סינתזה סונוכימית של לטקס

אולטרסאונד משרה ומקדם את התגובה הכימית לפילמור לטקס. באמצעות כוחות סונוכימיים, סינתזת הלטקס מתרחשת מהר יותר וביעילות רבה יותר. אפילו ניהול התגובה הכימית נעשה קל יותר.

כיצד סוניקציה משפרת את הסינתזה של לטקס

אולטרסאונד הוא שיטה מבוססת ויעילה ביותר לפיזור ולתחלוב נוזלים. הפוטנציאל הייחודי שלו טמון ביכולתו ליצור תחליבים בעלי טיפות לא רק בטווח המיקרומטרי, אלא גם בגודל ננומטרי. בסינתזת לטקס, התגובה מתחילה בדרך כלל בתחליב או בפיזור של מונומרים (למשל, סטירן עבור פוליסטירן) במים, ליצירת מערכת שמן במים (O/W). בהתאם לדרישות הפורמולציה, ייתכן שיהיה צורך בכמויות קטנות של חומר פעיל שטח; עם זאת, כוחות הגזירה העזים הנוצרים באמצעות אולטרסאונד בהספק גבוה יוצרים לעיתים קרובות התפלגויות של טיפות כה זעירות, עד שניתן לצמצם למינימום את השימוש בחומרים פעילי שטח או לייתר אותו.

עקרון הפעולה של סוניקציה

כאשר מחדירים לנוזל אולטרסאונד במשרעת גבוהה, מתרחשת קוויטציה אקוסטית. במהלך מחזורים מתחלפים של לחץ גבוה ונמוך, נוצרות מיקרו־בועות, גדלות ולבסוף קורסות בעוצמה. קריסות אלו יוצרות מוקדים חמים מקומיים שבהם לחצים רגעיים של עד כ־1000 bar, ומייצרות גלי הלם ומיקרו־סילונים המגיעים למהירויות של עד 400 km/h [Suslick, 1998]. תנאים קיצוניים אלו פועלים ישירות על טיפות וחלקיקים מפוזרים, ומקדמים הקטנת גודל וערבוב ביעילות.
נוסף על ההשפעות המכניות, קוויטציה אולטרסונית מייצרת גם רדיקלים חופשיים בעלי תגובתיות גבוהה מאוד. רדיקלים אלו יוזמים פילמור של מונומרים בתגובת שרשרת בפאזה המימית. עם היווצרותן של שרשראות הפולימר, הן יוצרות גרעינים של חלקיקים ראשוניים, בדרך כלל בטווח של 10–20 nm. חלקיקים ראשוניים אלו תופחים עקב ספיחת מונומר, בעוד שרדיקלים פולימריים גדלים שנוצרו בפאזה המימית משתלבים בחלקיקים הקיימים. לאחר שההתגרענות נפסקת, מספר החלקיקים נשאר קבוע והמשך הפילמור מגדיל רק את גודל החלקיקים. הגדילה נמשכת עד לצריכה מלאה של המונומר הזמין, ומניבה חלקיקי לטקס סופיים שקוטרם בדרך כלל בין 50 ל־500 nm.

תחלוב ופילמור אולטרסוניים

כאשר מסנתזים לטקס פוליסטירן בדרך סונוכימית, ניתן להשיג קוטרי חלקיקים קטנים עד כדי כ־50 nm ומשקלים מולקולריים העולים על 10⁶ g/mol. הודות לתחלוב היעיל ביותר הנוצר באמצעות אולטרסאונד בהספק גבוה, נדרשות רק כמויות מזעריות של חומר פעיל שטח. סוניקציה רציפה של פאזת המונומר יוצרת צפיפות גבוהה של רדיקלים בקרבת טיפות המונומר, ובכך מקדמת היווצרות של חלקיקי לטקס קטנים במיוחד במהלך הפילמור. מעבר להשפעות המכנוכימיות על הפילמור, יתרונות נוספים של סינתזה אולטרסונית כוללים טמפרטורות תגובה נמוכות יותר, קינטיקת תגובה מואצת וייצור לטקס באיכות גבוהה עם משקלים מולקולריים גבוהים במידה ניכרת. יתרונות אלו חלים גם על תהליכי קופילמור בסיוע אולטרסאונד [Zhang et al., 2009].
ניתן להשיג שיפור נוסף בביצועים התפקודיים באמצעות סינתזה של ננו־לטקס עם אנקפסולציה של ZnO. חלקיקים היברידיים כאלה מפגינים תכונות בולטות במיוחד של הגנה מפני קורוזיה. Sonawane et al. (2010), למשל, סינתזו חלקיקי ננו־לטקס מרוכבים של ZnO/poly(butyl methacrylate) ושל ZnO–PBMA/polyaniline בגודל של כ־50 nm באמצעות פילמור סונוכימי בתחליב.
מכשירי הסוניקציה בהספק גבוה של Hielscher הם כלים עמידים ויעילים לביצוע תגובות סונוכימיות. מגוון רחב של מעבדים אולטרסוניים ברמות הספק ובתצורות שונות מבטיח התאמה מיטבית לדרישות תהליך ספציפיות ולנפחי עיבוד באצווה או בזרימה. ניתן להעריך את כל התהליכים בקנה מידה מעבדתי ולאחר מכן להגדיל את קנה המידה לייצור תעשייתי באופן ליניארי וצפוי. ניתן לשלב יחידות אולטרסוניות המיועדות לפעולה בזרימה רציפה בצורה חלקה בקווי ייצור קיימים.

נצלו את יתרונות הסוניקציה לייצור יעיל של לטקס

סוניקציה מספקת גישה בעלת עוצמה ורב־תכליתיות ייחודיות לשיפור התחלוב והסינתזה של לטקס. כוחות הגזירה העזים והשפעות הקוויטציה הנוצרים באמצעות אולטרסאונד בהספק גבוה מפיקים תחליבים עדינים ויציבים במיוחד, ולעיתים קרובות מצמצמים או מבטלים את הצורך בחומרים פעילי שטח. במקביל, היווצרות רדיקלים בתנאים אולטרסוניים יוזמת ומאיצה פילמור, ומאפשרת שליטה מדויקת בהתגרענות החלקיקים, בגדילתם ובמורפולוגיה הסופית שלהם. יתרונות מכנוכימיים וסונוכימיים משולבים אלו מניבים תחליבי לטקס בעלי חלקיקים קטנים יותר, משקלים מולקולריים גבוהים יותר ואחידות משופרת. נוסף על כך, עיבוד אולטרסוני מאפשר טמפרטורות תגובה נמוכות יותר, זמני תגובה קצרים יותר והגדלה אמינה של קנה המידה מהמעבדה לייצור תעשייתי. בסך הכול, סוניקציה משפרת במידה ניכרת הן את יעילות התהליך והן את איכות המוצר, והופכת בכך לטכנולוגיה עדיפה לסינתזת לטקס מודרנית.

ספרות/מקורות

• 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