznost, koncentraciju i brzinu smicanja. Klasične tehnike za karakterizaciju polimera (rasipanje svetlosti, viskozimetrija, ultracentri- fugiranje itd.) daju informacije o obliku i konformaciji makromolekula, kao i o termodina- mičkim interakcijama sa rastvaračem. U koncentrovanim rastvorima polimera ponašanje je mnogo kompleksnije jer dolazi do intramolekulskih i intermolekulskih interakcija između segmenata polimera. Ponašanje vodorastvorivih makromolekula je teško predvideti zahvaljujući njihovoj sposobnosti da grade asocijate i agregate. Reološka svojstva polimernih rastvora jako zavise od konformacije polimera. Ako posma- tramo linearne polimere postoje tri osnovne konformacije: nasumično klupko, semi-fleksi- bilni štapićasti makromolekuli i kruti štapići. Molekuli iste molarne mase imaju drastično različite viskoznosti u zavisnosti od oblika a viskoznost im opada idući od krutog štapića ka nasumičnom klupku. Parametar ν u KMHS jednačini zavisi od oblika makromolekula i ima vrednosti: aη = 0,5 – 0,9 za nasumična klupka, aη = 1 – 1,3 za semi-fleksibilne štapiće i za idealne krute štapiće ovaj parametar je 2. Tako se na osnovu vrednosti ovog parametra može steći uvid u oblik makromolekula. U jako razblaženim rastvorima („beskonačno“ razblaženi) između makromolekula ne postoje interakcije a zapremina koju zauzima jedan gram makromolekula definisana je graničnim viskozitetnim brojem. Prilikom povećanja koncentracije intermolekulske interakcije rastu dovodeći do porasta viskoznosti. Iznad kritične koncentracije c* (c* = 1/[η]) kontrakcije makromolekula i preplitanje direktno utiču na reološko ponašanje makromolekula. Makro- molekuli koji su nepropusni u jako razblaženim rastvorima postaju propustljivi sa porastom koncentracije. Na koncentraciji c** klupka dostižu nepromenjene dimenzije (θ - dimenzije), a u rastvoru su statistički raspoređeni segmenti lanaca. Iznad c* reološko ponašanje zavisi od preplitanja lanaca. Preplitanje je posledica preklapanja klupaka. Kako svi ovi fenomeni zavise od ukupne zapremine rastvora zauzetog lancima makromolekula, viskoznost rastvora zavisi od koncentracije. Zbog toga je korisno posmatrati ponašanje tj. viskoznost od redukovane koncentracije c[η]. Kriva zavisnosti viskoznosti od redukovane koncentracije c[η] se može podeliti u tri oblasti (slika 2-13). Ispod vrednosti c[η] < 1 dobija se linearna zavisnost u log-log koordinatnom sistemu sa nagibom oko 1,2. Ovo je oblast razblaženih rastvora gde je porast viskozitetnog broja posle- dica hidrodinamičkih interakcija između polimernih klupčadi koja se ponašaju kao nepro- pustljive sfere. Kada je c > c* rastvori se nalaze u semi-razblaženoj oblasti. Viskoznost sa koncentracijom brže raste. Porast zavisi od odnosa kontrakcije polimernog klupka i porasta gustine preplita- nja. Iako je kriva konkavna, deo krive se može linearizovati sa nagibom od oko 2,5. U gor- njem delu semirazblažene oblasti viskoznost rastvora je oko 100 puta veća od viskoznosti rastvarača, usled porasta gustine preplitanja. Koncentrovana oblast se nalazi u oblasti koncentracija viših od c**. U ovoj oblasti nagib logaritamske zavisnosti viskoznosti od 30 logaritma koncentracije je oko 4 – 5. Iako je c[η] redukovana promenljiva u oblasti razblaženih rastvora, to nije slučaj u oblasti koncentracija iznad c*. Slika 2-13 Zavisnost specifične viskoznosti od redukovane koncentracije uzorka polistirena uske raspodele molarnih masa[23] Širina c**/c* semirazblažene oblasti zavisi od sposobnosti klupka da se komprimuje, a šira je u slučaju dobrih rastvarača. U blizini θ - uslova, semirazblažena oblast je vrlo uska a često nije uočljiva kod svih sistema. Ako prepletaji ne doprinose viskoznosti: 13 1 0 * −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛≈ νηη c c s (2-49) η0 je viskoznost u prvoj njutnovskoj oblasti. Ovo univerzalno ponašanje je očekivano za fleksibilne lance u dobrom rastvaraču. Kada prepletaji doprinose porastu viskoznosti onda je: 13 3 0 * −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛∝ νηη c c s (2-50) Nagib na slici 2-13 raste od 1,3 (blisko vrednosti izračunatoj za dobar rastvarač, ν = 0,6), do oko 4 – 5. Iz jednačine (2-50) dobija se vrednost oko 3,75 u dobrom rastvaraču, a oko 6 u θ - rastvaraču. Eksperimentalno su nađene vrednosti oko 4,5. 2.6.1.1 Zavisnost viskoznosti od brzine smicanja u semirazblaženim i koncentrovanim rastvorima polimera Rastvori polisaharida pri koncentracijama višim od c* pokazuju nenjutnovsko ponašanje tipično za polimerne rastope i polimere u semirazblaženim i koncentrovanim rastvorima (uz uslov da je M > Mc. Ovo ponašanje je prikazano na slici 2-14. Ispod neke kritičke brzine smicanja, cγ& viskoznost je konstantna i ovo je prva njutnovska oblast. U oblasti iznad cγ& viskoznost opada sa brzinom smicanja. Pri visokim brzinama smicanja očekuje se da je viskoznost nezavisna od brzine smicanja – druga njutnovska oblast. U centralnoj oblasti je: d−∝ γη & (2-51) Pri čemu je d ∼ 0,6 – 0,8. Pri vrlo malim brzinama smicanja Braunovo (Brown) kretanje kompenzuje efekat orijentacije nastale usled sila smicanja, pa ne dolazi do promene viskoz- nosti rastvora. Viskoznost u ovoj oblasti se naziva nulta a obeležava sa η0. Do smanjenja 31 viskoznosti dolazi kada brzina smicanja nadvlada dejstvo Braunovog kretanja, odnosno kada započne trajna orijentacija čestica u rastvoru. Pri visokim brzinama smicanja očekuje se da viskoznost teži nekoj vrednosti η∞. U ovoj oblasti su makromolekuli maksimalno orijentisani i dalje povećanje brzine smicanja ne dovodi do naknadne orijentacije makromolekula. U centralnoj oblasti, viskoznost rastvora može opasti i za nekoliko redova veličine. Vrednost η0 i cγ& zavise od prirode polimera, molarne mase, koncentracije, rastvarača i temperature. „Univerzalna“ kriva se može dobiti upotrebom redukovanih veličina (η/η0 i cγγ && / ) pri čemu eksponent d je isti u svim slučajevima. d je rastuća funkcija c[η] do vrednosti c[η] = 20. Teorija Graessley-a predviđa asimptotsku vrednost d = 9/11 ∼ 0,82 za polimere uske raspo- dele molarnih masa. Širenje raspodele uzrokuje raniju pojavu nenjutnovskog ponašanja, manje oštar prelaz iz njutnovske oblasti i nižu vrednost d (oko 0,74). Takođe, smanjenje nagiba je često i posledica povećanja krutosti lanca. Uprkos ovim ograničenjima redukciona šema se može dobro koristiti za c[η] > 30, tj. u oblasti koncentrovanih rastvora gde prepletaji određuju ponašanje rastvora. Slika 2-14 Kriva tečenja rastvora poliakrilamida koncentracije 0,4 %[23] Mnoge jednačine opisuju ponašanje viskoznosti polimernih rastvora u zavisnosti od brzine smicanja, ali su uglavnom empirijske ili semiempirijske. Najčešće korišćena je semiempi- rijska jednačina Cross-a: 1 00 1 − ∞ ∞ ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛+=− − d γ γ ηη ηη & & (2-52) Parametar 0γ& je povezan sa cγ& ali je cγγ && >0 . Vrednost η∞ je nemoguće odrediti, ali je η0 >> η∞ pa se η∞ u velikom broju slučajeva može zanemariti. Ovo razmatranje je bitno zbog konstruisanja „master“ krivih koje su korisne jer pojednostavljuju tretman podataka za razli- čite sisteme i uslove dajući uvid u strukturu polimernih lanaca. Master krive nastaju ili superpozicijom (grafički) pomeranjem krivih duž x i y-ose, ili upotrebom redukovanih promenljivih (η/η0 i cγγ && / ). Kako je cγ& teško odrediti često se menja sa 0γ& . Određivanje vrednosti η0 kod rastvora polisaharida (kruti lanci) je izuzetno teško. Vrednost kritične brzine smicanja cγ& opada brzo sa porastom koncentracije. 32 2.6.2 Viskoelastična svojstva rastvora polisaharida Viskoelastična svojstva polimernih tečnosti (rastopi i rastvori) u velikoj meri imaju univer- zalno ponašanje iako postoje male razlike. Obzirom na kompleksnu prirodu polimera relak- sacija polimera obuhvata nekoliko redova veličina u vremenskoj skali. Dok su relaksacije (reorganizacije) monomernih jedinica i segmenata relativno brze, relaksacije koje određuju tečenje („termički relaksacioni procesi“) su povezane sa reorganizacijom celog lanca i zavise od molarne mase i dužine bočnih grana. Procesi su još sporiji u slučaju prepletenih makromolekula. 2.6.2.1 Razblaženi rastvori Posmatrajmo linearan fleksibilan lanac u razblaženom rastvoru gde ne dolazi do preplitanja. Rouzov (Rouse) model polimernog lanca predstavlja N+1 identičnu kuglu povezanu sa N identičnih opruga. Segmenti su predstavljeni entropijskim oprugama dužine b i krutosti 3kBT/b2, dok je trenje koncentrisano na sferne kugle, pri čemu se podrazumeva da ne postoje hidrodinamičke interakcije između kugli. Dinamika je opisana Braunovim kretanjem. Tako se dobija jednačina koja izražava relaksacione module razblaženih rastvora koji sadrže nm = cNa/M molekula polimera po jedinici zapremine, zanemarujući doprinose rastvarača.: ∑ = −= N p t Bm peTkntG 1 /)( τ (2-53) 2 1 pp ττ = i cRT M Tk bNf s B 2 0 2 22 0 1 )(6 6 π ηη πτ −== (2-54) Gde je f0 translacioni koeficijent trenja, N - broj statističkih elemenata lanca, b= nmb0. Najdu- že relaksaciono vreme, τ1, se obeležava τR a često naziva i Rouzovo relaksaciono vreme. Kada je G(t) poznato može se odrediti viskoznost pri nultoj brzini, η0, modul sačuvane energije, G’(ω), modul izgubljene energije, G”(ω): ∫ ∞ = 0 0 )( dttGη ∫ ∞ = 0 sin)()(' tdttGG ωωω ∫ ∞ = 0 cos)()(" tdttGG ωωω „Mehanički spektar“ (tj. grafik zavisnosti G’(ω) i G”(ω) od ω u bilogaritamskom grafiku) u Rouzovom modelu pokazuje dve karakteristične oblasti sa prilično oštrim prelazom između njih. Za ωτ1<<1, G’ je su proporcionalno sa ω2 a G” sa ω. Isto važi i za Cimov model[62]. Ovo je oblast viskoznog tečenja. Nagib u bilogaritamskom grafiku za ove module su očekivani za linearne polimere. Za ωτ1>>1 po Rouzovom modelu 2/1"' ω∝= GG a moduli ne zavise od molarnih masa. Po Cimovom modelu u ovoj prelaznoj oblasti G’ i G” su proporcionalni ω2/3. U odnosu na Rouzov model, Cim je uključio i uticaj hidrodinamičkih interakcija. U Cimovom modelu τp=τ1/pμ, a μ = 3ν. Za θ - uslove kod linearnih polimera μ je 3/2, a za termodinamički dobre rastvarače (ν = 0,6) μ je 9/5. Oblik mehaničkog spektra je identičan u oblasti viskoznog tečenja kao i u Rouzovom modelu. Razlike se javljaju pri višim frekven- cijama gde G’ i G” variraju sa ω1/μ, a G” je veće od G’. Eksperimentalni rezultati razblaženih rastvora polimera uske raspodele molarnih masa pokazuju ponašanje blisko onom opisanim Cimovim modelom. 33 2.6.2.2 Semirazblaženi rastvori (preplitanje lanaca) Povećanjem koncentracije polimera u rastvoru (c*< c < c**) dolazi do prožimanja klupčadi, pa se smanjuje uticaj hidrodinamičkih interakcija, tako da se očekuje pomeranje ponašanja od Cimovog ka Rouzovom modelu. Tipičan primer ponašanja rastopa polimera uske raspodele molarnih masa prikazan je na slici 2-15. Slika 2-15 Tipičan mehanički spektar prepletenog polimernog sistema[23] Efekat preplitanja najbolje se vidi u platou, gde je G’ skoro konstantno a G” postaje manje od G’, tako da se krive seku u dve tačke. Karakteristično viskoelastična oblast ili „gumoliko“ ponašanje se javlja između oblasti viskoznog tečenja i prelazne oblasti. Prelazna oblast se nalazi između staklaste oblasti i oblasti gumolikog ponašanja. U prelaznoj oblasti na defor- maciju makromolekuli odgovaraju konformacionim promenama lanaca koji su kraći od rastojanja između prepletaja. U ovoj oblasti polimeri na deformaciju odgovaraju pokretima segmenata (τe). Za t > τe sistem se nalazi u oblasti gumolikog ponašanja. U oblasti viskoznog tečenja (t < τd) dolazi do rasplitanja lanaca. Širina platoa (oblast gumolikog ponašanja) zavisi od molarne mase. Sa porastom molarne mase raste širina platoa. Karakteristika platoa je da je G” manje od G’. U odsustvu prepletaja G” je uvek veće od G’. U oblasti gumolikog ponašanja G” prolazi kroz minimum. Vrednosti modula sačuvane energije, G’, u plato oblasti je vrlo važan parametar viskoelastičnosti poli- mera i može se predstaviti sledećom jednačinom: e N M RTG ρ= (2-55) Me predstavlja molarnu masu između tačaka preplitanja. GN je slabo zavisno od temperature. Opšte je prihvaćeno da je Mc ≈ 2Me. Širenje raspodele molarnih masa dovodi do opadanja vrednosti GN, a prelaz između platoa i oblasti viskoznog tečenja zone manje strm. Mehanički spektri rastvora polimera u kojima su prisutni prepletaji su kvalitativno slični ponašanju rastopa polimera. U semirazblaženim rastvorima je: 113 33 31 −− − ∝≈ TcMd c ν ν τγ& (2-56) 13 3 0 −∝ ν ν cMGN (2-57) Kao što se vidi GN ne zavisi od molarne mase polimera, već samo od koncentracije polimera Za neke linearne polimere u koncentrovanim rastvorima pri θ - uslovima je uočeno da 34 eksponent ima vrednosti od 2 do 2,3 a ne 3 kako se to očekuje iz jednačine (2-57). Ovo je posledica kompleksne zavisnosti Me od c. 2.6.3 Polisaharidni gelovi Bez obzira na uslove u kojima polisaharidi formiraju gelove, mehanizam i struktura nastalog gela varira od jednog do drugog polisaharida i jako zavisi od tipa polisaharida. Viskoelastična svojstva gelova su kvalitativno slična. Po definiciji gel je dvofazni sistem dve kontinualne faze. Gel se može definisati i kao trodi- menzionalna mreža sa manje više permanentnim karakterom, nastao asocijacijom molekula (ili čestica). Između asociranih molekula nalaze se zarobljeni molekula rastvarača. U praksi gel sadrži i do 99 % rastvarača, ali i dalje poseduje širok viskoelastični plato. Kada se između polimernih lanaca uspostave kovalentne veze, formirajući trodimenzionalnu mrežu nastaju gel strukture koje se nazivaju hemijski gelovi. U slučaju kada trodimenzionalna mreža nastaje usled postojanja fizičkih sila (vodonične, polarne itd.) nastali gel se naziva fizički gel. Većina bioloških makromolekula formira fizičke gelove. Gelovi nastali asocijacijom formiraju zone preplitanja (ukrštanja) koje su vrlo često visoko sređene. Prisutni dugi lanci ne mogu biti inkorporirani u zone preplitanja i bivaju visoko solvatisani. Prelaz iz sol u gel stanje je zavisan od temperature, pH, sadržaja jona. Umreženje kod fizičkih gelova je u oblastima preplitanja. Broj, veličina i položaj zona preplitanja variraju sa vremenom i temperaturom. 2.7 Termogravimetrijska analiza Termička svojstva skroba i derivata skroba su predmet brojnih istraživanja. Jedna od najčešće korišćenih termoanalitičkih metoda kojima se ispituje termička stabilnost je termogra- vimetrijska analiza (TGA). Metoda može biti izotermska i neizotermska. Kod izotermske metode uzorak se podvrgava konstantnoj temperaturi a u toku vremena se meri gubitak mase uzorka u toku vremena. Prilikom izvođenja neizotermske metode uzorak se zagreva konstantnom brzinom grejanja a meri se gubitak mase uzorka na različitim temperaturama. Merenja se najčešće izvode u oksidativnoj i inertnoj atmosferi. Upotrebom ove metode može se odrediti termička stabilnost, kinetika termičke degradacije, sadržaj vlage ili lako isparljivih materija, sadržaj neorganskih materija, kinetika termičke degradacije, energija aktivacije i druga svojstva polimernih materijala. Kod neizotermske termogravimetrijske analize rezultat se prezentuje u vidu termograma, tj. zavisnosti gubitka mase od temperature. Oblik krive zavisi od kinetike degradacije, reda reakcije, energije aktivacije i predeksponencijalnog faktora u Arenijusovoj (Arrhenius) jednačini. Mehanizam termičke degradacije može biti prosta hemijska reakcija, ali u najvećem broju slučajeva to su sukcesivne kao i paralelne hemijske reakcije. Takođe, može doći i do pojave autokatalize. Zavisno od brzine zagrevanja pojedini procesi se mogu preklapati i ne mogu se jasno razdvojiti. Zbog toga, ispitivanja termičke degradacije se izvode različitim brzinama zagrevanja i nezavisne reakcije sa razli- čitim energijama aktivacije mogu se odrediti, kao i kinetika reakcije, red hemijske reakcije. Energija aktivacije termičke degradacije može se odrediti upotrebom neizotermske TGA pri različitim brzinama zagrevanja. Energija aktivacije može biti u pojedinim temperaturnim intervalima konstantna ili u idealnom slučaju u celom opsegu ispitivanih temperatura. U tom slučaju se odigrava prosta hemijska reakcija. Matematički model koji se može koristiti za opisivanje kinetike termičke degradacije često se izražava na sledeći način: )()( tkf dt d αα = (2-58) 35 Promena stepena reagovanja u vremenu, dα/dt je jednaka proizvodu funkcije konverzije i konstante brzine k(t). α predstavlja stepen konverzije. Jednačina (2-58) se može koristiti samo ako su svi fizički i hemijski faktori koji mogu uticati na brzinu hemijske reakcije kontrolisani. Analitičko rešenje jednačine (2-58) je moguće samo za proste reakcije. Za slo- žene reakcije jednačina (2-58) postaje sistem diferencijalnih jednačina, kod koga razdvajanje promenljivih nije moguće. Relacija između konstante brzine i temperature može se izraziti Arenijusovom jednačinom: )exp()( RT EAtk d a−= (2-59) Gde je A predeksponencijalni faktor a daE je energija aktivacije degradacije makromolekula. Ovi parametri mogu se odrediti kombinacijom jednačina (2-58) i (2-59): )exp()( RT EAf dt d da−= αα (2-60) Ako se uzorak zagreva konstantnom brzinom β’=dT/dt, onda je: )exp()(` RT EAf dT d dt d da−== ααβα (2-61) Za konstantnu brzinu zagrevanja dobija se: dT RT EA f d da )exp( `)( −= βα α (2-62) Parametri A, daE mogu da se odrede iz serije krivih snimanih pri različitim brzinama. Parametri se mogu odrediti diferencijalnom ili integralnom metodom. Stepen konverzije, α, u termogravimetrijskim merenjima se izražava kod integralnih metoda (termogravimetrija, dilatometrija) kroz jednačinu (2-63): f i i mm mm − −= 0 0α (2-63) gde je m0 signal (ili masa) na početku vremena, mi signal u momentu vremena ti, a mf na kraju merenja. Jedna od najčešće korišćenih diferencijalnih metoda je Frimanova (Freeman) metoda gde se jednačina (2-61) izražava u logaritamskoj formi: RT EAf dt d da ii −+== ln)(lnln αα αα (2-64) Ako je f(α) konstantno za dato αi, grafik zavisnosti )1(ln Tfdt d =α daje pravu liniju čiji je nagib RE da / . Ako se u Frimanovoj analizi dobija znatno veći nagib na početku procesa nego u kasnijoj fazi ovo ukazuje na prisustvo autokatalizovanih reakcija. Ako energija aktivacije pokazuje jasnu zavisnost od stepena konverzije termička degradacija je kompleksna (višestepena). Druga vrlo često korišćena metoda za određivanje kinetičkih parametara je Ozava-Flin- Volova (Ozawa-Flynn-Wall), OFW. Ova metoda je integralna metoda. Integracijom jedna- čine (2-61) dobija se: ∫∫ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛−== T T d a dT RT EA f dG 0 exp `)( )( 0 βα αα α (2-65) Ako T0 leži ispod temperature na kojoj se reakcija uočava, onda se donja granica integrala može postaviti na T0 = 0, tako da se dobija: )(ln`lnln )( ln 0 zp R AE f d da +−=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ∫ βαα α (2-66) gde je 36 ∫ ∞− −−−= z dz z z z zzp )exp()exp()( (2-67) gde je RTEz da /= . Upotrebom aproksimacije koju je uveo Dojl (Doyle)[63] lnp(z) = -5,3305 + 1,052·z u jednačinu (2-65) dobija se: RT EG R AE da d a 052,13305,5))(ln(ln`ln +−−= αβ (2-68) Kao što se vidi iz jednačine (2-68) u toku serije merenja sa brzinama zagrevanja β’1...β’j pri fiksnom stepenu konverzije α = αk grafik zavisnosti lnβj = f(1/Tjk) je prava linija sa nagibom -1,052 E/R. Temperature Tjk su one na kojima konverzija αk se postiže pri brzini β’j. Ako je određena energija aktivacije identična na različitim αk, može se reći da je reakcija prosta – jednostepena. Suprotno, promena energije aktivacije sa povećanjem stepena konverzije uka- zuje na kompleksnost degradacije, tako da razdvajanje varijabli u OFW analizi nije moguće. Upotrebom aproksimacije uvedene od strane Dojla direktno se dobija energija aktivacije. Greška je relativno mala (manja od 1%) za 31 < z < 47, ali je greška veća od 3 % u slučaje- vima kada je z < 25 ili z > 100. Flin sugeriše prvo određivanje energije aktivacije upotrebom jednačine (1-68). Onda se srednje vrednosti temperature Tm za temperature Tjk... i srednja vrednost E/RTm odrede. Potom se energija aktivacije koreliše sa korekcionim faktorom F(z). Empirijski je nađena jednačina: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + ++= 2 32 1 0 1)( sasa saazF (2-69) koeficijenti u jednačini (2-69) imaju vrednosti: a0 = 0,94961, a1 = 7,72519, a2 = 4,57230 i a3 = 0,48906. Maksimalna greška dobijena ovom procedurom je ispod 5 10-4 u opsegu 4 < z < 200. Pored ove aproksimacije u literaturi postoji još veliki broj aproksimacija za izračunavanje integrala p(z). Aproksimacija četvrtog stepena data od Senum i Yang daje poboljšanja sa maksimalnom devijacijom manjom od 0,03 % za 5 < z < 100: 12024012020 968818)exp()( 234 23 ++++ +++−= zzzz zzz z zzp (2-70) 37 3. Eksperimentalni deo 3.1 Hemikalije Sledeći tipovi skroba su korišćeni za karboksimetilaciju skroba: kukuruzni skrob (25 mas.% amiloze, ˝Jabuka˝ Starch Industry, Srbija) i skrob iz krompira (20 mas.% amiloze, CHP GmbH, Nemačka), a za sintezu katjonskog skroba kukuruzni skrob (25 mas.% amiloze, ˝Jabuka˝ Starch Industry, Srbija). Sve ostale hemikalije koje su korišćene (NaOH, ClCH2COONa, CH3CH2OH, CuSO4, FeCl3, EDTA, CaCl2, NaCl, HCl, Mureksid, AgNO3) su bili proizvodi ili Fluka ili Merck. Za sintezu katjonskog skroba korišćen je QUAB 188 (65 mas.% 3-hloro-2-hidroksipropil- trimetilamonijum hlorid) proizvod Degusse (Nemačka). 3.2 Sinteza derivata skroba 3.2.1 Sinteza karboksimetil-skroba u cilju optimizacije reakcionih uslova i količine reaktanata Sinteza karboksimetil-skroba, CMS, je izvođena po delimično modifikovanom postupku za karboksimetilovanje smeše celuloze i skroba, koji su razvili Samer i Bochov[65]. Sinteza karboksimetil-skroba je izvođena u dve faze. U prvoj fazi izvodi se alkalizacija skroba natri- jum-hidroksidom. Smeša skroba, etanola i vodenog rastvora natrijum-hidroksida se meša upotrebom mehaničke mešalice 20 min pri sobnoj temperaturi. Nakon toga smeša se zagreva na željenu temperaturu i dodaje monohlorsirćetna kiselina. Reakcija se odigrava uz mešanje određeno vreme. Kao reakcioni medijum korišćena je voda, etanol i smeša ova dva rastva- rača. Sintetizovani CMS je prečišćavan rastvaranjem u vodi, neutralizacijom rastvora (pH = 7) i taloženjem sa etanolom. Istaloženi CMS je odvajan filtriranjem i sušen u vakuum sušnici pri temperaturi od 40oC do konstantne mase. 3.2.2 Priprema uzoraka karboksimetil-skroba u cilju ispitivanja svojstava karboksimetil-skroba u razblaženim i koncentro- vanim rastvorima i za termogravimetrijsku analizu Na osnovu rezultata ispitivanja uticaja reakcionih uslova i količine reaktanata određeni su optimalni uslovi za sintezu uzoraka CMS-a. Pod ovim uslovima sintetisani su uzorci CMS-a koji su korišćeni za ispitivanje ponašanja CMS-a u razblaženim i koncentrovanim rastvorima kao i za ispitivanje termičke postojanosti uzoraka CMS-a. U prvom stupnju odigravala se reakcija alkalizacije skroba vodenim rastvorom 11,5 mol/dm3 NaOH na 25 oC u etanolu kao reakcionom medijumu. Reakciona smeša je mešana mehaničkom mešalicom 20 min. Nakon toga, temperatura reakcione smeše je podignuta na 58 oC, potom je dodata željena količina natrijum-monohloracetata (Na-MCA). Drugi stupanj (koji predstavlja reakciju eterifikacije) vođen je 100 min. Količine reaktanata su date u tabeli 3-1. Za reakciju su korišćena dva tipa skroba: iz krompira i kukuruza. Sadržaj vlage, određen analizatorom vlage SARTORNIS MA40, je iznosio 10,39 mas. % u kukuruznom skrobu, a u skrobu iz krompira 16,60 mas. %. 