Sonochemische Latex-Synthese

Ultraschall induziert und fördert die chemische Polymerisationsreaktion von Latex. Durch sonochemische Effekte läuft die Latex-Synthese schneller und effizienter ab. Sogar die Durchführung und Steuerung der chemischen Reaktion wird einfacher.

Latex-Partikel werden häufig als Zusatzstoff für verschiedene Materialien verwendet. Zu den häufigen Anwendungsbereichen gehören die Verwendung als Zusatzstoffe in Farben und Lacken, Klebstoffen sowie Zement.
Für die Latex-Polymerisation ist die Emulgierung und Dispergierung der Reaktionsausgangslösung ein entscheidender Faktor, welcher die Polymer-Qualität erheblich beeinflusst. Ultraschall ist als effiziente und zuverlässiges Dispergier- und Emulgierverfahren bekannt. Der große Vorteil von Ultraschall liegt in der Herstellung von Dispersionen und Emulsionen nicht nur im mikron- sondern auch im nano-skaligen Bereich. Für die Synthese von Latex ist eine Emulsion oder Dispersion von Monomeren, z.B. Styropor, in Wasser (o/w = Öl-in-Wasser Emulsion) die Reaktiongrundlage. In Abhängigkeit von der jeweiligen Ausgangs-Emulsion kann eine kleine Menge an Tensiden erforderlich sein, jedoch erzeugt die Beschallung mit Hochleistungsultraschall häufig eine solch feine Tröpfchenverteilung, so dass die Zugabe von Tensiden überflüssig ist. Wenn Ultraschall mit hohen Amplituden in Flüssigkeiten eingetragen wird, tritt das Phänomen der Kavitation auf. In der Flüssigkeit werden während der abwechselnden Hochdruck- und Niederdruck-Zyklen Vakuumblasen erzeugt. Wenn diese Blasen über mehrere Niederdruckzklen hinweg soweit angewachsen sind, dass sie keine Energie mehr aufnehmen können, implodieren sie während eines Hochdruck-Zyklusses, so dass lokal Drücke bis 1000bar sowie Stoßwellen und Flüssigkeitsstrahlen von bis zu 400km/h erreicht werden. [Suslick, 1998] Diese sehr intensiven, durch Ultraschallkavitation generierten Kräfte bewirken eine Größenreduktion und Feinstveretilung der Tröpfchen und Partikel. Die freien Radikale, welche durch die Ultraschall Kavitation entstehen, starten der Kettenreaktions-Polymerisation der Monomere in Wasser. Die Polymerketten wachsen und bilden Primärteilchen mit einer ungefähren Größe von 10-20nm. Die Primärteilchen schwellen mit den Monomeren an und die Initiierung der Polymerketten läuft in der wässrigen Phase weiter, die wachsenden Polymerradikale sind von den vorhandenen Partikel eingeschlossen und Polymerisation läuft innerhalb der Partikel. Nachdem sich Primärpartikel gebildet haben, erhöht die weitere Polymerisation nur die Größe, nicht jedoch aber nicht die Anzahl der Partikel. Das Wachstum setzt sich solange fort bis das Monomer vollständig verbraucht ist. Der endgültige Partikeldurchmesser liegt in der Regel bei 50-500nm.

Wenn Polystyrol-Latex sonochemisch hergestellt wird, können Latexpartikel in sehr kleinem Größenmaßstab von 50nm synthetisiert werden, wobei eine hohe Molekülmasse von mehr als 106g/Mol erreicht werden kann. Aufgrund der effizienten Ultraschall-Emulgierung ist die Zugabe von Tensiden nur in sehr geringem Maße erforderlich. Eine kontinuierliche Beschallung der Monomer-Lösung erzeugt genügend Radikale im Umfeld der Monomertropfen, wodurch während der Polymerisation sehr kleine Latex-Partikel generiert werden. Neben positiven Effekten des Ultraschalls auf die Polymerisation bietet diese Methode weitere Vorteile wie z.B. eine niedrige Reaktionstemperatur, die schnellere Reaktionssequenz und die hervorragende Qualität der Latexpartikel durch ihr hohes Molekulargewicht. Die Vorteile der Ultraschall-Polymerisation treffen auch für die Copolymerisation zu. [Zhang et al. 2009]
Eine interessante Anwendung für Latex bietet die Synthese von in Zinkoxid verkapselten Nanolatexpartikeln: Das in ZnO gekapselte Nanolatex zeigt außerordentliche Leistung als Korrosionsschutz. In der Studie von Sonawane et al. (2010) wurden ZnO/Poly(butyl methacrylate) und ZnO−PBMA/Polyanilin Nanolatex-Kompositpartikel mit einer Größe von 50nm via sonochemischer Emulsionspolymerisation erfolgreich synthetisiert.
Hielscher Ultrasonics Hochleistungs-Ultraschall-Geräte sind äußerst zuverlässige und effiziente Anlagen für sonochemische Prozesse. Eine breite Produktpalette mit Ultraschallprozessoren verschiedener Leistungskapazitäten und Setups gewährleistet die optimale Konfiguration für das jeweilige Produktionsvolumen. Alle Anwendungen können im Labor getestet und anschließend linear auf Produktionsmaßstab hochskaliert werden. Ultraschallgeräte für die kontinuierliche Beschallung im Durchfluss können problemlos in bestehende Anlagen nachgerüstet werden.

Literatur

• Ooi, S. K.; Biggs, S. (2000): Ultrasonic initiation of polystyrene latex synthesis. Ultrasonics Sonochemistry 7, 2000. 125-133.
• 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.
• Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, Vol. 26, 1998. 517-541.
• Teo, B. M..; Ashokkumar, M.; Grieser, F. (2011): Sonochemical polymerization of miniemulsions in organic liquids/water mixtures. Physical Chemistry Chemical Physics 13, 2011. 4095-4102.
• Teo, B. M..; Chen, F.; Hatton, T. A.; Grieser, F.; Ashokkumar, M.; (2009): Novel one-pot synthesis of magnetite latex nanoparticles by ultrasonic irradiation.
• Zhang, K.; Park, B.J.; Fang, F.F.; Choi, H. J. (2009): Sonochemical Preparation of Polymer Nanocomposites. Molecules 14, 2009. 2095-2110.