A latex szonokémiai szintézise

Az ultrahang kiváltja és elősegíti a latex polimerizációjához szükséges kémiai reakciót. A szonokémiai erők hatására a latex szintézise gyorsabban és hatékonyabban megy végbe. Még a kémiai reakció irányítása is könnyebbé válik.

Hogyan javítja az ultrahangos kezelés a latex szintézisét

Az ultrahang bevált és rendkívül hatékony módszer a folyadékok diszpergálására és emulgeálására. Egyedülálló lehetősége abban rejlik, hogy nemcsak mikrométeres tartományú, hanem nanométeres cseppméretű emulziókat is képes létrehozni. A latex szintézise során a reakció jellemzően monomerek (például polisztirol esetében sztirol) vízben kialakított emulziójával vagy diszperziójával kezdődik, olaj-a-vízben (O/W) rendszert alkotva. Az összetételi követelményektől függően kis mennyiségű felületaktív anyagra lehet szükség; a nagy teljesítményű ultrahang által keltett intenzív nyíróhatás azonban gyakran olyan finom cseppeloszlást eredményez, hogy a felületaktív anyagok mennyisége minimálisra csökkenthető, vagy használatuk szükségtelenné válhat.

Az ultrahangos kezelés működési elve

Amikor nagy amplitúdójú ultrahangot juttatnak egy folyadékba, akusztikus kavitáció lép fel. A váltakozó nagy és kis nyomású ciklusok során mikrobuborékok képződnek, növekednek, majd végül hevesen összeomlanak. Ezek az implóziók lokális forró pontokat hoznak létre, ahol az átmeneti nyomás elérheti a körülbelül 1000 bar értéket, továbbá lökéshullámokat és akár 400 km/h sebességet is elérő mikrosugarakat keltenek [Suslick, 1998]. Az ilyen szélsőséges körülmények közvetlenül hatnak a diszpergált cseppekre és részecskékre, elősegítve a hatékony méretcsökkentést és keverést.
A mechanikai hatások mellett az ultrahangos kavitáció rendkívül reakcióképes szabad gyököket is létrehoz. Ezek a gyökök elindítják a monomerek láncreakciós polimerizációját a vizes fázisban. A polimerláncok kialakulásakor magképződéssel elsődleges részecskék jönnek létre, jellemzően a 10–20 nm tartományban. Ezek az elsődleges részecskék a monomer felvételével megduzzadnak, miközben a vizes fázisban keletkező, növekvő polimergyökök beépülnek a már meglévő részecskékbe. A magképződés megszűnése után a részecskék száma állandó marad, és a további polimerizáció csak a részecskeméretet növeli. A növekedés addig folytatódik, amíg a rendelkezésre álló monomer teljesen el nem fogy, így a végső latexrészecskék átmérője jellemzően 50 és 500 nm közé esik.

Ultrahangos emulgeálás és polimerizáció

Ha a polisztirollatexet szonokémiai úton szintetizálják, akár körülbelül 50 nm-es részecskeátmérő és 10⁶ g/mol-t meghaladó molekulatömeg is elérhető. A nagy teljesítményű ultrahang által létrehozott rendkívül hatékony emulgeálásnak köszönhetően csak minimális mennyiségű felületaktív anyagra van szükség. A monomerfázis folyamatos ultrahangos kezelése nagy gyöksűrűséget hoz létre a monomercseppek közelében, ami elősegíti a kivételesen kis latexrészecskék képződését a polimerizáció során. A mechanokémiai polimerizációs hatásokon túl az ultrahangos szintézis további előnyei közé tartozik az alacsonyabb reakcióhőmérséklet, a gyorsabb reakciókinetika és a jelentősen nagyobb molekulatömegű, kiváló minőségű latex előállítása. Ezek az előnyök az ultrahanggal segített kopolimerizációs folyamatokra is kiterjednek [Zhang et al., 2009].
A funkcionális teljesítmény tovább javítható ZnO-enkapszulációval rendelkező nanolatex szintézisével. Az ilyen hibrid részecskék kiemelkedően jó korróziógátló tulajdonságokat mutatnak. Sonawane et al. (2010) például körülbelül 50 nm-es ZnO/poli(butil-metakrilát) és ZnO–PBMA/polianilin nanolatex-kompozitrészecskéket szintetizáltak szonokémiai emulziós polimerizációval.
A Hielscher nagy teljesítményű ultrahangos készülékei robusztus és hatékony eszközök a szonokémiai reakciók végrehajtásához. A különböző teljesítményű és kialakítású ultrahangos processzorok széles választéka optimális alkalmazkodást biztosít az adott folyamat követelményeihez, valamint a szakaszosan vagy átfolyással kezelt térfogatokhoz. Minden folyamat értékelhető laboratóriumi léptékben, majd lineárisan és kiszámítható módon ipari termelési léptékre növelhető. A folyamatos átfolyásos üzemre tervezett ultrahangos egységek zökkenőmentesen integrálhatók a meglévő gyártósorokba.

Használja ki az ultrahangos kezelés előnyeit a hatékony latexgyártáshoz

Az ultrahangos kezelés egyedülállóan erőteljes és sokoldalú megközelítést kínál a latex emulgeálásának és szintézisének javítására. A nagy teljesítményű ultrahang által keltett intenzív nyíróerők és kavitációs hatások kivételesen finom és stabil emulziókat hoznak létre, gyakran csökkentve vagy megszüntetve a felületaktív anyagok iránti igényt. Ugyanakkor az ultrahangos körülmények között képződő gyökök elindítják és felgyorsítják a polimerizációt, lehetővé téve a részecskék magképződésének, növekedésének és végső morfológiájának pontos szabályozását. Ezek az együttes mechanokémiai és szonokémiai előnyök kisebb részecskeméretű, nagyobb molekulatömegű és jobb egyenletességű latexeket eredményeznek. Az ultrahangos feldolgozás emellett alacsonyabb reakcióhőmérsékletet, rövidebb reakcióidőt és megbízható léptéknövelést tesz lehetővé a laboratóriumtól az ipari termelésig. Összességében az ultrahangos kezelés jelentősen javítja mind a folyamat hatékonyságát, mind a termék minőségét, így a korszerű latexszintézis kiválóbb technológiájává válik.

Szakirodalom/Hivatkozások

• 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