سنتز سونوشیمیایی لاتکس

فراصوت واکنش شیمیایی پلیمریزاسیون لاتکس را القا و تقویت می‌کند. نیروهای سونوشیمیایی باعث می‌شوند سنتز لاتکس سریع‌تر و کارآمدتر انجام شود. حتی مدیریت واکنش شیمیایی نیز آسان‌تر می‌شود.

فراصوت‌دهی چگونه سنتز لاتکس را بهبود می‌بخشد

فراصوت روشی تثبیت‌شده و بسیار مؤثر برای پراکنده‌سازی و امولسیون‌سازی مایعات است. قابلیت منحصربه‌فرد آن در توانایی تولید امولسیون‌هایی با اندازهٔ قطرات نه‌تنها در محدودهٔ میکرومتری، بلکه در مقیاس نانومتری نیز نهفته است. در سنتز لاتکس، واکنش معمولاً با امولسیون یا پراکنه‌ای از مونومرها (برای مثال، استایرن برای پلی‌استایرن) در آب آغاز می‌شود و سامانه‌ای از نوع روغن در آب (O/W) تشکیل می‌دهد. بسته به الزامات فرمولاسیون، ممکن است مقادیر کمی سورفکتانت لازم باشد؛ بااین‌حال، برش شدید ناشی از فراصوت پرتوان اغلب توزیعی از قطرات چنان ریز ایجاد می‌کند که می‌توان مصرف سورفکتانت‌ها را به حداقل رساند یا نیاز به آن‌ها را برطرف کرد.

اصل عملکرد فراصوت‌دهی

هنگامی که فراصوت با دامنهٔ بالا به مایع وارد می‌شود، کاویتاسیون آکوستیکی رخ می‌دهد. طی چرخه‌های متناوب پرفشار و کم‌فشار، ریزحباب‌ها تشکیل می‌شوند، رشد می‌کنند و در نهایت به‌شدت فرومی‌پاشند. این فروپاشی‌های درون‌سو، نقاط داغ موضعی با فشارهای گذرا تا حدود 1000 bar ایجاد می‌کنند و امواج ضربه‌ای و ریزجت‌هایی با سرعت‌هایی تا 400 km/h پدید می‌آورند [Suslick, 1998]. چنین شرایط شدیدی مستقیماً بر قطرات و ذرات پراکنده اثر می‌گذارد و کاهش اندازه و اختلاط کارآمد را تسهیل می‌کند.
کاویتاسیون فراصوتی، علاوه بر اثرات مکانیکی، رادیکال‌های آزاد بسیار واکنش‌پذیر نیز تولید می‌کند. این رادیکال‌ها پلیمریزاسیون مونومرها را به‌صورت واکنش زنجیره‌ای در فاز آبی آغاز می‌کنند. با تشکیل زنجیره‌های پلیمری، هسته‌زایی ذرات اولیه‌ای صورت می‌گیرد که اندازهٔ آن‌ها معمولاً در محدودهٔ 10–20 nm است. این ذرات اولیه با جذب مونومر متورم می‌شوند، درحالی‌که رادیکال‌های پلیمری در حال رشد که در فاز آبی تولید شده‌اند، وارد ذرات موجود می‌شوند. پس از توقف هسته‌زایی، تعداد ذرات ثابت می‌ماند و ادامهٔ پلیمریزاسیون فقط اندازهٔ ذرات را افزایش می‌دهد. رشد تا مصرف کامل مونومر موجود ادامه می‌یابد و ذرات نهایی لاتکس با قطری معمولاً بین 50 و 500 nm حاصل می‌شوند.

