Сонохімічний синтез латексу

Ультразвук ініціює та сприяє хімічній реакції полімеризації латексу. Завдяки сонохімічним силам синтез латексу відбувається швидше та ефективніше. Навіть керування хімічною реакцією стає простішим.

Як ультразвукова обробка покращує синтез латексу

Ультразвук є визнаним та високоефективним методом диспергування та емульгування рідин. Його унікальний потенціал полягає в здатності генерувати емульсії не лише в мікрометровому діапазоні, а й із розміром крапель нанометрового масштабу. При синтезі латексу реакція зазвичай починається з емульсії або дисперсії мономерів (наприклад, стиролу для полістиролу) у воді, утворюючи систему «олія у воді» (O/W). Залежно від вимог до формуляції, можуть бути необхідні невеликі кількості поверхнево-активної речовини; однак інтенсивний зсув, що генерується потужним ультразвуком, часто створює такі дрібні розподіли крапель, що використання ПАР можна мінімізувати або зробити непотрібним.

Принцип дії ультразвукової обробки

Коли високочастотний ультразвук вводиться в рідину, виникає акустична кавітація. Під час чергування циклів високого та низького тиску утворюються, зростають і нарешті різко колапсують мікробульбашки. Ці імплозії створюють локальні гарячі точки з транзиторними тисками до приблизно 1000 bar і генерують ударні хвилі та мікроджгути зі швидкістю до 400 km/h [Suslick, 1998]. Такі екстремальні умови діють безпосередньо на дисперговані краплі та частинки, сприяючи ефективному зменшенню розміру та змішуванню.
Крім механічних ефектів, ультразвукова кавітація також виробляє високоактивні вільні радикали. Ці радикали ініціюють ланцюгову реакцію полімеризації мономерів у водній фазі. Як тільки формуються полімерні ланцюги, вони нуклеюють первинні частинки, зазвичай у діапазоні 10–20 nm. Ці первинні частинки набухають мономером, тоді як зростаючі полімерні радикали, що генеруються у водній фазі, вбудовуються в існуючі частинки. Після припинення нуклеації кількість частинок залишається сталою, а подальша полімеризація збільшує лише розмір частинок. Зростання триває доти, доки доступний мономер не буде повністю спожитий, утворюючи кінцеві частинки латексу діаметром зазвичай від 50 до 500 nm.

Ультразвукове емульгування та полімеризація

Коли полістирольний латекс синтезується за сонохімічним шляхом, можна досягти діаметрів частинок аж до приблизно 50 nm та молекулярних мас, що перевищують 10⁶ g/mol. Завдяки високоефективному емульгуванню, що генерується потужним ультразвуком, потрібні лише мінімальні рівні ПАР. Безперервна ультразвукова обробка мономерної фази створює високу концентрацію радикалів поблизу крапель мономера, що сприяє утворенню надзвичайно малих частинок латексу під час полімеризації. Окрім механохімічних ефектів полімеризації, додаткові переваги ультразвукового синтезу включають нижчі температури реакції, прискорену кінетику реакції та виробництво високоякісного латексу зі значно підвищеними молекулярними масами. Ці переваги однаково поширюються на процеси ультразвуково-асистованої співполімеризації [Zhang et al., 2009].
Подальше покращення функціональних характеристик можна досягти шляхом синтезу нанолатексу з інкапсуляцією ZnO. Такі гібридні частинки демонструють помітно високі антикорозійні властивості. Наприклад, Sonawane et al. (2010) синтезували композитні частинки нанолатексу ZnO/poly(butyl methacrylate) та ZnO–PBMA/polyaniline розміром приблизно 50 nm за допомогою сонохімічної емульсійної полімеризації.
Потужні ультразвукові обробники Hielscher є надійними та ефективними інструментами для проведення сонохімічних реакцій. Широкий портфель ультразвукових процесорів з різною потужністю та конфігураціями забезпечує оптимальну адаптацію до специфічних вимог процесу та об’ємів партій або проточних систем. Усі процеси можна оцінити в лабораторних масштабах, а потім лінійно та передбачувано масштабувати до промислового виробництва. Ультразвукові установки, розроблені для безперервного потоку, можна безшовно інтегрувати в існуючі виробничі лінії.

Використовуйте переваги ультразвукової обробки для ефективного виробництва латексу

Ультразвукова обробка пропонує унікально потужний та універсальний підхід для покращення емульгування та синтезу латексу. Інтенсивні зсувні сили та ефекти кавітації, що генеруються потужним ультразвуком, створюють надзвичайно дрібні та стабільні емульсії, часто зменшуючи або повністю усуваючи потребу в ПАР. Водночас утворення радикалів за ультразвукових умов ініціює та прискорює полімеризацію, забезпечуючи точний контроль над нуклеацією частинок, їхнім зростанням та кінцевою морфологією. Ці комбіновані механохімічні та сонохімічні переваги дають латекси з меншими розмірами частинок, вищими молекулярними масами та покращеною однорідністю. Крім того, ультразвукова обробка дозволяє використовувати нижчі температури реакції, коротші часи реакції та забезпечує надійне масштабування від лабораторного до промислового виробництва. Загалом ультразвукова обробка значно покращує як ефективність процесу, так і якість продукту, роблячи її superior технологією для сучасного синтезу латексу.

Література/Посилання

• 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