ლატექსის სონოქიმიური სინთეზი
ულტრაბგერა იწვევს და აძლიერებს ლატექსის პოლიმერიზაციის ქიმიურ რეაქციას. სონოქიმიური ძალების გამო, ლატექსის სინთეზი მიმდინარეობს უფრო სწრაფად და ეფექტურად. ქიმიური რეაქციის მართვაც კი მარტივდება.
როგორ აუმჯობესებს ულტრაბგერითი დამუშავება ლატექსის სინთეზს
ულტრაბგერა არის სითხეების დისპერგირებისა და ემულგირებისთვის დამკვიდრებული და მაღალეფექტური მეთოდი. მისი უნიკალური პოტენციალი მდგომარეობს იმაში, რომ ის აწარმოებს ემულსიებს არა მხოლოდ მიკრომეტრულ დიაპაზონში, არამედ ნანომეტრული ზომის წვეთების დონეზეც. ლატექსის სინთეზში რეაქცია, როგორც წესი, იწყება მონომერების (მაგ., სტიროლი პოლისტიროლისთვის) ემულსიით ან დისპერსიით წყალში, რაც წარმოქმნის ზეთ-წყალში (O/W) სისტემას. ფორმულირების მოთხოვნების მიხედვით, შესაძლოა საჭირო იყოს სურფაქტანტის მცირე რაოდენობა; თუმცა, მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი დამუშავებით წარმოქმნილი ინტენსიური ძვრის ძალები ხშირად იწვევს ისეთი წვრილი წვეთების განაწილებას, რომ სურფაქტანტების რაოდენობა შეიძლება მინიმუმამდე იქნას შემცირებული ან საჭიროებად აღმოფხვრილი.
ულტრაბგერითი დამუშავების მოქმედების პრინციპი
როდესაც მაღალი ამპლიტუდის ულტრაბგერა შედის სითხეში, ხდება აკუსტიკური კავიტაცია. ალტერნატიული მაღალი და დაბალი წნევის ციკლების დროს, მიკრობუშტუკები წარმოიქმნება, იზრდება და საბოლოოდ ძლიერად იმსხვრევა. ეს იმპლოზიები ქმნის ლოკალიზებულ ცხელ წერტილებს, სადაც გარდამავალი წნევა აღწევს დაახლოებით 1000 bar-ს და წარმოქმნის შოკურ ტალღებსა და მიკროჯეტებს, რომელთა სიჩქარე აღწევს მაქსიმუმ 400 km/h-ს [Suslick, 1998]. ასეთი ექსტრემალური პირობები პირდაპირ მოქმედებს დისპერსირებულ წვეთებზე და ნაწილაკებზე, რაც ხელს უწყობს ზომის ეფექტურ შემცირებას და შერევას.
მექანიკური ეფექტების გარდა, ულტრაბგერითი კავიტაცია ასევე წარმოქმნის მაღალრეაქციულ თავისუფალ რადიკალებს. ეს რადიკალები იწვევენ მონომერების ჯაჭვური რეაქციის პოლიმერიზაციას წყალფაზიან გარემოში. პოლიმერული ჯაჭვების წარმოქმნისას ისინი ქმნიან პირველად ნაწილაკების ბირთვებს, რომელთა ზომა, როგორც წესი, 10–20 nm დიაპაზონშია. ეს პირველადი ნაწილაკები იბერება მონომერით, ხოლო წყალფაზიან გარემოში წარმოქმნილი მზარდი პოლიმერული რადიკალები ჩაერთვებიან არსებულ ნაწილაკებში. ბირთვწარმოქმნის შეწყვეტის შემდეგ, ნაწილაკების რაოდენობა მუდმივი რჩება და შემდგომი პოლიმერიზაცია მხოლოდ ნაწილაკების ზომას ზრდის. ზრდა გრძელდება მანამ, სანამ ხელმისაწვდომი მონომერი სრულად არ ამოიწურება, რის შედეგადაც საბოლოო ლატექსის ნაწილაკები, როგორც წესი, 50-დან 500 nm-მდე დიამეტრისაა.
