Sonokemijska sinteza lateksa

Ultrazvok sproži in pospešuje kemijsko reakcijo polimerizacije lateksa. Zaradi sonokemijskih sil sinteza lateksa poteka hitreje in učinkoviteje. Tudi vodenje kemijske reakcije postane lažje.

Kako sonikacija izboljša sintezo lateksa

Ultrazvok je uveljavljena in zelo učinkovita metoda za dispergiranje in emulgiranje tekočin. Njegov edinstveni potencial je v sposobnosti ustvarjanja emulzij z velikostmi kapljic ne le v mikrometrskem, temveč tudi v nanometrskem območju. Pri sintezi lateksa se reakcija običajno začne z emulzijo ali disperzijo monomerov (npr. stirena za polistiren) v vodi, pri čemer nastane sistem olje v vodi (O/W). Glede na zahteve formulacije so lahko potrebne majhne količine površinsko aktivne snovi; vendar intenziven strig, ki ga ustvarja ultrazvok visoke moči, pogosto povzroči porazdelitve tako drobnih kapljic, da je mogoče količino površinsko aktivnih snovi zmanjšati na minimum ali pa te postanejo nepotrebne.

Načelo delovanja sonikacije

Ko v tekočino dovajamo ultrazvok z visoko amplitudo, nastane akustična kavitacija. Med izmenjujočimi se cikli visokega in nizkega tlaka nastajajo mikromehurčki, ki rastejo in nazadnje silovito kolapsirajo. Te implozije ustvarjajo lokalizirana vroča območja s prehodnimi tlaki do približno 1000 bar ter povzročajo udarne valove in mik curke, ki dosegajo hitrosti do 400 km/h [Suslick, 1998]. Takšne ekstremne razmere neposredno delujejo na dispergirane kapljice in delce ter spodbujajo učinkovito zmanjševanje velikosti in mešanje.
Poleg mehanskih učinkov ultrazvočna kavitacija ustvarja tudi zelo reaktivne proste radikale. Ti radikali sprožijo verižno polimerizacijo monomerov v vodni fazi. Med nastajanjem polimernih verig te z nukleacijo tvorijo primarne delce, običajno v območju 10–20 nm. Ti primarni delci nabrekajo z monomerom, medtem ko se rastoči polimerni radikali, ki nastajajo v vodni fazi, vgrajujejo v obstoječe delce. Ko se nukleacija konča, ostane število delcev nespremenjeno, nadaljnja polimerizacija pa povečuje samo velikost delcev. Rast se nadaljuje, dokler se razpoložljivi monomer popolnoma ne porabi, pri čemer nastanejo končni delci lateksa s premerom običajno med 50 in 500 nm.

Ultrazvočno emulgiranje in polimerizacija

Pri sintezi polistirenskega lateksa po sonokemijski poti je mogoče doseči premere delcev, majhne do približno 50 nm, in molekulske mase, ki presegajo 10⁶ g/mol. Zaradi zelo učinkovitega emulgiranja, ki ga povzroča ultrazvok visoke moči, so potrebne le minimalne količine površinsko aktivnih snovi. Neprekinjena sonikacija monomerne faze ustvarja visoko gostoto radikalov v bližini kapljic monomera, kar spodbuja nastajanje izjemno majhnih delcev lateksa med polimerizacijo. Poleg mehanokemijskih učinkov polimerizacije so dodatne prednosti ultrazvočne sinteze nižje reakcijske temperature, pospešena reakcijska kinetika in proizvodnja visokokakovostnega lateksa z znatno višjimi molekulskimi masami. Te prednosti veljajo tudi za postopke kopolimerizacije s pomočjo ultrazvoka [Zhang et al., 2009].
Dodatno izboljšanje funkcionalnih lastnosti je mogoče doseči s sintezo nanolateksa z enkapsulacijo ZnO. Takšni hibridni delci izkazujejo izrazito visoke protikorozijske lastnosti. Sonawane et al. (2010) so na primer s sonokemijsko emulzijsko polimerizacijo sintetizirali kompozitne delce nanolateksa ZnO/poly(butyl methacrylate) in ZnO–PBMA/polyaniline velikosti približno 50 nm.
Sonikatorji Hielscher visoke moči so robustna in učinkovita orodja za izvajanje sonokemijskih reakcij. Širok nabor ultrazvočnih procesorjev z različnimi močmi in konfiguracijami zagotavlja optimalno prilagajanje posebnim zahtevam procesa ter prostorninam šarž ali pretočne obdelave. Vse procese je mogoče ovrednotiti v laboratorijskem merilu in jih nato linearno ter predvidljivo prenesti v industrijsko proizvodnjo. Ultrazvočne naprave, zasnovane za delovanje z neprekinjenim pretokom, je mogoče brez težav vključiti v obstoječe proizvodne linije.

Izkoristite sonikacijo za učinkovito proizvodnjo lateksa

Sonikacija zagotavlja edinstveno zmogljiv in vsestranski pristop k izboljšanju emulgiranja in sinteze lateksa. Intenzivne strižne sile in kavitacijski učinki, ki jih ustvarja ultrazvok visoke moči, proizvajajo izjemno drobne in stabilne emulzije ter pogosto zmanjšujejo ali odpravljajo potrebo po površinsko aktivnih snoveh. Hkrati nastajanje radikalov v ultrazvočnih pogojih sproži in pospeši polimerizacijo ter omogoča natančen nadzor nad nukleacijo, rastjo in končno morfologijo delcev. Te združene mehanokemijske in sonokemijske prednosti omogočajo pridobivanje lateksov z manjšimi delci, višjimi molekulskimi masami in izboljšano enakomernostjo. Poleg tega ultrazvočna obdelava omogoča nižje reakcijske temperature, krajše reakcijske čase in zanesljiv prenos iz laboratorijskega merila v industrijsko proizvodnjo. Sonikacija na splošno znatno izboljša tako učinkovitost procesa kot kakovost izdelka, zato je vrhunska tehnologija za sodobno sintezo lateksa.

Literatura/Reference

• 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