38 Tabela 3-1 Sastav reakcione smeše pri sintezi karboksimetil-skroba (vreme alkalizacije od 20 minuta pri sobnoj temperaturi i 100 minuta za reakciju eterifikacije pri tempera- turi od 58 oC) Uzorak Tip skroba Masa nesušenog skroba, g Zapremina etanola, cm3 Zapremina 11,5 mol/dm3 natrijum hidroksida, cm3 Masa natrijum monohloracetata, g CMS1 43 CMS2 28 CMS3 Krompir 15 CMS4 15 CMS5 28 CMS6 Kukuruz 40 120 28 43 Nakon sinteze dobijeni karboksimetil-skrob je rastvaran u destilovanoj vodi a potom taložen etanolom, sušen u sušnici pri temperaturi od 50 oC i mleven. Samleveni karboksimetil-skrob je dispergovan u acetonu i preveden u kiseli oblik (H-CMS) dodavanjem 3 cm3 6 mol/dm3 hlorovodonične kiseline na 1 g karboksimetil-skroba. Disperzija je mešana 30 minuta na magnetnoj mešalici, a nakon toga je tečna faza dekantovana. Preostalom talogu je dodavan 80 mas.% etanol u cilju uklanjanja zaostalih soli. Uzorak je na ovaj način prečišćavan dok provodljivost dekantovanog filtrata ne padne ispod 50 μS cm-1 (obično ispod 25 μS cm-1). Nakon uklanjanja soli uzorak je ponovo dispergovan u acetonu, filtriran i sušen u vakuum- sušnici pri temperaturi od 50 oC do konstantne mase i mleven. Ovako prečišćenom i osuše- nom H-CMS-u je određen sadržaj vlage, a potom je određivan stepen supstitucije. 3.2.3 Sinteza katjonskog skroba Sinteza katjonskog skroba (KS) je izvođena u dva stupnja. U prvom stupnju je izvođena alkalizacija skroba natrijum-hidroksidom na 25 oC. Preliminarna ispitivanja su pokazala da je reakcija katjonizacije efikasnija u vodi kao rastvaraču nego u etanolu. Na osnovu ovih ispitivanja pripremljen je uzorak katjonskog skroba prema sledećoj proceduri: smeša skroba (30 g), 11,5 mol/dm3 rastvor NaOH (33 cm3) i vode (240 cm3) je mešana 20 min pri sobnoj temperaturi. Nakon toga smeša je zagrevana na 60 oC i u smešu je uz mešanje ukapavan QUAB 188 (21 cm3). Vreme trajanja reakcije eterifikacije (drugi stupanj) je iznosilo 4h. Uzorak katjonskog skroba nakon sinteze je neutralisan (pH oko 7), a potom taložen etano- lom. Staloženi KS je odvajan filtriranjem i sušen u vakuum sušnici pri temperaturi od 40 oC do konstantne mase. Nakon sušenja uzorak je prečišćavan ekstrakcijom 80 mas.% izopropa- nola u vodi u Soksletovom uređaju, do momenta kada se provodljivost filtrata nije značajno menjala između dva merenja. 3.3 Određivanje sadržaja vlage Sadržaj vlage u uzorcima skroba i derivata skroba je određivan korišćenjem uređaja Moisture Analyzer, SARTORIUS MA 40. 39 3.4 Određivanje stepena supstitucije 3.4.1 Određivanje stepena supstitucije karboksimetil-skroba 3.4.1.1 Određivanje stepena supstitucije direktnom titracijom Kiseo oblik karboksimetil-skroba (H-CMS) je nerastvoran u vodi i kako bi se sprečilo naglo bubrenje čestica karboksimetil-skroba pri titraciji natrijum-hidroksidom, titracija je izvođena u rastvoru 2 mas.% natrijum-hlorida. Na analitičkoj vagi je odmeravano oko 2 g karboksi- metil-skroba i dispergovano 15 minuta na sobnoj temperaturi u 2 mas.% rastvoru natrijum- hlorida. Titracija je izvođena 1 mol/dm3 rastvorom NaOH na automatskom titratoru TITRAPROCESSOR 636 METROHM. Uređaj meri promenu pH u zavisnosti od količine dodatog natrijum hidroksida. Titracija je izvođena do pH = 12, a kao ekvivalentna tačka titracije je uzimana prevojna tačka na krivoj titracije pH = f(VNaOH). Postupak je ponavljan tri puta, a srednja vrednost je uzimana kao ekvivalentna zapremina 1 mol/dm3 NaOH, koja je korišćena za izračunavanje stepena supstitucije, DS. Iz ekvivalentne zapremine 1 mol/dm3 NaOH izračunava se količina karboksilnih grupa u uzorku prema jednačini: 3 ( ) 1 , , n COOH Ve Ve dm n mol = ⋅ (3-1) Na osnovu dobijene vrednosti količine karboksilnih grupa u uzorku, mase uzorka i vlažnosti određuje se stepen supstitucije: ,%(1 ) 100 masa uzorka masa suvog uzorka s u u s vlažnostm m m m = − ⋅ − − (3-2) 2 162 ( ) 58 ( ) 162 - molarna masa anhidroglukozidne jedinice 58 - razlika molarnih masa supstituenta (CH COOH) i H s n COOHDS m n COOH ⋅= − ⋅ (3-3) 3.4.1.2 Određivanje stepena supstitucije povratnom titracijom hlorovodoničnom kiseli- nom Pored određivanja stepena supstitucije direktnom titracijom karboksimetil-skroba natrijum hidroksidom, stepen supstitucije je određivan i povratnom titracijom hlorovodoničnom kise- linom. Na analitičkoj vagi se odmeri oko 0,5 g uzorka (kiseli oblik H-CMS) i kvantitativno prenese u erlenmajer od 100 cm3. U erlenmajer se odpipetira 20 cm3 0,2 mol/dm3 NaOH i oko 50 cm3 bidestilovane vode i promeša na magnetnoj mešalici do potpunog rastvaranja. Na ovaj način je u višku NaOH celokupna količina –COOH grupa prevedena u oblik soli –COO- Na+. Rastvor se kvantitativno prebaci u normalni sud od 100 cm3 i dopuni bidestilovanom vodom do crte. U erlenmajer od 100 cm3 odpipetira se 25 cm3 rastvora, doda od 50 do 100 cm3 bidestilovane vode a potom se titriše 0,05 mol/dm3 HCl uz fenolftalein kao indikator. Paralelno se priprema i uzorak za slepu probu (sve identično samo bez uzorka). Titracija se ponovi tri puta i izračuna srednja vrednost zapremine 0,05 mol/dm3 HCl neophodna za titra- ciju viška NaOH. Na osnovu utrošaka HCl za titraciju slepe probe i rastvora karboksimetil- skroba odredi se količina karboksilnih grupa, n(COOH), u uzorku: 40 3 3 ( ) ( ) ( ) 4 - utrošak HCl za titraciju slepe probe - utrošak HCl za titraciju uzorka Ukupna zapremina rastvora (100 cm )4 - Zapremina rastvora za titraciju (25 cm ) n COOH Vb V C HCl Vb V = − ⋅ ⋅ (3-4) Na osnovu određene količine karboksilnih grupa u uzorku, vlažnosti i mase odmerenog uzorka koristeći jednačine (3-2) i (3-3) odredi se stepen supstitucije. 3.4.1.3 Određivanje stepena supstitucije karboksimetil-skroba taloženjem bakar- sulfatom Postupak određivanja stepena supstitucije taloženjem bakar-sulfatom je već opisivan u rani- jim radovima[64-66]. Za ovu metodu je bilo neophodno prevesti CMS iz kiselog oblika (H- CMS) u oblik soli (u daljem tekstu samo CMS). U ovoj metodi CMS se rastvara u vodi i taloži bakar-sulfatom. Skrob(-CH2COONa)2 + CuSO4 Skrob(-CH2COO)2Cu + Na2SO4 Bakar-sulfat se dodaje u višku i posle reakcije sa karboksimetil-skrobom preostali višak se određuje titracijom sa etilendiamintetraacetatom (EDTA) u prisustvu mureksida kao indika- tora. Iz razlike etilendiamintetraacetata koji je utrošen pri titraciji ispitivanog uzorka i slepe probe određuje se vezani bakar i količina uvedenih -CH2COONa grupa u makromolekul skroba, kao i prosečni stepen supstitucije, DS. 0.625g karboksimetil-skroba (pri porastu vrednosti DS iznad 0.5 ova vrednost se odgovara- juće smanjuje) se odmeri na analitičkoj vagi i unese u erlenmajer od 100 cm3, a zatim se okvasi sa 1 cm3 etanola i potpuno rastvori u 50 cm3 vode. Po dodatku 20 cm3 amonijum hloridaii (pufer) rastvoru se podešava pH-vrednost sa 0,1 mol/dm3 NaOH odnosno 0,1 mol/dm3 HCl na 7,5 do 8,0 Dobijeni rasvor se prenese u meskolben od 250 cm3 i doda 50 cm3 rastvora bakar sulfataiii i ostavi uz povremeno mućkanje da stoji 15 minuta. Tada se dodatkom vode meskolben dopuni do crte, a zatim se nastali talog soli karboksimetil-skroba i bakra filtriranjem odvoji od rastvoraiv. Od preostalog rastvora se odpipetira 100 cm3 i unese u erlenmajer od 300 cm3, doda na vrh špatule mureksidav (indikator) i titriše 0.05 mol/dm3 rastvorom etilendiamintetraacetatavi dok se boja ne promeni iz žute preko zelene do violetplave. Paralelno se pod istim uslovima, ali bez dodatka karboksimetil-skroba, pripremi slepa proba i titriše na isti način (natrijumova so hlorsirćetne kiseline ne daje talog sa bakarsulfatom). Na osnovu količina utrošene EDTA za slepu probu i titraciju određuje se DS: ii Rastvor pufera - amonijum hlorida (pH=5.2): 10g NH4Cl se rastvori u vodi, unese u merni sud od 1 dm3 i dopuni vodom do crte. iii Rastvor bakarsulfata: 9.825 g CuSO4 . 5H2O se rastvori u vodi, unese u merni sud od 1dm3 i dopuni do crte. iv Prilikom određivanja stepena supstitucije uzoraka karboksimetil-skroba sintetisanih u vodi, talog nije padao već se nalazio u vidu gel čestica. Taloženje je izvršeno dodatkom 40 cm3 alkohola. Dalji postupak je bio identičan. v Mureksid - indikator: 0.1 g mureksida se u avanu dobro izmeša sa 10g NaCl. vi Rastvor 0.05 M etilendiamintetraacetata, EDTA: 18.612g EDTA-Na2H2 . 2H2O se rastvori u vodi, unese u merni sud od 1dm3 i dopuni do crte. 41 n CH COONa b a C( ) ( ) .− = − ⋅ ⋅ ⋅2 2 2 5 (3-5) DS n CH COONa G n CH COONa = ⋅ −− ⋅ − 162 80 2 2 ( ) ( ) (3-6) a - zapremina rastvora EDTA utrošena za neutralizaciju rastvora uzorka karboksi- metil-skroba (cm3) b - zapremina rastvora EDTA utrošena za neutralizaciju slepe probe C - koncentracija rastvora EDTA ( 0.5 410−⋅ mol/cm3) 2 - odnos broja molova -CH2COONa i broja molova utrošene EDTA za titraciju bakra u rastvoru 2.5- odnos ukupne zapremine rastvora (250 cm3) i zapremine upotrebljene za titraciju (100 cm3) n(-CH2COONa) - količina -CH2COONa koja se nalazi u odmerenoj masi uzorka G G - masa odmerenog uzorka (g) DS - stepen supstitucije 162 - molarna masa glukozidne jedinice (g/mol) 80 - pošto se u toku reakcije eterifikacije pri stepenu supstitucije DS=1 vodonik menja -CH2COONa grupom to znači da se molarna masa supstituisane gluko- zidne jedinice poveća za 81-1 = 80 po jediničnom stepenu supstitucije. 3.4.2 Određivanje stepena supstitucije katjonskog skroba Stepen supstitucije određivan je potenciometrijskom titracijom uz upotrebu srebro/srebro- hloridne elektrode kao indikatorske i zasićene kalomelove elektrode kao referentne. Kao titraciono sredstvo korišćen je 0,1 mol/dm3 rastvor srebro-nitrata. U toku titracije meri se aktivnost jona srebra. Prilikom titracije joni srebra reaguju sa hloridima gradeći talog srebro- hlorida. Po dostizanju ekvivalentne tačke elektrohemijski potencijal raste usled naglog pove- ćanja jona srebra. Tačka titracije je određivana iz prevojne tačke. Standardizacija pripre- mljenog rastvora srebro-nitrata određivana je pravljenjem rastvora poznate koncentracije NaCl koji je potom titrisan rastvorom srebro-nitrata. Na slici 3-1 je prikazana kriva titracije i diferencijalna kriva titracije dobijene prilikom određivanja stepena supstitucije katjonskog skroba. 100 150 200 250 300 350 400 450 E M S , m V V(0.1M AgNO3), cm 3 Slika 3-1 Kriva dobijena potenciometrijskom titracijom uzorka katjonskog skroba rastvorom srebro-nitrata. 42 Stepen supstitucije određivan je prema sledećoj jednačini )(6.151 )(162 − − ⋅− ⋅= Clnm ClnDS (3-7) )()( 3AgNOCVeCln M⋅=− (3-8) gde je n(Cl-) – broj molova hloridnih jona u rastvoru, m – masa odmerenog uzorka za odre- đivanje DS, 151,6 – razlika masa supstituenta i vodonika. Stepen supstitucije sintetisanog uzorka je iznosio 0,30. 3.5 Priprema rastvora za ispitivanje uzoraka metodom statičkog i dinamičkog rasipanja svetlosti i za određi- vanje graničnog viskozitetnog broja Metode rasipanja svetlosti koriste se kako bi se stekao uvid u oblik i ponašanje čestica u jako razblaženim rastvorima („beskonačno“ razblaženje). Osnovni problem kod ovih metoda je potreba „idealno“ prečišćenog rastvora, tj. rastvora bez prisutnih tragova prašine i drugih nečistoća. Prisustvo nečistoća dovodi do pojave nerealnih („prividnih“) molarnih masa, MW, i poluprečnika rotacije, Rg, kod ispitivanja statičkim rasipanjem svetlosti i do pojave smetnji u odzivu prilikom ispitivanja dinamičkim rasipanjem svetlosti. Zbog toga je potrebno uzorak što bolje prečistiti, i koristiti sudove iz kojih su uklonjene nečistoće (prašina). Pranje posuda se izvodi upotrebom destilisanog acetona („in situ“). Tek u dobro oprane posude mogu se sipati rastvori za ispitivanje rasipanja svetlosti. Uobičajeno je da se za ova ispitivanja prvo pripreme rastvori uzoraka veće koncentracije („štok“ rastvori) koji se potom razblažuju. Za pripremu rastvora u rastvorima soli može se „štok“ rastvor pripremati rastvaranjem uzorka u vodenom rastvoru soli, ali je bolje pripremiti rastvor u vodi i dodavati čvrstu so u već pripremljene rastvore ili rastvor soli, kako je u ovom radu i činjeno. Kako nečistoće iz rastvora ne bi dospele u oprane posude neophodno ih je ukloniti iz rastvora. Uklanjanje neči- stoća iz rastvora se izvodi ili ultracentrifugiranjem (do 300000 g) ili upotrebom membrana sa vrlo finom veličinom pora. 3.5.1 Priprema rastvora karboksimetil-skroba Rastvori karboksimetil-skroba pripremani su u vodi i rastvorima NaCl (0,01; 0,05; 0,10 i 0,50 mol/dm3). Prvo su pripremani koncentrovaniji rastvori CMS-a (oko 2 g/dm3) koji su potom razblaživani na određene koncentracije pogodne za statičko rasipanje svetlosti (od 0,1 do 0,7 g/dm3) i viskozimetrijska ispitivanja. Rastvori su pripremani prvo u bidestilovanoj vodi kao rastvaraču, a potom su ovim rastvorima dodavane tačno određene količine kristalnog NaCl kako bi se dobio željeni molaritet rastvora NaCl. Pre nego što se pristupalo merenju statičkog i dinamičkog rasipanja svetlosti i viskozimetrijskim merenjima rastvori su ostavljani da odstoje 24 h kako bi bili sigurni da je celokupna količina čvrste supstance (CMS ili NaCl) rastvorena. Pre merenja rastvori su filtrirani kroz filtre sa veličinom pora od 0,2 μm. Ovako fin filter je korišćen u cilju uklanjanja eventualno prisutnih mikrogelova. Rastvori karboksimetil-skroba su direktno filtrirani u cilindrične ćelije korišćene za merenje intenziteta rasipanja svetlosti statičkom i dinamičkom metodom. Ćelije načinjene od speci- jalnog stakla su zatvarane metalnim poklopcem. I ćelije i poklopci su pre upotrebe pažljivo oslobođene prašine ispiranjem parom sveže destilisanog acetona u specijalnoj aparaturi. 43 3.5.2 Priprema rastvora katjonskog skroba Prečišćen i osušen uzorak katjonskog skroba rastvoren je u bidestilovanoj vodi. Vodeni rastvor katjonskog skroba podvrgavan je degradaciji u ultrazvučnom kupatilu. Vreme izlaganja uzoraka ultrazvučnoj degradaciji iznosilo je 0, 5, 15, 30 i 60 minuta. U zavisnosti od vremena ultrazvučne degradacije uzorci su označeni kao KS0, KS5, KS15, KS30 i KS60. Dalja procedura pripreme rastvora za ispitivanja metodama statičkog i dinamičkog rasipanja svetlosti je identična proceduri pripreme uzoraka karboksimetil-skroba, s tom razlikom što je za filtriranje rastvora korišćen filter čija je veličina pora iznosila 0,45 μm. 3.6 Statičko rasipanje svetlosti razblaženih rastvora karbo- ksimetil-skroba i katjonskog skroba Za ispitivanje uzoraka metodom statičkog rasipanja korišćen je instrument FICA 50. Kao izvor svetlosti je korišćena živina lampa sa filterom koji je obezbeđivao talasnu dužinu od 436 nm. Kao standard za kalibraciju korišćen je benzen (spectrograde, Merck). Za svaku koncentraciju intenzitet rasutog svetla je sniman na 11 različitih uglova u opsegu od 30o do 150o. Kako intenzitet rasute svetlosti zavisi od uređaja (zapremina rastvora, rastojanje ćelije od detektora) neophodno je koristiti benzen ili sličnu tečnost za kalibraciju. Intenzitet rasute svetlosti benzena pod uglom od 90o iznosi IB = 4,56 10-5. Prilikom merenja rasipanja svetlo- sti svakog uzorka, prvo se na uređaju odredi intenzitet rasute svetlosti benzena IB,R. Potom se određuje intenzitet rasute svetlosti rastvarača pri različitim uglovima, Ir(θ). Za svaki uzorak se priprema četiri do pet rastvora različitih koncentracija. Za svaki rastvor se snima intenzitet rasute svetlosti pri različitim uglovima, I(c,θ). Korelisana vrednost intenziteta rasute svetlosti je: ( ) θ θθθ 2cos1 sin)(),( +−= rkor IcIR (3-9) Prilikom upotrebe Cimove metode koristi se zavisnost: ...)2 3 1(1...)2 )( 1(1 2 2 2 2 +++=++= cMARqMcMAqPMR Kc Wg W W Wkor K je optička konstanta, koja se izračunava prema sledećoj jednačini: 2 0 , 2 4 0 2 0 2 2 4 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∂ ∂= n n I I c n N nK B B RB aλ π (3-10) ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= 2 sin4 0 0 θ λ πnq (3-11) P(q) – je faktor rasipanja koji zavisi od oblika čestice, MW – molarna masa po masenoj zastupljenosti, A2 – drugi virijalni koeficijent koji zavisi od interakcija čestice sa rastvara- čem, q – vektor rasipanja svetlosti, n0, nB – indeks prelamanja svetlosti rastvarača i benzena, Na – Avogadrov broj, λ0 – talasna dužina svetlosti, ( )cn ∂∂ / - priraštaj indeksa prelamanja svetlosti. Konstruisanjem grafika )10 3 ( 10 2 kcqf R Kc kor += − dobija se set eksperimentalnih rezultata koji formiraju mrežu. Ekstrapolacijom eksperimentalnih rezultata na q2 = 0 dobija se prava sa odsečkom 1/MW i nagibom 2A2. Ekstrapolacijom vrednosti na c=0 dobija se kriva koja je određena odnosom 1/(MW P(q)).U slučaju dobijanja pravolinijske zavisnosti odsečak ove prave je 1/MW a nagib Rg2/MW. U slučaju odstupanja od nelinearnosti a povijanja krive ka ordinatnoj osi neophodno je koristiti Berijevu metodu: 44 )10 6 ( 10 2 kcqf R Kc kor += − (3-12) U ovom slučaju za ekstrapolisane vrednosti na c = 0, odsečak prave predstavlja 1/MW1/2 a nagib Rg2/MW1/2. 3.6.1 Određivanje priraštaja indeksa prelamanja svetlosti Priraštaj indeksa prelamanja svetlosti, dn/dc, uzoraka CMS i katjonskog skroba (KS) u različitim rastvaračima je određivan upotrebom diferencijalnog refraktometra BP-2000-V (Brice-Phoenix) na 436 nm pri temperaturi od 25 oC upotrebom Hg lampe AH-3 115V. Za svaki uzorak pripremano je minimum pet rastvora različite koncentracije i za svaku koncentraciju je po šest puta određivan priraštaj indeksa prelamanja svetlosti. 3.7 Dinamičko rasipanje svetlosti razblaženih rastvora karboksimetil-skroba i katjonskog skroba Za ispitivanje uzoraka metodom dinamičkog rasipanja svetlosti korišćen je spektrometar ALV-5000. Izvor svetlosti je He-Ne laser (Spectra Physics, Model 9863/100KB) koji emi- tuje svetlost talasne dužine λ = 632,8 nm. Intenzitet flokulacije rasute svetlosti je analiziran upotrebom autokorelatora (ALV-5000). 3.8 Određivanje graničnog viskozitetnog broja Za određivanje graničnog viskozitetnog broja, [η], cm3 g-1, uzoraka karboksimetil-skroba u rastvorima NaCl u vodi, pri temperaturi od 25 oC, korišćen je Ibelodeov (Ubbelohde) visko- zimetar. Merena su vremena isticanja rastvarača i rastvora karboksimetil-skroba različitih molarnih masa. Koristeći Šulc-Blaškeovu (Schulz-Blaschke) jednačinu (jednačina 3-13) određen je granični viskozitetni broj uzoraka karboksimetil-skroba i skroba iz kukuruza. )1(][ SPSBSP kC ηηη ⋅+⋅= (3-13) Granični viskozitetni brojevi karboksimetil-skroba u rastvorima NaCl u vodi je određivan grafički, na uobičajeni način[60, 67]. 3.9 Reološka svojstva koncentrovanih rastvora skroba, karboksimetil-skroba i katjonskog skroba Skrob iz krompira i kukuruza, uzorci karboksimetil-skrobova sintetisanih iz skroba iz krom- pira i kukuruznog skroba i sintetisani katjonski skrob su korišćeni za ispitivanje reoloških svojstava koncentrovanih rastvora u vodi. 45 3.9.1 Priprema rastvora Odmerena količina skroba je dispergovana u bidestilovanoj vodi, a nakon toga je disperzija grejana na 115 – 120 oC 20 minuta uz mešanje pri brzini od 300 obrtaja/minuti. Rastvori CMS-a su pripremani rastvaranjem uzoraka CMS-a u bidestilovanoj vodi na sobnoj tempe- raturi uz mešanje, kao i uzorak nedegradiranog katjonskog skroba. 3.9.2 Reološka merenja Za ispitivanje reoloških svojstava koncentrovanih rastvora korišćen je reometar Carri-Med CSL-100 (TA instruments). Korišćena su dva merna sistema: konus-ploča i paralelne ploče, u zavisnosti od viskoznosti rastvora. Donja ploča je statična dok se gornji deo (konus ili ploča) rotira željenom brzinom pri čemu je ispitivani fluid smešten između ova dva elemen- ta. Pri upotrebi mernog sistema paralelnih ploča zazor između ploča je iznosio 2000 μm, dok je pri upotrebi mernog sistema konus-ploča zazor iznosio 54 μm. U oba slučaja prečnik gornjeg elementa je iznosio 4 cm. Prilikom ispitivanja reoloških merenja pod dejstvom oscilatornog delovanja sila, merenja su izvođena u oblasti linearne viskoelastičnosti. U ovoj oblasti su izmerene karakteristike neza- visne od primenjene deformacije. Frekvencija oscilovanja je varirana od 0,01 do 10 Hz. Upotrebom faznog pomeraja, δ, i odnosa maksimalnog napona smicanja, σ0, i maksimalne deformacije, γ0, računat je kompleksni oscilatorni modul G*: "' 0 0* GiGeG i ⋅+=⋅= δγ σ (3-14) Sačuvana energija elastične deformacije se izražava kroz realnu komponentu (modul saču- vane energije G’), a izgubljenu energiju kroz tečenje se izražava kroz imaginarnu kompo- nentu (modul izgubljene energije G’’). Odnos modula izgubljene energije i modula sačuvane energije se naziva faktor gubitaka tan δ: ' "tan G G=δ (3-15) Idealna oscilatorna kriva se dobija u oblasti gumolikog ponašanja. U ovom regionu veliki molekuli ne mogu da klizaju jedni preko drugih pošto je relaksaciona sposobnost segmenata manja od brzine smicanja. U linearnom viskoelastičnom regionu, parametri mreže mogu se odrediti upotrebom modula sačuvane energije u gumolikoj oblasti, GN, koncentracije, c, univerzalne gasne konstante, R, temperature, T, i Avogadrovog broja, Na (jednačina 2-55). 3.10 Termogravimetrijska analiza skroba i karboksimetil- skroba Termička degradacija uzoraka skroba iz krompira i kukuruza i sintetisanih uzoraka karbo- ksimetil-skroba je ispitivana neizotermskom termogravimetrijskom analizom. Termogravi- metrijskoj analizi podvrgnuti su uzorci karboksimetil-skroba u kiselom obliku i obliku natrijumove soli. Za ispitivanje termičke degradacije korišćen je uređaj Netzsch TG 209. Ispitivanja su izvođena u prisustvu neoksidujućeg medijuma (azot, protok 20 cm3/min) pri brzini zagrevanja od 2,5; 5; 10 i 20 oC/min. Neizotermsko ispitivanje izvođeno je od 20 oC do 500 oC. 46 3.11 Gel-propusna hromatografija katjonskog skroba Raspodela molarnih masa katjonskog skroba je određivana upotrebom GPC uređaja sa TSP P100 pumpom (Thermo Separation Products), Rheodyne 7725i injector, Shodex RI-71 difrakcioni refraktometar (Showa Denko), i setom od tri kolone (poroznosti 40, 1000 i 40 Å). Merenja su izvođena na 23 oC. Uzorci katjonskog skroba su se nalazili u 0,1 mol/dm3 rastvo- ru NaCl. Kao eluent je korišćen 0,1 mol/dm3 rastvor NaNO3. Protok eluenta je iznosio 1 cm3/min. 3.12 Infracrvena spektroskopija Infracrvena spektroskopija je izvođena na uređaju Bruker Vector 22 (Opus 2.2 Software). Uzorak za ispitivanje se nalazio u formi KBr pastila. 47 4. Rezultati i diskusija 4.1 – Optimizacija reakcije karboksimetilovanja skroba Sinteza uzoraka karboksimetil-skroba je izvođena na način opisan u poglavlju 3.2.1. Stepen supstitucije uzoraka određivan je taložnom metodom (poglavlje 3.4.1.3). Granični viskozi- tetni broj je određivan u 1 mas.% rastvoru NaCl u vodi. 4.1.1 Uticaj vremena odigravanja reakcije karboksimetilovanja na stepen supstitucije skroba Kao što je već pomenuto reakcija karboksimetilovanja se izvodi u dva stupnja. Prvi stupanj reakcije se odigrava na sobnoj temperaturi a predstavlja reakciju alkalizacije. Drugi stupanj hemijske reakcije predstavlja reakciju eterifikovanja. Za ispitivanje uticaja vremena trajanja drugog stupnja karboksimetilovanja na stepen supstitucije i vrednost graničnog viskozitetnog broja dobijenog karboksimetil-skroba korišćen je nativni kukuruzni skrob (NS). Sastav reakcione smeše i temperatura karboksimetilovanja navedeni su uz sliku 4-1. 