Sonochemická syntéza latexu

Ultrazvuk iniciuje a podporuje chemickou reakci polymerace latexu. Díky sonochemickým silám probíhá syntéza latexu rychleji a efektivněji. Snazší je dokonce i řízení chemické reakce.

Jak sonikace zlepšuje syntézu latexu

Ultrazvuk je zavedená a vysoce účinná metoda dispergace a emulgace kapalin. Jeho jedinečný potenciál spočívá ve schopnosti vytvářet emulze nejen v mikrometrovém rozsahu, ale i s velikostí kapiček v nanometrovém měřítku. Při syntéze latexu reakce obvykle začíná emulzí nebo disperzí monomerů (např. styrenu pro polystyren) ve vodě, čímž vzniká systém olej ve vodě (O/W). V závislosti na požadavcích receptury mohou být nutná malá množství povrchově aktivní látky; intenzivní smyk generovaný výkonným ultrazvukem však často vytváří tak jemnou distribuci kapiček, že lze povrchově aktivní látky minimalizovat nebo se stanou zcela zbytečnými.

Princip fungování sonikace

Když se do kapaliny zavede ultrazvuk s vysokou amplitudou, dochází k akustické kavitaci. Během střídajících se cyklů vysokého a nízkého tlaku vznikají mikrobubliny, které rostou a nakonec prudce kolabují. Tyto imploze vytvářejí lokální horká místa (hotspoty) s přechodnými tlaky až přibližně 1000 bar a generují rázové vlny a mikroproudy (mikrojety) dosahující rychlostí až 400 km/h [Suslick, 1998]. Takto extrémní podmínky působí přímo na dispergované kapičky a částice a podporují účinné zmenšování velikosti a míchání.
Kromě mechanických účinků vytváří ultrazvuková kavitace také vysoce reaktivní volné radikály. Tyto radikály iniciují řetězovou polymeraci monomerů ve vodné fázi. Vznikající polymerní řetězce nukleují primární částice o velikosti obvykle v rozmezí 10–20 nm. Tyto primární částice bobtnají monomerem, zatímco rostoucí polymerní radikály vzniklé ve vodné fázi se začleňují do existujících částic. Po ukončení nukleace zůstává počet částic konstantní a další polymerace zvětšuje pouze velikost částic. Růst pokračuje, dokud není dostupný monomer zcela spotřebován, a výsledkem jsou finální latexové částice o průměru obvykle mezi 50 a 500 nm.

Ultrazvuková emulgace a polymerace

Při syntéze polystyrenového latexu sonochemickou cestou lze dosáhnout průměrů částic pouhých přibližně 50 nm a molekulových hmotností přesahujících 10⁶ g/mol. Díky vysoce účinné emulgaci, kterou zajišťuje výkonný ultrazvuk, je zapotřebí jen minimální množství povrchově aktivních látek. Kontinuální sonikace monomerní fáze vytváří vysokou hustotu radikálů v blízkosti kapiček monomeru, což během polymerace podporuje vznik mimořádně malých latexových částic. Kromě mechanochemických polymeračních účinků patří k dalším výhodám ultrazvukové syntézy nižší reakční teploty, zrychlená reakční kinetika a výroba vysoce kvalitního latexu s výrazně zvýšenými molekulovými hmotnostmi. Tyto výhody se obdobně vztahují i na ultrazvukem asistované kopolymerační procesy [Zhang et al., 2009].
Dalšího zlepšení funkčních vlastností lze dosáhnout syntézou nanolatexu s enkapsulací ZnO. Takové hybridní částice vykazují výrazně vysoké antikorozní vlastnosti. Například Sonawane et al. (2010) syntetizovali pomocí sonochemické emulzní polymerace kompozitní nanolatexové částice ZnO/poly(butyl-methakrylát) a ZnO–PBMA/polyanilin o velikosti přibližně 50 nm.
Výkonné sonikátory Hielscher jsou robustní a účinné nástroje pro provádění sonochemických reakcí. Široké portfolio ultrazvukových procesorů s různými výkony a konfiguracemi zajišťuje optimální přizpůsobení konkrétním procesním požadavkům a objemům vsádek či průtokovým objemům. Všechny procesy lze vyhodnotit v laboratorním měřítku a následně lineárně a předvídatelně převést do průmyslové výroby. Ultrazvukové jednotky určené pro kontinuální průtokový provoz lze bez problémů integrovat do stávajících výrobních linek.

Využijte sonikaci pro efektivní výrobu latexu

Sonikace představuje jedinečně účinný a všestranný přístup ke zlepšení emulgace a syntézy latexu. Intenzivní smykové síly a kavitační účinky generované výkonným ultrazvukem vytvářejí mimořádně jemné a stabilní emulze, čímž často snižují nebo zcela eliminují potřebu povrchově aktivních látek. Vznik radikálů za ultrazvukových podmínek zároveň iniciuje a urychluje polymeraci, což umožňuje přesné řízení nukleace částic, jejich růstu a výsledné morfologie. Tyto kombinované mechanochemické a sonochemické výhody poskytují latexy s menšími velikostmi částic, vyššími molekulovými hmotnostmi a lepší uniformitou. Ultrazvukové zpracování navíc umožňuje nižší reakční teploty, kratší reakční časy a spolehlivou škálovatelnost z laboratoře do průmyslové výroby. Celkově sonikace výrazně zlepšuje jak efektivitu procesu, tak kvalitu produktu, a je proto vynikající technologií pro moderní syntézu latexu.

Literatura/Reference

• 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