塗料中澱粉與顏料助劑的作用機制論文

　　塗料在國民經濟發展中扮演著重要角色。但據統計，世界範圍內，從塗料中揮發到環境中的揮發性有機物(Volatile Organic Compound)達到 1000萬t，嚴重汙染著大氣環境。

　　隨著人們環保理念的不斷更新以及國家可持續發展戰略的不斷推進，希望科研工作者能夠開發出環境友好型綠色塗料，符合無汙染性、安全、零排放等特點，以代替傳統的汙染嚴重的溶劑型塗料。

　　由澱粉製備塗料可以解決環境汙染的問題，澱粉其降解能力強，汙染程度小，符合廣大群眾及環境的要求。因此，世界各國都都重視澱粉資源的開發、利用和研究。

　　目前，主要研究有色塗料的製備，即在由澱粉製備塗料中加入顏料助劑，使澱粉與顏料助劑相互作用，透過研究反應機理，改變澱粉的結構，使得塗料更易著色，塗料顏色不再單一。

　　1 助劑的性質

　　為了深層次研究澱粉基塗料的熱穩定性、防水性等效能，就必須要考慮所匹配的助劑與澱粉的相互作用。

　　根據顏色將助劑分為黃(PY)、橙(PO)、紅(PR)、藍(PB)、黑(PBk)、白(PW)、金屬助劑(PM)等幾大類。

　　根據結構可將助劑分為無機和有機2大類。無機助劑包括氧化物、硫化物、釩酸鹽、鉻酸鹽、鉬酸鹽、金屬等。有機助劑為偶氮顏料、酞菁顏料、多環顏料和其它顏料等。本論文主要討論無機助劑中的氧化物即TiO2，ZnO，Fe2O3和Cr2O3與澱粉的作用機制。

　　2 澱粉的結構

　　澱粉是複雜的高分子物質, 是葡萄糖的高聚體。澱粉有直鏈澱粉和支鏈澱粉2類。直鏈澱粉含有幾百個葡萄糖單元，支鏈澱粉澱粉含有幾千個葡萄糖單元。澱粉單體中有一級醇羥基，羥基氧原子上有孤對電子，可以給出電子，作為路易斯鹼，與接受電子的路易斯酸相互反應。澱粉單體中有六元環，環上有氧原子，具有吸電子的誘導效應。與一級醇相連的六元環使得位阻變大，一級醇相對穩定。

　　3 甲醇、環己基甲醇與顏料助劑的反應機理

　　甲醇CH3OH是結構最為簡單的飽和一元醇，甲醇中的氧原子有孤對電子。作為路易斯鹼，甲基的誘導效應很微弱，從軌道上分析，由於過渡態氧化物的特殊結構，位於d區都有d軌道，作為路易斯酸接受電子，甲醇與過渡態氧化物的反應就是路易斯酸鹼的反應，從理論上可以發生相互作用。根據洪特規則，TiO2，ZnO，Fe2O3和Cr2O3的金屬離子的電子排布，d電子排布為全空，半充滿和全滿的電子結構是穩定的，那麼對於鉻離子3d3是最活潑的全充滿狀態最穩定，因為電子軌道被全部佔據，每一個軌道的2個電子都處於飽和自旋狀態，電子不會輕易失去。而半充滿狀態就不會這樣穩定，因為半充滿狀態有一個軌道是空閒的，裡邊只有1個電子。當外部情況變化時，軌道里面的.一個電子很容易丟失，或者被外部電子進來佔據空閒的另1個軌道。也由於d層電子的遮蔽作用，使得最外層電子比較活潑。全空其實和全滿是同等的概念，因為1個能級沒有電子，那麼比它低的一個能級肯定是全充滿的，當然穩定。即 d 軌道穩定性 3d10>3d5>3d0>3d3，則甲醇與助劑氧化物的反應活性Cr2O3>TiO2>Fe2O3>ZnO。

　　4 澱粉與顏料助劑的反應機理

　　過渡態氧化物與澱粉單體反應，從電子效應上看，澱粉單體中由於五號原子為氧原子，氧原子的電負性大於碳原子，為吸電子誘導效應(不超過3個原子)，它透過鏈的傳遞，使七號碳原子的電子雲密度降低，不易給出電子;從軌道效應上看，過渡態氧化物接受伯醇的氧原子的孤對電子，形成配位鍵，使塗料中澱粉與顏料助劑發生相互作用，以及澱粉單體與過渡態氧化物的反應活性也是Cr2O3>TiO2>Fe2O3>ZnO。

　　透過研究甲醇、環己基甲醇與氧化物的反應機理，拓展到澱粉單體與氧化物的反應機理。從位阻上來說，澱粉與顏料助劑的反應活性，主要取決於顏料助劑的結構，對於氧化物Cr2O3，TiO2，Fe2O3，ZnO，Cr2O3與Fe2O3結構類似，空間結構較大，反應活性相近;TiO2的空間結構大於ZnO，則ZnO的活性大於T:O2。

　　5 結論

　　澱粉單體與顏料助劑的相互作用，從電子效應來說，由於環上含有氧原子，氧原子是吸電子集團，透過相連線的碳原子傳遞吸電子效應，使羥基上氧原子的電子雲密度降低;從位阻上來說，六元環是個不易扭轉的大集團，使得金屬氧化物與電子的接觸更不容易，最後使反應活性減弱。

　　分析影響反應活性的因素，包括誘導效應和位阻效應，論在今後製備有色塗料中，使反應物在較溫和的條件下，就可以發生反應，我們選擇位阻小以及供電子強的集團，由於澱粉的位阻不易改變，我們只有透過改變誘導效應，將七號碳原子上的氫替換成供電子的集團，使九號氧原子上電子雲更加集中。這樣就可以更容易製備有色塗料。