ულტრაბგერითი ნაკადური უჯრედის რეაქტორი ლატექსის უწყვეტი ემულგირებისთვის
ულტრაბგერითი ემულგირება და პოლიმერიზაცია
როდესაც პოლისტიროლის ლატექსი სინთეზდება სონოქიმიური გზით, შესაძლებელია მიღწევა დაახლოებით 50 nm-მდე მცირე ნაწილაკების დიამეტრი და 10⁶ g/mol-ზე მეტი მოლეკულური მასა. მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერით წარმოქმნილი მაღალეფექტური ემულსიის გამო, საჭიროა მხოლოდ მინიმალური სურფაქტანტის დონე. მონომერული ფაზის უწყვეტი ულტრაბგერითი დამუშავება წარმოქმნის რადიკალების მაღალ სიმკვრივეს მონომერული წვეთების სიახლოვეს, რაც ხელს უწყობს უკიდურესად მცირე ლატექსის ნაწილაკების წარმოქმნას პოლიმერიზაციის დროს. მექანოქიმიური პოლიმერიზაციის ეფექტების გარდა, ულტრაბგერითი სინთეზის დამატებითი უპირატესობები მოიცავს რეაქციის დაბალ ტემპერატურებს, რეაქციის კინეტიკის აჩქარებას და მაღალი ხარისხის ლატექსის წარმოებას, მნიშვნელოვნად მაღალი მოლეკულური მასებით. ეს უპირატესობები ასევე ვრცელდება ულტრაბგერითი მხარდაჭერით კოპოლიმერიზაციის პროცესებზე [Zhang et al., 2009].
ფუნქციური შესრულების კიდევ უფრო გაუმჯობესება შესაძლებელია ZnO-ით ჩასხმული ნანოლატექსის სინთეზით. ასეთი ჰიბრიდული ნაწილაკები ავლენენ მნიშვნელოვნად მაღალ ანტიკოროზიულ თვისებებს. მაგალითად, Sonawane et al. (2010) სინთეზირებდნენ ZnO/poly(butyl methacrylate) და ZnO–PBMA/polyaniline ნანოლატექსის კომპოზიტურ ნაწილაკებს დაახლოებით 50 nm ზომის, სონოქიმიური ემულსიური პოლიმერიზაციის გამოყენებით.
Hielscher-ის მაღალი სიმძლავრის სონიკატორები არის მდგრადი და ეფექტური ინსტრუმენტები სონოქიმიური რეაქციების ჩასატარებლად. ულტრაბგერითი პროცესორების ფართო პორტფელი, სხვადასხვა სიმძლავრისა და კონფიგურაციის, უზრუნველყოფს ოპტიმალურ ადაპტაციას კონკრეტული პროცესის მოთხოვნებთან და პარტიის ან ნაკადის მოცულობებთან. ყველა პროცესი შეიძლება შეფასდეს ლაბორატორიულ მასშტაბში და შემდგომში მასშტაბურად გაიზარდოს სამრეწველო წარმოებამდე წრფივი და პროგნოზირებადი გზით. უწყვეტი ნაკადის ოპერაციისთვის განკუთვნილი ულტრაბგერითი აგრეგატები შეიძლება ბუნებრივად ინტეგრირდეს არსებულ წარმოების ხაზებში.
ინლაინ ულტრაბგერითი დამუშავება ლატექსის პოლიმერიზაციისთვის სამრეწველო წარმოებაში
სარგებლობა ულტრაბგერითი დამუშავებით ეფექტური ლატექსის წარმოებისთვის
ულტრაბგერითი დამუშავება უზრუნველყოფს უნიკალურად მძლავრ და მრავალმხრივ მიდგომას ლატექსის ემულგირებისა და სინთეზის გასაუმჯობესებლად. მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერით წარმოქმნილი ინტენსიური ძვრის ძალები და კავიტაციის ეფექტები ქმნიან უკიდურესად წვრილ და სტაბილურ ემულსიებს, ხშირად ამცირებენ ან აღმოფხვრიან სურფაქტანტების საჭიროებას. ამავდროულად, რადიკალების წარმოქმნა ულტრაბგერითი პირობების ქვეშ იწვევს და აჩქარებს პოლიმერიზაციას, რაც საშუალებას იძლევა ზუსტი კონტროლი განხორციელდეს ნაწილაკების ბირთვწარმოქმნაზე, ზრდასა და საბოლოო მორფოლოგიაზე. ეს გაერთიანებული მექანოქიმიური და სონოქიმიური უპირატესობები იძლევა ლატექსებს უფრო მცირე ნაწილაკების ზომით, უფრო მაღალი მოლეკულური მასებითა და გაუმჯობესებული ერთგვაროვნებით. გარდა ამისა, ულტრაბგერითი დამუშავება საშუალებას იძლევა რეაქციის დაბალი ტემპერატურების, რეაქციის მოკლე დროის და საიმედო მასშტაბირების ლაბორატორიიდან სამრეწველო წარმოებამდე. ზოგადად, ულტრაბგერითი დამუშავება მნიშვნელოვნად აუმჯობესებს როგორც პროცესის ეფექტურობას, ისე პროდუქტის ხარისხს, რაც მას თანამედროვე ლატექსის სინთეზისთვის უპირატეს ტექნოლოგიად აქცევს.
ლიტერატურა/რეფერენციები
- 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