Sonokemijska sinteza lateksa

Ultrazvuk potiče i pospješuje kemijsku reakciju polimerizacije lateksa. Djelovanjem sonokemijskih sila sinteza lateksa odvija se brže i učinkovitije. Čak i upravljanje kemijskom reakcijom postaje jednostavnije.

Kako sonikacija poboljšava sintezu lateksa

Ultrazvuk je etablirana i vrlo učinkovita metoda dispergiranja i emulgiranja tekućina. Njegov jedinstveni potencijal leži u sposobnosti stvaranja emulzija s kapljicama ne samo mikrometarskih nego i nanometarskih veličina. Pri sintezi lateksa reakcija obično započinje emulzijom ili disperzijom monomera (npr. stirena za polistiren) u vodi, pri čemu nastaje sustav ulja u vodi (O/W). Ovisno o zahtjevima formulacije, mogu biti potrebne male količine površinski aktivne tvari; međutim, intenzivno smicanje koje stvara ultrazvuk velike snage često dovodi do raspodjele iznimno sitnih kapljica pa se uporaba površinski aktivnih tvari može svesti na najmanju mjeru ili one mogu postati nepotrebne.

Načelo rada sonikacije

Kada se ultrazvuk visoke amplitude uvodi u tekućinu, dolazi do akustične kavitacije. Tijekom izmjeničnih ciklusa visokog i niskog tlaka stvaraju se mikromjehurići koji rastu i naposljetku silovito kolabiraju. Te implozije stvaraju lokalizirana vruća područja s prolaznim tlakovima do približno 1000 bar te udarne valove i mikromlazove koji postižu brzine do 400 km/h [Suslick, 1998]. Takvi ekstremni uvjeti izravno djeluju na dispergirane kapljice i čestice, potičući učinkovito smanjenje njihove veličine i miješanje.
Uz mehaničke učinke, ultrazvučna kavitacija također stvara vrlo reaktivne slobodne radikale. Ti radikali pokreću lančanu reakciju polimerizacije monomera u vodenoj fazi. Tijekom nastajanja polimernih lanaca nukleacijom nastaju primarne čestice, obično veličine u rasponu od 10–20 nm. Te primarne čestice bubre upijanjem monomera, dok se rastući polimerni radikali nastali u vodenoj fazi ugrađuju u postojeće čestice. Nakon prestanka nukleacije broj čestica ostaje stalan, a daljnja polimerizacija povećava samo njihovu veličinu. Rast se nastavlja dok se raspoloživi monomer potpuno ne potroši, pri čemu nastaju konačne čestice lateksa promjera obično između 50 i 500 nm.

Ultrazvučno emulgiranje i polimerizacija

Pri sintezi polistirenskog lateksa sonokemijskim postupkom mogu se postići promjeri čestica od samo približno 50 nm i molekulske mase veće od 10⁶ g/mol. Zahvaljujući vrlo učinkovitom emulgiranju koje omogućuje ultrazvuk velike snage, potrebne su samo minimalne količine površinski aktivnih tvari. Kontinuirana sonikacija monomerne faze stvara veliku gustoću radikala u blizini kapljica monomera, što potiče nastajanje iznimno malih čestica lateksa tijekom polimerizacije. Uz mehanokemijske učinke na polimerizaciju, dodatne prednosti ultrazvučne sinteze uključuju niže reakcijske temperature, ubrzanu kinetiku reakcije i proizvodnju visokokvalitetnog lateksa sa znatno većim molekulskim masama. Te prednosti vrijede i za procese kopolimerizacije potpomognute ultrazvukom [Zhang et al., 2009].
Daljnje poboljšanje funkcionalnih svojstava može se postići sintezom nanolateksa s enkapsulacijom ZnO. Takve hibridne čestice pokazuju osobito izražena antikorozivna svojstva. Primjerice, Sonawane i sur. (2010) sonokemijskom emulzijskom polimerizacijom sintetizirali su kompozitne čestice nanolateksa ZnO/poli(butil-metakrilata) i ZnO–PBMA/polianilina veličine približno 50 nm.
Hielscher sonikatori velike snage robusni su i učinkoviti alati za provođenje sonokemijskih reakcija. Širok izbor ultrazvučnih procesora različitih snaga i konfiguracija osigurava optimalnu prilagodbu specifičnim zahtjevima procesa i volumenima koji se obrađuju šaržno ili protočno. Svi se procesi mogu ispitati u laboratorijskom mjerilu, a zatim linearno i predvidljivo prenijeti u industrijsku proizvodnju. Ultrazvučne jedinice namijenjene radu s kontinuiranim protokom mogu se besprijekorno integrirati u postojeće proizvodne linije.

Iskoristite prednosti sonikacije za učinkovitu proizvodnju lateksa

Sonikacija pruža jedinstveno snažan i svestran pristup poboljšanju emulgiranja i sinteze lateksa. Intenzivne smične sile i kavitacijski učinci koje stvara ultrazvuk velike snage proizvode iznimno fine i stabilne emulzije, često smanjujući ili uklanjajući potrebu za površinski aktivnim tvarima. Istodobno, nastajanje radikala u ultrazvučnim uvjetima pokreće i ubrzava polimerizaciju, omogućujući preciznu kontrolu nukleacije, rasta i konačne morfologije čestica. Ove kombinirane mehanokemijske i sonokemijske prednosti omogućuju dobivanje lateksa s manjim česticama, većim molekulskim masama i poboljšanom ujednačenošću. Nadalje, ultrazvučna obrada omogućuje niže reakcijske temperature, kraće vrijeme reakcije i pouzdano povećanje mjerila od laboratorija do industrijske proizvodnje. Sveukupno, sonikacija znatno poboljšava i učinkovitost procesa i kvalitetu proizvoda, što je čini nadmoćnom tehnologijom za suvremenu sintezu lateksa.

Literatura/Reference

• 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