Emulsions- und Suspensionspolymerisation

Emulsions- und Suspensionspolymerisationen sind heterogene, wasserbasierte Prozesse, bei denen das Monomer als Mizellen oder Tröpfchen dispergiert ist; die Emulsionspolymerisation ermöglicht es auf einzigartige Weise, dass Rate und Molmasse gleichzeitig hoch sind, indem Radikale kompartimentiert werden, während die Suspensionspolymerisation Polymerkügelchen liefert.

Definition

Die Emulsionspolymerisation ist ein heterogener radikalischer Prozess, bei dem Monomer in Wasser mit Tensid emulgiert wird und innerhalb von tensidstabilisierten Partikeln polymerisiert; die Suspensionspolymerisation ist ein heterogener Prozess, bei dem Monomertröpfchen, die durch ein Suspendiermittel stabilisiert sind, jeweils wie ein kleiner Bulk-Reaktor polymerisieren, um Polymerkügelchen zu bilden.

Scope

Dieses Thema behandelt die beiden wichtigsten wässrigen heterogenen Prozesse. Für die Emulsionspolymerisation umfasst es Tensidmizellen, die Partikelkeimbildung, die drei Intervalle der Smith-Ewart-Beschreibung und die Radikalkompartimentierung. Für die Suspensionspolymerisation umfasst es die Stabilisierung von Monomertröpfchen durch Suspendiermittel, die Kügelchenbildung und die im Wesentlichen bulk-ähnliche Kinetik innerhalb jedes Tröpfchens. Wasser als kontinuierliche Phase bietet in beiden Fällen eine ausgezeichnete Wärmeübertragung.

Core questions

• Wie ermöglicht die Kompartimentierung von Radikalen in Partikeln der Emulsionspolymerisation, gleichzeitig eine hohe Rate und eine hohe Molmasse zu erreichen?
• Wo werden Partikel nukleiert und wie beschreibt das Smith-Ewart-Modell ihr Wachstum?
• Wie bestimmen Suspendiermittel und Rühren die Perlengröße bei der Suspensionspolymerisation?
• Warum eignet sich Wasser in beiden Prozessen so gut als kontinuierliche Phase?

Key theories

Smith-Ewart-Theorie der Emulsionspolymerisation

Die Polymerisation erfolgt in vielen kleinen, Monomer-gequollenen Partikeln, von denen jedes im Durchschnitt etwa ein halbes Radikal enthält, so dass ein Radikal, das in ein Partikel eindringt, propagiert, bis ein anderes eindringt und es terminiert; diese Kompartimentierung entkoppelt die Rate von der Termination und führt gleichzeitig zu hoher Rate und hoher Molmasse.

Mechanisms

Bei der Emulsionspolymerisation bildet das Tensid oberhalb seiner kritischen Mizellkonzentration Mizellen, in die wasserlösliche Initiatorradikale eindringen und die Polymerisation beginnen; Monomer diffundiert aus Tröpfchenreservoirs durch das Wasser, um wachsende Partikel zu versorgen. Da jedes Partikel höchstens einige Radikale enthält und eindringende Radikale sich nur intermittierend terminieren, ist die effektive Radikallebensdauer pro Partikel lang, was eine hohe Molmasse bei hoher Rate ergibt. Bei der Suspensionspolymerisation zerlegt mechanisches Rühren öllösliches Monomer in Tröpfchen, die durch ein Schutzkolloid stabilisiert sind; jedes Tröpfchen polymerisiert durch Bulk-Kinetik zu einem festen Kügelchen, dessen Größe durch Rühren und Stabilisator bestimmt wird.

Clinical relevance

Die Emulsionspolymerisation erzeugt die Latices, die in wasserbasierten Farben, Klebstoffen, Papier- und Textilbeschichtungen sowie synthetischem Kautschuk wie Styrol-Butadien-Kautschuk verwendet werden, und liefert Polymer in einer direkt verwendbaren, VOC-armen Dispersion. Die Suspensionspolymerisation erzeugt Poly(vinylchlorid)- und Polystyrolkügelchen, expandierbares Polystyrol und die vernetzten Kügelchen, die für Ionenaustausch- und Chromatographieharze verwendet werden.

History

Die Emulsionspolymerisation wurde während des Zweiten Weltkriegs zur Herstellung von synthetischem Kautschuk hochskaliert, und ihr Mechanismus wurde durch Harkins' qualitative Beschreibung der mizellaren Keimbildung und anschließend durch die 1948 veröffentlichte quantitative Smith-Ewart-Kinetiktheorie geklärt, die bis heute den Standardrahmen bildet.

Key figures

• Wendell Smith
• Roswell Ewart
• William Harkins

Seminal works

• odian2004
• young2011

Frequently asked questions

Warum kann die Emulsionspolymerisation gleichzeitig eine hohe Rate und eine hohe Molmasse erreichen?

Radikale werden in separaten Partikeln isoliert, so dass ein wachsendes Radikal nicht schnell von einem anderen terminiert wird. Jede Kette wächst daher lange (hohe Molmasse), während viele Partikel parallel polymerisieren (hohe Rate) – eine Kombination, die in einer einzigen homogenen Phase unmöglich ist.

Was ist der Unterschied zwischen Emulsions- und Suspensionspolymerisation?

Die Emulsionspolymerisation verwendet Tensidmizellen und wasserlösliche Initiatoren und erzeugt Submikron-Latexpartikel. Die Suspensionspolymerisation verwendet ein Schutzkolloid und öllösliche Initiatoren und erzeugt viel größere Kügelchen, die sich jeweils wie ein winziger Bulk-Reaktor verhalten.