Lateksi sonokeemiline süntees

Ultraheli esile kutsub ja soodustab lateksi polümerisatsiooni keemilist reaktsiooni. Sonokeemiliste jõudude toimel kulgeb lateksi süntees kiiremini ja tõhusamalt. Isegi keemilise reaktsiooni juhtimine muutub lihtsamaks.

Kuidas ultraheli töötlus (sonikeerimine) parandab lateksi sünteesi

Ultraheli on väljakujunenud ja väga tõhus meetod vedelike dispergeerimiseks ja emulgeerimiseks. Selle ainulaadne potentsiaal seisneb võimes tekitada emulsioone mitte ainult mikromeetri vahemikus, vaid ka nanomeetrilise tilgasuuruse tasemel. Lateksi sünteesis algab reaktsioon tavaliselt monomeeride (nt stüreen polüstüreeni jaoks) emulsiooni või dispersiooniga vees, moodustades õli-vees (O/W) süsteemi. Olenevalt koostisnõuetest võib olla vaja väikeses koguses pindaktiivset ainet; samas tekitab suure võimsusega ultraheli tekitatud tugev nihkejõud sageli nii peeneid tilgajaotusi, et pindaktiivseid aineid saab vähendada või need muuta tarbetuks.

Ultraheli töötluse (sonikeerimise) tööpõhimõte

Kui vedelikku juhitakse suure amplituudiga ultraheli, tekib akustiline kavitatsioon. Vahelduvate kõrg- ja madalrõhutsüklite ajal tekivad mikromullid, kasvavad ja lõpuks kollapseeruvad vägivaldselt. Need implosioonid tekitavad lokaalseid kuumpunkte, kus mööduv rõhk ulatub kuni ligikaudu 1000 bar, ning tekitavad lööklaineid ja mikrojugasid, mille kiirus ulatub kuni 400 km/h [Suslick, 1998]. Sellised äärmuslikud tingimused mõjuvad otse dispergeeritud tilkadele ja osakestele, soodustades tõhusat suuruse vähendamist ja segunemist.
Mehaaniliste efektide kõrval tekitab ultraheli kavitatsioon ka väga reaktiivseid vabu radikaale. Need radikaalid algatavad monomeeride ahelreaktsioonilise polümerisatsiooni vesifaasis. Polümeeriahelate tekkimisel moodustuvad primaarsed osakesed, tavaliselt vahemikus 10–20 nm. Need primaarsed osakesed paisuvad monomeeriga, samal ajal kui vesifaasis tekkinud kasvavad polümeeriradikaalid liituvad olemasolevate osakestega. Pärast nukleatsiooni lakkamist jääb osakeste arv konstantseks ja edasine polümerisatsioon suurendab ainult osakeste suurust. Kasv jätkub, kuni olemasolev monomeer on täielikult ära kasutatud, andes lõplikud lateksiosakesed läbimõõduga tavaliselt 50 ja 500 nm vahel.

Ultraheliemulgeerimine ja polümerisatsioon

Kui polüstüreenlateksit sünteesitakse sonokeemilisel teel, on võimalik saavutada osakeste läbimõõt kuni ligikaudu 50 nm ja molekulmass üle 10⁶ g/mol. Tänu suure võimsusega ultraheli tekitatud väga tõhusale emulgeerimisele on vaja vaid minimaalset pindaktiivse aine kogust. Monomeerifaasi pidev ultraheli töötlus tekitab monomeeritilkade läheduses suure radikaalide tiheduse, mis soodustab polümerisatsiooni käigus erakordselt väikeste lateksiosakeste teket. Lisaks mehhanokeemilistele polümerisatsiooniefektidele kuuluvad ultraheli sünteesi lisaeeliste hulka madalamad reaktsioonitemperatuurid, kiirem reaktsioonikineetika ning kvaliteetse lateksi tootmine oluliselt suurema molekulmassiga. Need eelised laienevad samamoodi ka ultraheli abil toimuvatele kopolümerisatsiooniprotsessidele [Zhang et al., 2009].
Funktsionaalse jõudluse edasist parandamist on võimalik saavutada ZnO-kapseldatud nanolateksi sünteesi kaudu. Sellised hübriidosakesed omavad märkimisväärselt head korrosioonivastast toimet. Näiteks Sonawane et al. (2010) sünteesisid sonokeemilise emulsioonpolümerisatsiooni abil ligikaudu 50 nm suurused ZnO/poly(butyl methacrylate) ja ZnO–PBMA/polyaniline nanolateksi komposiitosakesed.
Hielscheri suure võimsusega sonikaatorid on töökindlad ja tõhusad vahendid sonokeemiliste reaktsioonide läbiviimiseks. Lai valik erineva võimsuse ja konfiguratsiooniga ultraheliprotsessoreid tagab optimaalse kohandamise konkreetsetele protsessinõuetele ning partii- või läbivoolumahtudele. Kõiki protsesse saab hinnata laboratoorses mastaabis ja seejärel skaleerida tööstuslikuks tootmiseks lineaarselt ja ennustatavalt. Pidevaks läbivooluks mõeldud ultraheliseadmeid saab sujuvalt integreerida olemasolevatesse tootmisliinidesse.

Kasutage ära ultraheli töötlust tõhusaks lateksitootmiseks

Ultraheli töötlus (sonikeerimine) pakub ainulaadselt võimsat ja mitmekülgset lähenemist lateksi emulgeerimise ja sünteesi parandamiseks. Suure võimsusega ultraheli tekitatud tugevad nihkejõud ja kavitatsiooniefektid annavad erakordselt peeni ja stabiilseid emulsioone, vähendades sageli pindaktiivsete ainete vajadust või kõrvaldades selle. Samal ajal algatab ja kiirendab radikaalide teke ultraheli tingimustes polümerisatsiooni, võimaldades täpset kontrolli osakeste nukleatsiooni, kasvu ja lõpliku morfoloogia üle. Need kombineeritud mehhanokeemilised ja sonokeemilised eelised annavad väiksemate osakeste suuruste, suuremate molekulmasside ja parema ühtlusega lateksid. Lisaks võimaldab ultraheli töötlus madalamaid reaktsioonitemperatuure, lühemaid reaktsiooniaegu ning töökindlat skaleeritavust laborist tööstuslikuks tootmiseks. Üldiselt parandab ultraheli töötlus oluliselt nii protsessi tõhusust kui ka toote kvaliteeti, muutes selle moodsa lateksi sünteesi jaoks parimaks tehnoloogiaks.

Kirjandus/viited

• 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