Lateksin sonokemiallinen synteesi

Ultraääni käynnistää ja edistää lateksin polymeroitumiseen johtavaa kemiallista reaktiota. Sonokemiallisten voimien ansiosta lateksin synteesi tapahtuu nopeammin ja tehokkaammin. Myös kemiallisen reaktion hallinta helpottuu.

Miten ultraäänikäsittely parantaa lateksin synteesiä

Ultraääni on vakiintunut ja erittäin tehokas menetelmä nesteiden dispergointiin ja emulgointiin. Sen ainutlaatuinen potentiaali perustuu kykyyn tuottaa emulsioita, joiden pisarakoot ovat mikrometriluokan lisäksi myös nanometriluokkaa. Lateksin synteesissä reaktio alkaa tavallisesti monomeerien (esim. styreenin polystyreenin valmistuksessa) emulsiosta tai dispersiosta vedessä, jolloin muodostuu öljy-vedessä-järjestelmä (O/W). Koostumukselle asetettujen vaatimusten mukaan pienet määrät pinta-aktiivista ainetta voivat olla tarpeen; suuritehoisen ultraäänen tuottama voimakas leikkaus saa kuitenkin usein aikaan niin hienojakoisia pisarajakaumia, että pinta-aktiivisten aineiden määrä voidaan minimoida tai ne voidaan tehdä tarpeettomiksi.

Ultraäänikäsittelyn toimintaperiaate

Kun nesteeseen johdetaan suuren amplitudin ultraääntä, syntyy akustista kavitaatiota. Vuorottelevien korkean ja matalan paineen jaksojen aikana muodostuu mikrokuplia, jotka kasvavat ja lopulta luhistuvat rajusti. Nämä luhistumiset synnyttävät paikallisia kuumia pisteitä, joissa hetkelliset paineet voivat nousta jopa noin 1000 bar:iin, sekä paineaaltoja ja mikrosuihkuja, joiden nopeudet voivat olla jopa 400 km/h [Suslick, 1998]. Tällaiset äärimmäiset olosuhteet vaikuttavat suoraan dispergoituneisiin pisaroihin ja hiukkasiin edistäen tehokasta koon pienentämistä ja sekoittumista.
Mekaanisten vaikutusten lisäksi ultraäänikavitaatio tuottaa myös erittäin reaktiivisia vapaita radikaaleja. Nämä radikaalit käynnistävät monomeerien ketjureaktiopolymeroinnin vesifaasissa. Muodostuvat polymeeriketjut synnyttävät ydintymisen kautta primäärihiukkasia, joiden koko on tavallisesti 10–20 nm. Nämä primäärihiukkaset turpoavat monomeerin vaikutuksesta, ja vesifaasissa syntyvät kasvavat polymeeriradikaalit liittyvät olemassa oleviin hiukkasiin. Ydintymisen päätyttyä hiukkasten lukumäärä pysyy vakiona ja polymeroinnin jatkuminen kasvattaa vain hiukkaskokoa. Kasvu jatkuu, kunnes käytettävissä oleva monomeeri on kulunut kokonaan, jolloin muodostuu lopullisia lateksihiukkasia, joiden halkaisija on tavallisesti 50–500 nm.

Ultraääniemulgointi ja -polymerointi

Kun polystyreenilateksia syntetisoidaan sonokemiallisesti, voidaan saavuttaa jopa noin 50 nm:n hiukkashalkaisijoita ja yli 10⁶ g/mol:n molekyylipainoja. Suuritehoisen ultraäänen aikaansaaman erittäin tehokkaan emulgoinnin ansiosta tarvitaan vain hyvin pieniä määriä pinta-aktiivista ainetta. Monomeerifaasin jatkuva ultraäänikäsittely tuottaa suuren radikaalitiheyden monomeeripisaroiden läheisyydessä, mikä edistää poikkeuksellisen pienten lateksihiukkasten muodostumista polymeroinnin aikana. Mekanokemiallisten polymerointivaikutusten lisäksi ultraäänisynteesin etuja ovat alhaisemmat reaktiolämpötilat, nopeutunut reaktiokinetiikka ja korkealaatuisen lateksin tuotanto huomattavasti suuremmilla molekyylipainoilla. Nämä edut koskevat myös ultraääniavusteisia kopolymerointiprosesseja [Zhang et al., 2009].
Toiminnallista suorituskykyä voidaan parantaa edelleen syntetisoimalla nanolateksia, johon liittyy ZnO-kapselointi. Tällaisilla hybridihiukkasilla on huomattavan hyvät korroosionesto-ominaisuudet. Esimerkiksi Sonawane et al. (2010) syntetisoivat noin 50 nm:n kokoisia ZnO/poly(butyylimetakrylaatti)- ja ZnO–PBMA/polyaniliini-nanolateksikomposiittihiukkasia sonokemiallisella emulsiopolymeroinnilla.
Hielscherin suuritehoiset ultraäänilaitteet ovat kestäviä ja tehokkaita työkaluja sonokemiallisten reaktioiden toteuttamiseen. Laaja valikoima ultraääniprosessoreita, joiden tehot ja kokoonpanot vaihtelevat, varmistaa optimaalisen mukautumisen erityisiin prosessivaatimuksiin ja erä- tai läpivirtaustilavuuksiin. Kaikkia prosesseja voidaan arvioida laboratoriomittakaavassa ja skaalata sen jälkeen teolliseen tuotantoon lineaarisesti ja ennustettavasti. Jatkuvaan virtaukseen suunnitellut ultraäänilaitteet voidaan integroida saumattomasti olemassa oleviin tuotantolinjoihin.

Hyödynnä ultraäänikäsittelyä tehokkaassa lateksin tuotannossa

Ultraäänikäsittely tarjoaa ainutlaatuisen tehokkaan ja monipuolisen menetelmän lateksin emulgoinnin ja synteesin tehostamiseen. Suuritehoisen ultraäänen tuottamat voimakkaat leikkausvoimat ja kavitaatiovaikutukset muodostavat poikkeuksellisen hienojakoisia ja vakaita emulsioita, mikä usein vähentää pinta-aktiivisten aineiden tarvetta tai poistaa sen kokonaan. Samalla radikaalien muodostuminen ultraääniolosuhteissa käynnistää ja nopeuttaa polymerointia, mikä mahdollistaa hiukkasten ydintymisen, kasvun ja lopullisen morfologian tarkan hallinnan. Nämä yhdistetyt mekanokemialliset ja sonokemialliset hyödyt tuottavat latekseja, joiden hiukkaskoot ovat pienempiä, molekyylipainot suurempia ja tasalaatuisuus parempi. Lisäksi ultraäänikäsittely mahdollistaa alhaisemmat reaktiolämpötilat, lyhyemmät reaktioajat ja luotettavan skaalauksen laboratoriosta teolliseen tuotantoon. Kaiken kaikkiaan ultraäänikäsittely parantaa merkittävästi sekä prosessin tehokkuutta että tuotteen laatua, mikä tekee siitä ylivoimaisen teknologian nykyaikaiseen lateksin synteesiin.

Kirjallisuus/Viitteet

• 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