Sonochemische synthese van latex

Ultrageluid brengt de chemische reactie voor de polymerisatie van latex op gang en bevordert deze. Door sonochemische krachten verloopt de latexsynthese sneller en efficiënter. Zelfs het uitvoeren van de chemische reactie wordt eenvoudiger.

Hoe sonicatie de synthese van latex verbetert

Ultrageluid is een gevestigde en zeer effectieve methode voor het dispergeren en emulgeren van vloeistoffen. Het unieke potentieel ervan ligt in het vermogen om emulsies te produceren met druppelgroottes niet alleen in het micrometerbereik, maar ook op nanometerschaal. Bij latexsynthese begint de reactie doorgaans met een emulsie of dispersie van monomeren (bijvoorbeeld styreen voor polystyreen) in water, waarbij een olie-in-water-systeem (O/W) wordt gevormd. Afhankelijk van de formuleringseisen kunnen kleine hoeveelheden oppervlakteactieve stof nodig zijn; de intense afschuiving die door ultrageluid met hoog vermogen wordt opgewekt, levert echter vaak zulke fijne druppelverdelingen op dat het gebruik van oppervlakteactieve stoffen tot een minimum kan worden beperkt of overbodig kan worden.

Het werkingsprincipe van sonicatie

Wanneer ultrageluid met hoge amplitude in een vloeistof wordt ingebracht, treedt akoestische cavitatie op. Tijdens afwisselende hoge- en lagedrukcycli ontstaan microbellen, die groeien en uiteindelijk met grote kracht imploderen. Deze implosies creëren plaatselijke hotspots met kortstondige drukken tot ongeveer 1000 bar en genereren schokgolven en microjets die snelheden tot 400 km/h bereiken [Suslick, 1998]. Dergelijke extreme omstandigheden werken rechtstreeks in op gedispergeerde druppels en deeltjes en bevorderen efficiënte verkleining en menging.
Naast mechanische effecten produceert ultrasone cavitatie ook zeer reactieve vrije radicalen. Deze radicalen initiëren de polymerisatie van monomeren via een kettingreactie in de waterfase. Terwijl polymeerketens worden gevormd, brengen ze door nucleatie primaire deeltjes voort, doorgaans in het bereik van 10–20 nm. Deze primaire deeltjes zwellen op door opname van monomeer, terwijl groeiende polymeerradicalen die in de waterfase worden gevormd, in de bestaande deeltjes worden opgenomen. Nadat de nucleatie is gestopt, blijft het aantal deeltjes constant en neemt bij verdere polymerisatie alleen de deeltjesgrootte toe. De groei gaat door totdat het beschikbare monomeer volledig is verbruikt, wat resulteert in uiteindelijke latexdeeltjes met een diameter die doorgaans tussen 50 en 500 nm ligt.

Ultrasone emulsificatie en polymerisatie

Wanneer polystyreenlatex via een sonochemische route wordt gesynthetiseerd, kunnen deeltjesdiameters van slechts ongeveer 50 nm en molecuulgewichten van meer dan 10⁶ g/mol worden bereikt. Dankzij de zeer efficiënte emulsificatie die door ultrageluid met hoog vermogen wordt opgewekt, zijn slechts minimale hoeveelheden oppervlakteactieve stof nodig. Continue sonicatie van de monomeerfase produceert een hoge dichtheid aan radicalen in de nabijheid van de monomeerdruppels, wat de vorming van uitzonderlijk kleine latexdeeltjes tijdens de polymerisatie bevordert. Naast de mechanochemische polymerisatie-effecten biedt ultrasone synthese aanvullende voordelen, waaronder lagere reactietemperaturen, versnelde reactiekinetiek en de productie van hoogwaardige latex met aanzienlijk hogere molecuulgewichten. Deze voordelen gelden eveneens voor ultrasoon ondersteunde copolymerisatieprocessen [Zhang et al., 2009].
Een verdere verbetering van de functionele prestaties kan worden gerealiseerd door de synthese van nanolatex met ZnO-inkapseling. Dergelijke hybride deeltjes vertonen bijzonder sterke corrosiewerende eigenschappen. Sonawane et al. (2010) synthetiseerden bijvoorbeeld nanolatexcomposietdeeltjes van ZnO/poly(butyl methacrylate) en ZnO–PBMA/polyaniline van ongeveer 50 nm met behulp van sonochemische emulsiepolymerisatie.
Hielscher sonicators met hoog vermogen zijn robuuste en efficiënte hulpmiddelen voor het uitvoeren van sonochemische reacties. Een breed assortiment ultrasone processoren met uiteenlopende vermogens en configuraties zorgt voor een optimale afstemming op specifieke proceseisen en batch- of doorstroomvolumes. Alle processen kunnen op laboratoriumschaal worden geëvalueerd en vervolgens op een lineaire en voorspelbare manier worden opgeschaald naar industriële productie. Ultrasone apparaten die zijn ontworpen voor gebruik met continue doorstroming, kunnen naadloos in bestaande productielijnen worden geïntegreerd.

Profiteer van sonicatie voor efficiënte latexproductie

Sonicatie biedt een uniek krachtige en veelzijdige aanpak om de emulsificatie en synthese van latex te verbeteren. De intense afschuifkrachten en cavitatie-effecten die door ultrageluid met hoog vermogen worden opgewekt, produceren uitzonderlijk fijne en stabiele emulsies, waardoor de behoefte aan oppervlakteactieve stoffen vaak afneemt of verdwijnt. Tegelijkertijd initieert en versnelt de vorming van radicalen onder ultrasone omstandigheden de polymerisatie, waardoor nauwkeurige controle over de nucleatie, groei en uiteindelijke morfologie van de deeltjes mogelijk wordt. Deze gecombineerde mechanochemische en sonochemische voordelen leveren latexen op met kleinere deeltjesgroottes, hogere molecuulgewichten en een verbeterde uniformiteit. Bovendien maakt ultrasone verwerking lagere reactietemperaturen, kortere reactietijden en betrouwbare opschaling van laboratorium- naar industriële productie mogelijk. Over het geheel genomen verbetert sonicatie zowel de procesefficiëntie als de productkwaliteit aanzienlijk, waardoor het een superieure technologie is voor moderne latexsynthese.

Literatuur/Referenties

• 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