0 50 100 150 200 60 80 100 120 140 160 180 200 220 [η][η] , c m 3 /g τ, min 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 D S DS Slika 4-1 Zavisnost [η] i DS od vremena karboksimetilovanja skroba pri temperaturi od 58 oC. (60 cm3 etanola, 20 g NS, 14 cm3 11,5 mol/dm3 NaOH, 8 g MCA) Urađeno je pet eksperimenta čija su vremena karboksimetilovanja iznosila 25, 50, 100, 150 i 200 min. Vrednosti DS i [η] za dobijene proizvode su prikazani na slici 4-1. Sa slike 4-1 se vidi da sa povećanjem vremena odigravanja reakcije [η] i DS rastu i nakon 50 min dostižu skoro konstantnu vrednost 4.1.2 Uticaj temperature odigravanja reakcije na stepen supstitucije i granični viskozitetni broj nastalog karboksimetil-skroba Za ispitivanje uticaja temperature, pri kojoj je izvođena druga faza reakcije karboksimetilo- vanja, na stepen supstitucije i granični viskozitetni broj sintetizovanog CMS-a, korišćen je nativni skrob. Sastav reakcione smeše i vreme trajanja karboksimetilovanja su bili isti pri svim eksperimentima i navedeni su uz sliku 4-2. Reakcija karboksimetilovanja nativnog skroba je izvođena pri temperaturama od 40, 58, 63, 68 i 80 oC. Dobijenim uzorcima karbo- ksimetil-skroba je određena vrednost stepena supstitucije, DS, i graničnog viskozitetnog broja, [η]. Zavisnost određenih vrednosti DS i [η] od temperature prikazana je na slici 4-2 za uzorke dobijene karboksimetilovanjem nativnog skroba iz kukuruza. 48 40 50 60 70 80 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 DS D S t, oC 60 80 100 120 140 160 180 [η ], cm 3 /g [η] Slika 4-2. Zavisnost DS i [η] od temperature reakcije karboksimetilovanja skroba (60 cm3 etanola, 20 g NS, 14 cm3 11,5 mol/dm3 NaOH, 8 g MCA i τ = 50 min) Pri sintezi CMS, DS izrazito raste sa porastom temperature do oko 58 oC. Temperature veće od 58 oC ne dovode do bitnije promene DS (slika 4.2). Iskorišćenje MCA, raste sa porastom temperature od oko 40 % koliko iznosi pri 40 oC do skoro 80 % pri temperaturi od 80 oC. Vrednosti [η] naglo opada na oko 58 oC. Naglo opadanje [η] može biti posledica konformacione promene makromolekula CMS-a ili njihove degradacije, ali to još nije doka- zano. Budući da se za ispitivane uzorke, pri navedenim eksperimentalnim uslovima, maksimalni stepen supstitucije ostvaruje pri temperaturi od 58 oC, to su dalja izučavanja reakcije karbo- ksimetilovanja skroba izvođena pri ovoj temperaturi. 4.1.3 Uticaj količine NaOH u reakcionoj smeši na stepen supstitu- cije i granični viskozitetni broj karboksimetil-skroba Pri ispitivanju uticaja količine natrijum-hidroksida u reakcionoj smeši na reakciju karboksi- metilovanja korišćen je nativni kukuruzni skrob. Uslovi izvođenja eksperimenata i količina komponenti reakcione smeše, koje su pri svim eksperimentima bile konstantne, navedeni su uz sliku 4-3. Količina natrijum-hidroksida je pri ovim eksperimentima varirana tako da odnos broja molova natrijum hidroksida, n(NaOH), i anhidroglukozidnih jedinica skroba, n(AGU), bude između 0,7 i 4,5. Karboksimetilovanim uzorcima nativnog skroba određene su vrednosti DS i [η] i na slici 4-3 prikazane u zavisnosti od odnosa broja molova natrijum- hidroksida i anhidroglukozidnih jedinica u reakcionoj smeši n(NaOH)/n(AGU). Kao što se vidi na slici 4-3, pri karboksimetilovanju nativnog skroba, zavisnost vrednosti DS i [η] od odnosa n(NaOH)/n(AGU) u reakcionoj smeši su prikazane krivama sa maksimu- mom. Sličnu zavisnost za promenu DS pri karboksimetilovanju nativnog skroba dobio je i Khalil sa saradnicima[15]. Navedeni autori su ovu pojavu objasnili postavkom da se pri povećanju udela NaOH u reak- cionoj smeši, pored osnovne reakcije karboksimetilovanja skroba, sve intenzivnije odigrava i reakcija između NaOH i monohlorsirćetne kiseline: NaOH + ClCH2COOH = OH-CH2COOH + NaCl Na taj način se smanjuje koncentracija monohlorsirćetne kiseline u reakcionoj smeši, a samim tim i vrednost DS sintetizovanih uzoraka. Na slici 4-3 se takođe vidi da je maksi- malna vrednost za DS dobijena pri odnosu n(NaOH)/n(AGU) = 2, a za [η] pri odnosu n(NaOH)/n(AGU) = 1,2. Ovi podaci ukazuju da pri karboksimetilovanju nativnog skroba sa povećanjem odnosa n(NaOH)/n(AGU) dolazi i do značajne razgradnje makromolekula ami- 49 loze i amilopektina, a možda i do intramolekulskog umrežavanja, koje takođe može da vodi smanjenju vrednosti [η]. 0 1 2 3 4 5 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 DS D S n(NaOH) n(AGU) 40 60 80 100 120 140 160 180 200 [η ], cm 3 /g [η] Slika 4-3. Zavisnost [η] i DS od odnosa n(NaOH)/n(AGU) prilikom karboksimetilovanja skroba pri temperaturi od 58 oC (60 cm3 etanola, 20 g NS, 8 g MCA i τ = 100 min) Shodno promenama DS, menja se i RE (odnos dobijenog i teorijskog stepena supstitucije) sa promenom odnosa broja molova NaOH i AGU. Prilikom sinteze CMNS, RE dostiže maksi- malnu vrednost od oko 85 % pri odnosu n(NaOH)/n(AGU) = 2. Povećanje ovog odnosa dovodi do sniženja RE. Sniženje RE je, posledica odigravanja sporednih reakcija. Pri odnosu broja molova n(NaOH)/n(AGU) = 4,5 RE ima vrednost od oko 30 %. 4.1.4 Uticaj količine monohlorsirćetne kiseline na stepen supstitu- cije skroba i granični viskozitetni broj nastalog karboksimetil- skroba Za ispitivanje uticaja udela monohlorsirćetne kiseline, MCA, u reakcionoj smeši na vrednost DS i GVB sintetizovanih uzoraka karboksimetil-skroba, korišćen je nativni kukuruzni skrob. Pri ovim eksperimentima odnos broja molova monohlorsirćetne kiseline, n(MCA), i anhidro- glukozidnih jedinica skroba, n(AGU), variran je u granicama od 0,7 do 3,0. Dobijeni rezultati su prikazani na slici 4-4. 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0 20 40 60 80 100 120 [η] [η] ,c m 3 /g n(MCA) n(AGU) 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 D S DS Slika 4-4 Zavisnost [η] i DS od odnosa n(MCA)/n(AGU) prilikom karboksimetilovanja skroba pri temperaturi od 58 oC (Reakcioni uslovi: 60 cm3 etanola, 20 g NS, 48,3 cm3 11,5 mol/dm3 NaOH i τ = 100 min) 50 Ko1ičina svih drugih komponenti u reakcionoj smeši, kao i temperatura i vreme karboksi- metilovanja bili su isti i navedeni su uz sliku 4-4. Kao što se vidi na slici 4-4, pod navedenim eksperimentalnim uslovima vrednost DS, kao i [η] karboksimetilovanog skroba rastu prakti- čno linearno sa udelom MCA u reakcionoj smeši, ali je iskorišćenje MCA u reakciji karboksimetilovanja relativno malo (oko 30 %). Ova linearna zavisnost ukazuje na to da je reakciona efikasnost konstantna i da praktično ne zavisi od količine MCA u opsegu ispiti- vanja. Logično je očekivati da bi dalje povećanje količine MCA dovelo do smanjenja reak- cione efikasnosti jer je maksimalni stepen supstitucije manji od tri (zbog prisustva amilope- ktina u kome se na mestima grananja “gubi” jedna OH-grupa sposobna da reaguje). Sa slike 4-4 se takođe vidi da vrednost DS karboksimetilovanog nativnog skroba, pri navedenim eksperimentalnim uslovima, raste brže od vrednosti GVB. 4.1.5 Uticaj koncentracije reaktanata i reakcionog medijuma na stepen supstitucije i granični viskozitetni broj karboksimetil- skroba Na slici 4-5 su prikazani rezultati dobijeni ispitivanjem uticaja koncentracije reaktanata na vrednosti DS i GVB sintetizovanog karboksimetil-skroba. Količina reaktanata pri ovim eksperimentima karboksimetilovanja nativnog skroba je bila konstantna i navedena je uz sliku 4-5, a njihova koncentracija je smanjivana tako što je povećavana količina rastvarača (reakcionog medijuma) - etilalkohola. Kao što se vidi na slici 4-5 najveći stepen supstitucije nativnog skroba se ostvaruje pri odnosu količine skroba i etilalkohola 1:3. 3 4 5 6 7 8 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 DS D S V(etanol) cm3 m(skrob) g 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 [η ], cm 3 /g [η] Slika 4-5 Zavisnost [η] i DS od odnosa V(etanol)/m(skroba) prilikom karboksimetilovanja skroba pri temperaturi od 58 oC (20 g NS, 14 cm3 11,5 mol/dm3 NaOH, 8 g MCA i τ = 100 min) Iskorišćenje MCA opada sa porastom zapremine reakcione smeše. Tako je pri odnosu V(etanol)/m(skrob) = 3 iskorišćenje MCA oko 80 %. Povećanjem zapremine rastvarača do 110 cm3, RE opada do oko 35%. Dalje povećanje zapremine etanola ne doprinosi značajnoj promeni RE. Ovakvo ponašanje je verovatno posledica veće reakcione selektivnosti. Izvođenje eksperimenata karboksimetilovanja skroba u etilalkoholu je izabrano zbog toga što se pod tim uslovima očuva granularna struktura skroba i dobije karboksimetil-skrob u obliku finog praha. Međutim, pri nekim eksperimentima karboksimetilovanja dobijen je proizvod u obliku gela, koji se teško izdvaja iz reakcione smeše, pere i suši. Analizom uslova izvođenja takvih eksperimenata konstatovano je da se CMS u obliku gela dobija kada je u reakcionoj smeši prisutna veća ko1ičina vode. Da bi se ispitao uticaj udela vode u reakcionoj smeši na vrednost DS, [η] i oblik sintetizovanog karboksimetil-skroba, izvedeno je pet sinteza karbo- ksimetil-skroba pri kojima su udeli reaktanata u reakcionoj smeši bili isti ali je reakcioni 51 medijum u jednom slučaju bila čista voda, u drugom “čist” etilalkohol, a u trećem, četvrtom i petom je udeo vode iznosio 8, 25 i 50 vol.%, respektivno. Dobijenim uzorcima su određene vrednosti DS i [η] prikazane na slici 4-6. 0 20 40 60 80 100 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 DS D S vol. % H2O 0 80 100 120 140 [η ], cm 3 /g [η] Slika 4-6 Zavisnost [η] i DS od sastava rastvarača pri reakciji karboksimetilovanja skroba (20 g NS, 14 cm3 11,5 mol/dm3 NaOH, 8 g MCA, 60 cm3 rastvarača, t = 58 oC, τ = 100 min) Eksperimentalni rezultati prikazani na slici 4-6 pokazuju da se maksimalna vrednost DS dobija pri udelu vode u reakcionoj smeši od 8 vol.%. Povećanjem količine vode smanjuje se DS ali GVB i dalje raste sve dok udeo vode ne dostigne 25 vol.%. M.I. Khalil sa saradni- cima[15] ispitivao je uticaj različitih rastvarača na reakciju karboksimetilovanja skroba. Menjali su odnos vode i organskog rastvarača (izopropanol, dimetilformamid, cikloheksan, aceton i metanol). Primetili su da se maksimalni stepen supstitucije postiže pri 20 vol.% vode, bez obzira na tip organskog rastvarača. 4.2 Svojstva karboksimetil-skroba Za ispitivanje svojstava karboksimetil-skroba pripremljeno je šest uzoraka karboksimetil- skroba. Tri uzorka su pripremljena koristeći skrob od krompira, a preostala tri koristeći skrob iz kukuruza. Optimalni reakcioni uslovi i količine reaktanata, određene u prethodnom pogla- vlju, su korišćene za sintezu ovih uzoraka. U cilju ispitivanja uticaja stepena supstitucije na svojstva karboksimetil-skroba, korišćene su različite količine natrijumove soli monohlorsir- ćetne kiseline. Odnos broja molova natrijumove soli monohlorsirćetne kiseline i anhidroglu- kozidnih jedinica je iznosio oko 0.6; 1.2 i 1.8. U poglavlju 3.2.2 opisana je sinteza uzoraka karboksimetil-skroba zajedno sa postupkom prečišćavanja uzoraka i određivanjem stepena supstitucije. Nakon prečišćavanja uzoraka dobijen je CMS u kiselom obliku. Kiseli oblik karboksimetil-skroba je nerastvoran u vodi i potrebno ga je prevesti u bazni oblik. Za prevo- đenje CMS iz kiselog u bazni oblik korišćen je rastvor NaOH čime je dobijena rastvorna natrijumova so karboksimetil-skroba. Kako ne bi ostalo NaOH u višku prilikom prevođenja CMS iz kiselog u bazni oblik, prvo je određen stepen supstitucije uzoraka povratnom titracionom metodom (Poglavlje 3.4.1.2), a potom je na osnovu dobijenih rezultata i određenog sadržaja vlage u uzorak dodavana tačna količina NaOH. Uzorak nije ispiran kako ne bi deo Na+ bio izgubljen već je uzorak nakon neutralizacije taložen etanolom, a rastvarači su uklanjani sušenjem u sušnici. Osušen uzorak je mleven i korišćen za dalju karakterizaciju. 52 4.2.1 FTIR spektroskopija karboksimetil-skroba Odigravanja hemijske reakcije između OH-grupa skroba i monohlorsirćetne kiseline prove- ravano je upotrebom FTIR-spektroskopije. FTIR-spektroskopija je izvođena nakon prečišća- vanja uzoraka. Na slici 4-7 prikazani su FTIR-spektri uzorka CMS1 u kiselom obliku i obliku soli. Na grafiku koji je dobijen snimanjem CMS1 u obliku soli uočavaju se apsorpci- one trake u oblasti od 1300 – 800 cm-1 koje odgovaraju pokretima CC, CO, CH i COH[68,69]. Traka na 2927 cm-1 potiče od C-H a na 1159 cm-1 od C-O-C vibracija α-1,4-glikozidnih veza. Traka na 1013 cm-1 je posledica vibracija CH2-O-CH2. Trake na 1325, 1420 i 1616 cm-1 potiču od karboksimetil-grupa[69,70]. Položaji traka na FTIR spektrima CMS1 u obliku soli i kiselom obliku se razlikuju. Karakteristična traka uzorka u obliku soli na 1616 cm-1 (- COONa) pomerena je na 1754 cm-1 (-COOH) kod uzorka u kiselom obliku. Slično ponašanje je uočeno i kod uzoraka karboksimetil-hitozana[71]. 4000 3000 2000 1000 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 ap so rb an ca , % talasna dužina, cm-1 1020 1155 855 765 144117542933 kiseo oblik 2927 1616 1420 1325 1013 713 oblik soli 1159 Slika 4-7 FTIR-spektar uzorka CMS1 u obliku natrijumove soli i u kiselom obliku Na slici 4-8 prikazani su FTIR spektri uzoraka H-CMS1, H-CMS2 i H-CMS3. Razlika u obliku krivih i položajima traka nema. Jedina bitnija razlika koja se uočava je u odnosu intenziteta traka na 1754 cm-1 i 1020 cm-1. 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 cm-1 CMS1 CMS2 CMS3 Slika 4-8 FTIR-spektar uzorka H-CMS1, H-CMS2 i H-CMS3 53 4.2.2 Određivanje stepena supstitucije karboksimetil-skroba Vrednosti stepena supstitucije svih šest sintetisanih uzoraka su određeni upotrebom tri opisane metode. Upotrebom metode direktne titracije dobijaju se titracione krive, pH = f (VNaOH), prikazane na slici 4-9a za uzorke dobijene iz skroba iz krompira i na slici 4-9b za uzorke dobijene iz kukuruznog skroba. Prilikom titracije jednobaznih kiselina, kao što je karboksimetil-skrob, dobija se kriva na kojoj u blizini ekvivalentne tačke dolazi do naglog porasta pH sa povećanjem količine titracionog sredstva tj. dobija se kriva sa jednom prevoj- nom tačkom. Kod višebaznih kiselina dobija se titraciona kriva sa dve ili više prevojnih tačaka. Uprkos tome što je kiseo oblik karboksimetil-skroba jednobazna kiselina dobijena je kriva sa dve prevojne tačke. 0 1 2 3 4 5 2 4 6 8 10 12 V2 = 1.906 cm 3/g V2 = 3.447 cm 3/g V2 = 3.695 cm 3/g V1 = 0.849 cm 3/g V1 = 1.466 cm 3/g V1 = 2.001 cm 3/gpH V(1M NaOH), cm3 CMS1 CMS2 CMS3 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 2 4 6 8 10 12 V 2 = 2.160 cm3/g V2 = 3.295 cm 3/g V2 = 4.361cm 3/g V 1 = 1.046 cm3/g V1 = 1.646 cm 3/g V1 = 2.404 cm 3/g CMS4 CMS5 CMS6 pH V(1M NaOH), cm3 Slika 4-9 Titracione krive uzoraka karboksimetil-skroba dobijenih iz a) skroba iz krompira i b) skroba iz kukuruza Sa krive se vidi da prilikom titracije u početku (dok pH ne dostigne vrednost od oko 5) dolazi do blagog porasta pH sa povećanjem količine NaOH. Kada pH dostigne vrednost od oko 5, dalje povećanje količine NaOH dovodi do naglog porasta pH ukazujući na blizinu ekvivalentne tačke. Kod jednobaznih kiselina pH u blizini ekvivalentne tačke obično raste do oko pH = 11. Prilikom titracije uzoraka H-CMS, pH raste do oko 8, da bi nakon te tačke dalje povećanje količine NaOH dovodilo do sporijeg porasta pH, a nešto izraženiji porast pH sa količinom NaOH se javlja kada pH dostigne vrednost od oko 10. Ovakvo ponašanje kisele forme H-CMS je verovatno posledica nejednake dostupnosti –COOH grupa jonima OH-. H-CMS je suspendovan u 2 mas.% rastvoru NaCl u obliku čestica i prilikom titracije ove suspenzije dolazi do titracije grupa koje se nalaze na površini čestice H-CMS. U ovoj fazi dolazi do naglog porasta pH i pojave prve prevojne tačke na krivoj titracije. Prevođenjem karboksilne grupe u oblik soli povećava se rastvorljivost H-CMS-a u 2 mas. % rastvoru NaCl. Ovo dovodi do bubrenja čestice u rastvoru, tj. raskidanja vodoničnih veza unutar čestice, čime se oslobađaju COOH grupe koje su bile zarobljene u unutrašnjosti čestice, što dovodi do porasta kiselosti rastvora, tako da se usporava porast pH sa porastom količine NaOH. Celokupna neutralizacija COOH grupa se dešava kada pH rastvora dostigne vrednost od oko 10 (druga prevojna tačka). Ukupnu količinu COOH-grupa u uzorku je neophodno odrediti iz druge prevojne tačke ali je preciznost određivanja smanjena usled povećanja širine prelaza (nije oštar prelaz kao u slučaju prve prevojne tačke). Ukupna količina –COOH grupa se izračunava iz druge prevojne tačke prema jednačini 3-3 a rezultati su prikazani u tabeli 4-1. 54 Tabela 4-1 Vrednosti ekvivalentne količine NaOH dobijenih iz prevojnih tačaka i odgovarajuće vrednosti stepena supstitucije V(1M NaOH) po g uzorka, cm3/g DS Uzorak Tip skroba Prva prevojna tačka Druga prevojna tačka I II CMS1 2,001 3,695 0,37 0,76 CMS2 1,466 3,447 0,26 0,70 CMS3 Krompir 0,849 1,906 0,14 0,35 CMS4 1,046 2,160 0,18 0,40 CMS5 1,646 3,295 0,29 0,66 CMS6 Kukuruz 2,404 4,361 0,45 0,95 Iz tabele 4-1 se vidi da vrednosti stepena supstitucije određene iz druge prevojne tačke su veće za 2 – 2,7 puta u odnosu na vrednost iz prve prevojne tačke. Ovo je posledica verovatno i manje tačnog određivanja ekvivalentne zapremine za drugu prevojnu tačku i različite granulacije čestica karboksimetil-skroba korišćenih za određivanje stepena supstitucije. Vrednosti stepena supstitucije dobijene navedenim metodama su prikazane u tabeli 4-2 i na slici 4-10. Tabela 4-2 Vrednosti stepena supstitucije uzoraka određenih različitim metodama DS Tip skroba Uzorak Direktna titracija Povratna titracija Taložna metoda CMS1 0,76 ± 0,08 0,90 ± 0,01 1,20 ± 0,30 CMS2 0,70 ± 0,10 0,81 ± 0,01 1,10 ± 0,20 Krompir CMS3 0,35 ± 0,02 0,40 ± 0,01 0,36 ± 0,05 CMS4 0,40 ± 0,04 0,50 ± 0,01 0,51 ± 0,05 CMS5 0,66 ± 0,05 0,70 ± 0,01 0,84 ± 0,10 Kukuruz CMS6 0,95 ± 0,11 1,10 ± 0,01 1,30 ± 0,15 Vrednosti DS dobijene direktnom titracijom su uvek najniže, a taložnom metodom su uvek najviše izuzev za uzorak CMS3. Razlike između DS određenih različitim metodama su manje za niže vrednosti DS. 0.00 0.56 1.12 1.68 0.0 0.5 1.0 1.5 D S n(ClCH2COONa) n(AGU) Kukuruzni skrob 0.0 0.6 1.2 1.8 0.0 0.5 1.0 1.5 Skrob iz krompira D S Titracija Povratna titracija CuSO4 Slika 4-10 Uticaj količine molskog odnosa natrijum-monohloracetata i AGU na stepen supstitucije uzoraka dobijenih iz skroba iz krompira i kukuruznog skroba 55 Slične rezultate je dobio i Roushdi[72], koji je određivao DS povratnom titracijom, kolorimet- rijom i taloženjem uranijumovih soli. Njegovi rezultati takođe pokazuju da taložna metoda daje najveće vrednosti DS i da su razlike manje ukoliko su vrednosti DS niže. Metoda povratne titracije je preporučena kao standardna metoda za određivanje stepena supstitucije karboksimetil-skroba od strane “Work Group 3 of the International Standards Organization Technical Committee 93 (ISO/TC 93/WG3)”[73]. U tabeli 4-3 su prikazane vrednosti apsolutnih i relativnih odstupanja od vrednosti DS dobijenih povratnom titracijom. Iz tabele 4-3 se vidi da i metoda direktne titracije i taložna metoda pokazuju odstupanje od metode povratne titracije i da dolazi do pojave nasumičnog odstupanja. Osnovni problem direktne titracije je nedostupnost svih COOH grupa titracionom sredstvu što rezultuje pojavu titracione krive sa dve prevojne tačke (slika 4-9). Dostupnost bi se mogla u neku ruku i poboljšati ukoliko bi se titracija izvodila u vodi a ne u rastvoru soli. Međutim, u ovom slučaju bi dolazilo do naglog porasta viskoznosti rastvora, pogotovo u slučaju uzoraka velike molarne mase, što bi dovelo do slabije difuzije jona do elektrode pa bi takođe dolazilo do pojave veće greške. Tabela 4-3 Apsolutna, Δ, i relativna, δ, razlika DS vrednosti dobijenih direktnom titracijom (DT) i taložnom metodom (TM) u odnosu na rezultate dobijene povratnom titraci- jom (PT) Tip skroba Uzorak Δ’ = DT-PT δ (Δ’/PT) [%] Δ’’= TM-PT δ (Δ’’/PT) [%] CMS1 -0,14 -15,6 0,30 33,3 CMS2 -0,11 -13,6 0,29 35,8 Krompir CMS3 -0,05 -12,5 -0,04 -10,0 CMS4 -0,1 -20,0 0,01 2,0 CMS5 -0,04 -5,8 0,14 20,0 Kukuruz CMS6 -0,15 -13,6 0,20 18,0 Osnovna mana taložne metode je nepostojanje oštre promene boje Mureksida u tački titra- cije. Takođe, u toku taloženja bakarne soli CMS određena količina Cu2+ jona može biti fizi- čki zarobljena unutar taloga, dok određena količina može biti utrošena i za oksidaciju krajnjih grupa CMS. Sve ovo vodi do povećanja utroška Cu2+ jona u odnosu na količinu neophodnu za formiranje soli što dovodi do porasta DS u odnosu na realnu vrednost. Uticaj tipa skroba na dobijene rezultate manifestuje se na dva načina. Prvo kod uzoraka CMS dobijenih iz skroba iz krompira prosečna odstupanja DS određenih taložnom metodom su oko 20 %, a direktnom titracijom oko 14 %. Kod uzoraka dobijenih iz kukuruznog skroba prosečno odstupanje vrednosti DS određenih i taložnom i metodom direktne titracije je oko 13 %. Odstupanja kod metode direktne titracije su oko 13-14 % nezavisno od tipa korišće- nog skroba. Kod upotrebe taložne metode odstupanja kod uzoraka sintetisanih od kukuruz- nog skroba su manja u odnosu na uzorke sintetisane iz skroba iz krompira. Ovo je očigledno posledica tipa skroba. Skrob iz krompira ima manji sadržaj amiloze, veće molarne mase, veće granule, nižu temperaturu klajsterizacije i različit tip kristalne rešetke (B-tip) u odnosu na kukuruzni skrob (A-tip). Pored navedenih razlika, postoji i razlika u raspodeli molekula amiloze u granuli skroba. Veće molarne mase uzrokuju manji sadržaj redukujućih krajnjih grupa što bi dovelo do manje potrošnje Cu2+ jona, što nije slučaj. Veći utrošak Cu2+ jona je verovatno posledica većih molarnih masa, tj. viskoznosti rastvora. Drugi uticaj tipa skroba se ogleda kroz reakcionu efikasnost sinteze karboksimetil-skroba. Na slici 4-11 prikazana je zavisnost stepena supstitucije određenog metodom povratne titra- cije od količine natrijum-monohloracetata po molu AGU. Sa slike 4-11 se vidi da sa poras- tom količine natrijumove soli monohlorsirćetne kiseline raste i stepen supstitucije. Ovaj porast je do oko n(ClCH2COONa)/n(AGU) = 1,1-1,2 (tj. DS = 0,7) nezavisan od tipa korišćenog skroba. Dalje povećanje količine natrijum-monohloracetata dovodi do sporijeg porasta DS kod CMS pripremljenog iz skroba iz krompira u odnosu na uzorke pripremljene iz kukuruznog skroba. Reakciona efikasnost (RE) prilikom sinteze iz kukuruznog skroba je 56 oko 70 %, dok prilikom sinteze CMS iz skroba iz krompira RE opada nakon n(ClCH2COONa)/n(AGU) = 1,1-1,2 i dostiže vrednost od oko 50 % za n(ClCH2COONa)/n(AGU) = 1,8. Reakcija karboksimetilovanja u etanolu je reakcija u hete- rogenoj sredini. Za razliku od reakcija u homogenoj sredini efikasnost hemijske reakcije je zavisna i od dostupnosti reaktanata koji učestvuju u hemijskoj reakciji. Reakcija je izvođena na 58 oC, što je nešto malo ispod temperature klajsterizacije skroba iz kukuruza i tempera- tura početka klajsterizacije skroba iz krompira. 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 0,704 + 0,038 Računato na masu suvog skroba Kukuruz Krompir D S n(ClCH2COONa) n(AGU) Slika 4-11 Zavisnost DS (povratna titracija) od molskog odnosa natrijum-monohloracetata i AGU (teorijskog stepena supstitucije) uzoraka sintetisanih iz skroba iz krompira i kukuruza Uslovi u kojima je temperatura klajsterizacije bliža temperaturi na kojoj se izvodi hemijska reakcija doprinose lakšem prodiranju hemijskih agenasa unutar granule skroba pa bi trebalo da dovedu i do povećanja DS tj. RE pogotovo pri višim vrednostima n(ClCH2COONa)/n(AGU). Sa slike 4-11 se vidi da to nije slučaj. Uzrok smanjenja RE kod reakcije sa skrobom iz krompira je verovatno posledica veličine granula. Granule skroba iz krompira su daleko veće od granula skroba iz kukuruza, samim tim je i efektivna površina skroba iz krompira manja u odnosu na kukuruzni skrob, a samim tim i broj dostupnih OH grupa manji u odnosu na skrob iz kukuruza. Očigledno je da na hemijsku reakciju pri oda- branim reakcionim uslovima daleko veći uticaj ima veličina granula (manja veličina - veća specifična površina) nego temperatura klajsterizacije (niža temperatura klajsterizacije – lakše prodiranje reagenasa u unutrašnjost granule). 