Badania strukturalne (FTIR, DRIFT) skrobi eteryfikowanej CMS-Na_0,6 pod kątem zastosowania w technologii mas formierskich

• Autorzy: Kaczmarska K. , Grabowska B.

Identyfikatory

DOI

10.7356/iod.2017.13

Warianty tytułu

EN

Structural studies (FTIR, DRIFT) of CMS-Na_0.6 etherified starch for applications in moulding sands technology

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Do badań strukturalnych (FTIR) i termoanalitycznych (DRIFT) skierowano modyfikowaną skrobię w postaci soli sodowej karboksymetyloskrobi (CMS-Na_0,6) w formie w yjściowej stanowiącej roztwór koloidalny oraz w postaci usieciowanej na drodze fizycznej (temperatura, promieniowanie mikrofalowe). Zmodyfikowaną skrobię CMS-Na_0,6 otrzymano na drodze eteryfikacji skrobi ziemniaczanej. W pierwszej części artykułu przedstawiono analizę strukturalną CMS-Na_0,6 przed i po usieciowaniu czynnikami fizycznymi w oparciu o wyniki badań spektroskopii w podczerwieni (FTIR) uzyskanych techniką transmisyjną. W drugiej części ustalono zmiany strukturalne w eteryfikowanej skrobi, stosując technikę spektroskopii rozproszonego odbicia w zakresie średniej podczerwieni (DRIFT), rejestrując widma on-line w zakresie temperatury 25−500°C. Na podstawie przebiegów otrzymanych widm IR stwierdzono, że podczas działania czynników fizycznych (temperatura, promieniowanie mikrofalowe) dochodzi do usieciowania koloidu CMS-Na_0,6 wskutek całkowitego odparowania wody rozpuszczalnikowej, a dalej dehydratacji i utworzenia wewnątrzcząsteczkowych i międzycząsteczkowych sieciujących wiązań wodorowych. Metodą spektroskopową DRIFT ustalono postęp termicznego rozkładu, jakiemu CMS-Na_0,6 podlegał podczas kontrolowanego wzrostu temperatury w zakresie 25−500°C. Ustalono, że proces degradacji termicznej rozpoczyna się już w temperaturze 280°C. Przeprowadzona analiza otrzymanych wyników badań strukturalnych stanowi dopełnienie prac badawczych w zakresie zastosowania eteryfikowanej skrobi jako spoiwa w technologii mas formierskich.

EN

Structural (FTIR) and thermo-analytic (DRIFT) studies were conducted on modified starch in the form of sodium salt of carboxymethyl starch (CMS-Na_0.6) in the initial state, i.e. a colloidal solution, and in a cross-linked form prepared by physical means (temperature, microwave radiation). Modified starch CMS-Na_0.6 was obtained by way of etherification of potato starch. The first part of the article presents the structural analysis of CMS-Na_0.6 before and after cross-linking by means of physical factors based on the results of infrared spectroscopy tests (FTIR) obtained with the use of the transmission technique. The second part identifies the structural changes in the etherified starch with the use of Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform spectroscopy (DRIFT), recording the spectra in the temperature range of 25−500°C. Based on the courses of the obtained IR spectra, it was established that during the operation of physical factors (temperature, microwave radiation), cross-linking of the colloid CMS-Na_0.6 was observed as a result of total evaporation of the solvent water and next dehydration and formation of intra- and intermolecular cross-linking hydrogen bonds. The spectroscopic method DRIFT was applied to determine the progress of the thermal decomposition of CMS-Na_0.6 during a controlled temperature increase in the range of 25−500°C. It was established that the process of thermal degradation begins already at 280°C. The performed analysis of the obtained structural test results constitutes a complementation of the research conducted in the scope of applying etherified starch as a binder in moulding sand technology.

Słowa kluczowe

PL

badania spektroskopowe; sieciowanie; spoiwo polimerowe; skrobia modyfikowana

EN

spectroscopic studies; cross-linking; polymer binder; modified starch

• Wydawca: Instytut Odlewnictwa
• Czasopismo: Prace Instytutu Odlewnictwa
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 57, no. 2
• Strony: 137--149
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kaczmarska K.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, Wydział Odlewnictwa, Katedra Inżynierii Procesów Odlewniczych, ul. Reymonta 23, 30-059 Kraków, Polska

autor

Grabowska B.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, Wydział Odlewnictwa, Katedra Inżynierii Procesów Odlewniczych, ul. Reymonta 23, 30-059 Kraków, Polska

