ラテックスのソノケミカル合成

超音波は、ラテックスの重合における化学反応を誘起し、促進します。ソノケミカル作用によって、ラテックス合成はより速く、より効率的に進行します。化学反応の操作も容易になります。

超音波処理がラテックス合成を改善する仕組み

超音波は、液体の分散と乳化に用いられる、確立された非常に効果的な方法です。その独自の可能性は、マイクロメートル域だけでなく、ナノメートルスケールの液滴サイズでもエマルションを生成できる点にあります。ラテックス合成では、通常、水中のモノマー（例えば、ポリスチレンの場合はスチレン）のエマルションまたは分散液から反応が始まり、水中油型（O/W）系を形成します。配合要件によっては少量の界面活性剤が必要になる場合がありますが、高出力超音波が生み出す強いせん断によって、液滴が非常に微細なサイズ分布になるため、界面活性剤の使用量を最小限に抑えたり、不要にしたりできることがよくあります。

超音波処理の動作原理

高振幅の超音波を液体に導入すると、音響キャビテーションが発生します。高圧と低圧が交互に繰り返されるサイクルの間に、微小気泡が形成され、成長し、最終的に激しく崩壊します。この内向きの崩壊によって、瞬間的な圧力が最大約1000 barに達する局所的なホットスポットが形成され、衝撃波と、速度が最大400 km/hに達するマイクロジェットが発生します [Suslick, 1998]。このような極端な条件は、分散した液滴や粒子に直接作用し、効率的な微細化と混合を促進します。
超音波キャビテーションは、機械的な作用に加えて、反応性の高いフリーラジカルも生成します。これらのラジカルは、水相中のモノマーの連鎖反応による重合を開始します。ポリマー鎖が形成されると、通常10–20 nmの範囲の一次粒子の核が生成されます。これらの一次粒子はモノマーを取り込んで膨潤し、その一方で、水相中で生成されて成長するポリマーラジカルは既存の粒子に取り込まれます。核生成が停止した後は粒子数が一定に保たれ、その後の重合では粒子サイズのみが増大します。利用可能なモノマーが完全に消費されるまで成長が続き、最終的に通常直径50–500 nmのラテックス粒子が得られます。

超音波による乳化と重合

ポリスチレンラテックスをソノケミカル法で合成すると、約50 nmという小さな粒子径と、10⁶ g/molを超える分子量を達成できます。高出力超音波による乳化は非常に効率的なため、必要な界面活性剤の量はごくわずかです。モノマー相に連続的な超音波処理を施すと、モノマー液滴の近傍に高密度のラジカルが生成され、重合中に極めて小さなラテックス粒子の形成が促進されます。超音波合成には、メカノケミカルな重合効果に加えて、反応温度の低下、反応速度の向上、分子量が大幅に高まった高品質ラテックスの生成という利点があります。これらの利点は、超音波支援による共重合プロセスにも同様に当てはまります [Zhang et al., 2009]。
ZnOのカプセル化を伴うナノラテックスの合成によって、機能的性能をさらに向上させることができます。このようなハイブリッド粒子は、顕著に高い防食特性を示します。例えば、Sonawane et al. (2010) は、ソノケミカル乳化重合を用いて、約50 nmのZnO/ポリ(メタクリル酸ブチル)およびZnO–PBMA/ポリアニリンのナノラテックス複合粒子を合成しました。
Hielscherの高出力超音波処理装置は、ソノケミカル反応を行うための堅牢で効率的なツールです。さまざまな出力容量と構成を備えた幅広い超音波プロセッサーにより、個々のプロセス要件やバッチ処理量、フロー処理量に最適に対応できます。すべてのプロセスは実験室規模で評価でき、その後、線形かつ予測可能な形で工業生産へスケールアップできます。連続フロー運転向けに設計された超音波装置は、既存の生産ラインにシームレスに組み込むことができます。

超音波処理を活用してラテックスを効率的に生産

超音波処理は、ラテックスの乳化と合成を改善するための、独自の強力かつ多用途な手法です。高出力超音波によって生じる強いせん断力とキャビテーション効果は、極めて微細で安定したエマルションを生成し、多くの場合、界面活性剤の必要量を減らしたり、不要にしたりします。同時に、超音波条件下でのラジカル生成は重合を開始・加速し、粒子の核生成、成長、最終的な形態を精密に制御できるようにします。これらのメカノケミカル作用とソノケミカル作用による利点が組み合わさることで、粒子サイズがより小さく、分子量がより高く、均一性が向上したラテックスが得られます。さらに、超音波処理により、反応温度の低下、反応時間の短縮、実験室規模から工業生産への確実なスケールアップが可能になります。総合的に、超音波処理はプロセス効率と製品品質の両方を大幅に向上させるため、現代のラテックス合成における優れた技術です。

文献・参考資料

• 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