4.2.3 Oblik i veličina makromolekula karboksimetil-skroba u razblaženim rastvorima 4.2.3.1 Određivanje molarne mase, poluprečnika rotacije i drugog virijalnog koeficijenta uzoraka karboksimetil-skroba u razblaženim rastvorima upotrebom metode statičkog rasipanja svetlosti Metodom statičkog rasipanja svetlosti može se odrediti vrednost molarne mase, MW, polu- prečnik rotacije, Rg, i drugi virijalni koeficijent, A2. Za određivanje ovih parametara meto- dom statičkog rasipanja svetlosti korišćena je Cimova metoda. Da bi se ova metoda mogla koristiti neophodno je poznavati indeks prelamanja svetlosti rastvarača, n0, i priraštaj indeksa prelamanja svetlosti ispitivanog rastvora, cn ∂∂ / . Pošto vrednosti priraštaja indeksa prela- manja svetlosti rastvora CMS u vodenim rastvorima NaCl na 25 oC, nisu poznate u literaturi, određeni su priraštaji indeksa prelamanja svetlosti za uzorke CMS-a, a dobijene vrednosti su prikazane u tabeli 4-4. 57 Tabela 4-4 Vrednosti priraštaja indeksa prelamanja svetlosti, gcmcn /,/ 3∂∂ , uzoraka CMS-a u različitim rastvaračima pri talasnoj dužini od 436 nm i temperaturi od 25 oC. gcmcn /,/ 3∂∂ Rastvarač Uzorak Voda 0,01 mol/dm3 NaCl 0,05 mol/dm3 NaCl 0,10 mol/dm3 NaCl 0,50 mol/dm3 NaCl CMS1 0,1635 0,1742 0,1485 0,1459 0,1357 CMS2 0,1535 0,1554 0,1720 0,1739 0,1538 CMS3 0,1537 0,1581 0,1666 0,1662 0,1462 CMS4 0,1574 0,1634 0,1588 0,1578 0,1410 CMS5 0,1666 0,1711 0,1512 0,1458 0,1455 CMS6 0,1570 0,1643 0,1575 0,1549 0,1418 Na slici 4-12a prikazana je zavisnost priraštaja indeksa prelamanja svetlosti određenog pri talasnoj dužini svetlosti od 436 nm i pri temperaturi od 25 oC od koncentracije NaCl u vodi. Kod svih uzoraka je priraštaj indeksa prelamanja svetlosti u 0.01 mol/dm3 NaCl veći nego u vodi kao rastvaraču što je karakteristika polielektrolita[32]. Kod uzoraka CMS1, CMS4, CMS5 i CMS6 sa daljim porastom koncentracije NaCl u rastvaraču priraštaj indeksa prela- manja svetlosti opada. Opadanje priraštaja indeksa prelamanja svetlosti je znatno izraženije kod uzoraka CMS1 i CMS5. Kod uzoraka CMS2 i CMS3 priraštaj indeksa prelamanja svet- losti raste sa porastom koncentracije NaCl do oko 0,05 mol/dm3 NaCl, tj. 0,10 mol/dm3 NaCl. Dalje povećanje koncentracije NaCl u rastvaraču dovodi do opadanja priraštaja indeksa prelamanja svetlosti. 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 CMS1 CMS2 CMS3 CMS4 CMS5 CMS6 dn /d c, c m 3 /g C(NaCl), mol/dm3 0 2 4 6 8 10 0.135 0.140 0.145 0.150 0.155 0.160 0.165 0.170 0.175 CMS1 CMS2 CMS3 CMS4 CMS5 CMS6 dn /d c, c m 3 /g C-0.5NaCl, (mol/dm 3)-0.5 Slika 4-12 Zavisnost priraštaja indeksa prelamanja svetlosti, gcmcn /,/ 3∂∂ , uzoraka CMS određenog pri talasnoj dužini od 436 nm i temperaturi od 25 oC od a) koncentracije NaCl u rastvaraču, i b) recipročne vrednosti korena koncentracije soli. Ukoliko bi smo za uzorke pripremljene od kukuruznog skroba i mogli reći da postoji opšta zavisnost da nakon 0,01 mol/dm3 NaCl, dalje povećanje vodi do opadanja priraštaja indeksa prelamanja svetlosti, to svakako ne bismo mogli reći za uzorke sintetisane iz skroba iz krompira. Ukoliko posmatramo uzorke sličnih stepena supstitucije kao što su recimo CMS3 i CMS4, vidimo da je ponašanje različito, iako uzorci imaju približno slične vrednosti stepena supstitucije. Ipak ponašanje uzoraka bi se moglo razvrstati u tri grupe. Prvu grupu bi činili uzorci CMS1 (krompir, DS = 0,90) i CMS5 (kukuruz, DS = 0,70), kod kojih priraštaj indeksa prelamanja svetlosti naglo opada prilikom povećanja koncentracije NaCl sa 0,01 na 0,05 mol/dm3. Drugu grupu čine uzorci CMS4 (kukuruz, DS = 0,50) i CMS6 (kukuruz, DS = 1,10) kod kojih je pad priraštaja indeksa prelamanja svetlosti nakon C(NaCl) = 0,01 mol/dm3 daleko sporiji. Poslednju grupu čine uzorci CMS2 (krompir, DS = 0,81) i CMS3 (krompir, DS = 0,40) kod kojih do opadanja priraštaja indeksa prelamanja svetlosti dolazi tek pri većim koncentracijama NaCl u rastvoru. Na slici 4-12b prikazana je zavisnost priraštaja indeksa 58 prelamanja svetlosti od recipročne vrednosti korena koncentracije NaCl. Kod svih uzoraka pri koncentracijama manjim od 0,10 mol/dm3 skoro da postoji linearna zavisnost priraštaja indeksa prelamanja svetlosti od recipročne vrednosti korena koncentracije NaCl. Interesan- tno je da sve krive prolaze kroz približno istu vrednost pri koncentraciji soli od 0,0174 mol/dm3. Najčešće vrednost priraštaja indeksa prelamanja svetlosti za izabrani polimer- rastvarač nakon neke molarne mase se ne menja. Obično dn/dc raste sa porastom molarne mase i dostiže asimptotsku vrednost kada molarna masa dostigne vrednost oko 20000 g/mol[153]. Međutim, kod polielektrolita to ne mora biti pravilo[74]. Navedene vrednosti prira- štaja indeksa prelamanja svetlosti su određivane pri konstantnoj koncentraciji soli, a ne pri konstantnom hemijskom potencijalu. Ovo može uneti određenu grešku prilikom određivanja molarnih masa (poglavlje 2.5.5.1). Određene vrednosti priraštaja indeksa prelamanja svetlosti su upotrebljene za konstruisanje Cimovog dijagrama. Primera radi na slici 4-13 prikazan je Cimov dijagram konstruisan iz podataka dobijenih prilikom merenja rasipanja svetlosti uzorka CMS1 u vodi i 0,01 mol/dm3 rastvoru NaCl pri temperaturi od 25 oC. Vrednosti molarne mase srednje po masenoj zastup- ljenosti, MW, poluprečnika rotacije, Rg i drugog virijalnog koeficijenta, A2, su određene na već opisan način (poglavlje 3.6), a prikazane su u tabeli 4-5. 0.00E+00 5.00E-07 1.00E-06 1.50E-06 2.00E-06 2.50E-06 3.00E-06 0 2 4 6 8 10 12 14 10-10 q2/3+10000c K c/ R θ 0.00E+00 2.00E-07 4.00E-07 6.00E-07 8.00E-07 1.00E-06 1.20E-06 1.40E-06 1.60E-06 1.80E-06 2.00E-06 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10-10 q2/3+10000c K c/ R θq ) c = 0 q = 0 Slika 4-13 Cimov dijagram dobijen merenjem statičkog rasipanja svetlosti uzorka CMS1 u vodi (gore) i 0,01 mol/dm3 rastvoru NaCl (dole) pri temperaturi od 25 oC 5 9 T ab el a 4- 5 M ol ek ul sk i p ar am et ri k ar bo ks im et il- sk ro bo va u v od i i r as tv or im a N aC l o dr eđ en i n a os no vu m et od e ra si pa nj a sv et lo st i i g ra ni čn i v is ko zi te tn i br oj ev i k ar bo ks im et il- sk ro bo va u r az lič iti m r as tv ar ač im a pr i t em pe ra tu ri o d 25 o C D Z 1 01 2 , m 2 /s R h . n m O zn ak a Po re kl o sk ro ba D S C (N aC l) [m ol /d m 3 ] M W 1 0- 6 [g /m ol ] A 2 1 06 [m ol c m 3 /g 2 ] R g [n m ] [η] , [c m 3 /g ] R η [n m ] C on tin C um m Sr ed nj e gr eš ka sr ed nj e gr eš ka ρ 0 8, 08 9 18 1 21 6 0, 89 74 1, 06 45 0, 98 10 0, 08 36 25 1, 7 21 ,3 0 0, 85 8 0, 01 0 18 ,2 3 37 ,4 25 9 27 2 92 ,3 1, 33 25 1, 65 59 1, 49 42 0, 16 17 16 6, 0 18 ,0 0 1, 56 0 0, 05 0 20 ,8 9 12 ,3 20 6 16 5 81 ,8 1, 86 41 1, 87 24 1, 86 82 0, 00 42 13 0, 8 0, 3 1, 57 5 0, 10 0 20 ,7 7 8, 4 19 7 14 2 77 ,6 2, 03 10 2, 01 57 2, 02 34 0, 00 77 12 0, 4 0, 4 1, 63 6 C M S1 0, 90 0, 50 0 20 ,4 6 4, 1 16 6 92 ,8 67 ,0 1, 92 31 2, 04 77 1, 98 54 0, 06 23 11 9, 3 3, 8 1, 39 1 0 0, 83 8 11 10 56 ,5 2, 09 77 2, 07 64 2, 08 71 0, 01 07 11 7, 6 0, 55 0, 48 0 0, 01 0 1, 15 6 33 3 59 ,5 11 0 27 ,2 4, 99 27 4, 87 45 9 4, 93 36 0, 05 91 49 ,7 0, 6 1, 19 7 0, 05 0 0, 89 5 18 4 52 ,3 62 ,8 20 ,7 4, 96 87 4, 72 44 4, 84 65 0, 12 21 50 ,5 1, 3 1, 03 6 0, 10 0 0, 85 7 15 9 49 ,0 57 ,7 19 ,9 6, 43 11 5, 59 86 6, 01 49 0, 41 63 40 ,7 2, 8 1, 20 4 C M S2 0, 81 0, 50 0 0, 97 2 10 4 41 ,3 34 ,8 17 ,5 6, 59 00 7, 12 35 6, 85 68 0, 26 68 34 ,6 1, 3 1, 19 4 0 1, 24 4 82 6 67 ,4 1, 94 55 1, 97 22 1, 95 89 0, 01 34 12 5, 2 0, 80 0, 53 8 0, 01 0 2, 31 7 20 1 83 ,0 13 0 36 ,3 4, 08 90 3, 36 88 3, 72 89 0, 36 01 66 ,3 6, 40 1, 25 2 0, 05 0 1, 71 1 29 ,8 65 ,8 84 ,5 28 ,4 4, 09 12 3, 80 14 3, 94 63 0, 14 49 62 ,0 2, 3 1, 06 1 0, 10 0 1, 91 8 86 ,2 64 ,8 67 ,7 27 ,4 4, 58 79 4, 23 53 4, 41 16 0, 17 63 55 ,3 2, 2 1, 17 2 C M S3 K ro m pi r 0, 40 0, 50 0 2, 17 4 45 ,5 55 ,2 48 ,4 25 ,6 4, 22 81 4, 42 50 4, 32 66 0, 09 84 54 ,7 1, 2 1, 00 9 0 3, 52 4 19 3 12 3 1, 40 34 1, 38 29 1, 39 32 0, 01 03 17 6, 2 1, 20 0, 69 8 0, 01 0 5, 55 4 64 ,0 12 9 11 8 47 ,0 2, 48 76 2, 31 03 2, 39 90 0, 08 86 10 2, 3 3, 75 1, 26 1 0, 05 0 4, 88 3 0, 7 10 4 93 ,9 41 ,7 2, 91 97 3, 03 85 2, 97 91 0, 05 94 82 ,1 1, 7 1, 26 7 0, 10 0 4, 99 -5 ,2 97 ,0 81 ,3 40 ,1 3, 10 91 2, 96 85 3, 03 88 0, 07 03 80 ,2 1, 9 1, 20 9 C M S4 0, 50 0, 50 0 4, 81 7 -2 9, 5 78 ,8 48 ,7 33 ,4 3, 55 77 3, 55 77 3, 55 77 0, 00 00 66 ,5 0, 0 1, 18 5 0 8, 62 9 85 20 6 0, 85 03 1, 03 70 0, 94 37 0, 09 33 26 2, 6 25 ,9 5 0, 78 4 0, 01 0 13 ,5 4 48 ,3 21 4 21 6 77 ,4 1, 49 64 1, 46 39 1, 48 02 0, 01 62 16 5, 6 1, 85 1, 29 2 0, 05 0 13 ,3 2 4, 5 16 9 12 4 64 ,0 2, 07 30 2, 01 82 2, 04 56 0, 02 74 11 9, 5 1, 5 1, 41 4 0, 10 0 19 ,3 3 16 ,3 18 2 10 6 68 ,8 1, 87 93 1, 84 84 1, 86 39 0, 01 55 13 0, 6 1, 1 1, 39 4 C M S5 0, 70 0, 50 0 15 ,2 5 10 ,9 15 1 91 ,0 60 ,4 2, 19 60 1, 98 44 2, 09 02 0, 10 58 11 3, 3 5, 9 1, 33 3 0 4, 57 15 1 12 2 2, 15 83 1, 38 94 1, 77 39 0, 38 45 14 5, 2 31 ,4 5 0, 84 0 0, 01 0 5, 85 8 72 ,6 12 5 16 9 54 ,0 2, 75 07 2, 31 14 2, 53 11 0, 21 97 97 ,6 8, 45 1, 28 1 0, 05 0 6, 32 2 32 ,1 11 0 11 0 48 ,0 2, 81 35 2, 34 41 2, 57 88 0, 23 47 95 ,5 8, 7 1, 15 2 0, 10 0 6, 38 2 28 ,9 10 5 98 ,4 46 ,4 2, 93 00 2, 62 87 2, 77 94 0, 15 07 87 ,8 4, 9 1, 19 6 C M S6 K uk ur uz 1, 10 0, 50 0 6, 28 7 11 ,2 89 ,0 64 ,7 40 ,1 2, 94 83 2, 77 87 2, 86 35 0, 08 48 82 ,7 2, 5 1, 07 6 60 4.2.3.2 Određivanje koeficijenta difuzije makromolekula karboksimetil-skroba u razblaženim rastvorima upotrebom metode dinamičkog rasipanja svetlosti Dinamičko rasipanje svetlosti se uglavnom koristi za brzo određivanje koeficijenta translaci- one difuzije. Procedura je jednostavna za sferne čestice ili ako su čestice male u odnosu na talasnu dužinu korišćene svetlosti za ispitivanje. Ako se merenja izvode pri qRg<<1, registruju se pokreti cele čestice ili makromolekula. Pod ovim uslovima registruje se samo translaciono kretanje centra mase. Takođe, za većinu koloidnih čestica nema razlike u rezultatu koeficijenta difuzije kada se merenja izvode pri različitim uglovima. Zbog toga se merenja dinamičkog rasipanja svetlosti koloidnih čestica najčešće izvode pri uglu od 90o. Ove čestice su krute (rigidne) pa nema unutrašnjih pokreta, i samo translacioni pokreti se registruju. U ovim slučajevima je merenje pri samo jednom uglu dovoljno. Pogrešan odgovor se dobija ako se merenja pri jednom uglu izvode za velike linearne i razgranate makromolekule. Ovo je posledica činjenice da metoda dinamičkog rasipanja svetlosti registruje pored translacionih i ostale vidove pokreta u molekulu, kao što su pokreti segmenata ili monomernih jedinica. Ovi unutrašnji pokreti (pokreti segmenata, grupa atoma i slično) se superponiraju sa translacionim pokretima centra mase pogotovo u slučajevima kada je qRg>2. Tada su pored translacionih pokreta prisutni i pokreti segmenata, pa čak i monomernih jedinica. U tom slučaju korektan translacioni koeficijent difuzije se dobija tek nakon ekstrapolacije podataka Γ/q2, na ugao 0[75,76], gde je Γ brzina relaksacije najsporijih pokreta. Γ/q2 je ugaono zavisna funkcija kada postoje unutrašnja fleksibilnost (pokretljivost) i raste sa porastom ugla. U ovim slučajevima korisno je definisati prividni difuzioni koeficijent 2),( q cqDapp Γ= (2-18a) Pri malim qRg, Dapp(q) je linearna funkcija q2Rg2 [77]: ...)(1()( 22 −+= ghZapp RqCDqD (2-18b) gde je Dz z-srednja vrednost translacionog difuzionog koeficijenta, a Ch je koeficijent zavi- san od strukture[77,78]. Prilikom ispitivanja ponašanja razblaženih rastvora metodom dinamič- kog rasipanja svetlosti snimana je normalizovana intenzitet-intenzitet autokorelaciona funkcija g2(t). g2(t) je povezano sa korelacionom funkcijom električnog polja g1(t) kroz jednačinu: ))(1()( 212 tgBtg ⋅+= β (2-15a) B je bazna linija, β koherentni faktor koji zavise od uređaja. Primera radi na slici 4-14 prika- zana je korelaciona funkcija g2(t) uzorka CMS pri različitim uglovima. 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105 106 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 g 2 (t) t, ms Slika 4-14 Korelaciona funkcija g2(t) rastvora CMS pri uglovima 30, 60, 90 i 110 o dobijena merenjem DLS pri temperature od 25 oC. 61 Vrednost karakterističnog relaksacionog spektra je dobijena upotrebom programa CONTIN iz kojeg su određene karakteristične relaksacione brzine, Γ (slika 4-15). 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 30 60 90 110 am pl itu da Γ, ms-1 Slika 4-15 Zavisnost amplitude relaksacione brzine od relaksacione brzine uzorka CMS dobi- jene upotrebom CONTIN metode pri uglovima 30, 60, 90 i 110 o Druga korišćena metoda za određivanje parametra Γ je metoda kumulanata (jednačina 2-17). Za određivanje prividnog koeficijenta difuzije, Dapp(q,c), koristi se vrednost relaksacione brzine, Γ, pri kojoj se dostiže maksimum na krivoj prikazanoj na gornjem grafiku (CONTIN metoda) i/ili iz vrednosti prvog kumulanta, Γ1 (CUMULANT). Vrednost prividnog koefici- jenta difuzije se određuje upotrebom jednačine (2-18). Ekstrapolacijom vrednosti parametra Dapp(q,c) na vrednost q = 0 i c = 0, dobija se translacioni koeficijent difuzije D0 koji opisuje pokrete cele čestice ili makromolekula. Vrednosti translacionog koeficijenta difuzije D0 određivane su metodom Contin i metodom Cumulant i određivana je srednja vrednost ovog koeficijenta, koja je dalje korišćena za određivanje hidrodinamičkog poluprečnika upotre- bom Štoks-Ajnštajnove jednačine: 06 D TkR S B h πη= (4-1) gde su kB - Bolcmanova konstanta, T – temperatura, ηs – viskoznost rastvarača na tempera- turi T i D0 koeficijent difuzije. U tabeli 4-5 prikazane su vrednosti „prividnog“ koeficijenta difuzije određenog metodama Contin i Cumulant kao i srednja vrednost ove dve veličine. „Prividna“ vrednost (a ne stvarna) potiče usled velike vrednosti qRg (qRg>1) pri kojima je određivan koeficijent difu- zije. Takođe, u tabeli 4-5 prikazane su i vrednosti hidrodinamičkog poluprečnika dobijene upotrebom Štoks-Ajnštajnove jednačine. 4.2.3.3 Uticaj jonske jačine rastvarača na ponašanje razblaženih rastvora karboksi- metil-skroba Dobro je poznato da rastvarač ima veliki uticaj na dimenzije čestica i parametar interakcije čestice sa rastvaračem. Obzirom da je CMS polielektrolit, jonska jačina rastvarača može uticati na ponašanje makromolekula CMS u rastvoru. Porast jonske jačine rastvarača može dovesti do kontrakcije ili ekspanzije čestica u rastvoru. Kod rastvora makromolekula pove- ćanjem jonske jačine rastvarača vrlo često dolazi do kontrakcija čestica u rastvoru što u krajnjem slučaju vodi do taloženja makromolekula iz rastvora. Ovo je često korišćena metoda za tzv. isoljavanje proteina, tj. taloženje proteina iz rastvora u cilju daljeg prečišća- vanja. S druge strane, u slučajevima polielektrolita u rastvoru može doći do ekspanzije česti- ca koje je posledica zaklanjanja naelektrisanih grupa. U odsustvu soli, makromolekuli mogu zauzimati manju ili veću zapreminu zavisno od konformacije i efekta elekrostatičkih sila. 62 Dodatkom elektrolita smanjuju se elektrostatičke sile što može dovesti do ekspanzije čestica. Kod rastvora polielektrolita dodatak soli vrlo često dovodi i do pojave agregacije. Zavisnost drugog virijalnog koeficijenta, A2, poluprečnika rotacije, Rg, i hidrodinamičkog poluprečnika, Rh, uzoraka CMS od jonske jačine rastvarača su prikazane na slici 4-16. Kod svih uzoraka je primećeno da sa porastom jonske jačine dolazi do opadanja vrednosti A2. Pad vrednosti drugog virijalnog koeficijenta ukazuje na slabljenje kvaliteta rastvarača. Najoštriji pad je uočen u početnom delu, tj. pri porastu jonske jačine rastvarača sa 0 na 0,01 mol/dm3 NaCl. Dalje povećanje jonske jačine rastvarača dovodi do postepenog opadanja vrednosti parametra A2. Najizraženije opadanje parametra A2 je uočeno kod uzoraka CMS2 i CMS3, kod kojih porast jonske jačine od 0 do 0,01 mol/dm3 NaCl dovodi do pada parametra A2 za više od pola dekade. Kod ostalih uzoraka pad nije toliko izražen. 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 200 400 600 800 1000 1200 A 2 1 06 , m ol c m 3 /g C(NaCl), mol/dm3 CMS1 CMS2 CMS3 CMS4 CMS5 CMS6 a) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 CMS1 CMS2 CMS3 CMS4 CMS5 CMS6 R g, nm C(NaCl), mol/dm3 b) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 CMS1 CMS2 CMS3 CMS4 CMS5 CMS6 R h, nm C(NaCl), mol/dm3 c) Slika 4-16 Uticaj jonske jačine na a) drugi virijalni koeficijent, A2, i b) poluprečnik rotiranja, Rg, i c) hidrodinamički poluprečnik, Rh, uzoraka CMS Na slici 4-16b prikazana je zavisnost poluprečnika rotacije, Rg, od jonske jačine rastvarača uzoraka CMS. Sa slike 4-16b se vidi da kod svih uzoraka Rg u vodi ima manju vrednost u odnosu na 0,01 mol/dm3 rastvor NaCl. Povećanje Rg u prisustvu soli je verovatno posledica efekta zaklanjanja naelektrisanih grupa u CMS-u. Dalje povećanje jonske jačine rastvarača dovodi do opadanja Rg kod svih uzoraka. Na slici 4-16c prikazana je zavisnost hidrodina- mičkog poluprečnika od jonske jačine rastvarača. Kod svih uzoraka je primećeno naglo opadanje hidrodinamičkog poluprečnika sa porastom jonske jačine rastvarača i posebno je izraženo u početnom delu krive. Povećanje koncentracije NaCl u rastvaraču sa 0 na 0,05 mol/dm3 NaCl dovodi do smanjenja hidrodinamičkog poluprečnika za oko 50 %. Dalje povećanje jonske jačine rastvarača ne dovodi do bitnije promene hidrodinamičkog polupreč- nika. Opadanje hidrodinamičkog poluprečnika u odnosu na poluprečnik rotacije je daleko izraženije. Dok poluprečnik rotacije od 0 do 0,10 mol/dm3 rastvora NaCl opadne za oko 10 – 20 %, opadanje hidrodinamičkog poluprečnika je za više od 50 %. Ovako veliki pad hidrodinamičkog poluprečnika je posledica povećanja koeficijenta difuzije. U tabeli 4-5 63 prikazane su vrednosti prividnog koeficijenta difuzije. Prividni koeficijent difuzije se u opsegu od 0 do 0,10 mol/dm3 NaCl poveća od 2 do 3 puta. Vrlo često se kod razblaženih rastvora polielektrolita karakteristični parametri kao što su Rg, Rh, A2 ili [η] prikazuje u vidu semilogaritamske zavisnosti od jonske jačine ili u vidu sledeće zavisnosti[79]: [ ] [ ] 2/1−+= See Ckηη (4-2) gde je [η]e granični viskozitetni broj uzorka pri beskonačnoj koncentraciji soli, ke konstanta a CS koncentracija soli. Na slici 4-17 prikazana je zavisnost Rg, [η] i Rh od recipročne vrednosti korena jonske jačine rastvarača svih uzoraka CMS. Rg i [η] opadaju sa porastom C-0.5. U ispitivanom opsegu Rg opada za oko 1.5 puta, [η] opadne za oko 3 puta, dok je opadanje hidrodinamičkog polu- prečnika značajno manje. Slično ponašanje je uočeno i kod katjonskog skroba[80]. Smanjenje Rg, [η] i Rh sa porastom jonske jačine je posledica kontrakcija čestica u rastvaraču, uzroko- vanih slabijom interakcijom rastvarača sa česticama. Opadanje hidrodinamičkog polupreč- nika je takoreći linearna funkcija čiji nagib se kreće od oko 1,4 koliko iznosi za CMS3 do oko 6 koliko iznosi za CMS1 i CMS5. 0 2 4 6 8 10 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 CMS1 CMS2 CMS3 CMS4 CMS5 CMS6 R g, nm c(NaCl)-0.5, (mol/dm3)-0.5 0 2 4 6 8 10 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 CMS1 CMS2 CMS3 CMS4 CMS5 CMS6 [η] , c m 3 /g c(NaCl)-0.5, (mol/dm3)-0.5 0 2 4 6 8 10 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 CMS1 CMS2 CMS3 CMS4 CMS5 CMS6 R h, nm c(NaCl)-1/2, (mol/dm3)-0.5 Slika 4-17 Zavisnost a) poluprečnika rotacije, Rg, b) graničnog viskozitetnog broja i c) hidrodi- namičkog poluprečnika, Rh, uzoraka CMS od korena recipročne vrednosti jonske jačine Na osnovu do sada iznetog ne vidi se eksplicitna razlika u ponašanju u zavisnosti od stepena supstitucije ili tipa korišćenog skroba. Kod svih uzoraka je primećeno slično ponašanje u zavisnosti od jonske jačine rastvarača. Sa slike 4-17b. i 4-17c se vidi da postoje tri grupe sa približno sličnim vrednostima Rg. Prvu grupu čine uzorci CMS1 i CMS5 koji imaju najveće vrednosti Rg i Rh pri svim jonskim jačinama rastvarača. Drugu grupu čine uzorci CMS4 i CMS6 čije vrednosti Rg su skoro duplo manje od prve grupe. Treću grupu čine uzorci CMS2 i CMS3 sa najnižim vrednostima Rg i Rh. Ranije je već pomenuto da su kod zavisnosti prira- 64 štaja indeksa prelamanja svetlosti od jonske jačine rastvarača uočene identične grupe. Iz tabele 4-5 se vidi da CMS1 i CMS5 imaju najveće molarne mase, CMS4 i CMS6 imaju duplo manje molarne mase, dok CMS2 i CMS3 imaju skoro 10 puta manje molarne mase od uzoraka CMS1 i CMS5. Očigledno da na ponašanje priraštaja indeksa prelamanja svetlosti od jonske jačine najveći doprinos potiče od molarnih masa a ne od tipa korišćenog skroba za sintezu ili stepena supstitucije. 4.2.3.4 Uticaj molarne mase na ponašanje razblaženih rastvora karboksimetil-skroba Molarna masa ima veliki uticaj na ponašanje polimernih materijala kako na njegove mehani- čke karakteristike, ponašanja u stanju rastopa ili rastvora tako i na ponašanje u razblaženim rastvorima. Dobro je poznata zavisnost [η] od MW opisana KMHS jednačinom (2-22). Slična zavisnost postoji i za Rg, Rh i A2. Na osnovu vrednosti parametara koji opisuju zavisnosti [η] ili Rg od MW može se steći uvid u oblik čestica u razblaženim rastvorima (poglavlje 2.5.3 jednačina (2-22) i poglavlje 2.5.4 jednačina (2-33) . U cilju ispitivanja uticaja MW na [η] određene su molarne mase uzoraka CMS u rastvorima NaCl različite koncentracije i granični viskozitetni brojevi u identičnim rastvaračima pri temperaturi od 25 oC. Upotrebom dobijenih vrednosti (tabela 4-5) konstruisani su grafici zavisnosti graničnog viskozitetnog broja od molarne mase uzoraka karboksimetil-skroba u vodenim rastvorima natrijum-hlorida. Ovi grafici su prikazani na slici 4-18. 106 107 50 100 150 200 250 300 350 400 Kη= 2.275 + 0.234 aη= 0.277+0.007 [η] , c m 3 /g MW, g/mol a) 106 107 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 [η] , c m 3 /g MW, g/mol Kη = 1.577 + 0.827 aη= 0.271 + 0.032 b) 106 107 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Kη= 1.089 + 0.266 aη= 0.288 + 0.016 [η] , c m 3 /g MW, g/mol c) 106 107 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Kη= 0.4054 + 0.1052 aη= 0.325 + 0.016 [η] , c m 3 /g MW, g/mol d) Slika 4-18 Zavisnost graničnog viskozitetnog broja, [η], od molarne mase, MW, uzoraka CMS u a) 0,01; b) 0,05; c) 0,10 i d) 0,50 mol/dm3 rastvoru NaCl u vodi Sa slike 4-18 se vidi da granični viskozitetni broj raste sa porastom molarne mase. Kako postoji linearna zavisnost u log-log koordinatnom sistemu iz nagiba i odsečka prave mogu se 65 odrediti parametri u KMHS jednačini. Parametri u KMHS jednačini su prikazani u tabeli 4-6 i na slici 4-19 u zavisnosti od jonske jačine rastvarača. Parametar aη ima minimalnu vrednost u 0,05 mol/dm3 rastvoru NaCl. Povećanje jonske jačine rastvarača dovodi do porasta vredno- sti parametra aη. Porast parametra aη ukazuje na porast slobodne zapremine unutar makro- molekula. Parametar Kη je monotono opadajuća funkcija koncentracije NaCl u vodi. Vrednosti parametra aη su u dobroj saglasnosti sa vrednostima koje su dobijene za voskasti kukuruzni skrob u 90 % DMSO (0,29 + 0,04)[84]. Tabela 4-6 Parametri u KMHS jednačini Koncentracija NaCl, mol/dm3 Kη greška aη greška 0,01 2,275 0,234 0,277 0,007 0,05 1,577 0,827 0,271 0,032 0,10 1,089 0,266 0,288 0,016 0,50 0,4054 0,1052 0,325 0,016 Primenom Ajnštajnove jednačine (2-27) iz graničnog viskozitetnog broja moguće je izraču- nati viskozitetni poluprečnik, Rη. Zavisnost poluprečnika rotacije, Rg, hidrodinamičkog poluprečnika, Rh, i Rη od molarne mase, MW, može se opisati jednačinom (2-34): Ri Wi MR υ∝ gde i predstavlja g, h ili η. Na grafiku zavisnosti log Ri = f(logMW) nagib prave predstavlja parametar νRi. Za molekulske rastvore makromolekula, termodinamički kvalitet rastvarača i preliminarni oblik makromolekula može se odrediti na osnovu eksponenta ν. 