Сонохимический синтез латекса

Ультразвук инициирует и стимулирует химическую реакцию полимеризации латекса. Под действием сонохимических сил синтез латекса протекает быстрее и эффективнее. Даже управление химической реакцией становится проще.

Как обработка ультразвуком улучшает синтез латекса

Ультразвук – это проверенный и высокоэффективный метод диспергирования и эмульгирования жидкостей. Его уникальные возможности заключаются в способности создавать эмульсии с каплями не только микрометрового, но и нанометрового размера. При синтезе латекса реакция обычно начинается с эмульсии или дисперсии мономеров (например, стирола для полистирола) в воде, образующей систему «масло в воде» (O/W). В зависимости от требований к составу могут потребоваться небольшие количества поверхностно-активного вещества; однако интенсивный сдвиг, создаваемый ультразвуком высокой мощности, часто обеспечивает распределение настолько мелких капель, что количество поверхностно-активных веществ можно свести к минимуму или полностью исключить необходимость их применения.

Принцип действия обработки ультразвуком

При введении ультразвука высокой амплитуды в жидкость возникает акустическая кавитация. В ходе чередующихся циклов высокого и низкого давления микропузырьки образуются, растут и в конечном итоге резко схлопываются. Эти схлопывания создают локальные горячие точки с кратковременным давлением до приблизительно 1000 bar и порождают ударные волны и микроструи, достигающие скорости до 400 km/h [Suslick, 1998]. Такие экстремальные условия воздействуют непосредственно на диспергированные капли и частицы, способствуя эффективному уменьшению их размеров и перемешиванию.
Помимо механических эффектов, ультразвуковая кавитация также образует высокореакционноспособные свободные радикалы. Эти радикалы инициируют цепную реакцию полимеризации мономеров в водной фазе. По мере образования полимерных цепей они формируют зародыши первичных частиц, размер которых обычно находится в диапазоне 10–20 nm. Эти первичные частицы набухают за счёт мономера, а растущие полимерные радикалы, образующиеся в водной фазе, включаются в существующие частицы. После прекращения образования зародышей число частиц остаётся постоянным, и дальнейшая полимеризация увеличивает только их размер. Рост продолжается до полного расходования доступного мономера, в результате чего образуются конечные частицы латекса с диаметром обычно от 50 до 500 nm.

Ультразвуковое эмульгирование и полимеризация

При синтезе полистирольного латекса сонохимическим методом можно получить частицы диаметром всего около 50 nm и молекулярную массу, превышающую 10⁶ g/mol. Благодаря высокоэффективному эмульгированию под действием ультразвука высокой мощности требуются лишь минимальные количества поверхностно-активных веществ. Непрерывная обработка мономерной фазы ультразвуком создаёт высокую плотность радикалов вблизи капель мономера, что способствует образованию исключительно мелких частиц латекса при полимеризации. Помимо механохимических эффектов полимеризации, дополнительные преимущества ультразвукового синтеза включают более низкие температуры реакции, ускоренную кинетику реакции и получение высококачественного латекса со значительно повышенной молекулярной массой. Эти преимущества также распространяются на процессы сополимеризации с применением ультразвука [Zhang et al., 2009].
Дополнительного улучшения функциональных характеристик можно достичь путём синтеза нанолатекса с инкапсуляцией ZnO. Такие гибридные частицы обладают особенно высокими антикоррозионными свойствами. Например, Sonawane et al. (2010) синтезировали композитные частицы нанолатекса ZnO/поли(бутилметакрилат) и ZnO–PBMA/полианилин размером приблизительно 50 nm методом сонохимической эмульсионной полимеризации.
Ультразвуковые аппараты высокой мощности Hielscher – это надёжные и эффективные инструменты для проведения сонохимических реакций. Широкий ассортимент ультразвуковых процессоров различной мощности и конфигурации обеспечивает оптимальную адаптацию к конкретным требованиям процесса и объёмам обработки в периодическом или проточном режиме. Все процессы можно оценить в лабораторном масштабе, а затем линейно и предсказуемо масштабировать до промышленного производства. Ультразвуковые установки, предназначенные для работы в непрерывном проточном режиме, можно без затруднений интегрировать в существующие производственные линии.

Используйте преимущества обработки ультразвуком для эффективного производства латекса

Обработка ультразвуком представляет собой уникально мощный и универсальный подход к улучшению эмульгирования и синтеза латекса. Интенсивные силы сдвига и кавитационные эффекты, создаваемые ультразвуком высокой мощности, позволяют получать исключительно мелкодисперсные и стабильные эмульсии, часто снижая или устраняя потребность в поверхностно-активных веществах. Одновременно образование радикалов под действием ультразвука инициирует и ускоряет полимеризацию, позволяя точно контролировать образование зародышей частиц, их рост и конечную морфологию. Эти совокупные механохимические и сонохимические преимущества обеспечивают получение латексов с меньшим размером частиц, более высокой молекулярной массой и улучшенной однородностью. Кроме того, ультразвуковая обработка позволяет снизить температуру реакции, сократить время реакции и обеспечить надёжное масштабирование от лабораторного до промышленного производства. В целом обработка ультразвуком значительно повышает как эффективность процесса, так и качество продукта, что делает её превосходной технологией для современного синтеза латекса.

Литература/Источники

• 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