Sonochemická syntéza latexu

Ultrazvuk vyvoláva a podporuje chemickú reakciu pri polymerizácii latexu. Pôsobením sonochemických síl prebieha syntéza latexu rýchlejšie a účinnejšie. Aj riadenie chemickej reakcie sa stáva jednoduchším.

Ako sonikácia zlepšuje syntézu latexu

Ultrazvuk je zavedená a vysoko účinná metóda dispergovania a emulgovania kvapalín. Jeho jedinečný potenciál spočíva v schopnosti vytvárať emulzie nielen s kvapôčkami mikrometrových rozmerov, ale aj s kvapôčkami nanometrových rozmerov. Pri syntéze latexu sa reakcia zvyčajne začína emulziou alebo disperziou monomérov (napr. styrénu pri polystyréne) vo vode, čím vzniká systém olej vo vode (O/W). V závislosti od požiadaviek na zloženie môžu byť potrebné malé množstvá povrchovo aktívnej látky; intenzívne šmykové pôsobenie vysokovýkonného ultrazvuku však často vytvára také jemné distribúcie veľkostí kvapôčok, že množstvo povrchovo aktívnych látok možno minimalizovať alebo sa ich použitie stáva zbytočným.

Princíp fungovania sonikácie

Pri zavádzaní ultrazvuku s vysokou amplitúdou do kvapaliny dochádza k akustickej kavitácii. Počas striedajúcich sa cyklov vysokého a nízkeho tlaku vznikajú mikrobubliny, rastú a napokon prudko kolabujú. Tieto implózie vytvárajú lokálne horúce miesta s prechodnými tlakmi až približne 1000 bar a generujú rázové vlny a mikroprúdy dosahujúce rýchlosti až 400 km/h [Suslick, 1998]. Takéto extrémne podmienky pôsobia priamo na dispergované kvapôčky a častice a podporujú účinné zmenšovanie ich veľkosti a miešanie.
Okrem mechanických účinkov ultrazvuková kavitácia vytvára aj vysoko reaktívne voľné radikály. Tieto radikály iniciujú reťazovú polymerizáciu monomérov vo vodnej fáze. Pri tvorbe polymérnych reťazcov dochádza k nukleácii primárnych častíc, ktorých veľkosť je zvyčajne v rozsahu 10–20 nm. Tieto primárne častice napučiavajú monomérom, zatiaľ čo rastúce polymérne radikály vznikajúce vo vodnej fáze sa začleňujú do existujúcich častíc. Po skončení nukleácie zostáva počet častíc konštantný a ďalšia polymerizácia zväčšuje iba ich veľkosť. Rast pokračuje až do úplného spotrebovania dostupného monoméru, čím vznikajú konečné latexové častice s priemerom zvyčajne od 50 do 500 nm.

Ultrazvukové emulgovanie a polymerizácia

Pri sonochemickej syntéze polystyrénového latexu možno dosiahnuť priemery častíc už približne 50 nm a molekulové hmotnosti presahujúce 10⁶ g/mol. Vďaka vysoko účinnému emulgovaniu vyvolanému vysokovýkonným ultrazvukom sú potrebné iba minimálne množstvá povrchovo aktívnych látok. Kontinuálna sonikácia monomérnej fázy vytvára vysokú hustotu radikálov v blízkosti kvapôčok monoméru, čo počas polymerizácie podporuje tvorbu mimoriadne malých latexových častíc. Okrem mechanochemických účinkov na polymerizáciu patria medzi ďalšie výhody ultrazvukovej syntézy nižšie reakčné teploty, zrýchlená reakčná kinetika a výroba vysokokvalitného latexu s výrazne vyššími molekulovými hmotnosťami. Tieto výhody sa rovnako vzťahujú aj na procesy kopolymerizácie podporované ultrazvukom [Zhang et al., 2009].
Ďalšie zlepšenie funkčných vlastností možno dosiahnuť syntézou nanolatexu s enkapsulovaným ZnO. Takéto hybridné častice vykazujú obzvlášť vysoké antikorózne vlastnosti. Sonawane et al. (2010) napríklad pomocou sonochemickej emulznej polymerizácie syntetizovali kompozitné častice nanolatexu ZnO/poly(butylmetakrylát) a ZnO–PBMA/polyanilín s veľkosťou približne 50 nm.
Vysokovýkonné sonikátory Hielscher sú robustné a účinné nástroje na uskutočňovanie sonochemických reakcií. Široké portfólio ultrazvukových procesorov s rôznymi výkonmi a konfiguráciami zabezpečuje optimálne prispôsobenie konkrétnym procesným požiadavkám a objemom pri vsádzkovom alebo prietokovom spracovaní. Všetky procesy možno vyhodnotiť v laboratórnom meradle a následne ich lineárnym a predvídateľným spôsobom preniesť do priemyselnej výroby. Ultrazvukové zariadenia navrhnuté na kontinuálnu prietokovú prevádzku možno bezproblémovo integrovať do existujúcich výrobných liniek.

Využite výhody sonikácie na efektívnu výrobu latexu

Sonikácia predstavuje jedinečne účinný a všestranný prístup k zlepšeniu emulgovania a syntézy latexu. Intenzívne šmykové sily a kavitačné účinky vytvárané vysokovýkonným ultrazvukom produkujú mimoriadne jemné a stabilné emulzie, pričom často znižujú alebo odstraňujú potrebu povrchovo aktívnych látok. Tvorba radikálov za ultrazvukových podmienok zároveň iniciuje a urýchľuje polymerizáciu, čo umožňuje presné riadenie nukleácie častíc, ich rastu a konečnej morfológie. Tieto kombinované mechanochemické a sonochemické výhody vedú k latexom s menšími časticami, vyššími molekulovými hmotnosťami a lepšou rovnomernosťou. Ultrazvukové spracovanie navyše umožňuje nižšie reakčné teploty, kratšie reakčné časy a spoľahlivé zväčšovanie meradla z laboratórnej na priemyselnú výrobu. Celkovo sonikácia výrazne zlepšuje efektívnosť procesu aj kvalitu produktu, vďaka čomu je špičkovou technológiou pre modernú syntézu latexu.

Literatúra/Referencie

• 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