Bibliografia

• 1. Buléon A., P. Colonna, V. Planchot, S. Ball. 1998. „Starch granules: structure and biosynthesis”. International Journal of Biological Macromolecules 23 (2) : 85−112.
• 2. Zhou X., J. Yang, G. Qu. 2007. „Study on synthesis and properties of modified starch binder for foundry”. Journal of Materials Processing Technology 183 (2−3) : 407−411, doi:10.1016/j.jmatprotec.2006.11.001.
• 3. Yu W., H. He, N. Cheng, B. Gan, X. Li. 2009. „Preparation and experiments for a novel kind of foundry core binder made from modified potato starch”. Materials and Design 30 (1) : 210−213, doi:10.1016/j.matdes.2008.03.017.
• 4. Spychaj T., K. Wilpiszewska, M. Zdanowicz. 2013. „Medium and high substituted carboxymethyl starch: Synthesis, characterization and application”. Starch/Stärke 65 (1−2) : 22−33, doi:10.1002/star.201200159.
• 5. Li H.P., S.S. Zhang, H. Jiang, B. Li, X. Li. 2011. „Effect of degree of substitution of carboxymethyl starch on diaspore depression in reverse flotation”. Transactions of Nonferrous Metals Society of China (English Edition) 21 (8) : 1868−1873, doi:10.1016/S1003-6326(11)60943-6.
• 6. Spychaj T., M. Zdanowicz, J. Kujawa, B. Schmidt. 2013. „Carboxymethyl starch with high degree of substitution: synthesis, properties and application”. Polimery 58 (7−8) : 501−630.
• 7. Nattapulwat N., N. Purkkao, O. Suwithayapan. 2009. „Preparation and application of carboxymethyl yam (Dioscorea esculenta) starch”. American Association of Pharmaceutical Scientists 10 (1) : 193−198, doi:10.1208/s12249-009-9194-5.
• 8. Tatongjai J., N. Lumdubwong. 2010. „Physicochemical properties and textile utilization of low- and moderate-substituted carboxymethyl rice starches with various amylose content”. Carbohydrate Polymers 81 (2) : 377−384, doi:10.1016/j.carbpol.2010.02.019.
• 9. Drożyński D., Z. Kurleto, K. Kaczmarska, B. Grabowska. 2015. „Analysis of selected technological properties of green sands with starch-based additives”. Metallurgy and Foundry Engineering 41 (2) : 65−70.
• 10. Kaczmarska K., B. Grabowska, D. Drożyński, P. Łątka. 2014. „Analysis of the stability selected properties of polymeric binder on the example of an aqueous solution of the modified starches”. Archives of Foundry Engineering 14 (sp. is. 3) : 25−30.
• 11. Kaczmarska K., B. Grabowska. 2016. „Potential of the application of the modified polysaccharides water solutions as binders”. Metalurgija 55 (1) : 15−18.
• 12. Kaczmarska K., B. Grabowska, D. Drożyński, A. Bobrowski, Ż. Kurleto, Ł. Szymański. 2016. „Modified polysaccharides as alternative binders for foundry industry”. Metalurgija 55 (4) : 839−842.
• 13. Kaczmarska K., B. Grabowska, D. Drożyński. 2014. „Analiza wybranych właściwości utwardzanych mikrofalowo mas formierskich wiązanych spoiwami na bazie skrobi”. Archives of Foundry Engineering 14 (sp. is. 4) : 51−54.
• 14. Grabowska B., M. Sitarz, E. Olejnik, K. Kaczmarska. 2015. „FT-IR and FT-Raman studies of cross-linking processes with Ca2+ ions, glutaraldehyde and microwave radiation for polymer composition of poly(acrylic acid)/sodium salt of carboxymethyl starch – Part I”. Spectrochimica Acta – Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 135 (25 January 2015) : 529−535, doi:10.1016/j.saa.2015.06.084.
• 15. Grabowska B., M. Sitarz, E. Olejnik, K. Kaczmarska, B. Tyliszczak. 2015. „FT-IR and FT-Raman studies of crosslinking processes with Ca2+ ions, glutaraldehyde and microwave radiation for polymer composition of poly(acrylic acid)/sodium salt of carboxymethyl starch – In moulding sands, Part II”. Spectrochimica Acta – Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 151 (5 December 2015) : 27−33, doi:10.1016/j.saa.2015.06.084.
