การสังเคราะห์ลาเท็กซ์ด้วยโซโนเคมี

อัลตราซาวนด์เหนี่ยวนำและส่งเสริมปฏิกิริยาเคมีสำหรับพอลิเมอไรเซชันของลาเท็กซ์ แรงทางโซโนเคมีทำให้การสังเคราะห์ลาเท็กซ์เกิดขึ้นได้รวดเร็วและมีประสิทธิภาพมากขึ้น แม้แต่การจัดการปฏิกิริยาเคมีก็ทำได้ง่ายขึ้น

การใช้อัลตราซาวนด์ช่วยปรับปรุงการสังเคราะห์ลาเท็กซ์ได้อย่างไร

อัลตราซาวนด์เป็นวิธีที่ได้รับการยอมรับและมีประสิทธิภาพสูงในการทำให้ของเหลวกระจายตัวและเกิดอิมัลชัน ศักยภาพอันเป็นเอกลักษณ์อยู่ที่ความสามารถในการสร้างอิมัลชันที่มีขนาดหยดไม่เพียงในช่วงไมโครเมตร แต่ยังรวมถึงระดับนาโนเมตรด้วย ในการสังเคราะห์ลาเท็กซ์ โดยทั่วไปปฏิกิริยาจะเริ่มจากอิมัลชันหรือการกระจายตัวของมอนอเมอร์ (เช่น สไตรีนสำหรับพอลิสไตรีน) ในน้ำ ซึ่งก่อให้เกิดระบบน้ำมันในน้ำ (O/W) อาจจำเป็นต้องใช้สารลดแรงตึงผิวในปริมาณเล็กน้อย ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของสูตร อย่างไรก็ตาม แรงเฉือนรุนแรงที่เกิดจากอัลตราซาวนด์กำลังสูงมักทำให้ได้หยดที่มีการกระจายขนาดละเอียดมาก จนสามารถลดการใช้สารลดแรงตึงผิวให้เหลือน้อยที่สุดหรือทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้เลย

หลักการทำงานของการใช้อัลตราซาวนด์

เมื่อส่งอัลตราซาวนด์ที่มีแอมพลิจูดสูงเข้าสู่ของเหลว จะเกิดคาวิเทชันจากคลื่นเสียง ระหว่างวัฏจักรความดันสูงและต่ำที่สลับกัน ฟองขนาดจิ๋วจะก่อตัว เติบโต และยุบตัวอย่างรุนแรงในที่สุด การยุบตัวเหล่านี้สร้างจุดร้อนเฉพาะที่ซึ่งมีความดันชั่วขณะสูงถึงประมาณ 1000 bar และก่อให้เกิดคลื่นกระแทกกับลำเจ็ตขนาดจิ๋วที่มีความเร็วสูงถึง 400 km/h [Suslick, 1998] สภาวะสุดขั้วเช่นนี้กระทำโดยตรงต่อหยดและอนุภาคที่กระจายตัวอยู่ ช่วยส่งเสริมการลดขนาดและการผสมอย่างมีประสิทธิภาพ
นอกจากผลทางกลแล้ว คาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์ยังสร้างอนุมูลอิสระที่มีความไวต่อปฏิกิริยาสูง อนุมูลเหล่านี้เริ่มต้นพอลิเมอไรเซชันแบบปฏิกิริยาลูกโซ่ของมอนอเมอร์ในวัฏภาคน้ำ เมื่อสายโซ่พอลิเมอร์ก่อตัวขึ้น จะเกิดการก่อกำเนิดอนุภาคปฐมภูมิ ซึ่งโดยทั่วไปมีขนาดอยู่ในช่วง 10–20 nm อนุภาคปฐมภูมิเหล่านี้ดูดซับมอนอเมอร์จนบวม ขณะที่อนุมูลพอลิเมอร์ที่กำลังเติบโตซึ่งเกิดขึ้นในวัฏภาคน้ำจะเข้าไปรวมอยู่ในอนุภาคที่มีอยู่แล้ว หลังจากการก่อกำเนิดอนุภาคสิ้นสุดลง จำนวนอนุภาคจะคงที่ และพอลิเมอไรเซชันที่ดำเนินต่อไปจะเพิ่มเฉพาะขนาดอนุภาค การเติบโตจะดำเนินต่อไปจนมอนอเมอร์ที่มีอยู่ถูกใช้หมด ทำให้ได้อนุภาคลาเท็กซ์สุดท้ายซึ่งโดยทั่วไปมีเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 50 และ 500 nm