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.45 0.50 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Kη K η C(NaCl), mol/dm3 ah a η Slika 4-19 Zavisnost parametara u KMHS-ovoj jednačini od jonske jačine rastvarača Sa teorijske tačke gledišta eksponent ν može varirati od ν = 0,33 za krute sfere do ν = 1 za krute štapiće. Za linearne lance vrednost ν = 0,5 ukazuje na Gausovo klupko u θ rastvaraču, a ν = 0,588 ukazuje na termodinamički dobar rastvarač. Kod razgranatih polimera parametar ν ima vrednost 0,4 za θ - uslove i 0,5 za termodinamički dobre rastvarače. Kod rastvora polielektrolita očekuje se porast ovog parametra u odnosu na nenaelektrisane polimere. Na slici 4-20 prikazana je zavisnost Ri od MW uzoraka CMS u različitim rastvaračima. Kao što se sa slike 4-20 vidi Rg, Rh i Rη rastu sa porastom molarne mase. U vodi kao rastvaraču Rh ima veću vrednost od Rg kod svih uzoraka, dok u svim ostalim rastvaračima Rh je manje od Rg. Vrednosti promenljive Rη u svim rastvaračima su značajno niže kako od Rg tako i od Rh. Zavisnost Ri od MW je uglavnom linerana funkcija u log-log dijagramu. Nagib ove prave predstavlja parametar ν. Na slici 4-20 prikazane su vrednosti nagiba u zavisnosti log Ri = f(log(MW). Međutim, ova zavisnost ne mora uvek biti pravolinijska, kao što je to slučaj kod zavisnosti Rh od MW u vodi kao rastvaraču. U ostalim rastvaračima zavisnost log Ri = f(log 66 MW) je linearna funkcija. Do krivljenja na grafiku zavisnosti Ri od MW može doći usled promene strukture sa porastom molarne mase ili pak promene parametra Φ sa promenom molarne mase. Promena parametra Φ može nastati usled promene gustine grananja ili polidi- sperznosti uzorka. 106 107 10-8 10-7 10-6 Rg Rh 0.547 0.580 MW, g/mol R i, m 0.151 a) 106 107 10-8 10-7 10-6 0.438 0.439 0.533 R g Rh Rη MW, g/mol R i, m b) 106 107 10-8 10-7 0.439 0.309 0.424 Rg Rh Rη MW, g/mol R i, m c) 106 107 10-8 10-7 0.420 0.376 0.416 R g Rh Rη M W , g/mol R i, m d) 106 107 10-8 10-7 0.472 0.404 0.442 Rg Rh Rη MW, g/mol R i, m e) Slika 4-20 Zavisnost karakterističnih poluprečnika, Rg, Rh, Rη od molarne mase, MW, uzoraka CMS u a) vodi, b) 0.01; c) 0.05; d) 0.10 i e) 0.50 mol/dm3 rastvoru NaCl u vodi Nagib i odsečak krivih zavisnosti log(Ri) = f(logMW) prikazanih na slici 4-20 određen je metodom najmanjih kvadrata i prikazani su u tabeli 4-7. Na slici 4-21a prikazana je zavis- nost parametara νRg i log KRg od jonske jačine rastvarača. 67 Tabela 4-7 Eksponenti određeni iz zavisnosti karakterističnih poluprečnika od molarne mase Koncentracija NaCl, mol/dm3 νRg νRh νRη 0 0,580 0,150 - 0,546 0,01 0,533 0,439 0,438 0,05 0,439 0,309 0,424 0,10 0,420 0,376 0,416 0,50 0,472 0,404 0,442 Kao što se sa slike 4-21 može uočiti sa povećanjem jonske jačine rastvarača parametar νRg opada od 0,58 koliko iznosi u vodi kao rastvaraču do 0,42 koliko je u 0,10 mol/dm3 rastvoru NaCl. Dalje povećanje jonske jačine rastvarača dovodi do porasta parametra νRg i on ima vrednost 0,47 za 0,50 mol/dm3 rastvor NaCl. log KRg nasuprot parametru νRg sa porastom jonske jačine rastvarača raste od -10,7 koliko iznosi u vodi kao rastvaraču do -9,82 koliko iznosi u 0,10 mol/dm3 rastvoru NaCl. Dalje povećanje koncentracije NaCl dovodi do ponov- nog opadanja log KRg i on ima vrednost -10,24 u 0,50 mol/dm3 rastvoru NaCl. Parametar νRh ima najnižu vrednost u 0,05 mol/dm3 rastvoru NaCl, a parametar νRη u 0,10 mol/dm3 rastvoru NaCl kao i parametar νRg. Najslabije izraženu zavisnost od jonske jačine rastvarača ima parametar νRη i vrednosti ovog parametra se kreću od 0,41 do 0,44 što je uobičajeno za razgranate makromolekule. 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.45 0.50 -10.8 -10.6 -10.4 -10.2 -10.0 -9.8 -9.6 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 log KRg lo g K R g C(NaCl), mol/dm3 ν Rg ν R g 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.45 0.50 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Rg Rh Reta ν R C(NaCl), nol/dm3 Slika 4-21 Zavisnost parametara a) νRg i log KRg i b) parametara νRg, νRh i νRη od jonske jačine rastvarača Parametar νRg ima neočekivano visoku vrednost (iznad 0,5) u vodi i 0,01 mol/dm3 rastvoru NaCl. Ovako visoke vrednosti ovog parametra nisu uobičajene za razgranate makromolekule i uglavnom se javljaju kod linearnih makromolekula. Vrednost ovih parametara je veća verovatno usled postojanja elektrostatičkih sila koje dovode do porasta slobodne zapremine unutar makromolekula (isključena zapremina). Ovako visoke vrednosti kod razgranatih struktura su dobijene i za frakcionisane uzorke hiperrazgranatih β-D-glukana[81] (oko 0,63). Za nefrakcionisane uzorke je dobijena vrednost 0,38. Takođe, Rolland-Sabate[82] je ispitujući ponašanje amilopektina različitog porekla dobio za skrob iz krompira vrednost ovog para- metra 0,49 što autori objašnjavaju polielektrolitnim efektom (elektrostatske odbojne sile povećavaju slobodnu zapreminu u polimeru). Ispitivanja ponašanja glikogena u razblaženim rastvorima dala su dve vrednosti ovog parametra: 0,68–0,74 za frakcije manje molarne mase, i 0,30 – 0,40 za frakcije velike molarne mase (tabela 4-8). Parametar νRh ima vrednosti u intervalu od 0,31 do 0,44. Generalno, opadanje parametara νRi sa promenom kvaliteta rastvarača ukazuje na slabljenje interakcija rastvarač-polimer. U termodinamički dobrim rastvaračima νRi je uvek veće nego u θ - rastvaračima. Saglasno ovome porast parametara νRi sa porastom jonske jačine ukazivao bi na poboljšanje rastvorlji- 68 vosti makromolekula. Ovo je međutim u suprotnosti sa parametrom A2, koji ukazuje na inte- rakcije čestica i rastvarača i koji u ovom opsegu koncentracija NaCl opada ukazujući na slabljenje moći rastvarača. Međutim, dobijene vrednosti parametra A2 su prividne. Veza između stvarnog, A2,st i prividnog parametra, A2, za rastvore polielektrolita može se opisati kroz jednačinu (2-46)[32]. Povećanje parametara ν je posledica promene strukture čestice u razblaženom rastvoru. Vrednosti ovih parametara su u granicama uobičajenih vrednosti za razgranate makromole- kule (tabela 4-8). Jednačine koje opisuju zavisnosti karakterističnih poluprečnika od molarne mase vrede samo ukoliko su uzorci međusobno slični. Najbolji uvid u sličnost uzoraka se postiže upotrebom grafika zavisnosti faktora rasipanja čestice od qRg ili upotrebom Kratki grafika. Na slici 4-22 prikazan je Kratki grafik uzoraka CMS-a u vodi i 0,10 mol/dm3 NaCl. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 P( q) (q R g) 2 q Rg CMS1 CMS2 CMS3 CMS4 CMS5 CMS6 polidisperzno klupko 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 P (q ) ( qR g) 2 qR g CMS1 CMS2 CMS3 CMS4 CMS5 CMS6 beskonačno razgranati Gausovo polidisperzno klupko b) Slika 4-22 Kratki grafik uzoraka CMS u a) vodi i b) 0,10 mol/dm3 NaCl U slučaju međusobno sličnih uzoraka krive na Kratki grafiku formiraju zajedničku krivu, što je slučaj u 0,10 mol/dm3 NaCl, ali ne i u vodi kao rastvaraču. U vodi kao rastvaraču uzorci nisu međusobno slični a unutrašnja struktura sa porastom molarne mase uzoraka postaje kompaktnija. Zbog toga zavisnost karakterističnih poluprečnika od molarne mase daje veće vrednosti nagiba. Ukratko, ova zavisnost nije validna za uzorke CMS u vodi kao rastvaraču. 4.2.3.5 Uticaj molarne mase i jonske jačine rastvarača na parametar ρ Jedan od parametara koji daje informaciju o obliku čestica u rastvoru je parametar ρ, koji predstavlja odnos poluprečnika rotacije i hidrodinamičkog poluprečnika. U tabeli 2-4 su date teorijske vrednosti parametra ρ. Zavisnost parametra ρ uzoraka CMS od jonske jačine rastvarača prikazana je na slici 4-23. Sa slike 4-23 se vidi da parametar ρ za sve uzorke CMS u vodi ima vrednosti niže od 0.9 (vrednost za meke sfere). U prisustvu elektrolita vrednost parametra ρ raste skoro duplo i sa daljim povećanjem jonske jačine rastvarača praktično se ne menja. U tabeli 4-9 prikazane su vrednosti parametra ρ za vodu kao rastvarač i prosečna vrednost parametra ρ sa odstupanjem u rastvorima NaCl. Odstupanje parametra ρ od prose- čne vrednosti u rastvorima NaCl kreće se od 3 do 10 %, pa se može smatrati da povećanje jonske jačine rastvarača ne utiče na oblik makromolekula karboksimetil-skroba. U vodi kao rastvaraču čestice karboksimetil-skroba imaju kompaktnu krutu strukturu. Ovo se vidi i kroz izgled Cimovog grafika za uzorke ispitivane u vodi kao rastvaraču. Kao što se sa slike 4-13 vidi, u vodi kao rastvaraču dolazi do povijanja krivih Kc/Rθ od q2 ka apcisnoj osi, što je posledica povećanja krutosti. U rastvorima soli dobija se linearna zavisnost. Linearna zavisnost u Cimovom grafiku nije uobičajena za razgranate strukture. Kod razgranatih sistema uglavnom se dobija povijanje ka ordinatnoj osi. Linearnost krivih u rastvorima soli ukazuje ili na veliku polidisperznost ili i dalje krutu strukturu ili na oba efekta. 6 9 uz or ak ra st va ra č ν Rg ν Rh ρ ν Rη au to ri A m ilo pe kt in iz k uk ur uz a V od a 0, 36 0, 25 1, 02 -1 ,2 9d K uk ur uz ni sk ro b V od a 0, 37 0, 23 0, 99 -1 ,3 3d V is ok oa m ilo zn i s kr ob 5 0 % a m ilo ze V od a 0, 60 0, 23 0, 98 -1 ,3 5d V is ok oa m ilo zn i s kr ob 7 0 % a m ilo ze V od a 0, 30 0, 66 1, 22 -1 ,6 1d P. R og er [8 3] V os ka st i k uk ur uz ni sk ro b 90 % D M SO 0, 42 2 0, 29 M .M . M ill ar d[ 84 ] K is el o de gr ad ira n sk ro b 0, 5 M N aO H 0, 39 4 0, 47 6 1- 1, 75 0, 39 G . G al in sk y[5 1] A m ilo pe kt in iz p iri nč a D M SO 0, 35 0, 41 Z. M a[ 85 ] A m ilo pe kt in ra zl ič ito g po re kl a V od a 0, 37 d o 0, 49 gl ik og en V od a 0, 68 a ; 0, 40 b Ro lla nd -S ab at e[8 2] K is el o hi dr ol iz ov an g lik og en V od a 0, 40 0, 27 0, 99 0 C .E . I oa n[ 91 ] gl ik og en vo da 0, 33 0, 32 0, 7 -0 ,0 7 G . M or ri s[8 6] de ks tra n vo da 0, 41 0, 44 1, 1- 1, 35 E. N or dm ei er [8 7] de ks tra n vo da 0, 43 0, 45 1, 09 0, 62 e de ks tra n 0, 5 M N aO H 0, 40 0, 46 0, 65 e C .E . I oa n[ 90 ] ra zg ra na ti po lis ah ar id (P . t ub er -r eg iu m ) vo da 0, 38 ; 0 ,6 3c 0, 46 0, 53 0, 44 Y. T ao [8 1] 0, 01 M N aC l 0, 46 0, 05 M N aC l 0, 45 0, 10 M N aC l 0, 42 K at jo ns ki a m ilo pe kt in D S= 0. 06 1 0, 20 M N aC l 0, 34 G . M od ig [1 57 ] a – fr ak ci je m al e m ol ar ne m as e b – fr ak ci je v el ik e m ol ar ne m as e c – fr ak ci on is an i ne fr ak ci on is an u zo ra k d – za vi sn o od v re m en a iz la ga nj a m ik ro ta la si m a e – pr i m al im m ol ar ni m m as am a T ab el a 4- 8 V re dn os ti pa ra m et ar a ν Rg , ν R h, ρ i ν R η r az gr an at ih p ol is ah ar id a u ra zl ič iti m r as tv ar ač im a na đe ni h u lit er at ur i 70 Iz Kratki grafika (slika 4-22) se vidi da krive dobijene za uzorke CMS-a u rastvorima soli leže daleko iznad krive za beskonačno razgranate makromolekule. Ovo je verovatno posledica isključene zapremine koja je posledica povećane krutosti lanca. Krutost makromolekula CMS-a u vodi potiče od velike polarnosti makromolekula karbo- ksimetil-skroba koja dovodi do jakih intralančanih elektrostatskih i vodoničnih veza. U prisustvu soli dolazi do solvatacije naelektrisanih grupa na makromolekulu karboksimetil- skroba što dovodi do slabljenja intralančanih veza i ekspanzije čestice. Ova ekspanzija čes- tica se ogleda kroz porast poluprečnika rotacije Rg u 0.01 mol/dm3 rastvoru NaCl u odnosu na Rg u čistoj vodi (tabela 4-5, slika 4-16b). Prisustvo soli koje dovodi do smanjenja intralančanih interakcija i ekspanzije čestica u rastvoru ne dovodi do porasta Rh, već naprotiv do naglog smanjenja (za oko 50 %, slika 4-16c). Ovaj, hidrodinamički poluprečnik se određuje iz koeficijenta difuzije. Koeficijent difuzije se određuje na osnovu relaksacionih brzina koje su detektovane u rastvoru. Translacioni koeficijent difuzije, koji je mera difuzije same čestice a samim tim i hidrodinamičkog poluprečnika, se dobija samo pri jako malim vrednostima qRg (qRg << 1), koje na žalost nisu mogle biti postignute u ispitivanom sistemu. Stoga, u rastvorima NaCl registrovani su i unutrašnji pokreti koji dovode do povećanja vrednosti prividnog koeficijenta difuzije, a samim tim i do smanjenja hidrodinamičkog poluprečnika. Ovo znači da su vrednosti hidrodinamičkog poluprečnika u rastvorima soli verovatno veće što uslovljava da su i realne vrednosti parametra ρ niže nego što su navedene (slika 4-23, tabela 4-9). 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.45 0.50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 CMS1 CMS2 CMS3 CMS4 CMS5 CMS6 ρ C(NaCl), mol/dm3 krute sfere meke sfere Slika 4-23 Zavisnost parametara ρ uzoraka CMS od jonske jačine rastvarača U vodi kao rastvaraču, zahvaljujući jakim intralančanim vezama pokretljivost segmenata je zanemarljiva pa su dobijene vrednosti prividnog koeficijenta difuzije jednake translacionom difuzionom koeficijentu, pa je dobijena vrednost za hidrodinamički poluprečnik stvarna vrednost hidrodinamičkog poluprečnika čestice. Tabela 4-9 Vrednost parametara ρ uzoraka CMS u vodi i rastvorima NaCl pri temperaturi od 25 oC Voda Rastvori NaCl Uzorak ρ ρ greška CMS1 0,858 1,540 0,105 CMS2 0,480 1,158 0,081 CMS3 0,538 1,124 0,109 CMS4 0,698 1,230 0,040 CMS5 0,784 1,358 0,056 CMS6 0,840 1,176 0,086 71 Na slici 4-24 prikazana je zavisnost parametra ρ od molarne mase uzoraka. Uobičajeno je da sa porastom molarne mase parametar ρ opada. U vodi kao rastvaraču vrednost parametra ρ raste sa porastom molarne mase od oko 0,5 za uzorak CMS2 (MW oko 800000 g/mol) do 0,8 za uzorke CMS1 i CMS5 (MW oko 8000000 g/mol). Vrednost parametra ρ oko 0,5 ukazuje na prisustvo mikrogel čestica, a 0,8 na krute sfere. U rastvorima soli parametar ρ je uglavnom nezavisan od molarne mase i ima vrednost oko 1,17, što je karakteristika razgranatih makromolekula. Ovo je nešto viša vrednost od teorijske vrednosti za meke sfere (ρ = 0,977). Do odstupanja dolazi pri velikim molarnim masama što je verovatno posledica većeg doprinosa interlančanih pokreta, što uzrokuje niže vrednosti hidrodinamičkog poluprečnika. Slične vrednosti parametra ρ dobijene su za amilopektin (1,1 do 1,3) i kukuruzni skrob (1,0 – 1,3) u vodi[83,88], dok vrednost ovog parametra iznosi 0,62 za skrob iz krompira u 0,5 mol/dm3 rastvoru LiCl u DMSO, nezavisno od sadržaja amiloze[89]. E. Nordmeier[87] je ispitivanjem ponašanja dekstrana u vodi dobio vrednosti parametra ρ u intervalu od 1,10 do 1,30 zavisno od molarne mase uzorka. C. Ioan sa saradnicima[90] je ispitivao ponašanje dekstrana u 0,5 mol/dm3 rastvoru NaOH, a autori su došli do zaključka da sa porastom molarne mase, vrednost parametra ρ asimptotski teži vrednosti 1,09, dok su za glikogen[91] dobili vrednost 0,994. G. Morris sa saradnicima[86] je ispitujući ponašanje glikogena u vodi dobio vrednost parametra ρ = 0,70. Q. Wang i saradnici[92] su ispitujući ponašanje razgranatog jonogenog polisaharida izolovanog iz soje dobili vrednosti parametra ρ = 1,1 i 1,3. 106 107 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 1.172 nagib = 0.359 Voda Rastvor NaCl ρ MW, g/mol meke sfere krute sfere mikrogel Slika 4-24 Zavisnost parametara ρ od molarne mase, MW, u vodi i rastvoru soli Prilikom ispitivanja razblaženih rastvora dinamičkim rasipanjem svetlosti vrednosti parame- tra qRg su bile u rasponu koji je prikazan u tabeli 4-10. Iz tabele 4-10 se vidi da su rasponi qRg manji od 1 jedino kod uzoraka CMS2 i CMS3 kod kojih je moguće odrediti translatorni koeficijent difuzije. Kod svih ostalih uzoraka najniže vrednosti qRg su u oblasti u kojima su već prisutni i unutrašnji pokreti (pokreti segmenata, monomernih jedinica) u makromolekuli. Ovi unutrašnji pokreti u čestici se kupluju sa pokretima celog makromolekula pa ih nije moguće odvojiti od pokreta koji potiču od translacionih pokreta. Pri velikim vrednostima qRg samo su kratki regioni makromolekula „vidljivi“. Kada je qRg >>1 pokreti monomernih jedinica su mnogo dominantniji u odnosu na pokrete segmenata. U ovom slučaju za fleksibilne lance je Γ∼ q3. Teorija predviđa da parametar Tkq B S ⋅⋅ ⋅Γ=Γ 3* η (4-3) asimptotski teži plato vrednosti pri qRg > 2. Za linearne fleksibilne lance teorija predviđa da redukovani kumulant teži plato vrednosti od 0,071-0,079. Eksperimentalno su za fleksibilne linearne polimere dobijene vrednosti oko 0,05 za θ - rastvarač i 0,06 – za termodinamički 72 dobre rastvarače[93]. Za krute sfere teorija predviđa plato vrednost jednaku 0. Kada reduko- vani kumulant dostigne plato vrednost, registrovani pokreti potiču samo od pokreta mono- mernih jedinica. Tabela 4-10 Vrednost parametara qRg prilikom određivanja prividnog koeficijenta difuzije čestica u rastvorima CMS u vodi i rastvorima NaCl qRg Uzorak Voda Rastvori soli CMS1 2-5 1,5 – 6,5 CMS2 0,3 – 1,4 0,3 – 1,5 CMS3 0,7 – 1,5 0,5 – 1,6 CMS4 1 – 3 1 – 3,2 CMS5 1,7 – 4,8 1,9 – 5,3 CMS6 0,8 - 3 0,8 - 3 Na slici 4-25 prikazana je zavisnost redukovanog kumulanta uzorka CMS4 od bezdimenzi- one vrednosti qRg u vodi i rastvorima soli. Vrednost redukovanog kumulanta ni u vodi ni u rastvorima soli ne dostiže plato vrednost. Redukovani kumulant uzoraka CMS u vodi kao rastvaraču ima vrednosti koje se kreću od 0,035 do 0,020, i niže su od vrednosti redukovanih kumulanata u rastvorima soli gde se vrednosti kreću od 0,07 do oko 0,03. Korigovani kumulant u rastvorima NaCl ne zavisi od koncentracije NaCl. 0 1 2 3 4 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 voda 0.01M NaCl 0.05M NaCl 0.10M NaCl 0.50M NaCl (Γ/ q3 )(η /k T) (qRg) Slika 4-25 Zavisnost redukovanog kumulanta uzorka CMS4 od qRg u vodi i rastvorima soli Na slici 4-26 prikazana je zavisnost redukovanog kumulanta u vodi i 0,50 mol/dm3 rastvoru NaCl. Sa slike 4-26 se vidi da postoje razlike u ponašanju uzoraka CMS u vodi i rastvoru NaCl. 0 1 2 3 4 5 6 7 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 CMS1 CMS2 CMS3 CMS4 CMS5 CMS6 (Γ/ q3 )( η/k T) qR g a) 0 1 2 3 4 5 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 CMS1 CMS2 CMS3 CMS4 CMS5 CMS6 (Γ/ q3 )(η /k T) qRg 0.031 b) Slika 4-26 Zavisnost redukovanih kumulanta uzoraka CMS od qRg u a) vodi i b) 0,50 mol/dm3 rastvoru NaCl u vodi 73 Dok u vodi kao rastvaraču postoje razlike u zavisnosti redukovanog kumulanta od qRg, u 0,50 mol/dm3 rastvoru NaCl svi uzorci formiraju zajedničku krivu zavisnosti redukovanog kumulanta od qRg bez obzira na tip korišćenog skroba i stepen supstitucije. U rastvorima soli vrednost redukovanog kumulanta asimptotski teži vrednosti od 0,03. Slični rezultati su dobijeni za rastvor amilopektina u vodi[94, 95]. 4.2.4 Ispitivanja reoloških svojstava koncentrovanih rastvora skroba i karboksimetil-skroba Skrob je smeša polisaharida (amiloze i amilopektina) sastavljenih od anhidroglukoznih jedi- nica. Na svakoj anhidroglukoznoj jedinici nalaze se po tri slobodne hidroksilne grupe (sem u tačkama grananja gde su prisutne dve). Prisustvo OH-grupa daje skrobu hidrofilni karakter. Usled prisustva OH-grupa u granuli skroba se uspostavljaju jake vodonične veze koje omogućavaju formiranje heliksa a potom i kristalnih domena. Skrob sadrži od 10-17 % vlage, od kojih je 8-11 % vezana vlaga. Sadržaj vlage u skrobu zavisi od relativne vlažnosti (RH) vazduha. Kontinualnim zagrevanjem skroba u prisustvu vode, skrobne granule apsor- buju vodu tj. bubre. Pri tome voda postepeno prodire u amorfne oblasti da bi pri višim temperaturama došlo do prodiranja vode i u kristalne oblasti. To dovodi do raskidanja vodo- ničnih veza između molekula skroba i rasturanja kristalne strukture. Ove promene koje se odigravaju u unutrašnjosti granula se opažaju i vizuelno. Praktično, suspenzija granula skroba u vodi je neprozirna (“mutna”) da bi povišenjem temperature postajala transparen- tnija. Na određenoj temperaturi suspenzija postaje potpuno transparentna. Ova temperatura je temperatura „klajsterizacije“. Povećanje rastvorljivosti skroba u vodi se ostvaruje modifikacijom, tj. uvođenjem hidrofilnih grupa, kao što su karboksimetil-grupe. Umrežavanjem ovakvih derivata skroba se dobijaju materijali koji se odlikuju izuzetnim apsorpcionim karakteristikama, tako da se mogu koristi- ti kao superapsorberi[96-101]. Izuzetno je važno ispitati ponašanje rastvora makromolekula i ispitati uticaje različitih para- metara kao što su vreme stajanja, koncentracija, temperatura, prisustvo soli na viskoznost rastvora. Prilikom ispitivanja reoloških svojstava vrlo je bitno utvrditi verodostojnost mere- nja. Kako bi se utvrdila verodostojnost merenja potrebno je utvrditi da li se isti rezultati dobijaju ponavljanjem merenja. U cilju utvrđivanja reproduktivnosti merenja pripremana su na identičan način dva rastvora jednog uzorka i izvođena su merenja na reometru. Utvrđeno je da je reprodukcija rezultata zadovoljavajuća. Na slici 4-27 su prikazani rezultati reoloških merenja pri oscilatornom dejstvu sila na 5 % rastvor skroba pri temperaturi od 25 oC. 0.01 0.1 1 10 0.1 1 10 100 1000 η' η" η', η" , P a s ω, Hz Slika 4-27 Zavisnost viskoznosti η’, η”, Pa s, 5 % rastvora kukuruznog skroba od frekvencije oscilovanja, ω, Hz 74 Reproduktivnost podataka dobijenih merenjem reoloških svojstava 5 w/v % rastvora skroba iz kukuruza je zadovoljavajuća. Treba napomenuti da su rezultati dobijeni za rastvore skroba koji je pripreman na već opisan način a merenja su izvođena nakon 1,5 sati što je uzeto kao nulto vreme. 4.2.4.1 Rezultati ispitivanja reoloških svojstava koncentrovanih rastvora skroba U cilju ispitivanja viskoelastičnih svojstava rastvora skroba izvedena su dinamičko-mehani- čka merenja rastvora skroba. Instrumentom je kontrolisan moment torzije (0,6 Pa) a name- tana odgovarajuća deformacija. Deformacija je iznosila od 1 do 1,7 % za rastvore skroba. Frekvencija je menjana od 0,01 do 10 Hz. Obzirom na jako malu deformaciju kod svih ispitivanih rastvora može se pretpostaviti da svojstva rastvora ne zavise od primenjene deformacije. Kako bi ispitali da li svojstva ispitivanih rastvora zavise od primenjene defor- macije urađena su oscilatorna merenja 5 w/v % rastvora skroba pri konstantnoj frekvenciji, ω = 5 Hz, pri čemu je varirana deformacija. Dobijeni rezultati su prikazani na slici 4-28. 1 10 100 1 10 100 ω = 5 Hz G' (Pa) G'' (Pa)G ', G ", P a deformacija, % Slika 4-28 Uticaj veličine deformacije na module 5 w/v % rastvora skroba pri konstantnoj frekvenciji i konstantnom momentu torzije (0,6 Pa) Sa slike 4-28 se vidi da se moduli sačuvane i izgubljene energije praktično ne menjaju u širokom opsegu deformacija (od 0,01 % do 10 %). U ovoj oblasti deformacija svojstva rastvora očigledno ne zavise od primenjene deformacije. Primena deformacija većih od 10 % dovodi do opadanja modula sačuvane energije i porasta modula izgubljene energije što uka- zuje na rasturanje strukture rastvora skroba, tj vodi do oblasti nelinearnog viskoelastičnog ponašanja. 4.2.4.1.1 Uticaj vremena stajanja na reološka svojstva koncentrovanih rastvora skroba Poznato je da prilikom stajanja rastvora skroba dolazi do promene viskoznosti tokom vreme- na uzrokovanih retrogradacijom skroba. Na slici 4-29a prikazan je uticaj vremena stajanja 5 mas.% rastvora kukuruznog skroba na krive tečenja, a na slici 4-29b zavisnost modula saču- vane i izgubljene energije od frekvencije oscilovanja pri različitim vremenima stajanja. Sa slike 4-29 se vidi da sa produženjem vremena stajanja koncentrovanih rastvora kukuruznog skroba raste viskoznost rastvora, kao i modula sačuvane i izgubljene energije. Nagib krive zavisnosti modula sačuvane energije od frekvencije opada od 0,081 do 0,070, dok nagib krive modula izgubljene energije opada od 0,424 do 0,155. 