Сонохимичен синтез на латекс

Ултразвукът предизвиква и подпомага химичната реакция за полимеризация на латекс. Под действието на сонохимичните сили синтезът на латекс протича по-бързо и по-ефективно. Дори управлението на химичната реакция става по-лесно.

Как ултразвуковата обработка подобрява синтеза на латекс

Ултразвукът е утвърден и високоефективен метод за диспергиране и емулгиране на течности. Неговият уникален потенциал се състои в способността му да създава емулсии с размери на капките не само в микрометровия диапазон, но и в нанометров мащаб. При синтеза на латекс реакцията обикновено започва с емулсия или дисперсия на мономери (например стирен за полистирен) във вода, като се образува система масло във вода (O/W). В зависимост от изискванията към състава може да са необходими малки количества повърхностноактивно вещество; интензивното срязване, генерирано от ултразвук с висока мощност, обаче често води до разпределения с толкова фини капки, че количеството на повърхностноактивните вещества може да бъде сведено до минимум или употребата им да стане ненужна.

Принцип на действие на ултразвуковата обработка

Когато в течност се въвежда ултразвук с висока амплитуда, възниква акустична кавитация. При редуващите се цикли на високо и ниско налягане се образуват микромехурчета, които нарастват и накрая колапсират бурно. Тези имплозии създават локализирани горещи зони с краткотрайни налягания до приблизително 1000 bar и генерират ударни вълни и микроструи, достигащи скорости до 400 km/h [Suslick, 1998]. Такива екстремни условия въздействат пряко върху диспергираните капки и частици, като подпомагат ефективното намаляване на размера и смесването.
Освен механичните ефекти, ултразвуковата кавитация също така образува свободни радикали с висока реактивност. Тези радикали инициират верижната полимеризация на мономерите във водната фаза. При образуването си полимерните вериги дават начало на първични частици, обикновено в диапазона 10–20 nm. Тези първични частици набъбват, като поглъщат мономер, а нарастващите полимерни радикали, образувани във водната фаза, се включват в съществуващите частици. След прекратяване на образуването на зародиши броят на частиците остава постоянен и по-нататъшната полимеризация увеличава само размера им. Нарастването продължава до пълното изчерпване на наличния мономер, като се получават крайни латексови частици с диаметър обикновено между 50 и 500 nm.

Ултразвуково емулгиране и полимеризация

Когато полистиренов латекс се синтезира по сонохимичен път, могат да се постигнат диаметри на частиците едва около 50 nm и молекулни маси над 10⁶ g/mol. Благодарение на високоефективното емулгиране, предизвикано от ултразвук с висока мощност, са необходими само минимални количества повърхностноактивно вещество. Непрекъснатата ултразвукова обработка на мономерната фаза създава висока плътност на радикали в близост до мономерните капки, което подпомага образуването на изключително малки латексови частици по време на полимеризацията. Освен механохимичните ефекти върху полимеризацията, допълнителните предимства на ултразвуковия синтез включват по-ниски температури на реакцията, ускорена кинетика на реакцията и получаване на висококачествен латекс със значително по-високи молекулни маси. Тези предимства важат също и за процесите на кополимеризация, подпомагани с ултразвук [Zhang et al., 2009].
Допълнително подобряване на функционалните характеристики може да се постигне чрез синтез на нанолатекс с капсулиране на ZnO. Такива хибридни частици проявяват особено високи антикорозионни свойства. Например Sonawane et al. (2010) синтезират композитни нанолатексови частици от ZnO/поли(бутилметакрилат) и ZnO–PBMA/полианилин с размер приблизително 50 nm чрез сонохимична емулсионна полимеризация.
Ултразвуковите апарати Hielscher с висока мощност са надеждни и ефективни средства за провеждане на сонохимични реакции. Широката гама от ултразвукови процесори с различни мощности и конфигурации осигурява оптимално приспособяване към специфичните изисквания на процеса и обемите за партидна или проточна обработка. Всички процеси могат да бъдат оценени в лабораторен мащаб и впоследствие мащабирани до промишлено производство по линеен и предвидим начин. Ултразвуковите устройства, предназначени за работа с непрекъснат поток, могат да бъдат безпроблемно интегрирани в съществуващи производствени линии.

Възползвайте се от ултразвуковата обработка за ефективно производство на латекс

Ултразвуковата обработка предлага уникално мощен и универсален подход за подобряване на емулгирането и синтеза на латекс. Интензивните сили на срязване и кавитационните ефекти, генерирани от ултразвук с висока мощност, създават изключително фини и стабилни емулсии, като често намаляват или премахват необходимостта от повърхностноактивни вещества. Същевременно образуването на радикали при ултразвукови условия инициира и ускорява полимеризацията, като позволява прецизен контрол върху образуването на зародиши на частиците, нарастването им и крайната им морфология. Тези съчетани механохимични и сонохимични предимства водят до получаване на латекси с по-малки размери на частиците, по-високи молекулни маси и подобрена еднородност. Освен това ултразвуковата обработка позволява по-ниски температури на реакцията, по-кратки времена на реакцията и надеждно мащабиране от лабораторно до промишлено производство. Като цяло ултразвуковата обработка значително подобрява както ефективността на процеса, така и качеството на продукта, което я прави превъзходна технология за съвременния синтез на латекс.

Литература/Източници

• Luo Y.D., Dai C.A., Chiu W.Y. (2009): P(AA-SA) latex particle synthesis via inverse miniemulsion polymerization-nucleation mechanism and its application in pH buffering. Journal of Colloid Interface Science 2009 Feb 1;330(1):170-4.
• Sonawane, S. H.; Teo, B. M.; Brotchie, A.; Grieser, F.; Ashokkumar, M. (2010): Sonochemical Synthesis of ZnO Encapsulated Functional Nanolatex and its Anticorrosive Performance. Industrial & Engineering Chemistry Research 19, 2010. 2200-2205.
• Oliver Pankow, Gudrun Schmidt-Naake (2009): In Situ Synthesis of Mg/Si Polymer Composites via Emulsion Polymerization. Macro-Molecular Materials and Engineering, Volume291, Issue 11, November 9, 2006. 1348-1357.
• Teo, B. M..; Chen, F.; Hatton, T. A.; Grieser, F.; Ashokkumar, M.; (2009): Novel one-pot synthesis of magnetite latex nanoparticles by ultrasonic irradiation. Langmuir 25(5):2593-5