Sonochemiczna synteza lateksu

Ultradźwięki inicjują i wspomagają reakcję chemiczną prowadzącą do polimeryzacji lateksu. Dzięki oddziaływaniom sonochemicznym synteza lateksu przebiega szybciej i wydajniej. Nawet prowadzenie reakcji chemicznej staje się łatwiejsze.

Jak sonikacja usprawnia syntezę lateksu

Ultradźwięki są uznaną i wysoce skuteczną metodą dyspergowania i emulgowania cieczy. Ich wyjątkowy potencjał polega na zdolności do wytwarzania emulsji o rozmiarach kropli nie tylko w zakresie mikrometrowym, lecz także w skali nanometrowej. W syntezie lateksu reakcja zazwyczaj rozpoczyna się od emulsji lub dyspersji monomerów (np. styrenu w przypadku polistyrenu) w wodzie, tworzącej układ typu olej w wodzie (O/W). W zależności od wymagań dotyczących formulacji konieczne mogą być niewielkie ilości środka powierzchniowo czynnego; jednak intensywne ścinanie generowane przez ultradźwięki dużej mocy często pozwala uzyskać rozkłady wielkości kropli obejmujące tak małe krople, że ilość środków powierzchniowo czynnych można zminimalizować lub całkowicie wyeliminować potrzebę ich stosowania.

Zasada działania sonikacji

Gdy do cieczy wprowadza się ultradźwięki o dużej amplitudzie, występuje kawitacja akustyczna. Podczas naprzemiennych cykli wysokiego i niskiego ciśnienia mikropęcherzyki powstają, rosną, a ostatecznie gwałtownie się zapadają. Te implozje tworzą lokalne obszary wysokiej temperatury z przejściowymi ciśnieniami sięgającymi około 1000 bar oraz generują fale uderzeniowe i mikrostrugi osiągające prędkości do 400 km/h [Suslick, 1998]. Tak ekstremalne warunki oddziałują bezpośrednio na rozproszone krople i cząstki, sprzyjając skutecznemu zmniejszaniu ich rozmiarów i mieszaniu.
Oprócz efektów mechanicznych kawitacja ultradźwiękowa wytwarza również wysoce reaktywne wolne rodniki. Rodniki te inicjują łańcuchową polimeryzację monomerów w fazie wodnej. Powstające łańcuchy polimerowe tworzą zarodki cząstek pierwotnych, których rozmiary zazwyczaj mieszczą się w zakresie 10–20 nm. Te cząstki pierwotne pęcznieją, pochłaniając monomer, a rosnące rodniki polimerowe powstające w fazie wodnej są włączane do istniejących cząstek. Po ustaniu zarodkowania liczba cząstek pozostaje stała, a dalsza polimeryzacja zwiększa jedynie ich rozmiar. Wzrost trwa aż do całkowitego zużycia dostępnego monomeru, prowadząc do uzyskania końcowych cząstek lateksu o średnicach zazwyczaj od 50 do 500 nm.

Emulgowanie i polimeryzacja z zastosowaniem ultradźwięków

Podczas syntezy lateksu polistyrenowego metodą sonochemiczną można uzyskać cząstki o średnicach tak małych jak około 50 nm oraz masy molowe przekraczające 10⁶ g/mol. Dzięki wysoce wydajnemu emulgowaniu wywoływanemu przez ultradźwięki dużej mocy wymagane są jedynie minimalne ilości środków powierzchniowo czynnych. Ciągła sonikacja fazy monomerowej wytwarza dużą gęstość rodników w pobliżu kropli monomeru, co sprzyja powstawaniu wyjątkowo małych cząstek lateksu podczas polimeryzacji. Oprócz mechanochemicznych efektów polimeryzacji dodatkowe zalety syntezy ultradźwiękowej obejmują niższe temperatury reakcji, przyspieszoną kinetykę reakcji oraz wytwarzanie wysokiej jakości lateksu o znacznie zwiększonych masach molowych. Korzyści te dotyczą również procesów kopolimeryzacji wspomaganych ultradźwiękami [Zhang et al., 2009].
Dalszą poprawę właściwości funkcjonalnych można osiągnąć poprzez syntezę nanolateksu z enkapsulacją ZnO. Takie cząstki hybrydowe wykazują szczególnie wysokie właściwości antykorozyjne. Na przykład Sonawane i współautorzy (2010) zsyntetyzowali kompozytowe cząstki nanolateksu ZnO/poli(metakrylan butylu) oraz ZnO–PBMA/polianilina o rozmiarach około 50 nm, stosując sonochemiczną polimeryzację emulsyjną.
Sonikatory Hielscher dużej mocy są solidnymi i wydajnymi narzędziami do prowadzenia reakcji sonochemicznych. Szeroka oferta procesorów ultradźwiękowych o różnych mocach i konfiguracjach zapewnia optymalne dostosowanie do konkretnych wymagań procesu oraz objętości przetwarzanych w trybie wsadowym lub przepływowym. Wszystkie procesy można ocenić w skali laboratoryjnej, a następnie zwiększyć ich skalę do produkcji przemysłowej w sposób liniowy i przewidywalny. Urządzenia ultradźwiękowe przeznaczone do pracy w przepływie ciągłym można bezproblemowo zintegrować z istniejącymi liniami produkcyjnymi.

Wykorzystaj sonikację do wydajnej produkcji lateksu

Sonikacja stanowi wyjątkowo skuteczną i wszechstronną metodę usprawniania emulgowania i syntezy lateksu. Intensywne siły ścinające i efekty kawitacji generowane przez ultradźwięki dużej mocy pozwalają uzyskać wyjątkowo drobne i stabilne emulsje, często ograniczając lub eliminując potrzebę stosowania środków powierzchniowo czynnych. Jednocześnie powstawanie rodników w warunkach oddziaływania ultradźwięków inicjuje i przyspiesza polimeryzację, umożliwiając precyzyjną kontrolę nad zarodkowaniem, wzrostem i końcową morfologią cząstek. Te połączone korzyści mechanochemiczne i sonochemiczne pozwalają uzyskać lateksy o mniejszych rozmiarach cząstek, większych masach molowych i lepszej jednorodności. Ponadto przetwarzanie ultradźwiękowe umożliwia stosowanie niższych temperatur reakcji, skrócenie czasu reakcji oraz niezawodne zwiększanie skali od laboratorium do produkcji przemysłowej. Ogólnie sonikacja znacząco poprawia zarówno wydajność procesu, jak i jakość produktu, co czyni ją technologią o wyjątkowych zaletach w nowoczesnej syntezie lateksu.

Literatura / Źródła

• 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