Polimerización en Emulsión y en Suspensión

Las polimerizaciones en emulsión y en suspensión son procesos heterogéneos, basados en agua, en los que el monómero se dispersa como micelas o gotas; la emulsión permite de forma única que la velocidad y la masa molar sean altas simultáneamente al compartimentar los radicales, mientras que la suspensión produce perlas de polímero.

Definition

La polimerización en emulsión es un proceso radicalario heterogéneo en el que el monómero se emulsiona en agua con un surfactante y polimeriza dentro de partículas estabilizadas por el surfactante; la polimerización en suspensión es un proceso heterogéneo en el que las gotas de monómero estabilizadas por un agente de suspensión polimerizan cada una como un pequeño reactor en masa para dar perlas de polímero.

Scope

Este tema cubre los dos principales procesos acuosos heterogéneos. Para la polimerización en emulsión, incluye las micelas de surfactante, la nucleación de partículas, los tres intervalos de la descripción de Smith-Ewart y la compartimentación de radicales. Para la polimerización en suspensión, incluye la estabilización de las gotas de monómero mediante agentes de suspensión, la formación de perlas y la cinética esencialmente similar a la de un proceso en masa dentro de cada gota. El agua como fase continua proporciona una excelente transferencia de calor en ambos casos.

Core questions

• ¿Cómo la compartimentación de radicales en partículas permite que la polimerización en emulsión logre una alta velocidad y una alta masa molar a la vez?
• ¿Dónde se nuclean las partículas y cómo describe el modelo de Smith-Ewart su crecimiento?
• ¿Cómo los agentes de suspensión y la agitación determinan el tamaño de las perlas en la polimerización en suspensión?
• ¿Por qué el agua sirve tan bien como fase continua en ambos procesos?

Key theories

Teoría de Smith-Ewart de la polimerización en emulsión

La polimerización procede en muchas partículas pequeñas hinchadas con monómero, cada una conteniendo en promedio aproximadamente medio radical, de modo que un radical que entra en una partícula se propaga hasta que otro entra y lo termina; esta compartimentación desacopla la velocidad de la terminación y produce simultáneamente una alta velocidad y una alta masa molar.

Mechanisms

En la polimerización en emulsión, el surfactante por encima de su concentración micelar crítica forma micelas donde los radicales iniciadores solubles en agua entran y comienzan a polimerizar; el monómero difunde desde los reservorios de gotas a través del agua para alimentar las partículas en crecimiento. Debido a que cada partícula contiene como máximo unos pocos radicales y los radicales entrantes se terminan entre sí solo de forma intermitente, la vida útil efectiva del radical por partícula es larga, lo que da una alta masa molar a una alta velocidad. En la polimerización en suspensión, la agitación mecánica rompe el monómero soluble en aceite en gotas estabilizadas por un coloide protector; cada gota polimeriza por cinética en masa hasta convertirse en una perla sólida, con un tamaño determinado por la agitación y el estabilizador.

Clinical relevance

La polimerización en emulsión produce los látex utilizados en pinturas a base de agua, adhesivos, recubrimientos de papel y textiles, y caucho sintético como el caucho de estireno-butadieno, entregando polímero en una dispersión directamente utilizable y de bajo contenido de COV. La polimerización en suspensión produce perlas de poli(cloruro de vinilo) y poliestireno, poliestireno expandible y las perlas reticuladas utilizadas para resinas de intercambio iónico y cromatografía.

History

La polimerización en emulsión se amplió durante la Segunda Guerra Mundial para fabricar caucho sintético, y su mecanismo fue aclarado por la imagen cualitativa de Harkins sobre la nucleación micelar y luego por la teoría cinética cuantitativa de Smith-Ewart publicada en 1948, que sigue siendo el marco estándar.

Key figures

• Wendell Smith
• Roswell Ewart
• William Harkins

Seminal works

• odian2004
• young2011

Frequently asked questions

¿Por qué la polimerización en emulsión puede lograr una alta velocidad y una alta masa molar al mismo tiempo?

Los radicales se aíslan en partículas separadas, por lo que un radical en crecimiento no es terminado rápidamente por otro. Por lo tanto, cada cadena crece durante mucho tiempo (alta masa molar) mientras muchas partículas polimerizan en paralelo (alta velocidad), una combinación imposible en una sola fase homogénea.

¿Cuál es la diferencia entre la polimerización en emulsión y en suspensión?

La emulsión utiliza micelas de surfactante e iniciador soluble en agua, produciendo partículas de látex submicrónicas. La suspensión utiliza un coloide protector e iniciador soluble en aceite, produciendo perlas mucho más grandes, cada una comportándose como un pequeño reactor en masa.