Sonochemická syntéza latexu

Ultrazvuk indukuje a podporuje chemickou reakci pro polymeraci latexu. Sonochemickými silami probíhá syntéza latexu rychleji a efektivněji. Dokonce i manipulace s chemickou reakcí se stává snazší.

Jak sonikace zlepšuje syntézu latexu

Ultrazvuk je zavedená a vysoce účinná metoda dispergace a emulgace kapalin. Její jedinečný potenciál spočívá ve schopnosti vytvářet emulze nejen v mikrometrovém rozsahu, ale také při velikosti 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 na složení může být nezbytné malé množství povrchově aktivní látky; intenzivní smyk vytvářený ultrazvukem o vysokém výkonu však často vytváří tak jemné rozložení kapiček, že povrchově aktivní látky mohou být minimalizovány nebo se stanou zbytečnými.

Pracovní princip sonikace

Když se do kapaliny zavede ultrazvuk s vysokou amplitudou, dochází k akustické kavitaci. Během střídání cyklů vysokého a nízkého tlaku se tvoří mikrobubliny, které rostou a nakonec se prudce zhroutí. Tyto imploze vytvářejí lokalizované horké body s přechodnými tlaky až přibližně 1000 barů a generují rázové vlny a mikrotrysky dosahující rychlosti až 400 km/h [Suslick, 1998]. Takové extrémní podmínky působí přímo na rozptýlené kapičky a částice a podporují účinné zmenšování velikosti a míchání.
Kromě mechanických účinků produkuje ultrazvuková kavitace také vysoce reaktivní volné radikály. Tyto radikály iniciují řetězovou polymeraci monomerů ve vodné fázi. Jak se polymerní řetězce tvoří, nukleují primární částice obvykle v rozmezí 10-20 nm. Tyto primární částice nabobtnají monomerem, zatímco rostoucí polymerní radikály vzniklé ve vodné fázi se začlení do stávajících částic. Po ukončení nukleace zůstává počet částic konstantní a další polymerace zvětšuje pouze velikost částic. Růst pokračuje až do úplného spotřebování dostupného monomeru, čímž vznikají konečné latexové částice o průměru obvykle 50 až 500 nm.

Ultrazvuková emulgace a polymerace

Při syntéze polystyrenového latexu sonochemickou cestou lze dosáhnout průměru částic přibližně 50 nm a molekulové hmotnosti vyšší než 10⁶ g/mol. Díky vysoce účinné emulgaci vytvářené vysoce výkonným ultrazvukem je zapotřebí pouze minimální množství povrchově aktivních látek. Kontinuální ultrazvuková emulgace monomerní fáze vytváří vysokou hustotu radikálů v blízkosti kapiček monomeru, což podporuje tvorbu výjimečně malých latexových částic během polymerace. Kromě mechanochemických polymeračních účinků patří mezi další výhody ultrazvukové syntézy nižší reakční teploty, zrychlená reakční kinetika a výroba vysoce kvalitního latexu s výrazně zvýšenou molekulovou hmotností. Tyto výhody se obdobně vztahují i na procesy kopolymerizace s ultrazvukovou asistencí [Zhang et al., 2009].
Dalšího zvýšení funkční výkonnosti lze dosáhnout syntézou nanolatexu se zapouzdřeným ZnO. Takové hybridní částice vykazují zejména vysoké antikorozní vlastnosti. Sonawane a spol. (2010) například syntetizovali nanolatexové kompozitní částice ZnO/poly(butylmetakrylát) a ZnO-PBMA/polyanilin o velikosti přibližně 50 nm pomocí sonochemické emulzní polymerace.
Vysoce výkonné sonikátory Hielscher jsou robustní a účinné nástroje pro provádění sonochemických reakcí. Široké portfolio ultrazvukových procesorů s různým výkonem a konfigurací zajišťuje optimální přizpůsobení specifickým požadavkům procesu a dávkovým nebo průtokovým objemům. Všechny procesy lze vyhodnotit v laboratorním měřítku a následně lineárně a předvídatelně rozšířit do průmyslové výroby. Ultrazvukové jednotky určené pro kontinuální průtokový provoz lze bez problémů integrovat do stávajících výrobních linek.

Využití sonikace pro efektivní výrobu latexu

Sonikace představuje jedinečně účinný a všestranný přístup ke zlepšení emulgace a syntézy latexu. Intenzivní smykové síly a kavitační efekty generované vysoce výkonným ultrazvukem vytvářejí výjimečně jemné a stabilní emulze, což často snižuje nebo eliminuje potřebu povrchově aktivních látek. Tvorba radikálů za ultrazvukových podmínek zároveň iniciuje a urychluje polymeraci, což umožňuje přesnou kontrolu nad zárodky částic, jejich růstem a konečnou morfologií. Tyto kombinované mechanochemické a sonochemické výhody přinášejí latexy s menší velikostí částic, vyšší molekulovou hmotností a lepší uniformitou. Ultrazvukové zpracování navíc umožňuje nižší reakční teploty, kratší reakční časy a spolehlivou škálovatelnost od laboratorní po průmyslovou výrobu. Sonikace celkově výrazně zvyšuje účinnost procesu i kvalitu produktu, což z ní činí vynikající technologii pro moderní syntézu latexu.

Literatura/Odkazy