การทำอิมัลชันและพอลิเมอไรเซชันด้วยอัลตราซาวนด์

เมื่อสังเคราะห์ลาเท็กซ์พอลิสไตรีนด้วยกระบวนการโซโนเคมี สามารถได้อนุภาคที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กถึงประมาณ 50 nm และมีน้ำหนักโมเลกุลเกิน 10⁶ g/mol เนื่องจากการทำอิมัลชันด้วยอัลตราซาวนด์กำลังสูงมีประสิทธิภาพสูงมาก จึงต้องใช้สารลดแรงตึงผิวเพียงปริมาณน้อยที่สุด การใช้อัลตราซาวนด์กับวัฏภาคมอนอเมอร์อย่างต่อเนื่องทำให้เกิดอนุมูลที่มีความหนาแน่นสูงบริเวณใกล้หยดมอนอเมอร์ ซึ่งส่งเสริมการก่อตัวของอนุภาคลาเท็กซ์ที่มีขนาดเล็กเป็นพิเศษระหว่างพอลิเมอไรเซชัน นอกเหนือจากผลด้านพอลิเมอไรเซชันทางเมคาโนเคมีแล้ว ข้อดีเพิ่มเติมของการสังเคราะห์ด้วยอัลตราซาวนด์ยังรวมถึงอุณหภูมิปฏิกิริยาที่ต่ำลง จลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาที่เร็วขึ้น และการผลิตลาเท็กซ์คุณภาพสูงที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ประโยชน์เหล่านี้ยังครอบคลุมถึงกระบวนการโคพอลิเมอไรเซชันที่ใช้อัลตราซาวนด์ช่วยด้วยเช่นกัน [Zhang et al., 2009].
สามารถเพิ่มสมรรถนะด้านการใช้งานได้อีกด้วยการสังเคราะห์นาโนลาเท็กซ์แบบห่อหุ้มที่มี ZnO อนุภาคไฮบริดดังกล่าวมีสมบัติป้องกันการกัดกร่อนสูงอย่างเด่นชัด ตัวอย่างเช่น Sonawane et al. (2010) สังเคราะห์อนุภาคคอมโพสิตนาโนลาเท็กซ์ ZnO/poly(butyl methacrylate) และ ZnO–PBMA/polyaniline ที่มีขนาดประมาณ 50 nm โดยใช้พอลิเมอไรเซชันแบบอิมัลชันด้วยโซโนเคมี
เครื่องอัลตราซาวนด์กำลังสูงของ Hielscher เป็นเครื่องมือที่ทนทานและมีประสิทธิภาพสำหรับดำเนินปฏิกิริยาโซโนเคมี เครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกที่มีให้เลือกหลากหลาย ทั้งกำลังและรูปแบบการจัดระบบ ช่วยให้ปรับใช้งานได้อย่างเหมาะสมที่สุดกับข้อกำหนดเฉพาะของกระบวนการและปริมาตรการประมวลผลแบบแบตช์หรือแบบไหลผ่าน กระบวนการทั้งหมดสามารถประเมินได้ในระดับห้องปฏิบัติการ แล้วจึงขยายไปสู่การผลิตระดับอุตสาหกรรมได้อย่างเป็นเชิงเส้นและคาดการณ์ได้ ชุดอัลตราโซนิกที่ออกแบบมาสำหรับการทำงานแบบไหลต่อเนื่องสามารถผสานเข้ากับสายการผลิตที่มีอยู่ได้อย่างราบรื่น

ใช้ประโยชน์จากอัลตราซาวนด์เพื่อการผลิตลาเท็กซ์อย่างมีประสิทธิภาพ

การใช้อัลตราซาวนด์เป็นแนวทางที่ทรงพลังและอเนกประสงค์อย่างมีเอกลักษณ์ในการปรับปรุงการทำอิมัลชันและการสังเคราะห์ลาเท็กซ์ แรงเฉือนรุนแรงและผลของคาวิเทชันที่เกิดจากอัลตราซาวนด์กำลังสูงทำให้ได้อิมัลชันที่ละเอียดเป็นพิเศษและมีเสถียรภาพ ซึ่งมักช่วยลดหรือขจัดความจำเป็นในการใช้สารลดแรงตึงผิว ในขณะเดียวกัน การก่อตัวของอนุมูลภายใต้สภาวะอัลตราโซนิกจะเริ่มต้นและเร่งพอลิเมอไรเซชัน ทำให้สามารถควบคุมการก่อกำเนิดอนุภาค การเติบโต และสัณฐานวิทยาขั้นสุดท้ายได้อย่างแม่นยำ ประโยชน์ทางเมคาโนเคมีและโซโนเคมีที่เสริมกันเหล่านี้ทำให้ได้ลาเท็กซ์ที่มีขนาดอนุภาคเล็กลง น้ำหนักโมเลกุลสูงขึ้น และความสม่ำเสมอดีขึ้น นอกจากนี้ การประมวลผลด้วยอัลตราซาวนด์ยังช่วยให้ใช้อุณหภูมิปฏิกิริยาต่ำลง ใช้เวลาทำปฏิกิริยาสั้นลง และขยายขนาดการผลิตจากห้องปฏิบัติการไปสู่ระดับอุตสาหกรรมได้อย่างเชื่อถือได้ โดยรวมแล้ว การใช้อัลตราซาวนด์ช่วยปรับปรุงทั้งประสิทธิภาพของกระบวนการและคุณภาพผลิตภัณฑ์อย่างมีนัยสำคัญ ทำให้เป็นเทคโนโลยีที่เหนือกว่าสำหรับการสังเคราะห์ลาเท็กซ์สมัยใหม่

เอกสารวิชาการ/เอกสารอ้างอิง

• 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