امولسیون‌سازی و پلیمریزاسیون فراصوتی

هنگامی که لاتکس پلی‌استایرن از مسیر سونوشیمیایی سنتز می‌شود، می‌توان به قطر ذراتی به کوچکی حدود 50 nm و وزن‌های مولکولی بیش از 10⁶ g/mol دست یافت. به‌دلیل امولسیون‌سازی بسیار کارآمد ناشی از فراصوت پرتوان، تنها مقادیر حداقلی سورفکتانت لازم است. فراصوت‌دهی پیوستهٔ فاز مونومر، تراکم بالایی از رادیکال‌ها را در مجاورت قطرات مونومر ایجاد می‌کند که تشکیل ذرات بسیار کوچک لاتکس را طی پلیمریزاسیون تقویت می‌کند. علاوه بر اثرات مکانوشیمیایی بر پلیمریزاسیون، از دیگر مزایای سنتز فراصوتی می‌توان به دماهای پایین‌تر واکنش، تسریع سینتیک واکنش و تولید لاتکس باکیفیت با وزن‌های مولکولی به‌طور چشمگیری بالاتر اشاره کرد. این مزایا به همین ترتیب در فرایندهای کوپلیمریزاسیون به کمک فراصوت نیز وجود دارند [Zhang et al., 2009].
با سنتز نانولاتکس حاوی ZnO کپسوله‌شده می‌توان عملکرد کاربردی را باز هم بهبود بخشید. چنین ذرات هیبریدی خواص ضدخوردگی بسیار بالایی از خود نشان می‌دهند. برای مثال، Sonawane et al. (2010) با استفاده از پلیمریزاسیون امولسیونی سونوشیمیایی، ذرات کامپوزیتی نانولاتکس ZnO/poly(butyl methacrylate) و ZnO–PBMA/polyaniline را با اندازهٔ حدود 50 nm سنتز کردند.
سونیکاتورهای پرتوان Hielscher ابزارهایی مستحکم و کارآمد برای انجام واکنش‌های سونوشیمیایی هستند. مجموعه‌ای گسترده از پردازشگرهای فراصوتی با توان‌ها و پیکربندی‌های گوناگون، انطباق بهینه با الزامات اختصاصی فرایند و حجم‌های پردازش ناپیوسته یا عبوری را تضمین می‌کند. همهٔ فرایندها را می‌توان در مقیاس آزمایشگاهی ارزیابی کرد و سپس به‌صورت خطی و پیش‌بینی‌پذیر به مقیاس تولید صنعتی رساند. واحدهای فراصوتی طراحی‌شده برای کار با جریان پیوسته را می‌توان به‌راحتی در خطوط تولید موجود ادغام کرد.

از فراصوت‌دهی برای تولید کارآمد لاتکس بهره ببرید

فراصوت‌دهی رویکردی با توان و تنوع کاربرد منحصربه‌فرد برای بهبود امولسیون‌سازی و سنتز لاتکس فراهم می‌کند. نیروهای برشی شدید و اثرات کاویتاسیون ناشی از فراصوت پرتوان، امولسیون‌هایی بسیار ریز و پایدار تولید می‌کنند و اغلب نیاز به سورفکتانت‌ها را کاهش می‌دهند یا برطرف می‌کنند. هم‌زمان، تشکیل رادیکال‌ها در شرایط فراصوتی، پلیمریزاسیون را آغاز و تسریع می‌کند و کنترل دقیق هسته‌زایی، رشد و ریخت‌شناسی نهایی ذرات را امکان‌پذیر می‌سازد. این مزایای ترکیبی مکانوشیمیایی و سونوشیمیایی، لاتکس‌هایی با اندازهٔ ذرات کوچک‌تر، وزن‌های مولکولی بالاتر و یکنواختی بهتر به دست می‌دهند. افزون بر این، پردازش فراصوتی امکان کاهش دمای واکنش، کوتاه‌تر شدن زمان واکنش و افزایش مقیاس قابل‌اعتماد از آزمایشگاه تا تولید صنعتی را فراهم می‌کند. در مجموع، فراصوت‌دهی هم کارایی فرایند و هم کیفیت محصول را به‌طور چشمگیری بهبود می‌بخشد و ازاین‌رو فناوری برتری برای سنتز مدرن لاتکس به شمار می‌رود.

منابع و مراجع

• 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