Sonokemisk syntes av latex

Ultraljud initierar och främjar den kemiska reaktionen för polymerisation av latex. Genom sonokemiska krafter sker latexsyntesen snabbare och effektivare. Även hanteringen av den kemiska reaktionen blir enklare.

Så förbättrar ultraljudsbehandling syntesen av latex

Ultraljud är en etablerad och mycket effektiv metod för att dispergera och emulgera vätskor. Dess unika potential ligger i förmågan att framställa emulsioner med droppstorlekar inte bara i mikrometerområdet utan även i nanometerområdet. Vid latexsyntes börjar reaktionen vanligtvis med en emulsion eller dispersion av monomerer (t.ex. styren för polystyren) i vatten, vilket bildar ett olja-i-vatten-system (O/W). Beroende på formuleringens krav kan små mängder tensid behövas; den intensiva skjuvning som alstras av högeffektultraljud ger dock ofta så fina droppstorleksfördelningar att tensidanvändningen kan minimeras eller göras överflödig.

Funktionsprincipen för ultraljudsbehandling

När ultraljud med hög amplitud tillförs en vätska uppstår akustisk kavitation. Under omväxlande hög- och lågtryckscykler bildas mikrobubblor som växer och slutligen kollapsar våldsamt. Dessa implosioner skapar lokala heta punkter med kortvariga tryck på upp till cirka 1000 bar och genererar stötvågor och mikrostrålar som når hastigheter på upp till 400 km/h [Suslick, 1998]. Sådana extrema förhållanden verkar direkt på dispergerade droppar och partiklar och främjar effektiv storleksreduktion och blandning.
Utöver mekaniska effekter producerar ultraljudskavitation även mycket reaktiva fria radikaler. Dessa radikaler initierar polymerisation av monomerer genom en kedjereaktion i vattenfasen. När polymerkedjor bildas ger de genom kärnbildning upphov till primärpartiklar, vanligtvis i storleksintervallet 10–20 nm. Dessa primärpartiklar sväller genom upptag av monomer, samtidigt som växande polymerradikaler som bildas i vattenfasen införlivas i de befintliga partiklarna. När kärnbildningen har upphört förblir antalet partiklar konstant, och fortsatt polymerisation ökar endast partikelstorleken. Tillväxten fortsätter tills den tillgängliga monomeren har förbrukats helt, vilket ger slutliga latexpartiklar med diametrar som vanligtvis ligger mellan 50 och 500 nm.

Emulgering och polymerisation med ultraljud

När polystyrenlatex syntetiseras sonokemiskt kan partikeldiametrar så små som cirka 50 nm och molekylvikter över 10⁶ g/mol uppnås. Tack vare den mycket effektiva emulgering som högeffektultraljud ger upphov till krävs endast minimala tensidhalter. Kontinuerlig ultraljudsbehandling av monomerfasen ger en hög täthet av radikaler i närheten av monomerdropparna, vilket främjar bildningen av exceptionellt små latexpartiklar under polymerisationen. Utöver de mekanokemiska polymerisationseffekterna omfattar ytterligare fördelar med ultraljudssyntes lägre reaktionstemperaturer, snabbare reaktionskinetik och framställning av högkvalitativ latex med avsevärt högre molekylvikter. Dessa fördelar gäller även för ultraljudsassisterade sampolymerisationsprocesser [Zhang et al., 2009].
Ytterligare förbättringar av de funktionella egenskaperna kan uppnås genom syntes av ZnO-inkapslad nanolatex. Sådana hybridpartiklar uppvisar påtagligt goda korrosionsskyddande egenskaper. Sonawane et al. (2010) syntetiserade exempelvis nanolatexkompositpartiklar av ZnO/poly(butylmetakrylat) och ZnO–PBMA/polyanilin med en storlek på cirka 50 nm genom sonokemisk emulsionspolymerisation.
Hielscher högeffektultraljudsapparater är robusta och effektiva verktyg för att genomföra sonokemiska reaktioner. Ett brett utbud av ultraljudsprocessorer med varierande effektkapacitet och konfigurationer säkerställer optimal anpassning till specifika processkrav och sats- eller genomströmningsvolymer. Alla processer kan utvärderas i laboratorieskala och därefter skalas upp till industriell produktion på ett linjärt och förutsägbart sätt. Ultraljudsenheter som är konstruerade för kontinuerlig flödesdrift kan integreras sömlöst i befintliga produktionslinjer.

Dra nytta av ultraljudsbehandling för effektiv latexproduktion

Ultraljudsbehandling erbjuder en unikt kraftfull och mångsidig metod för att förbättra emulgering och syntes av latex. De intensiva skjuvkrafter och kavitationseffekter som högeffektultraljud alstrar ger exceptionellt fina och stabila emulsioner, vilket ofta minskar eller eliminerar behovet av tensider. Samtidigt initierar och påskyndar radikalbildningen under ultraljudsbehandlingen polymerisationen, vilket möjliggör exakt kontroll över partiklarnas kärnbildning, tillväxt och slutliga morfologi. Dessa kombinerade mekanokemiska och sonokemiska fördelar ger latexer med mindre partikelstorlekar, högre molekylvikter och förbättrad enhetlighet. Dessutom möjliggör ultraljudsbehandling lägre reaktionstemperaturer, kortare reaktionstider och tillförlitlig uppskalning från laboratoriet till industriell produktion. Sammantaget förbättrar ultraljudsbehandling både processeffektiviteten och produktkvaliteten avsevärt, vilket gör den till en överlägsen teknik för modern latexsyntes.

Litteratur/Referenser

• 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