75 1 10 100 1000 0.1 1 10 100 0 2 5 8 20 24 η, P a s γ, s-1 a) 0.01 0.1 1 10 1 10 100 0 h 2 h 5 h 8 h 20 h 24 h G' (Pa) G'' (Pa) G ', G '', P a ω, Hz b) Slika 4-29 a) Uticaj brzine smicanja na viskoznost 5 mas.% rastvora skroba pri temperaturi od 25 oC merenih u različitim vremenskim intervalima b) Uticaj frekvencije na module 5 w/v % rastvora skroba na 25 C pri konstantnom naponu (moment torzije) od 0,6 Pa Opadanje vrednosti nagiba ukazuje na prelazak rastvora u stanje gela. Tokom vremena pokreti makromolekulskih lanaca dovode do jačanja intermolekulskih interakcija koje vode do retrogradacije skroba. Na slici 4-30 prikazana je zavisnost viskoznosti pri brzini smicanja od 10 rad/s od vremena i modula sačuvane i izgubljene energije pri frekvenciji od 0,1 Hz od vremena stajanja uzorka. 0 5 10 15 20 25 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 η(γ =1 0 ra d/ s) , P a s τ, h 0 5 10 15 20 25 0 5 10 40 60 80 100 120 140 160 G ' G '', Pa τ, h G' G" ω = 0.1 Hz Slika 4-30 a) Zavisnost viskoznosti pri brzini smicanja od 10 rad/s od vremena stajanja uzorka i b) zavisnost modula sačuvane i izgubljene energije pri frekvenciji od 0,1 Hz od vremena stajanja uzorka Sa slike 4-30 se vidi da sa porastom vremena stajanja uzorka viskoznost rastvora raste kao i modul sačuvane i izgubljene energije. U ispitivanom vremenskom intervalu viskoznost rastvora poraste za oko 3,2 puta, modul sačuvane energije za oko 3,3 puta, a modul izgublje- ne energije za oko 5,5 puta. U prvih 5 sati viskoznost poraste za oko 83 %, modul sačuvane energije 69 % a modul izgubljene energije za skoro 200 %. U poslednjih 4 sata ispitivanja porast vrednosti viskoznosti i modula sačuvane energije su znatno manji i iznose 5 do 6 %. Iz ovoga se da naslutiti da se sistem približava asimptotskoj vrednosti sa porastom vremena stajanja 5 mas.% rastvora skroba. Kod uzorka skroba iz krompira nije uočena zavisnost viskoznosti od vremena stajanja uzorka. Do porasta viskoznosti sa vremenom dolazi kod svih skrobova koji sadrže amilozu izuzev kod skroba iz krompira[102]. Kod rastvora karbo- ksimetil-skroba takođe nije primećena zavisnost viskoznosti od vremena stajanja. Modifikacija skroba se često izvodi kako bi se, između ostalog, suzbila retrogradacija skroba. 76 4.2.4.1.2 Uticaj koncentracije na reološka svojstva koncentrovanih rastvora skroba Skrob iz krompira i kukuruza razlikuju se kako po veličini granula, tako i po sadržaju amilo- ze, tipu kristalne rešetke, strukturi amilopektina (broj grana, dužina grana). Osnovni para- metri koji mogu uticati na viskoznost rastvora skroba su sadržaj amiloze i struktura amilo- pektina. Na slici 4-31a prikazana je zavisnost viskoznosti rastvora skroba iz kukuruza i krompira (5 mas.%) od brzine smicanja pri temperaturi od 25 oC. Viskoznost rastvora skroba iz krompira je manja od viskoznosti rastvora skroba iz kukuruza pri niskim brzinama smica- nja. Pri brzini smicanja od oko 25 rad/s viskoznost rastvora dva tipa skroba su identični. Nagib krive zavisnosti viskoznosti od brzine smicanja kod kukuruznog skroba iznosi -0,997, a kod skroba iz krompira -0,538. Osvald de Valov (Ostwald de Waele) model predviđa sledeću zavisnost napona smicanja σ od brzine smicanja γ& [60]: nkγσ &= (4-4) Otuda je viskoznost: 1−= nkγη & (4-5) Parametar n predstavlja meru odstupanja od njutnovskog ponašanja i često se naziva nenjut- novski indeks tečenja. Vrednost n može biti od 0 do 1. Za njutnovske tečnosti ona je jednaka jedinici. Parametar n ima vrednost 0,03 za 5 w/v % rastvor skroba iz kukuruza i 0,462 za 5 w/v % rastvor skroba iz krompira, što znači da 5 w/v % rastvor skroba iz kukuruza ima izra- ženije pseudoplastično ponašanje. 1 10 100 1 10 100 krompir kukuruz η, P a s γ, rad/s 0.01 0.1 1 0.1 1 10 100 G' G'' G ' G '', P a ω, Hz Kukuruz Krompir Slika 4-31 Krive tečenja 5 w/v % rastvora kukuruznog skroba i skroba iz krompira i zavisnost modula sačuvane energije i izgubljene energije od frekvencije oscilovanja Na slici 4-31b prikazana je zavisnost modula sačuvane i izgubljene energije od frekvencije oscilovanja 5 mas.% rastvora skroba iz krompira i kukuruza. Modul sačuvane energije rastvora kukuruznog skroba ima znatno veću vrednost (skoro za red veličine) od modula sačuvane energije skroba iz krompira. Vrednosti modula izgubljene energije su približno slične, što govori da je kod kukuruznog skroba dominantno elastično ponašanje. Moduli sačuvane i izgubljene energije skroba iz krompira su približno slične tako da je vrednost tan δ = G’’/G’ bliska 1. 5 mas.% skroba iz krompira se pri temperaturi od 25 oC nalazi na granici prelaska iz sol u gel stanje. Kod ovog tipa skroba daleko je dominantnije viskozno svojstvo rastvora. Nagib krive zavisnosti modula sačuvane energije rastvora kukuruznog skroba je 0,084 a skroba iz krompira 0,443, dok su vrednosti nagiba izgubljene energije rastvora kukuruznog skroba i skroba iz krompira oko 0,41. Znatno veće vrednosti modula sačuvane energije rastvora kukuruznog skroba u odnosu na rastvor skroba iz krompira ukazuje na daleko jače interlančane interakcije. U cilju ispitivanja uticaja koncentracije na viskoznost rastvora skroba, pripremani su rastvori kukuruznog skroba i skroba iz krompira u kojima je koncentracija skroba iznosila 2, 3, 4, 5, 6 i 8 mas.% (w/v). Prilikom pripreme rastvora uočeno je da je rastvor kukuruznog skroba 77 opalescentan dok je rastvor skroba iz krompira transparentan. Kod rastvora skroba iz krom- pira sa porastom koncentracije ispitivanja pri većim brzinama smicanja nisu mogla biti izvedena jer je dolazilo do povlačenja rastvora uz osovinu i do „bežanja“ van geometrije za ispitivanje. Bez obzira na tip ispitivanog skroba sa porastom koncentracije dolazi do poveća- nja viskoznosti rastvora bez obzira na brzinu smicanja (slika 4-32). 10 100 1000 0.01 0.1 1 10 100 2 3 4 5 6 8 η, P a s γ, s-1 1 10 100 1000 0.1 1 10 2 4 5 6 8 η, P a s γ, s-1 Slika 4-32 Uticaj koncentracije rastvora na krive tečenja rastvora a) kukuruznog skroba i b) skroba iz krompira pri t = 25 oC (simboli i brojke u legendi pokazuju koncentracije skroba, w/v %) Na slici 4-33 su prikazani rezultati dobijeni oscilatornim merenjem svojstava rastvora skroba iz krompira i kukuruza različitih koncentracija pri temperaturi od 25 oC. Kod svih uzoraka sa porastom frekvencije dolazi do porasta modula sačuvane energije, G’. Kod rastvora kukuru- znog skroba pri svim koncentracijama modul sačuvane energije je za red veličine veći od modula izgubljene energije izuzev za 2 mas.% rastvor gde je modul sačuvane energije za oko red veličine manji od modula izgubljene energije. Ovo je posledica daleko izraženijeg elastičnog karaktera rastvora. 0.01 0.1 1 10 10-5 10-4 10-3 10-2 100 101 102 2 4 5 6 8 G ', G '', P a ω, Hz 0.01 0.1 1 10 100 101 2 4 5 6 8 G ', G '', P a ω, Hz Slika 4-33 Uticaj frekvencije na modul sačuvane i izgubljene energije rastvora skroba iz kuku- ruza i krompira različitih koncentracija (simboli i brojke u legendi pokazuju koncentracije skroba, kvadrat – modul sačuvane energije, krug – modul izgubljene energije) Kod rastvora skroba iz krompira ponašanje je drugačije. Krive zavisnosti modula sačuvane i izgubljene energije se seku pri frekvenciji 0,289 Hz za 2 mas.%, 0,1 Hz za 4 mas.%, i oko 0,012 Hz za 5 mas.%. Kod ostalih koncentracija skroba iz krompira u vodi u ispitivanom opsegu frekvencija krive sačuvane i izgubljene energije se ne seku. U odnosu na rastvore kukuruznog skroba kod rastvora skroba iz krompira mnogo je dominantnije viskozno svojs- tvo u odnosu na elastično. Sa porastom koncentracije rastvora frekvencija se pomera ka nižim vrednostima. Ispod ove kritične frekvencije molekulski lanci se raspliću u toku dugog perioda oscilovanja i dominira ponašanje slično tečnostima, dok iznad ove koncentracije 78 lanci ne mogu da se raspletu u toku kratkog perioda oscilovanja i formiraju privremenu mrežu[103]. U tabeli 4-11 su navedene vrednosti nagiba krive zavisnosti modula sačuvane i izgubljene energije od frekvencije za rastvore skroba iz kukuruza i krompira različitih koncentracija. Vrednosti nagiba krive zavisnosti modula sačuvane i izgubljene energije su značajno niže nego što su to dobili B. Kapoor i M. Bhattacharya[104, 111], a saglasni vrednostima koje su dobili I. Rosalina i M. Bhattacharya[105] za rastvore skroba u vodi. Tabela 4-11 Vrednosti nagiba krivih zavisnosti modula sačuvane i izgubljene energije od frekvencije kukuruz krompir Koncentracija G’=f(ω) G’’=f(ω) G’=f(ω) G’’=f(ω) 2 1,135 1,017 0,542 0,419 4 0,088 0,398 0,545 0,443 5 0,084 0,407 0,443 0,414 6 0,066 0,252 0,272 0,369 8 0,064 0,181 0,256 0,406 Iz tabele 4-11 se vidi da je nagib krive zavisnosti modula sačuvane energije od frekvencije manji od 0,1 pri svim koncentracijama izuzev 2 mas.%. Ovako nizak nagib uz postojanje izrazite elastičnosti ukazuje da se rastvori nalaze u oblasti gumolikog ponašanja. Oblast gumolikog ponašanja karakteriše prisustvo umreženja. Kako u konkretnom slučaju ne postoji hemijsko umreženja gumoliko ponašanje rastvora je posledica fizičkog umreženja. Vrednosti nagiba krive zavisnosti modula sačuvane energije manje od 0,1 i nagiba krive izgubljene energije u intervalu od 0,1 do 0,3 opisuju ponašanje „slabih“ gelova[105]. „Slabi“ gelovi imaju ponašanje identično „jakim“ gelovima pri malim deformacijama, ali porastom deformacije dolazi do pucanja trodimenzionalne mreže i nastanka malih klastera. Momenat nastajanja gel strukture se definiše kao tačka kada je[106]: mGG ωωω ∝∝ )('')(' gde je 0 < m < 1 (4-6) ili ) 2 tan(tan )(' )('' πδω ω m G G == (4-7) Kao što se iz tabele 4-11 vidi sa porastom koncentracije skroba iz krompira nagib krivih zavisnosti oba modula opada i dostiže približno istu vrednost pri koncentraciji od 5 mas.%. Vrednosti nagiba pri ovoj koncentraciji skroba iz krompira su 0,443 (G’) i 0,414 (za G’’), dok je u ispitivanom opsegu frekvencija eksperimentalna vrednost tan δ ≈ 0.76 (0.76 se dobija ukoliko se u gornju jednačinu uvrsti vrednost parametra m = 0.414). Ova vrednost je relativno bliska vrednosti koju su dobili Chambon i Winter[107] za poli(dimetilsiloksan) (0.5). Prema perkolacionoj teoriji vrednost nagiba pri kojoj dolazi do uspostavljanja gel strukture je 0,73, dok Rouzov model koji pretpostavlja da ne postoje hidrodinamičke interakcije između polimernih klastera daje vrednost nagiba od 0,66. Generalno ne postoji univerzalna vrednost parametra m pri kojoj dolazi do prelaska u gel stanje, već je verovatno povezana sa specifičnom prirodom svakog sistema. Tako je recimo vrednost ovog parametra 0,62 do 0,67 za ksantan[108], ili 0,74-0,77[106] za formiranje gela usled hemijske reakcije, 0,56 za rastvor amilopektina u smeši DMSO i vode[111]. Obzirom da se kod 5 mas.% rastvora skroba iz krompira u vodi još uvek dobija presečna tačka modula sačuvane i izgubljene energije, trodimenzionalna mreža se javlja u rastvorima skroba iz krompira pri koncentracijama većim od 5 mas.%. Opadanje nagiba krivih zavisnosti modula sačuvane energije od frekvencije je posledica porasta gustine preplitanja. Veliki makromolekulski lanci prisutni u rastvoru ne mogu da klize jedan preko drugog pošto je relaksaciono vreme ovih pokreta veće od frekvencije oscilovanja (vremena delovanja sile smicanja) pa makromolekuli praktično stvaraju ispre- pletanu strukturu koja na kraju vodi do formiranja fizički umrežene strukture. 79 U linearno viskoelastičnom opsegu parametri fizičkog umreženja se mogu odrediti upotre- bom modula sačuvane energije u platou gumolikog ponašanja, 'NG , gustine, ρp, gasne konstante, R, temperature, T i Avogadrovog broja Na. Molarna masa između dve tačke preplitanja može se odrediti reorganizacijom jednačine (1-55): ' N p e G RT M ρ= (4-8) Gustina preplitanja je: RT NG aN e ' =υ (4-9) Rastojanje između dve tačke preplitanja je: 3 1 e ξ υ= (4-10) Za izračunavanje ovih vrednosti korišćene su vrednosti modula sačuvane energije pri frekvenciji na kojoj tan δ dostiže minimum[23, 109]. Tabela 4-12 Parametri fizičkog umreženja rastvora kukuruznog skroba i skroba iz krompira Skrob iz kukuruza Skrob iz krompira C 10-2, g/cm3 ω, Hz ' NG , Pa Me 106, g/mol νe 10-22, m-3 ξ, nm ω, Hz ' NG , Pa Me 106, g/mol νe 10-22, m-3 ξ, nm 4 0,020 15,8 6,03 3,84 63,9 5 0,024 42,4 2,78 10,30 46,0 6 0,014 143,2 0,98 34,79 30,6 0,029 6,97 20,13 1,69 83,9 8 0,012 297,4 0,62 72,25 24,0 0,049 17,2 10,68 4,18 62,1 Molarna masa između prepletaja varira od 620000 g/mol u 8 mas.% do 6030000 g/mol kod 4 w/v.% kukuruznog skroba u vodi. Sa povećanjem koncentracije raste broj fizičkih umreže- nja a opada rastojanje između tačaka umreženja. Zanimljivo je da se 2 mas.% rastvor kuku- ruznog skroba ponaša skoro kao njutnovska tečnost. To znači da su makromolekuli skroba dovoljno udaljeni da ne dolazi do jakih fizičkih umreženja, a eventualno formirane veze lako se raskidaju pod dejstvom mehaničkih sila, a koje u ispitivanom opsegu frekvencija ne stižu da se u relativno kratkom vremenskom intervalu uspostave. Kako je vrednost [η] = 70,5 (u 1 mas.% NaCl), za 2 mas. % rastvor c[η] = 1,4. Očigledno je da do značajnijeg preplitanja lanaca dolazi kada je c[η] između 1,4 i 2,8. Do preplitanja dolazi iznad kritične koncentra- cije c* koja je za fleksibilna klupka 1/[η], a za sferne čestice 2,5/[η]. Kao što se i očekivalo kritična koncentracija je daleko iznad vrednosti koju poseduju fleksibilna klupka. Za razliku od kukuruznog skroba, rastvori skroba od krompira u vodi nalaze se u oblasti prelaska u gel stanje tako da se u ispitivanom opsegu koncentracija tek uspostavlja fizičko umreženje koje je relativno slabo i lako se raskida dejstvom mehaničkih sila. Na slici 4-34 prikazana je zavisnost modula u platou od koncentracije rastvora skroba iz kukuruza u duplom logaritamskom koordinatnom sistemu. Sa porastom koncentracije rastvora raste vrednost modula u platou. Nagib zavisnosti je oko 4,36. Teorija predviđa stepenu zavisnost modula od koncentracije opisanu kroz jednačinu (2-57). Upotrebom ove vrednosti u jednačini (2-57) dobija se vrednost parametra ν = 0,43. Ova vrednost je u relativno dobroj saglasnosti sa vrednošću koju su dobili P. Roger sa saradnicima (ν=0,37) upotrebom metoda rasipanja svetlosti[83] i Rolland-Sabat sa saradnicima (ν=0,39) upotrebom asimetričnog FFFF[82] rastvora skroba iz kukuruza u vodi kao rastvaraču. Na slici 4-34 prikazane su i vrednosti modula u platou za uzorak skroba iz krompira. Na žalost skrob iz krompira ulazi u oblast gumolikog ponašanja tek pri koncentracijama većim od 5 mas. %. Pri koncentracijama manjim od 5 mas.% kod skroba iz krompira javlja se presečna tačka između krivih zavisnosti modula sačuvane i modula izgubljene energije (slika 4-34). 80 3 4 5 6 7 8 9 10 1 10 100 1000 4.359 G N , P a c, g/100 cm3 kukuruz krompir Slika 4-34 Uticaj koncentracije rastvora skroba u vodi na vrednost modula u platou Ovo ukazuje da je skrob iz krompira pri ovim koncentracija na granici prelaska iz oblasti gumolikog ponašanja u oblast viskoznog tečenja. Frekvencija na kojoj se javlja presečna tačka određena je najdužim relaksacionim vremenom, τmax = 1/ωx. U tabeli 4-13 su prikazane vrednosti modula u presečnoj tačci, vrednosti frekvencije i relaksaciono vreme τmax. Tabela 4-13 Vrednosti modula u presečnoj tačci, frekvencije presečne tačke i maksimalnog vremena relaksacije rastvora skroba iz krompira u zavisnosti od koncentracije C, g/cm3 Gx, Pa ωx, Hz τmax, s 0,02 1,805 0,2895 3,45 0,04 1,639 0,1 10,0 0,05 0,95 0,01194 83,8 Na slici 4-35a prikazana je zavisnost vrednosti maksimalnog relaksacionog vremena od koncentracije. Nagib krive zavisnosti ima vrednost oko 3. Postojanje presečne tačke omogu- ćava formiranje master krive zavisnosti G’/Gx, G”/Gx od ω /ωx. Kao što se sa slike 4-35b vidi nagib krivih je daleko manji od onog koji predviđa teorija što je verovatno posledica polidis- perznosti skroba iz krompira. 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 1 10 100 3.02 τ ma x c, g/cm3 0.01 0.1 1 10 100 0.1 1 10 0.702 2 4 5 G '/G x G "/G x ω/ωx 0.427 Slika 4-35 a) uticaj koncentracije rastvora skroba iz krompira na maksimalno relaksaciono vreme i b) master kriva zavisnosti redukovanih modula od redukovane frekvencije oscilovanja (puni simboli – G’, prazni simboli – G” 81 4.2.4.2 Rezultati ispitivanja reoloških svojstava koncentrovanih rastvora karboksi- metil-skroba Rastvori polimera mogu biti razblaženi, semirazblaženi i koncentrovani zavisno od interak- cija između makromolekulskih klupaka i preplitanja, kao što je to pokazano u poglavlju 2.6. U cilju ispitivanja reoloških svojstava karboksimetil-skroba korišćeni su uzorci, pripremljeni prema proceduri opisanoj u 3.2.1, a okarakterisani u poglavlju 4.2.2 i 4.2.3. Pripremljeni su rastvori CMS-a u vodi čija je koncentracija iznosila 5 mas.%. Na slici 4-36 prikazane su krive tečenja uzoraka CMS različitog porekla, stepena supstitucije i molarnih masa. Viskoz- nost uzoraka opada u sledećem redosledu: CMS1>CMS5>CMS6>CMS3>CMS4> CMS2. 1 10 100 1000 0.01 0.1 1 CMS1 CMS2 CMS3 CMS4 CMS5 CMS6 η, P a s γ, s-1 Slika 4-36 Zavisnost viskoznosti uzoraka CMS (5 mas.%) od brzine smicanja pri temperaturi od 25 oC. Najveću viskoznost poseduju uzorci koji imaju najveću molarnu masu (CMS1 i CMS5). Uzorci CMS4 i CMS6 imaju slične molarne mase ali je razlika u viskozitetu izuzetno velika (za red veličine). Uzorak CMS6 ima znatno veći stepen supstitucije od uzorka CMS4. Sa druge strane CMS3 ima sličan stepen supstitucije i manju molarnu masu ali 5 mas.% rastvor CMS3 ima veću viskoznost od odgovarajućeg rastvora CMS4. Odavde se vidi da je viskoz- nost rastvora karboksimetil-skroba vrlo kompleksna i nije jednoznačna funkcija stepena supstitucije, molarne mase i biološkog porekla skroba. U tabeli 4-14 prikazane su vrednosti stepena supstitucije, molarne mase, redukovane koncentracije i viskoznosti 5 mas.% rastvora karboksimetil-skroba pri brzini smicanja od 10 rad/s. Vrednosti viskoznosti rastvora CMS su za oko 1 do 2 reda veličine manji od vrednosti viskoznosti skrobova korišćenih za sintezu CMS. Uvođenje polarnih grupa u makromolekul skroba poboljšava rastvorljivost modifikovanog skroba u vodi (parametar A2 raste), pa bi hidrodinamička zapremina trebala da raste. Tabela 4-14 Viskoznost 5 w/v % rastvora uzoraka CMS-a pri brzini smicanja od 10 s-1 Uzorak DS MW 106, g/mol c[η] η (γ = 10 s-1), Pa s ηsp (γ = 10 s-1), CMS1 0,90 20,1 13,6 0,567 636.1 CMS2 0,81 1,0 5,5 0,020 21.5 CMS3 0,40 2,0 6,5 0,158 168.7 CMS4 0,50 5,1 5,9 0,034 37.2 CMS5 0,70 15,4 10,8 0,302 338.3 CMS6 1,10 6,2 8,4 0,227 246.8 U poglavlju 4.2.3 gde su ispitivana svojstva karboksimetil-skroba u razblaženim rastvorima videli smo da su čestice CMS u vodi kompaktne sfere nastale usled jakih intralančanih veza. U koncentrovanim rastvorima pored intralančanih veza za očekivati je postojanje jakih 82 interlančanih polarnih veza. Na osnovu viskoznosti dalo bi se zaključiti da su interlančane veze u rastvorima skroba daleko veće nego kod rastvora CMS. Ovo je verovatno posledica daleko manjih molarnih masa uzoraka CMS-a nego što ih ima skrob. Prema podacima iz literature molarna masa skroba je oko 80 miliona g/mol što je od 4 do 80 puta veća molarna masa nego kod uzoraka CMS. Do smanjenja molarnih masa CMS-a je verovatno došlo usled hidrolize nastale u toku sinteze i prečišćavanja uzoraka. Na slici 4-37 prikazani su viskoznosti 5 mas.% rastvora CMS u vodi u zavisnosti od molarne mase. Sa slike 4-37 se vidi da sa porastom molarne mase dolazi do porasta viskoznosti rastvora CMS. 106 107 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 CMS6 DS=1.10 CMS4 DS=0.50 CMS5 DS=0.70 CMS3 DS=0.40 CMS2 DS=0.81 η ( γ= 10 s -1 ), Pa s MW, g/mol krompir kukuruz CMS1 DS=0.90 Slika 4-37 Zavisnost viskoznosti pri brzini smicanja od 10 s-1 uzoraka CMS (5 mas.%) pri temperaturi od 25 oC od molarne mase uzoraka. Međutim, za razliku od ponašanja u razblaženim rastvorima gde svojstva CMS-a nisu zavisila od tipa skroba, kod koncentrovanih rastvora je zavisnost od tipa skroba značajno izražena. Uobičajena zavisnost viskoznosti od molarne mase opisana je sledećom jednači- nom: αη WM∝ (4-11) Međutim, u konkretnom slučaju, zavisnost viskoznosti rastvora od molarne mase ne ponaša se prema opisanoj jednačini. Ovo je verovatno posledica uticaja stepena supstitucije tj. polarnosti makromolekula. Sa slike 4-37 se vidi da uzorak CMS6 iako ima približno sličnu molarnu masu kao uzorak CMS4, poseduje skoro deset puta veća viskoznost rastvora. Ovaj porast viskoznosti je vero- vatno posledica značajno većeg stepena supstitucije. Povećanje stepena supstitucije pove- ćava polarnost makromolekula. Polarne veze su jače od Van der Valsovih (Van der Waals) veza što dovodi do jačih intermolekulskih interakcija. Povećanje stepena supstitucije dovodi i do većeg broja ovih polarnih veza, što zajedno dovodi do mnogo jačih intermolekulskih veza. Uticaj tipa skroba iz koga su sintetisani uzorci je takođe vrlo značajan. Sa slike 4-37 vidimo da recimo uzorak CMS3 koji ima sličan stepen supstitucije kao CMS4 a manju molarnu masu ima oko 5 puta veću viskoznost 5 mas.% rastvora. Viskoznost 5 mas.% rastvora CMS3 je sličan viskoznosti uzorka CMS6 koji ima skoro tri puta veći stepen supstitucije i oko 3.5 puta veću molarnu masu. Veća viskoznost uzoraka sintetisanih od skroba iz krompira u odnosu na uzorke sintetisane iz kukuruznog skroba su posledica verovatno same strukture amilopektina ova dva tipa skroba tj. razlike u gustini grananja. Skrob tipa B (skrob iz krom- pira) sadrži amilopektin koji ima duže bočne grane ali manju gustinu grananja nego skrob tipa A (kukuruzni skrob)[110]. Objašnjenje ovakvog ponašanja moglo bi se potražiti u sposobnosti uspostavljanja trodimen- zionalne mreže tj. pojave preplitanja lanaca. Parametar c[η] se najčešće u literaturi koristi u cilju ispitivanja u kojoj oblasti se nalazi polimerni rastvor. Polimerni rastvori koji imaju 83 vrednost c[η] < 1 nazivaju se razblaženi. Koncentracioni efekat postaje važan kada je c[η] ∼ 1, a intermolekulske interakcije postaju dominantne u semirazblaženom regionu 1 < c[η] < 10. Značajno preplitanje postaje važno kada je c[η] > 10, a ovi rastvori se nazivaju koncen- trovanim[111]. Vrednosti GVB uzoraka CMS u rastvorima soli su prikazane u tabeli 4-5. Kako polielektro- litni efekt, u vodi kao rastvaraču, uzrokuje krivljenje grafika zavisnosti ηsp/c od ηsp prilikom određivanja graničnog viskozitetnog broja, za određivanje vrednosti c[η] korišćene su vred- nosti [η] u 0,01 mol/dm3 rastvor NaCl. Vrednosti c[η] su prikazane u tabeli 4-14. Kao što se vidi iz tabele 4-14 i sa slike 4-38 vrednost c[η] opada istim redosledom kao i viskoznost koncentrovanih rastvora. 