• 16. Dębczak A., J. Ryczkowski. 2012. Spektroskopia IR w badaniach adsorbentów i katalizatorów. W Adsorbenty i katalizatory: wybrane technologie a środowisko, 175−203. Rzeszów: Uniwersytet Rzeszowski.
• 17. Kizil R., J. Irudayaraj, K. Seetharaman. 2002. „Characterization of irradiated starches by using FT-Raman and FTIR spectroscopy”. Journal of Agricultural and Food Chemistry 50 (14) : 3912−3918, doi:10.1021/jf011652p.
• 18. Kaczmarska K., B. Grabowska. 2013. „Analiza zmian strukturalnych w spoiwie skrobiowym sieciowanym na drodze fizycznej”. Archives of Foundry Engineering 13 (sp. is. 3) : 51−56.
• 19. Sekkal M., V. Dincq, P. Legrand, J.P. Huvenne. 1995. „Investigation of the glycosidic linkages in several oligosaccharides using FT-IR and FT Raman spectroscopies”. Journal of Molecular Structure 349 (1 April 1995) : 349−352, doi:10.1016/0022-2860(95)08781-P.
• 20. De Veij M., P. Vandenabeele, T. De Beer, J.P. Remon, L. Moens. 2009. „Reference database of Raman spectra of pharmaceutical excipients”. Journal of Raman Spectroscopy 40 (3) : 297−307, doi:10.1002/jrs.2125.
• 21. Schuster K.C., H. Ehmoser, J.R. Gapes, B. Lendl. 2000. „On-line FT-Raman spectroscopic monitoring of starch gelatinisation and enzyme catalysed starch hydrolysis”. Vibrational Spectroscopy 22 (1−2) : 181−190, doi:10.1016/S0924-2031(99)00080-6.
• 22. Vasko P.D., J. Blackwell, J.L. Koenig. 1971. „Infrared and Raman spectroscopy of carbohydrates. Part I: Identification of O-H and C-H related vibrational modes for D-glucose, maltose, cellobiose, and dextran by deuterium-substitution methods”. Carbohydrate Research 19 (3) : 297−310.
• 23. Vasko P.D., J. Blackwell, J.L. Koenig. 1972. „Infrared and Raman spectroscopy of carbohydrates. Part II: Normal and coordinate analysis of α-D-glucose”. Carbohydrate Research 23 (3) : 407−416.
• 24. Ambjörnsson H.A., K. Schenzel, U. Germgård. 2013. „Carboxymethyl cellulose produced at different mercerization conditions and characterized by NIR FT Raman spectroscopy in combination with multivariate analytical methods”. BioResources 8 (2) : 1918−1932.
• 25. Yuen S.-N., S.-M. Choi, D.L. Phillips, C.-Y. Ma. 2009. „Raman and FTIR spectroscopic study of carboxymethylated non-starch polysaccharides”. Food Chemistry 114 (3) : 1091−1098, doi:10.1016/j.foodchem.2008.10.053.
• 26. Budarin V., J.H. Clark, J.J.E. Hardy, R. Luque, K. Milkowski, S.J. Tavener, A.J. Wilson. 2006. „Starbons: New starchderived mesoporous carbonaceous materials with tunable properties”. Angewandte Chemie – International Edition 45 (23) : 3782−3786, doi:10.1002/anie.200600460.
• 27. Filho G.R., R.M.N. de Assunção, J.G. Vieira, C. da S. Meireles, D.A. Cerqueira, H. da Silva Barud, S.J.L. Ribeiro, Y. Messaddeq. 2007. „Characterization of methylcellulose produced from sugar cane bagasse cellulose: Crystallinity and thermal properties”. Polymer Degradation and Stability 9 2 (2) : 205−210, doi:10.1016/j.polymdegradstab.2006.11.008.
• 28. Pielichowski K., J. Njuguna (eds.). 2005. Thermal Degradation of Polymeric Materials. United Kingdom: Rapra Technology Limited.
• 29. Shuttleworth P.S., V. Budarin, R.J. White, V.M. Gun’ko, R. Luque, J.H. Clark. 2013. „Molecular-level understanding of the carbonisation of polysaccharides”. Chemistry − A European Journal 19 (28) : 9351−9357, doi:10.1002/chem.201300825.
• 30. Zhang X., J. Golding, I. Burgar. 2002. „Thermal decomposition chemistry of starch studied by 13C high-resolution solid-state NMR spectroscopy”. Polymer 43 (22) : 5791−5796.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).