Lateksin sonokemiallinen synteesi

Ultraääni indusoi ja edistää kemiallista reaktiota lateksin polymeroimiseksi. Sonokemiallisilla voimilla lateksisynteesi tapahtuu nopeammin ja tehokkaammin. Jopa kemiallisen reaktion käsittely helpottuu.

Miten sonikointi parantaa lateksin synteesiä

Ultraääni on vakiintunut ja erittäin tehokas menetelmä nesteiden dispergoimiseksi ja emulgoimiseksi. Sen ainutlaatuinen potentiaali piilee sen kyvyssä tuottaa emulsioita mikrometrin alueen lisäksi myös nanometrin mittakaavan pisarakokojen osalta. Lateksisynteesissä reaktio alkaa tyypillisesti monomeerien (esim. styreenin polystyreeniä varten) emulsiosta tai dispersiosta vedessä, jolloin muodostuu öljy-vesi (O/W) -järjestelmä. Formulointivaatimuksista riippuen pieniä määriä pinta-aktiivista ainetta voi olla tarpeen; suuritehoisen ultraäänen aiheuttama voimakas leikkaus tuottaa kuitenkin usein niin hienoja pisarajakaumia, että pinta-aktiiviset aineet voidaan minimoida tai tehdä tarpeettomiksi.

Sonikoinnin toimintaperiaate

Kun nesteeseen johdetaan suuren amplitudin ultraääntä, syntyy akustista kavitaatiota. Korkean ja matalan paineen syklien vaihtuessa mikrokuplia muodostuu, ne kasvavat ja lopulta romahtavat rajusti. Nämä implikaatiot luovat paikallisia kuumia pisteitä, joiden ohimenevä paine on jopa noin 1000 baaria, ja ne synnyttävät iskuaaltoja ja mikrosuihkuja, joiden nopeus on jopa 400 km/h [Suslick, 1998]. Tällaiset ääriolosuhteet vaikuttavat suoraan hajallaan oleviin pisaroihin ja hiukkasiin ja edistävät niiden tehokasta koon pienenemistä ja sekoittumista.
Mekaanisten vaikutusten lisäksi ultraäänikavitaatio tuottaa myös erittäin reaktiivisia vapaita radikaaleja. Nämä radikaalit käynnistävät monomeerien ketjureaktiopolymerisaation vesifaasissa. Kun polymeeriketjut muodostuvat, ne muodostavat primäärihiukkasia, jotka ovat tyypillisesti 10-20 nm:n kokoisia. Nämä primaarihiukkaset turpoavat monomeerilla, kun taas vesifaasissa syntyneet kasvavat polymeeriradikaalit sulautuvat olemassa oleviin hiukkasiin. Nukleaation loputtua hiukkasten lukumäärä pysyy vakiona, ja jatkopolymerisaatio kasvattaa vain hiukkaskokoa. Kasvu jatkuu, kunnes käytettävissä oleva monomeeri on kokonaan kulutettu, jolloin lopulliset lateksihiukkaset ovat tyypillisesti halkaisijaltaan 50-500 nm.

Ultraääni emulgointi ja polymerisaatio

Kun polystyreenilateksia syntetisoidaan sonokemiallisella menetelmällä, voidaan saavuttaa jopa noin 50 nm:n hiukkasläpimitta ja yli 10⁶ g/mol molekyylipaino. Suuritehoisella ultraäänellä aikaansaadun erittäin tehokkaan emulgoinnin ansiosta tarvitaan vain minimaalinen määrä pinta-aktiivisia aineita. Monomeerifaasin jatkuva ultraäänituotanto tuottaa suuren radikaalitiheyden monomeeripisaroiden läheisyyteen, mikä edistää poikkeuksellisen pienten lateksihiukkasten muodostumista polymerisaation aikana. Mekaanis-kemiallisen polymerisaation vaikutusten lisäksi ultraäänisynteesin lisäetuja ovat alhaisemmat reaktiolämpötilat, nopeutettu reaktiokinetiikka ja korkealaatuisen lateksin tuotanto, jonka molekyylipainot ovat huomattavasti korkeammat. Nämä edut ulottuvat myös ultraääniavusteisiin kopolymerointiprosesseihin [Zhang et al., 2009].
Toiminnallista suorituskykyä voidaan parantaa entisestään syntetisoimalla ZnO-kapseloitua nanolatexia. Tällaisilla hybridihiukkasilla on huomattavan hyvät korroosionesto-ominaisuudet. Esimerkiksi Sonawane et al. (2010) syntetisoivat ZnO/poly(butyylimetakrylaatti)- ja ZnO-PBMA/polyaniliini-nanolaatikkokomposiittihiukkasia, joiden koko on noin 50 nm, käyttäen sonokemiallista emulsiopolymerisaatiota.
Hielscherin suuritehoiset sonikaattorit ovat vankkoja ja tehokkaita välineitä sonokemiallisten reaktioiden suorittamiseen. Laaja valikoima ultraääniprosessoreita, joiden tehot ja kokoonpanot vaihtelevat, takaa optimaalisen mukautumisen erityisiin prosessivaatimuksiin ja erän tai läpivirtauksen tilavuuteen. Kaikki prosessit voidaan arvioida laboratoriomittakaavassa ja sen jälkeen skaalata lineaarisesti ja ennustettavasti teolliseen tuotantoon. Jatkuvaan virtauskäyttöön suunnitellut ultraäänilaitteet voidaan integroida saumattomasti olemassa oleviin tuotantolinjoihin.

Hyödynnä sonikointia tehokkaaseen lateksin tuotantoon

Sonikaatio tarjoaa ainutlaatuisen tehokkaan ja monipuolisen lähestymistavan lateksin emulgoinnin ja synteesin tehostamiseen. Suuritehoisen ultraäänen tuottamat voimakkaat leikkausvoimat ja kavitaatiovaikutukset tuottavat poikkeuksellisen hienoja ja vakaita emulsioita, mikä usein vähentää pinta-aktiivisten aineiden tarvetta tai poistaa sen kokonaan. Samalla radikaalien muodostuminen ultraääniolosuhteissa käynnistää ja nopeuttaa polymerisaatiota, mikä mahdollistaa hiukkasten ydintymisen, kasvun ja lopullisen morfologian tarkan hallinnan. Näillä yhdistetyillä mekaanis-kemiallisilla ja sonokemiallisilla eduilla saadaan aikaan latekseja, joiden hiukkaskoko on pienempi, molekyylipaino suurempi ja tasalaatuisuus parempi. Lisäksi ultraäänikäsittely mahdollistaa alhaisemmat reaktiolämpötilat, lyhyemmät reaktioajat ja luotettavan skaalautuvuuden laboratoriosta teolliseen tuotantoon. Kaiken kaikkiaan sonikointi parantaa merkittävästi sekä prosessin tehokkuutta että tuotteen laatua, mikä tekee siitä ylivoimaisen tekniikan nykyaikaisessa lateksisynteesissä.

Kirjallisuus/viitteet