5 10 15 20 25 30 10 100 1000 10000 CMS1, 8% CMS5, 5% CMS6, 5% CMS3, 5% CMS4, 5% CMS2, 5% η sp c[η] CMS1, 5% 7.83 Slika 4-38 Zavisnost specifične viskoznosti (pri brzini smicanja od 10 s-1) uzoraka CMS od redukovane koncentracije pri temperaturi od 25 oC Iz tabele 4-14 se vidi da do naglog porasta specifične viskoznosti dolazi kada c[η] poraste od 5,9 do 6,5. U ovom rasponu viskoznost poraste skoro za 5 puta. Vrlo je teško objasniti ovakvo ponašanje. W.M. Kulicke sa saradnicima[112,113] je ispitujući ponašanje karboksimetil- celuloze uočio pojavu maksimuma na krivoj zavisnosti viskoznosti rastvora karboksimetil- celuloze od stepena supstitucije. Porast viskoznosti sa stepenom supstitucije autori pripisuju porastu rastvorljivosti a naknadni pad viskoznosti smanjenju molarnih masa CMC. Autori su takođe pokazali da kriva zavisnosti specifične viskoznosti od redukovane koncentracije je zajednička za uzorke različitih molarnih masa a istog stepena supstitucije. Identično ponaša- nje su dobili za uzorke različitog stepena supstitucije i približno iste molarne mase. Ovakvo ponašanje autori pripisuju hidrodinamičkoj zapremini makromolekula u rastvorima, a koja se odražava kroz vrednost [η]. Kao što se vidi sa slike 4-38 u prvom delu nagib krive je oko 7,83. Koristeći ovu vrednost u jednačini (2-50) dobija se vrednost parametra ν = 0,46. Ova vrednost je vrlo bliska vrednostima dobijenim metodom rasipanja svetlosti (tabela 4-7). Smanjenje nagiba sa porastom redukovane koncentracije može biti posledica kompaktnije unutrašnje strukture (poglavlje 4.2.3.4, 4-22a). Sličan oblik zavisnosti dobio je i C.L. de Vasconcelos[114] sa saradnicima ispitujući ponašanje rastvora skroba od krompira u vodenom rastvoru DMSO (80 %). 4.2.4.2.1 Uticaj temperature Viskoznost rastvora polimera zavisi od molarne mase, raspodele molarne mase, hemijske građe i strukture makromolekula, vrste rastvarača, brzine smicanja, pritiska, temperature, a u nekim slučajevima i od vremena stajanja rastvora kao i vremena izlaganja rastvora smicanju. 84 Kod njutnovskih tečnosti zavisnost viskoznosti, η, od temperature može se opisati Areniju- sovom jednačinom (jednačina (2-48)): RT Evis eA Δ = 0η (4-12) gde je A0 – konstanta, ΔEvis – energija aktivacije tečenja, R – gasna konstanta a T tempera- tura u K. Po ovoj jednačini viskoznost tečnosti se smanjuje sa temperaturom. Međutim, kod rastvora polimera to ne mora biti slučaj. Kako će se menjati viskoznost rastvora sa tempera- turom zavisi od promene viskoznosti rastvarača sa temperaturom, zatim od toga kako se menja rastvorljivost polimera sa temperaturom, kao i od toga da li dolazi do promena oblika makromolekula u rastvoru sa promenom temperature. 1 10 100 1000 0.1 1 15 25 40 η, Pa s γ, s-1 a) 1 10 100 1000 10-3 10-2 10-1 100 15 25 40 60 η, P a s γ, s-1 b) 1 10 100 1000 0.01 0.1 1 15 25 40 60 η, P a s γ, s-1 c) 1 10 100 1000 10-3 10-2 10-1 100 15 25 40 60 η, P a s γ, s-1 d) 1 10 100 1000 0.1 1 15 25 40 60 η, P a s γ, s-1 e) 1 10 100 1000 0.01 0.1 1 15 25 40 60 η, P a s γ, s-1 f) Slika 4-39 Krive tečenja 5 % rastvora uzoraka CMS u vodi pri različitim temperaturama 85 Da bi se ispitao uticaj temperature na viskoznost rastvora CMS, određene su krive tečenja 5 % rastvora CMS na različitim temperaturama. Kao rastvarač je korišćena bidestilovana voda, a merenja su izvođena na 15, 25, 40 i 60 oC. Dobijeni rezultati su prikazani na slici 4-39. Sa slike 4-39 se vidi da viskoznost koncentrovanih rastvora CMS opada sa porastom tempera- ture i brzine smicanja. Najveći pad viskoznosti sa porastom brzine smicanja uočava se kod uzorka CMS1 i CMS5. Kod uzoraka CMS2, CMS3 i CMS4 viskoznost je takoreći ne zavis- na od brzine smicanja, tj. ovi uzorci se ponašaju vrlo blisko ponašanju njutnovskih tečnosti. Na osnovu dobijenih podataka prikazanih na slici 4-39 određene su energije aktivacije teče- nja pri različitim brzinama smicanja i dobijeni rezultati su prikazani na slici 4-40. Sa slike 4- 40 se vidi da kod uzoraka CMS1 i CMS3 sa porastom brzine smicanja dolazi do smanjenja energije aktivacije tečenja, dok se kod uzorka CMS4, u opsegu ispitivanih brzina smicanja, energija aktivacije tečenja ne menja sa porastom brzine smicanja. Kod uzoraka CMS5 i CMS6 na grafiku zavisnosti energije aktivacije od brzine smicanja uočava se maksimum. Rezultate za uzorke CMS2 i CMS4 treba uzeti sa rezervom jer je jako veliko rasipanje eksperimentalnih tačaka uzrokovano niskim viskoznostima rastvora ovih uzoraka. 1 10 100 1000 0 2000 4000 6000 8000 10000 E a, J /m ol γ, s-1 CMS1 CMS2 CMS3 1 10 100 1000 0 2000 4000 6000 8000 10000 CMS4 CMS5 CMS6 γ, s-1 Slika 4-40 Uticaj brzine smicanja na energiju aktivacije tečenja 5 % rastvora uzoraka CMS u vodi Ukoliko zanemarimo vrednosti za ova dva uzorka, krive za uzorke CMS1 i CMS3, kao i CMS5 i CMS6 mogu se opisati zajedničkom krivom prikazanom na slici 4-40 (linije). Na slici 4-41 prikazana je zavisnost srednje energije aktivacije tečenje od brzine smicanja u zavisnosti od tipa korišćenog skroba za sintezu CMS. 1 10 100 1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 E a, J /m ol γ, s-1 CMS iz skroba iz krompira kukuruza Slika 4-41 Uticaj brzine smicanja na srednju vrednost energije aktivacije tečenja 5 % rastvora uzoraka CMS u vodi u zavisnosti od tipa korišćenog skroba Sa slike 4-41 se vidi da je energija aktivacije tečenja uzoraka sintetisanih iz skroba iz krom- pira monotono opadajuća funkcija brzine smicanja, dok kod uzoraka sintetisanih iz skroba iz 86 kukuruza dostiže maksimum pri brzini smicanja od oko 6 rad/s. U celom opsegu ispitivanja, energija aktivacije tečenja uzoraka sintetisanih iz kukuruznog skroba ima nižu vrednost od energije aktivacije tečenja uzoraka sintetisanih iz skroba iz krompira. Ovo je verovatno posledica razlika u strukturi amilopektina, tj. činjenici da su bočne grane u amilopektinu iz krompira duže a da je gustina grananja manja. 4.2.5 Rezultati termogravimetrijske analize skroba i karboksimetil- skroba Hemijske reakcije kojima je podvrgnut skrob u toku hemijske modifikacije dovode do promena u strukturi skroba a uglavnom i do delimične degradacije skroba. Uvođenje supsti- tuenata u makromolekul skroba dovodi do promena termičke stabilnosti derivata skroba u odnosu na nativni skrob[69, 115, 116]. Stepen supstitucije ima veliki uticaj na termičku stabil- nost[115, 116]. Sa porastom temperature, započinju reakcije u čvrstom stanju skroba uz fazne prelaze kao što su topljenje, isparavanje i sublimacija kao i kondenzacione reakcije, reakcije razgradnje i na kraju karbonizacije na vrlo visokim temperaturama. Metode termičke analize, termogra- vimetrijska analiza, TGA, i dinamička skenirajuća kalorimetrija, DSC, se najčešće koriste za praćenje promene mase i endotermnih i egzotermnih fizičkohemijskih promena u toku termičkog procesa. Izučavanja termičke degradacije skroba pokazuju da na temperaturi od oko 300 oC počinje termička kondenzacija hidroksilnih grupa skroba pri čemu nastaju etar- ske veze uz oslobađanje vode i drugih malih molekula. Početak termičke razgradnje (na oko 300 oC) zavisi od molarne mase, pH, supstitucije i verovatno od sadržaja amiloze[117]. Pored intralančane dehidratacije dolazi i do dehidratacije susednih hidroksilnih grupa u glukoznom prstenu, što uzrokuje nastanak C=C veza ili kidanje glukoznog prstena. Aldehidne grupe se takođe istovremeno formiraju kao krajnje grupe. Povećanje temperature dovodi do nastanka aromatskih prstenova, kao što su supstituisani benzeni i strukture furana ili sa –CH2- ili – CH2-O-CH2- grupama između aromatskih prstenova. Struktura skroba je dezintegrisana na temperaturama oko 400 oC, a iznad ove temperature formira se visoko umrežen sistem. Visokoumrežen sistem je sličan termički umreženim smolama fenol-benzen-furfuril. Iznad 500 oC nastavljaju se reakcije karbonizacije koje su praćene povećanjem udela aromatskih u odnosu na alifatske strukture. Relativno velike aromatske strukture su formirane iznad 600 oC, a dalje povećanje temperature dovodi do nastanka amorfnog ugljenika. 4.2.5.1 Rezultati termogravimetrijske analize skroba Termogravimetrijska analiza uzoraka skroba je izvođena pri brzini zagrevanja od 2,5; 5; 10 i 20 oC/min u atmosferi azota. Za određivanje energije aktivacije termičke degradacije korišćen je softverski paket kompanije Netzsch. Termogravimetrijske krive uzoraka skroba iz krompira i kukuruza snimanih pri brzini zagre- vanja od 2,5; 5; 10 i 20 oC/min prikazane su na slici 4-42. Prisutna vlaga u uzorcima skroba je oduzeta a kriva je preračunata na suv skrob. Kao što se sa slike 4-42 vidi ne postoje bitnije razlike u obliku krivih termičke degradacije ova dva tipa skroba. Oba tipa skroba počinju da degradiraju na temperaturi oko 250 oC. Iznad ove temperature dolazi do drastičnog gubitka mase. Osnovna razlika koja se na prvi pogled uočava je razlika u zaostaloj masi na 500 oC. Kod skroba iz krompira ova preostala masa iznosi oko 20 mas.%, dok je kod skroba iz kukuruza oko 13 mas.% pri brzini zagrevanja od 2,5 oC/min. 87 0 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 100 pr eo st al a m as a, % t, oC 2.5 5 10 20 a) 0 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 100 2.5 5 10 20 pr eo st al a m as a, % t, oC b) Slika 4-42 Termogravimetrijske krive skroba iz a) krompira i b) kukuruza snimane pri brzini zagrevanja od 2.5, 5, 10 i 20 oC/min u atmosferi azota (20 cm3/min). Ove razlike se jasno vide na slici 4-43, gde je prikazana termogravimetrijska kriva za uzorke skroba snimane pri brzini zagrevanja od 10 oC. Primećene razlike u zaostaloj masi na 500 oC mogu biti posledica različite kristaliničnosti skrobova. L.S. Guinesi i saradnici[119] su ispiti- vanjem kristaliničnosti različitih tipova skroba utvrdili da je stepen kristaliničnosti skroba iz krompira 0,55, a kukuruznog skroba 0,44. O.S. Lawal i saradnici[118] su ispitivanjem degra- dacije skroba u kombinaciji sa diferencijalnom termičkom analizom uočili postojanje egzo- termnog pika na temperaturi od oko 500 oC koji je posledica kristaliničnosti uzorka skroba. 0 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 100 pr eo st al a m as a, % t, oC krompir kukuruz Slika 4-43 Termogravimetrijske krive skroba iz krompira i kukuruza snimane pri brzini zagrevanja od 10 oC/min u atmosferi azota (20 cm3/min). Kriva termičke degradacije kukuruznog skroba je blago pomerena ka višoj temperaturi u odnosu na termičku degradaciju skroba iz krompira. Kod kukuruznog skroba na početku degradacije dolazi do sporijeg opadanja zaostale mase sa temperaturom. Nakon gubitka mase od oko 10 mas.% brzina gubitka mase kukuruznog skroba je identična brzini degradacije skroba iz krompira. Slična pojava je uočena i u radu L.S. Guinesi i saradnika[119] kod skroba iz kukuruza i cassava skroba, za razliku od skroba iz krompira i pirinča. Autori ne komenta- rišu ove razlike. Ove razlike mogu biti posledica različite gustine grananja amilopektina u skrobu iz kukuruza i krompira, jer je gustina grananja u amilopektinu iz kukuruza veća nego u amilopektinu iz krompira, uz istovremeno kraće bočne lance. 88 4.2.5.2 Rezultati termogravimetrijske analize karboksimetil-skroba u kiselom obliku Neizotermske termogravimetrijske krive uzoraka karboksimetil-skrobova sintetisanih iz skroba iz krompira i skroba iz kukuruza snimanih pri različitim brzinama zagrevanja prika- zane su na slici 4-44. Brzine zagrevanja su bile identične kao i prilikom ispitivanja TGA skroba i iznosile su: 2,5; 5; 10 i 20 oC/min. Ispitivanja su izvođena u atmosferi azota. Kao što se vidi sa slike 4-44 do gubitka mase u uzorcima dolazi već pri niskim temperaturama od oko 50 oC. Ovako niska temperatura početka gubitka mase je verovatno posledica otparava- nja slobodne vlage iz uzoraka. Moglo bi se reći da se otparavanje vode iz uzoraka završava do temperature od oko 150 oC. 0 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 100 2.5 5 10 20 m as a, % t, oC H-CMS1 0 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 100 2.5 5 10 20 m as a, % t, oC H-CMS2 0 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 100 2.5 5 10 20 m as a, % t, oC H-CMS3 0 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 100 2.5 5 10 20 m as a, % t, oC H-CMS4 0 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 100 2.5 5 10 20 m as a, % t, oC H-CMS5 0 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 100 2.5 5 10 20 m as a, % t, oC H-CMS6 Slika 4-44 Termogravimetrijske krive uzoraka karboksimetil-skroba sintetisanih iz krompira i kukuruza snimane pri brzinama zagrevanja od 2.5, 5, 10 i 20 oC/min u atmosferi azota (20 cm3/min). Pri brzini snimanja od 10 oC/min zaostala masa iznosi oko 96 %, što znači da je sadržaj slobodne vlage u uzorcima oko 4 mas.%. Glavni stupanj termičke degradacije nastaje pri 89 temperaturama iznad 250 oC i završava se na oko 400 oC. Temperaturni opseg glavnog stupnja termičke degradacije je mnogo širi nego kod skroba gde glavni stupanj termičke degradacije počinje oko 250 oC a završava se na oko 320 oC. Na slici 4-45 prikazane su termogravimetrijske krive uzoraka skroba i karboksimetil-skro- bova snimane u zoni azota pri brzini zagrevanja od 10 oC/min. Sa slike 4-45 se vidi da do temperature od 150 oC termogravimetrijske krive formiraju zajedničku krivu. Dalje poveća- nje temperature ima daleko veći uticaj na uzorke sa višim stepenom supstitucije, tj. kod uzo- raka sa većim stepenom supstitucije nagib krive zavisnosti preostale mase od temperature je veći nego kod uzoraka sa nižim stepenom supstitucije, tj. brzina gubitka mase sa porastom temperature je manja. 0 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 100 skrob iz krompira H-CMS1 H-CMS2 H-CMS3 m as a, % t, oC 0 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 100 Kukuruzni skrob H-CMS4 H-CMS5 H-CMS6 m as a, % t, oC Slika 4-45 Termogravimetrijske krive uzoraka skroba iz krompira i kukuruza i uzoraka i CMS-a u kiseloj formi snimane pri brzini zagrevanja od 10 oC/min u atmosferi azota (20 cm3/min). U tabeli 4-15 prikazane su vrednosti temperatura na kojima počinje glavni proces termičke degradacije i vrednosti preostale mase pri ovim temperaturama. Prikazane vrednosti se odnose na uzorke skroba i CMS-a u kiselom obliku (H-CMS). Početak termičke degradacije uzoraka H-CMS-a je pomeren na nižu temperaturu u odnosu na skrob. Preostala masa na početku glavnog procesa termičke degradacije uzoraka H-CMS-a opada sa porastom stepena supstitucije. Tabela 4-15 Temperatura početka glavnog procesa termičke degradacije uzoraka skroba i H-CMS-a i preostala masa uzoraka na ovoj temperaturi Uzorak DS To, oC mp, % Skrob iz krompira 260 99,0 H-CMS1 0,90 244 88,6 H-CMS2 0,81 245 89,5 H-CMS3 0,40 230 93,1 Skrob iz kukuruza 270 97,0 H-CMS4 0,50 250 90,7 H-CMS5 0,70 245 90,8 H-CMS6 1,10 255 88,5 Prilikom titracije kiselog oblika H-CMS opisanom u poglavlju 4.2.2 uočeno je prisustvo dve prevojne tačke. Prva prevojna tačka je povezana sa sadržajem karboksimetil-grupa na spolja- šnjosti čestica[120], a ukupan stepen supstitucije određen je povratnom titracijom. Molarna masa supstituisane AGU može se opisati jednačinom: DSAGUM 58162)( += (4-10) dok je sadržaj COOH-grupa na površini čestice proporcionalan DS(I) (tabela 4-1, poglavlje 4.2.2), masa COOH po AGU na površini čestice je: )(*)()( COOHMIDSCOOHm = (4-11) 90 U tabeli 4-16 su prikazane vrednosti stepena supstitucije uzoraka, DS (određen povratnom titracijom), molarna masa AGU (M(AGU)t), stepen supstitucije na površini čestice, DS(I) (određen iz prve prevojne tačke pri direktnoj titraciji), masa karboksilnih grupa na površini čestice po molu AGU, maseni procenat COOH grupa po AGU i gubitak mase usled degrada- cije do početka glavnog procesa degradacije. Kao što se iz tabele 4-16 može videti, gubitak mase do početka glavnog procesa degradacije u direktnoj je vezi sa sadržajem COOH-grupa na spoljašnosti čestice. Očigledno da prilikom degradacije kiselog oblika H-CMS dolazi prvo do degradacije na spoljašnjosti čestice pri čemu dolazi do kidanja COOH-grupa, a potom se proces degradacije odigrava u celokupnoj masi čestice. Tabela 4-16 Stepeni supstitucije, sadržaj COOH-grupa na površini čestica uzoraka H-CMS-a i gubitak mase do početka glavnog procesa degradacije Uzorak DS M(AGU)t DS(I) molAGUg AGU spCOOHm / ,)( ,% )( )( AGUM COOHm Δm -m(vode), % H-CMS1 0,90 214,2 0,37 16,65 7,77 7,4 H-CMS2 0,81 209,0 0,26 11,7 5,60 6,5 H-CMS3 0,40 185,2 0,14 6,3 3,40 2,9 H-CMS4 0,50 191,0 0,18 8,1 4,24 5,3 H-CMS5 0,70 202,6 0,29 13,05 6,44 5,2 H-CMS6 1,10 225,8 0,45 20,25 8,97 7,5 U glavnom procesu degradacije zavisnost gubitka mase od temperature ima niži nagib u uzorcima H-CMS nego kod čistog skroba (slika 4-45). Sa povećanjem stepena supstitucije nagib krive zavisnosti gubitka mase od temperature opada. Pored toga, sam proces degradacije uzoraka H-CMS odigrava se u širem temperaturnom intervalu nego što je to slučaj kod uzoraka skroba. Ovo je verovatno posledica postojanja jačih polarnih veza u samoj čestici što je posledica postojanja COOH-grupa. COOH-grupe očigledno formiraju mnogo jače vodonične veze nego OH-grupe u skrobu. Postojanje jačih veza uslovljava veću količinu energije koju je potrebno dovesti kako bi se raskinule ove polarne veze a potom dovelo do degradacije uzorka. Zaostala masa na 500 oC bez obzira na stepen supstitucije i poreklo skroba korišćenog za sintezu je 20.3 + 2.3 mas.%. Očekivalo se da će postojati razlike u vrednostima zaostale mase uzoraka H-CMS u zavisnosti od tipa korišćenog skroba za sintezu, jer je razlika u zaostaloj masi kod uzoraka skroba oko 10 mas.% (slika 4-43). Ako smo pretpostavili da razlike u preostaloj masi na 500 oC između različitih tipova skroba potiče od razlike u kristaliničnosti nameće se zaključak da je nepostojanje razlika u zaostaloj masi uzoraka H- CMS na 500 oC verovatno posledica gubitka kristaliničnosti prilikom sinteze CMS[118]. 4.2.5.3 Rezultati termogravimetrijske analize karboksimetil-skroba u obliku natrijumove soli Neizotermske termogravimetrijske krive uzoraka natrijumovih soli karboksimetil-skrobova sintetisanih od skroba iz krompira i skroba iz kukuruza snimanih pri različitim brzinama zagrevanja prikazane su na slici 4-46. Kao što se vidi sa slike 4-46, slično termogravi- metrijskim krivama kisele forme H-CMS, do gubitka mase u uzorcima dolazi već pri temperaturama ispod 50 oC. Gubitak mase na niskim temperaturama je posledica otparavanja slobodne vlage iz uzoraka. Moglo bi se reći da se otparavanje vode iz uzoraka završava do temperature od oko 150 do 200 oC. Pri brzini snimanja od 10 oC/min zaostala masa nakon otparavanja vode iznosi oko 90 do 92 mas.% što znači da je sadržaj slobodne vlage u uzorcima oko 8 do 10 mas.%. Glavni stupanj termičke degradacije počinje pri temperaturama iznad 220 oC i završava se na oko 320 oC. Opseg u kome dolazi do termičke 91 degradacije uzoraka je nešto malo širi nego kod skroba gde glavni stupanj termičke degradacije počinje oko 250 a završava se na oko 320 oC. 0 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 100 m as a, % t, oC 2.5 5 10 20 0 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 100 m as a, % t, oC 2.5 5 10 20 CMS1 CMS2 0 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 100 m as a, % t, oC 2.5 5 10 20 0 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 100 m as a, % t, oC 2.5 5 10 20 CMS3 CMS4 0 100 200 300 400 500 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 m as a, % t, oC 2.5 5 10 20 0 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 100 m as a, % t, oC 2.5 5 10 20 CMS5 CMS6 Slika 4-46 Termogravimetrijske krive uzoraka karboksimetil-skrobova u obliku natrijumovih soli sintetisanih iz krompira i kukuruza snimane pri brzinama zagrevanja od 2.5, 5, 10 i 20 oC/min u atmosferi azota (20 cm3/min). Na slici 4-47 prikazane su termogravimetrijske krive uzoraka skroba i karboksimetil-skro- bova u obliku natrijumove soli snimane u atmosferi azota pri brzini zagrevanja od 10 oC/min. Sa slike 4-47 se vidi da do temperature od 150 oC do 200 oC termogravimetrijske krive uzoraka CMS formiraju zajedničku krivu. U ovom opsegu temperatura dolazi do otparavanja vode iz uzoraka. Dalje povećanje temperature dovodi do drastičnog pada mase. Do temperature od oko 300 oC odigrava se glavni proces termičke degradacije. Nakon ove 92 temperature gubitak mase je takoreći linearna funkcija temperature, a krive za uzorke razli- čitih stepena supstitucije su međusobno paralelne. Kod uzoraka CMS sintetisanih od skroba iz krompira termogravimetrijske krive u oblasti najizraženije degradacije se jako malo međusobno razlikuju. Moglo bi se reći da je početak ove faze degradacije blago zavisan od stepena supstitucije a da se sa povećanjem stepena supstitucije temperatura na kojoj počinje ova faza termičke degradacije pomera ka višim vrednostima. Nagib krive opada sa povećanjem stepena supstitucije, tj. brzina gubitka mase sa porastom temperature raste, što ukazuje na jednostavniji mehanizam termičke degradacije, suprotno ponašanju kisele forme H-CMS. Očigledno da COO- grupe ne dovode do stabilizacije uzorka za razliku od COOH-grupa. Kod lignina je pokazano da katjoni imaju ključnu ulogu pri termičkoj degradaciji[121], što može i ovde biti slučaj. 0 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 100 m as a, % t, oC skrob iz krompira CMS1 CMS2 CMS3 0 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 100 m as a, % t, oC Kukuruzni skrob CMS4 CMS5 CMS6 Slika 4-47 Termogravimetrijske krive uzoraka karboksimetil-skroba u obliku natrijumove soli sintetisanih iz krompira i kukuruza snimane pri brzini zagrevanja od 10 oC/min u atmosferi azota (20 cm3/min). Kod uzoraka CMS sintetisanih od skroba iz kukuruza postoje značajnije razlike u ponašanju prilikom termičke degradacije uzorka. Početak glavne faze termičke degradacije se značajno pomera sa povećanjem stepena supstitucije. U tabeli 4-17 prikazane su vrednosti stepena supstitucije, temperatura na kojima počinje i završava se glavni proces termičke degradacije i preostale mase uzoraka na 500 oC. Tabela 4-17 Vrednosti stepena supstitucije, temperature početka, To, i kraja, Tf, glavnog procesa degradacije, preostala masa uzoraka CMS u obliku soli na temperaturi od 500 oC, udeo Na i Na2O u uzorcima (izračunat iz DS-a) i razlika u preostaloj masi CMS-a u obliku soli i kiselom obliku Uzorak DS To, oC Tf, , oC m(500 oC) m(Na), % m(Na2O), % Δm(500 oC)Na,H CMS1 0,90 250 305 35,6 8,8 14,9 15.3 CMS2 0,81 230 305 33,0 8,2 13,9 12.7 CMS3 0,40 230 315 28,9 4,7 8,0 8.6 CMS4 0,50 200 305 28,8 5,7 9,7 8.5 CMS5 0,70 235 305 33,5 7,4 12,5 13.2 CMS6 1,10 250 305 38,8 10,1 17,1 18.5 Kao što se vidi iz tabele 4-17 i sa slike 4-48 preostala masa na 500 oC zavisi od stepena supstitucije uzoraka. Preostala masa na 500 oC linearna je funkcija stepena supstitucije (slika 4-48) . Kod kiselog oblika CMS-a preostala masa na 500 oC ne zavisi od stepena supstitucije i iznosi 20,3 + 2.3 mas.%. Razlika između kisele forme CMS-a i CMS-a u obliku soli je prisustvo Na koji zaostaje u uzorku i pri visokim temperaturama. Količina Na u uzorcima je prikazana u tabeli 4-17 i kreće se od 4,7 do 10,1 mas.%, ili preračunato na Na2O od 8 do 17,1 mas. %. Razlika između preostale mase u uzorcima CMS-a u obliku soli i kiselom obliku kreće se od oko 8.5 do oko 18.5 mas.%. Ove vrednosti su u dobroj saglasnosti i 93 ukazuju da razlika u preostaloj masi na 500 oC između CMS-a u obliku soli i kiselom obliku potiče od Na2O. 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 0 10 20 30 40 50 A = 22.4 + 1.3 B = 14.6 + 1.6 pr eo st al a m as a, % DS Slika 4-48 Masa uzoraka CMS-a u obliku natrijumove soli preostala na 500 oC u zavisnosti od stepena supstitucije Pored vrednosti preostale mase na 500 oC u tabeli 4-17 prikazane su i ostale karakteristične degradacione temperature sa termogravimetrijskih krivih snimljenih pri brzini zagrevanja od 10 oC/min, kao što su početak glavnog stupnja termodegradacije i kraj ovog procesa. Glavni stupanj termodegradacije završava se na temperaturi od oko 305 oC, a početak zavisi od stepena supstitucije i kreće se od 200 do 250 oC. U tabeli 4-18 i na slici 4-49 prikazane su karakteristične temperature degradacije (tempera- ture pri 5 i 50 mas.