Sonokemisk syntese af latex

Ultralyd inducerer og fremmer den kemiske reaktion ved polymerisering af latex. Sonokemiske kræfter får latexsyntesen til at forløbe hurtigere og mere effektivt. Selv styringen af den kemiske reaktion bliver lettere.

Sådan forbedrer sonikering syntesen af latex

Ultralyd er en etableret og yderst effektiv metode til at dispergere og emulgere væsker. Dens unikke potentiale ligger i evnen til at danne emulsioner ikke kun i mikrometerområdet, men også med dråbestørrelser på nanometerskala. Ved latexsyntese begynder reaktionen typisk med en emulsion eller dispersion af monomerer (f.eks. styren til polystyren) i vand, hvorved der dannes et olie-i-vand-system (O/W). Afhængigt af formuleringens krav kan små mængder overfladeaktivt stof være nødvendige; de kraftige forskydningskræfter, der genereres af ultralyd med høj effekt, giver dog ofte så fine dråbestørrelsesfordelinger, at mængden af overfladeaktive stoffer kan minimeres, eller de kan blive overflødige.

Sonikeringens virkemåde

Når ultralyd med høj amplitude tilføres en væske, opstår der akustisk kavitation. Under skiftende høj- og lavtrykscyklusser dannes mikrobobler, som vokser og til sidst kollapser voldsomt. Disse implosioner skaber lokale områder med meget høj temperatur og kortvarige tryk på op til cirka 1000 bar samt genererer chokbølger og mikrostråler, der når hastigheder på op til 400 km/h [Suslick, 1998]. Sådanne ekstreme forhold påvirker dispergerede dråber og partikler direkte og fremmer effektiv størrelsesreduktion og blanding.
Ud over mekaniske virkninger producerer ultralydskavitation også meget reaktive frie radikaler. Disse radikaler igangsætter polymerisering af monomerer gennem en kædereaktion i den vandige fase. Når polymerkæder dannes, danner de kim til primære partikler, typisk i størrelsesområdet 10–20 nm. Disse primære partikler svulmer op ved optagelse af monomer, mens voksende polymerradikaler, der dannes i den vandige fase, inkorporeres i de eksisterende partikler. Når kimdannelsen ophører, forbliver antallet af partikler konstant, og yderligere polymerisering øger kun partikelstørrelsen. Væksten fortsætter, indtil den tilgængelige monomer er fuldstændigt forbrugt, hvilket giver færdige latexpartikler med en diameter på typisk mellem 50 og 500 nm.

Emulgering og polymerisering med ultralyd

Når polystyrenlatex syntetiseres ad sonokemisk vej, kan der opnås partikeldiametre helt ned til cirka 50 nm og molekylvægte over 10⁶ g/mol. Takket være den yderst effektive emulgering, der frembringes af ultralyd med høj effekt, kræves der kun minimale mængder overfladeaktivt stof. Kontinuerlig sonikering af monomerfasen skaber en høj tæthed af radikaler i nærheden af monomerdråberne, hvilket fremmer dannelsen af usædvanligt små latexpartikler under polymeriseringen. Ud over de mekanokemiske polymeriseringseffekter omfatter yderligere fordele ved ultralydssyntese lavere reaktionstemperaturer, accelereret reaktionskinetik og produktion af latex af høj kvalitet med betydeligt højere molekylvægte. Disse fordele gælder ligeledes for ultralydsassisterede copolymeriseringsprocesser [Zhang et al., 2009].
En yderligere forbedring af de funktionelle egenskaber kan opnås gennem syntese af nanolatex med ZnO-indkapsling. Sådanne hybridpartikler udviser særligt gode korrosionsbeskyttende egenskaber. Sonawane et al. (2010) syntetiserede for eksempel nanolatexkompositpartikler af ZnO/poly(butyl methacrylate) og ZnO–PBMA/polyaniline på cirka 50 nm ved hjælp af sonokemisk emulsionspolymerisering.
Sonikatorer fra Hielscher med høj effekt er robuste og effektive værktøjer til at gennemføre sonokemiske reaktioner. Et bredt udvalg af ultralydsprocessorer med forskellige effektniveauer og konfigurationer sikrer optimal tilpasning til specifikke proceskrav og batchvolumener eller gennemstrømningsvolumener. Alle processer kan evalueres i laboratorieskala og efterfølgende opskaleres til industriel produktion på en lineær og forudsigelig måde. Ultralydsenheder, der er konstrueret til kontinuerlig gennemstrømningsdrift, kan integreres problemfrit i eksisterende produktionslinjer.

Udnyt sonikering til effektiv latexproduktion

Sonikering er en enestående kraftfuld og alsidig metode til at forbedre emulgering og syntese af latex. De kraftige forskydningskræfter og kavitationseffekter, der genereres af ultralyd med høj effekt, producerer usædvanligt fine og stabile emulsioner og reducerer eller eliminerer ofte behovet for overfladeaktive stoffer. Samtidig igangsætter og accelererer dannelsen af radikaler under ultralydsbetingelser polymeriseringen, hvilket muliggør præcis kontrol over partiklernes kimdannelse, vækst og endelige morfologi. Disse kombinerede mekanokemiske og sonokemiske fordele giver latexer med mindre partikelstørrelser, højere molekylvægte og forbedret ensartethed. Desuden muliggør ultralydsbehandling lavere reaktionstemperaturer, kortere reaktionstider og pålidelig opskalering fra laboratoriet til industriel produktion. Samlet set forbedrer sonikering både proceseffektiviteten og produktkvaliteten betydeligt, hvilket gør den til en overlegen teknologi til moderne latexsyntese.

Litteratur/referencer

• 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