% degradiranog uzorka) u zavisnosti od stepena supstitucije. Tabela 4-18 Karakteristične temperature degradacije ispitivanih uzoraka skroba i karboksimetil-skroba u kiselom obliku i obliku soli T5%, oC T50%, oC Uzorak DS Kiseo oblik Oblik Soli Kiseo oblik Oblik soli Skrob iz krompira 0 277 277 295 295 CMS1 0.90 160 117 324 296 CMS2 0.81 168 115 314 294 CMS3 0.40 204 112 305 293 Skrob iz kukuruza 0 278 278 304 304 CMS4 0.50 195 95 312 287 CMS5 0.70 186 110 324 291 CMS6 1.1 178 100 334 337 Kod uzoraka u kiseloj formi karakteristične temperature zavise od stepena supstitucije. Temperatura na kojoj dolazi do gubitka 5 mas.% uzorka opada sa porastom stepena supstitucije. Ranije je pomenuto da prilikom termogravimetrijskog ispitivanja uzoraka CMS- a u kiseloj formi oko 4 mas.% čini vlaga. Nakon otparavanja vlage dolazi do degradacije COOH-grupa na spoljašnjosti čestice. Kako sa porastom ukupnog stepena supstitucije raste i broj COOH-grupa na spoljašnosti čestice to je i temperatura na kojoj dolazi do gubitka 5 mas. % uzorka niža. Temperatura na kojoj dolazi do gubitka 50 mas.% uzorka CMS-a u kiseloj formi raste sa porastom stepena supstitucije. Kao što je ranije napomenuto ovo je posledica pojačanih veza unutar čestice uslovljenih jačim vodoničnim vezama koje se uspostavljaju zahvaljujući prisustvu COOH-grupa. 94 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0 50 100 150 200 250 300 350 T50%(so)=293 oC T50%(kis)=298.27 + 28.99 DS T5%(kis)=218.5 - 49.9 DS T5%(so)=108.8 oC T5kis T5so T50kis T50so Te m pe ra tu ra , o C DS Slika 4-49 Zavisnost karakterističnih temperatura degradacije od stepena supstitucije Sa slike 4-49 se vidi da karakteristične temperature degradacije uzoraka CMS-a u obliku soli ne zavisi od stepena supstitucije. Prosečna vrednost temperature na kojoj dolazi do gubitka 5 mas.% uzorka je oko 109 oC, a prosečna vrednost temperatura na kojoj dolazi do gubitka 50 % mase je oko 293 oC. 4.2.5.4 Analiza diferencijalnih termogravimetrijskih krivih Diferencijalna termogravimetrijska kriva skroba iz krompira i kukuruza snimane pri brzini od 10 oC/min su prikazane na slici 4-50. Sa slike 4-50 se vidi da postoje oštri pikovi kod oba tipa skroba. 0 100 200 300 400 500 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 krompir kukuruz dm /d t t, oC Slika 4-50 Diferencijalne termogravimetrijske krive skroba iz krompira i kukuruza snimane pri brzini zagrevanja od 10 oC/min u atmosferi azota (20 cm3/min). Pikovi imaju Gausovski oblik raspodele brzina razgradnje sa maksimumima na 289 oC kod skroba iz krompira i 302 oC kod skroba iz kukuruza. Slična vrednost (305 oC) je dobijena za skrob iz pšenice[69]. Pri ovoj temperaturi dolazi do pirolize skroba uz oslobađanje CO2, CO, vode, acetaldehida, furana i 2-metil-furana[119]. Na ovoj temperaturi DTA pokazuje endo- termni proces[69, 122]. Širina na polovini pika je 15 oC za skrob iz krompira i 18,5 oC za skrob iz kukuruza. Kod termogravimetrijske analize kukuruznog skroba uočavaju se dva pika. Intenzitet prvog pika je daleko manji od drugog pika i javlja se na nižim temperaturama: 256 oC (pri brzini 2,5 oC/min), 266 oC (pri brzini 5 oC/min), 276 oC (pri brzini 10 oC/min) i 290 oC (pri brzini 20 oC/min). Slična pojava je uočena i u radu L.S. Guinesi i saradnika[119] i radu P.Aggarwal-a i D. Dollimore-a[123]. 95 Na slici 4-51 prikazane su diferencijalne termogravimetrijske krive uzoraka CMS u kiseloj formi i obliku soli sintetisanih od skroba iz krompira i kukuruza a snimane pri brzini od 10 oC/min. Sa slike 4-51 se vidi da je širina pikova kod uzoraka u kiseloj formi (slika 4-51a i 4- 51b) daleko veća nego što je širina pikova prilikom termičke degradacije skroba (slika 4-50). Takođe, može se učiti da se temperatura na kojoj se postiže maksimum pika povećava sa povećanjem stepena supstitucije (tabela 4-19). 0 100 200 300 400 500 H-CMS1 H-CMS2 H-CMS3 dm /d t t, oC a 0 100 200 300 400 500 H-CMS4 H-CMS5 H-CMS6 dm /d t t, oC b 0 100 200 300 400 500 CMS1 CMS2 CMS3 dm /d t t, oC c 0 100 200 300 400 500 CMS4 CMS5 CMS6 dm /d t t, oC 10 K/min d Slika 4-51 Diferencijalne termogravimetrijske krive uzoraka karboksimetil-skrobova u kiseloj formi sintetisanog iz a) skroba iz krompira i b) skroba iz kukuruza i u obliku soli sintetisanog iz c) skroba iz krompira i d) skroba iz kukuruza snimane pri brzini zagrevanja od 10 oC/min u atmosferi azota (20 cm3/min). Na slici 4-51c i 4-51d prikazane su diferencijalne termogravimetrijske krive uzoraka CMS u obliku soli. Sa slike 4-51 se vidi da je širina pika daleko manja nego prilikom termičke degradacije kisele forme CMS-a. Širina pika se smanjuje sa porastom stepena supstitucije, dok temperatura na kojoj se postiže maksimum pika jako malo raste sa porastom DS pogotovo kod uzoraka sintetisanih iz skroba iz krompira. Širina pika na DTG krivoj karboksimetil-skroba u obliku soli je znatno manja nego kod karboksimetil-skroba u kiselom obliku. Sa DTG krivih kiselog oblika karboksimetil-skroba (slike 4-51a i 4-51b) se vidi da glavni proces termičke degradacije nije prosta reakcija već da se sastoji bar iz dva procesa. Pikove u DTG krivoj moguće je razdvojiti kao što je to prikazano na slici 4-52 za uzorak H-CMS1. Na ovaj način dobijaju se dva pika koji imaju gausovsku raspodelu brzina degradacije. Temperature na kojima se postiže maksimum ovih pikova i širine polovine pikova prikazane su u tabeli 4-19. Iz tabele 4-19 se vidi da sa porastom DS dolazi do porasta temperature na kojoj se postiže maksimalna brzina degradacije. 96 0 100 200 300 400 500 Data: ZS110G_D Model: Gauss Equation: y=y0 + (A/(w*sqrt(PI/2)))*exp(-2*((x-xc)/w)^2) Weighting: y No weighting Chi^2/DoF = 0.06754 R^2 = 0.99056 y0 -0.96292 ±0.03561 xc1 307.97772 ±0.48184 w1 33.21852 ±0.76014 A1 -348.39079 ±9.88659 xc2 352.68089 ±1.81122 w2 34.96161 ±2.94022 A2 -101.37355 ±10.05121 t, oC Slika 4-52 Razdvajanje pikova na DTG uzorka H-CMS1 Položaj drugog pika se takođe pomera ka višim vrednostima temperature. Položaj prvog pika kod uzorka H-CMS3 (286 oC) je bliska položaju pika skroba iz krompira (289 oC) a uzorka H-CMS4 (305 oC) položaju pika kod skroba iz kukuruza (302 oC). Uzorci sa najvišim stepe- nima supstitucije (H-CMS1 i H-CMS6) imaju Tp na oko 20 oC višoj temperaturi. Razlika između temperatura I i II pika kreće se od 45 do 55 oC. Položaji ovih pikova su u saglasnosti sa rezultatima P. Capek-a i saradnika[69]. Ovi autori su ispitujući termička svojstva karboksimetil-skroba uočili postojanje egzotermne hemijske reakcije u oblastima od 281-289 oC i 340-380 oC. Tabela 4-19 Temperature na kojima brzina degradacije dostiže maksimum, Tp, i širine polovine pika, W, razdvojenih pikova krivih DTG uzoraka CMS-a u kiselom obliku i obliku soli Kisela forma Oblik soli I pik II pik I pik II pik Uzorak Tp, oC W, oC Tp, oC W, oC Tp, oC W, oC Tp, oC W, oC CMS1 308 33 353 35 282 16 CMS2 297 31 347 43 280 22 CMS3 286 32 342 53 278 26 CMS4 305 32 354 25 236 34 275 28 CMS5 310 36 355 32 269 23 282 16 CMS6 325 40 371 26 281 16 285 3.5 Ispitivanja otpornosti CMS-a u obliku soli na termičku degradaciju pokazala su postojanje razlike između uzoraka sintetisanih od skroba iz kukuruza i skroba iz krompira. Kod uzoraka sintetisanih od skroba iz krompira uočava se jedan pik čija je širina slična širini pika dobije- nog termičkom degradacijom čistog skroba iz krompira, a položaj pikova je nešto malo ispod položaja pika kod čistog krompira. Kod ovih uzoraka položaj pika se skoro ne menja sa stepenom supstitucije. Kod uzoraka sintetisanih iz kukuruznog skroba primećeno je postoja- nje dva pika, prvi slabijeg i drugi jačeg intenziteta. Položaj drugog pika je za oko 20 oC niži od položaja prvog pika kod čistog kukuruznog skroba. Sa porastom stepena supstitucije položaji oba pika se pomeraju ka višim temperaturama. Takođe, razlika između temperatura maksimuma brzine degradacije, tj. pikova, se sa porastom stepena supstitucije smanjuje od 39 oC koliko iznosi za CMS4 do 4 oC koliko iznosi za CMS6. 97 4.2.5.5 Prividna energija aktivacije termičke degradacije Kod čvrstih polimernih materijala se pretpostavlja da se termička degradacija odigrava prema sledećoj reakcionoj šemi: )()()( gcCsbBsaA +⎯→ (4-15) pa se brzina hemijske reakcije može se opisati na sledeći način: nn kkC d dC )1( d d ili ατ α τ −== (4-16) gde je C - koncentracija komponente C, k - konstanta hemijske reakcije, α - stepen konver- zije, a n – red hemijske reakcije. Ako degradacija kreće na T0 a temperatura se linearno povećava T = T0 + β’τ, gde je β’ konstantna brzina zagrevanja, onda se termička degradacija može opisati jednačinom (2-68). Termička degradacija uzoraka skroba i karboksimetil-skrobova u kiselom obliku i obliku soli je izvođena u atmosferi azota pri brzinama zagrevanja od 2.5, 5, 10 i 20 K/min. Upotrebom OFW – metode određene su energije aktivacije termičke degradacije. Na slici 4-53 prikazane su energije aktivacije termičke degradacije uzoraka karboksimetil-skroba sintetisanog od oba tipa skroba (krompir, kukuruz) i u obe forme (kiseo oblik, oblik soli). 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 0 100 200 300 )500()0( )0( mm mm − − CMS1 CMS2 CMS3 skrob iz krompira E ad , k J/ m ol K a) 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 0 100 200 300 )500()0( )0( mm mm − − CMS4 CMS5 CMS6 skrob iz kukuruza E ad , k J/ m ol K b) 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 0 100 200 300 )500()0( )0( mm mm − − CMS1Na CMS2Na CMS3Na skrob iz krompira E ad , k J/ m ol K c) 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 0 100 200 300 )500()0( )0( mm mm − − CMS4Na CMS5Na CMS6Na skrob iz kukuruza E ad , k J/ m ol K d) Slika 4-53 Energija aktivacije termičke degradacije uzoraka skroba i karboksimetil-skroba u kiselom obliku i obliku soli (a) kiseo oblik (skrob iz krompira); (b) kiseo oblik (skrob iz kukuruza); (c) oblik soli (skrob iz krompira); (d) oblik soli (skrob iz kukuruza) Sa slike 4-53 (a i b) se vidi da je energija aktivacije termičke degradacije skroba u glavnoj fazi nezavisna od stepena gubitka mase što ukazuje na jednostavnost degradacije skroba u glavnom procesu. Energije aktivacije iznose 130 kJ/mol za degradaciju skroba iz krompira i oko 137 kJ/mol za degradaciju skroba iz kukuruza. Vrednost energije aktivacije termičke degradacije skroba iz krompira je saglasna literaturnim rezultatima[119] dok su vrednosti za 98 energiju aktivacije termičke degradacije skroba iz krompira za oko 10 % manje. Kod uzora- ka H-CMS sintetisanih od skroba iz krompira a koji se nalaze u kiselom obliku energija aktivacije raste sa porastom stepena odigravanja reakcije. Ovo ukazuje na kompleksnost procesa termičke degradacije. Nagib krive zavisnosti energije aktivacije od stepena konverzije raste sa povećanjem stepena supstitucije. Slična je situacija i kod uzoraka H-CMS sintetisanih iz kukuruznog skroba. Na slici 4-53 (c i d) prikazane su energije aktivacije termičke degradacije uzoraka CMS u obliku soli. Kod svih uzoraka CMS-a u obliku soli energija aktivacije glavnog procesa degradacije se praktično ne menja sa stepenom konverzije i ima vrednosti u intervalu od 130 do 140 kJ/mol za uzorke sintetisane od skroba iz krompira i od 120 do 135 kJ/mol za uzorke sintetisane od skroba iz kukuruza. Za razliku od ponašanja uzoraka u kiseloj formi, termička degradacija uzoraka u obliku soli je karakterisana jednostepenim procesom degradacije. 99 4.3 Svojstva katjonskog skroba 4.3.1 Ponašanje u razblaženim rastvorima – oblik i veličina makro- molekula katjonskog skroba Za razliku od karboksimetil-skroba, katjonski skrob je daleko detaljnije izučavan. Postoji veliki broj radova u kojima je izučavana sama hemijska reakcija katjonizacije i uticaj razli- čitih reakcionih parametara na prinos i reakcionu efikasnost. Optimizacija hemijske reakcije katjonizacije skroba i karakterizacija hemijske građe katjonskog skroba je takođe dobro obrađena[19,124-134,145]. Pored toga ispitivana su i svojstva katjonskog skroba u razblaženim rastvorima[135-141], kao i primenska svojstva katjonskog skroba[142] pogotovo adsorpciona[20, 21, 143-149]. Enzimska degradacija katjonskog skroba je takođe izučavana[150, 151] Kao što smo već pomenuli svojstva skroba između ostalog zavise i od biljnog porekla. Jedan od važnih parametara koji utiče kako na svojstva skroba tako i njegovih derivata je molarna masa. Molarne mase makromolekula skroba zavise od biljnog porekla skroba, a samim tim i molarne mase derivata skroba zavise od biljnog porekla. Dobijanje željenih molarnih masa kako skroba tako i derivata skroba se može ostvariti različitim vidovima degradacije (termi- čka, hemijska, mehanička, enzimska i metodama zračenja). Jedan od pogodnih načina degradacije je ultrazvučna degradacija jer ne dovodi do promena u hemijskoj građi makro- molekula, a dobijeni makromolekuli odlikuju se užom raspodelom molarnih masa u odnosu na polazni materijal, što kod ostalih vidova degradacije uglavnom nije slučaj. U ovom delu rada ispitivan je uticaj vremena ultrazvučne degradacije na svojstva makromo- lekula katjonskog skroba (MW, Rg, Rh, ρ, IPD) u razblaženim rastvorima i uticaj koncentra- cije NaCl u vodi na oblik makromolekula katjonskog skroba upotrebom statičkog i dinamič- kog rasipanja svetlosti i gel-propusne hromatografije. Kao što je ranije pomenuto (poglavlje 3.5.2) uzorci za ispitivanje su pripremani ultrazvučnom degradacijom sintetisanog katjon- skog skroba. Uzorak je podvrgavan ultrazvučnoj degradaciji u vremenskim periodima od 0, 5, 15, 30 i 60 min. Shodno vremenu degradacije uzorci su označeni kao KS0, KS5, KS15, KS30 i KS60. Za određivanje molarne mase, poluprečnika rotacije i drugog virijalnog koeficijenta određeni su priraštaji indeksa prelamanja svetlosti uzoraka KS u vodi i rastvorima soli (poglavlje 3.6.1). Za razliku od karboksimetil-skroba gde je priraštaj indeksa prelamanja svetlosti zavisio i od uzorka i od tipa rastvarača, kod katjonskog skroba dn/dc je identičan i za degradirane i za nedegradirani uzorak katjonskog skroba a dn/dc za ispitivane uzorke zavisi samo od rastvarača. Vrednosti priraštaja indeksa prelamanja svetlosti katjonskog skrob u zavisnosti od tipa korišćenog rastvarača su prikazane u tabeli 4-20. Tabela 4-20 Vrednosti priraštaja indeksa prelamanja svetlosti uzoraka katjonskog skroba u zavisnosti od tipa korišćenog rastvarača pri talasnoj dužini od 436 nm i temperaturi od 25 oC c(NaCl), mol/dm3 dn/dc 0 0,1495 0.001 0,1542 0.01 0,1488 0.1 0,1385 Kao što se iz tabele 4-20 može videti dn/dc u vodi ima nižu vrednost nego u 0,001 mol/dm3 rastvoru NaCl, što je uobičajeno kod rastvora polielektrolita[32, 152]. Dalje povećanje jonske jačine dovodi do opadanja dn/dc. Molarne mase, poluprečnici rotacije i drugi virijalni koeficijent su određeni upotrebom Cimove, Berijeve i Guinierove metode. Izbor metode je zavisio od izgleda krive zavisnosti Kc/Rθ, o čemu će kasnije biti više reči. Vrednosti molarnih masa, drugog virijalnog koefici- 100 jenta, poluprečnika rotacije određenih metodom statičkog rasipanja svetlosti su prikazane u tabeli 4-21 zajedno sa vrednostima koeficijenta difuzije i hidrodinamičkog poluprečnika koji su određeni metodom dinamičkog rasipanja svetlosti. Tabela 4-21 Molekulski parametri katjonskih skrobova u različitim rastvaračima određeni metodama statičkog i dinamičkog rasipanja svetlosti pri tempe- raturi od 25 oC DZ 1012, m2/s Rh, nm Uzorak C(NaCl), mol/dm3 MW 10-6, g/mol A2 106, mol cm3/g2 Rg, nm srednje srednje ρ 0 10,5 45 223 0,767 319,8 0,728 0,001 20,1 99 199 1,199 204,5 0,973 0,01 15,2 34 177 1,665 147,1 1,203 KS0 0,1 22,2 6 134 1,610 151,1 0,887 0 8,2 79 198 0,818 299,8 0,664 0,001 10,5 51 164 1,322 185,5 0,884 0,01 10,7 0 135 1,515 161,7 0,835 KS5 0,1 15,0 16 115 2,062 118,1 0,974 0 10,0 91 173 0,974 251,7 0,687 0,001 8,71 15 132 1,493 164,2 0,804 0,01 11,9 14 121 1,630 150,3 0,805 KS15 0,1 11,7 -13 101 1,932 126 0,802 0 4,7 113 87 1,612 152,2 0,572 0,001 6,19 74 107 2,130 115,1 0,929 0,01 7,15 21 95 2,547 96,2 0,988 KS30 0,1 7,64 -23 81 2,917 83,4 0,971 0 3,4 112 70 1,578 155,5 0,450 0,001 6,02 94 106 2,394 102,4 1,035 0,01 6,07 15 89 KS60 0,1 6,37 15 84 Koeficijent difuzije je određivan upotrebom Cumulant metode. Parametar ρ je dobijen kao odnos poluprečnika rotacije i hidrodinamičkog poluprečnika. Prilikom određivanja koefici- jenta difuzije utvrđeno je da relaksacione brzine ne zavise od koncentracije rastvora katjon- skog skroba, što znači da je vrednost parametra kD u jednačini (2-18) jednaka 0 ili bliska ovoj vrednosti. Na slici 4-54 prikazana je zavisnost prividnog koeficijenta difuzije od q2 za uzorke KS0 u 0,001 mol/dm3 NaCl i KS30 u 0,01 mol/dm3 NaCl pri različitim koncentraci- jama rastvora katjonskog skroba. 0 1x1014 2x1014 3x1014 4x1014 5x1014 6x1014 7x1014 0.0 5.0x10-13 1.0x10-12 1.5x10-12 2.0x10-12 2.5x10-12 3.0x10-12 0.192 g/l 0.383 g/l 0.460 g/l D ap p( c, q) q2, m-2 0 1x1014 2x1014 3x1014 4x1014 5x1014 6x1014 7x1014 0.0 1.0x10-12 2.0x10-12 3.0x10-12 4.0x10-12 0.189 g/l 0.284 g/l 0.378 g/l 0.472 g/l D ap p( c, q) q2, m-2 Slika 4-54 Zavisnost prividnog koeficijenta difuzije od q2 pri različitim koncentracija rastvora katjonskog skroba. a) KS0 u 0.001 mol/dm3 NaCl; b) KS30 u 0.01 mol/dm3 NaCl 101 4.3.1.1 Uticaj vremena ultrazvučne degradacije na veličinu makromolekula katjonskog skroba Uticaj vremena ultrazvučne degradacije na svojstva katjonskog skroba ispitivan je metodama statičkog rasipanja svetlosti, dinamičkog rasipanja svetlosti i gel-propusnom hromato- grafijom. Na slici 4-55 prikazana je promena molarne mase uzoraka, poluprečnika rotacije, hidrodinamičkog poluprečnika i parametra ρ katjonskog skroba u vodi kao rastvaraču sa vremenom ultrazvučne degradacije katjonskog skroba. 0 10 20 30 40 50 60 5.0x106 1.0x107 1.5x107 2.0x107 0 50 100 150 200 250 300 350 M W , g /m ol vreme, min MW Rg Rh R g, R h, nm a) 0 10 20 30 40 50 60 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 voda 0.001 M NaCl 0.01 M NaCl 0.1 M NaCl ρ vreme, min krute sfere meke sfere mikrogel b) Slika 4-55 Uticaj vremena ultrazvučne degradacije na a) molarnu masu, poluprečnik rotacije, hidrodinamički poluprečnik u vodi i b) i parametar ρ katjonskog skroba u vodi i rastvorima soli Ultrazvučnom degradacijom molarna masa katjonskog skroba opada i asimptotski teži vrednosti od oko 5 106 g/mol. Sa povećanjem vremena ultrazvučne degradacije opadaju vrednosti molarne mase, poluprečnika rotacije i hidrodinamičkog poluprečnika. Zavisnost hidrodinamičkog poluprečnika i poluprečnika rotacije od vremena ultrazvučne degradacije ima sličan oblik. Na slici 4-55b prikazan je uticaj vremena ultrazvučne degradacije na vrednost parametra ρ. U vodi kao rastvaraču parametar ρ opada sa vremenom ultrazvučne degradacije od 0,728 za uzorak KS0 do 0,450 koliko iznosi za uzorak KS60. Vrednost parametra ρ uzorka KS0 u vodi je nešto malo niža od vrednosti koja opisuje ponašanje krute sfere. Vrednost parametra ρ za uzorak KS60 nalazi se u oblasti koja opisuje ponašanje mikrogelova. Na osnovu promena vrednosti parametra ρ može se zaključiti da ultrazvučna degradacija dovodi do porasta segmentalne gustine makromolekula. U poglavlju 2.5.7 pomenuto je da ultrazvučna degradacija za razliku od ostalih tipova degradacije (termička, enzimska itd.) dovodi do suženja raspodele molarnih masa. Da bi se ispitao uticaj vremena ultrazvučne degradacije na raspodelu molarnih masa, uzorci su ispitivani gel-propusnom hromatografijom. Na slici 4-56 prikazani su rezultati GPC uzoraka KS0, KS5, KS15, KS30. Sa povećanjem vremena ultrazvučne degradacije položaj maksimuma pomera ka višim vrednostima eluirane zapremine, a širina pika se smanjuje. Ovo ukazuje da se molarna masa i širina raspodele molarnih masa smanjuju sa vremenom ultrazvučne degradacije. Interesantno je da se pri dužim vremenima ultrazvučne degradacije nazire dodatni pik koji se javlja pri višim vrednostima eluirane zapremine rastvarača, tj. pri nižim molarnim masama. Da bi odredili raspodelu molarnih masa potrebno je uspostaviti korelaciju između eluirane zapremine i molarnih masa. Eluirana zapremina je povezana sa molarnom masom preko sledeće zavisnosti[24, 25, 60, 153]: ii VM ∝log (4-17) 102 Molarne mase uzoraka su određene metodom statičkog rasipanja svetlosti. Sa grafika prika- zanog na slici 4-56 potrebno je odrediti zapreminu eluiranog rastvarača koja odgovara molarnoj masi srednjoj po masenoj zastupljenosti. 12 13 14 15 16 17 18 0 2 4 6 8 KS0 KS5 KS15 KS30 w i, m as .% V, cm3 dodatni pik Slika 4-56 GPC elucioni dijagram uzoraka katjonskog skroba U GPC, srednja molarna masa po masenoj zastupljenosti, MW je: ∑ ∑= i ii W c Mc M (4-18) a srednja molarna masa po brojnoj zastupljenosti, Mn: ∑ ∑= Mi c c M i i n (4-19) Kombinovanjem jednačine (4-17) i (4-18) dobija se: ∑ ∑= i Vi iV w w W 10 10 (4-20) gde je wi maseni udeo frakcije koju eluira zapremina Vi. Konstruisanjem grafika wi od 10Vi moguće je odrediti vrednost VW za svaki uzorak. VW je eluirana zapremina koja odgovara srednjoj vrednosti molarne mase po masenoj zastupljenosti. Upotrebom molarnih masa, MW, određenih upotrebom statičkog rasipanja svetlosti i vrednosti VW iz GPC konstruisan je (kalibracioni) grafik zavisnosti log MW od VW (slika 4-57). 13 14 15 16 17 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 7.0 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 odsecak = 10.60 + 0.14 nagib = -0.236 + 0.010 lo g M W V W , cm3 Slika 4-57 Kalibracioni grafik gel-propusne hromatografije uzoraka katjonskog skroba 103 Vrednosti MW korišćene za konstrukciju grafika predstavljaju aritmetičku sredinu molarnih masa (tabela 4-21), MW, određenih u rastvorima soli upotrebom statičkog rasipanja svetlosti. (Molarne mase, MW, u vodi kao rastvaraču nisu uzete u obzir zbog njihovih nerealnih vred- nosti, poglavlje 2.5.5). Upotrebom kalibracionog dijagrama određene su vrednosti molarnih masa za eluirane zapremine i konstruisan grafik raspodele molarnih masa (slika 4-58). 106 107 108 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 w i MW, g/mol KS0 KS5 KS15 KS30 Uzorak MW,GPC Mn,GPC IPD kg/mol kg/mol KS0 19.2 10.75 1.786 KS5 14.3 9.00 1.589 KS15 10.8 7.50 1.440 KS30 7.0 5.77 1.213 Slika 4-58 Raspodela molarnih masa uzoraka katjonskog skroba Sada je moguće odrediti molarne mase srednje po masenoj zastupljenosti, Mn, kao i indeks polidisperznosti, IPD (tabela 4-22 ). Tabela 4-22 Vrednosti molarnih masa određenih statičkim rasipanjem svetlosti i gel- propusnom hromatografijom i Uzorak LS 10-6 g/mol MW,GPC 10-6 g/mol Mn,GPC 10-6 g/mol IPD KS0 19,2 19,2 10,8 1,786 KS5 12,1 14,3 9,0 1,589 KS15 10,8 10,8 7,5 1,440 KS30 7,0 7,0 5,77 1,213 Vrednosti molarnih masa po brojnoj, Mn,GPC, i masenoj, MW,GPC zastupljenosti zajedno sa indeksom polidisperznosti su prikazane na slici 4-58. Kao što se sa slike 4-58 vidi indeks polidisperznosti opada sa vremenom ultrazvučne degradacije, što je u skladu sa očekiva- njima i rezultatima prisutnim u literaturi[53, 55-59, 154]. 4.3.1.2 Brzina ultrazvučne degradacije katjonskog skroba Brzina hemijske reakcije ultrazvučne degradacije može se predstaviti ²o broj raskinutih veza u jedinici vremena: akN dt dN =− Ukoliko se pretpostavi da je reakcija drugog reda dobija se: konstkt N +=1 ili kt NN =− 0 11 Broj veza na početku merenja je, N0 = Mn(0)/M0 - 1, a u nekom momentu vremena t, N = Mn(0)/M0 - 1. Mn(t) i Mn(0) molarne mase srednje po brojnoj zastupljenosti nakon vremena ultrazvučne degradacije, t, i nedegradiranog uzorka. M0 je molarna masa monomerne jedinice. Odavde je: 104 kt MM M MtM M nn =−−− 0 0 0 0 )0()( Uz uslov da je M0<