پلیمریزاسیون امولسیونی و تعلیقی

پلیمریزاسیون امولسیونی و تعلیقی فرآیندهای ناهمگن و مبتنی بر آب هستند که در آنها مونومر به صورت میسل یا قطرات پراکنده می‌شود؛ پلیمریزاسیون امولسیونی به طور منحصر به فردی امکان می‌دهد تا سرعت و جرم مولی همزمان بالا باشند، با تقسیم‌بندی رادیکال‌ها، در حالی که پلیمریزاسیون تعلیقی دانه‌های پلیمری تولید می‌کند.

Definition

پلیمریزاسیون امولسیونی یک فرآیند رادیکالی ناهمگن است که در آن مونومر در آب با سورفکتانت امولسیون می‌شود و در داخل ذرات تثبیت‌شده با سورفکتانت پلیمریزه می‌شود؛ پلیمریزاسیون تعلیقی یک فرآیند ناهمگن است که در آن قطرات مونومر تثبیت‌شده توسط یک عامل تعلیق‌کننده، هر یک مانند یک راکتور توده‌ای کوچک پلیمریزه می‌شوند تا دانه‌های پلیمری تولید کنند.

Scope

این موضوع دو فرآیند اصلی ناهمگن آبی را پوشش می‌دهد. برای پلیمریزاسیون امولسیونی شامل میسل‌های سورفکتانت، هسته‌زایی ذرات، سه بازه توصیف اسمیت-اوارت، و تقسیم‌بندی رادیکال‌ها می‌شود. برای پلیمریزاسیون تعلیقی شامل تثبیت قطرات مونومر توسط عوامل تعلیق‌کننده، تشکیل دانه، و کینتیک اساساً توده‌ای در هر قطره می‌شود. آب به عنوان فاز پیوسته در هر دو، انتقال حرارت عالی را فراهم می‌کند.

Core questions

• چگونه تقسیم‌بندی رادیکال‌ها در ذرات به پلیمریزاسیون امولسیونی اجازه می‌دهد تا همزمان به سرعت بالا و جرم مولی بالا دست یابد؟
• ذرات در کجا هسته‌زایی می‌شوند و تصویر اسمیت-اوارت چگونه رشد آنها را توصیف می‌کند؟
• عوامل تعلیق‌کننده و هم‌زدن چگونه اندازه دانه را در پلیمریزاسیون تعلیقی تعیین می‌کنند؟
• چرا آب به عنوان فاز پیوسته در هر دو فرآیند به خوبی عمل می‌کند؟

Key theories

نظریه اسمیت-اوارت در پلیمریزاسیون امولسیونی

پلیمریزاسیون در بسیاری از ذرات کوچک متورم شده با مونومر پیش می‌رود که هر کدام به طور متوسط حدود نیمی از یک رادیکال را شامل می‌شوند، بنابراین یک رادیکال که وارد یک ذره می‌شود، تا زمانی که رادیکال دیگری وارد شود و آن را خاتمه دهد، رشد می‌کند؛ این تقسیم‌بندی، سرعت را از خاتمه جدا می‌کند و همزمان سرعت بالا و جرم مولی بالا را به ارمغان می‌آورد.

Mechanisms

در پلیمریزاسیون امولسیونی، سورفکتانت بالاتر از غلظت بحرانی میسل خود، میسل‌هایی را تشکیل می‌دهد که رادیکال‌های آغازگر محلول در آب وارد آنها شده و شروع به پلیمریزاسیون می‌کنند؛ مونومر از مخازن قطرات از طریق آب منتشر می‌شود تا ذرات در حال رشد را تغذیه کند. از آنجا که هر ذره حداکثر چند رادیکال را در خود جای می‌دهد و رادیکال‌های ورودی فقط به صورت متناوب یکدیگر را خاتمه می‌دهند، طول عمر مؤثر رادیکال در هر ذره طولانی است که منجر به جرم مولی بالا با سرعت بالا می‌شود. در پلیمریزاسیون تعلیقی، هم‌زدن مکانیکی مونومر محلول در روغن را به قطراتی که توسط یک کلوئید محافظ تثبیت شده‌اند، می‌شکند؛ هر قطره با کینتیک توده‌ای به یک دانه جامد پلیمریزه می‌شود که اندازه آن توسط هم‌زدن و تثبیت‌کننده تعیین می‌شود.

Clinical relevance

پلیمریزاسیون امولسیونی لاتکس‌های مورد استفاده در رنگ‌های پایه آب، چسب‌ها، پوشش‌های کاغذ و نساجی، و لاستیک مصنوعی مانند لاستیک استایرن-بوتادین را تولید می‌کند و پلیمر را در یک پراکندگی قابل استفاده مستقیم و با VOC پایین ارائه می‌دهد. پلیمریزاسیون تعلیقی دانه‌های پلی‌وینیل کلراید و پلی‌استایرن، پلی‌استایرن قابل انبساط، و دانه‌های شبکه‌ای مورد استفاده برای رزین‌های تبادل یونی و کروماتوگرافی را تولید می‌کند.

History

پلیمریزاسیون امولسیونی در طول جنگ جهانی دوم برای ساخت لاستیک مصنوعی در مقیاس بزرگ انجام شد و مکانیسم آن ابتدا با تصویر کیفی هسته‌زایی میسلی هارکینز و سپس با نظریه کینتیک کمی اسمیت-اوارت که در سال 1948 منتشر شد و همچنان چارچوب استاندارد است، روشن شد.

Key figures

• Wendell Smith
• Roswell Ewart
• William Harkins

Seminal works

• odian2004
• young2011

Frequently asked questions

چرا پلیمریزاسیون امولسیونی می‌تواند همزمان به سرعت بالا و جرم مولی بالا دست یابد؟

رادیکال‌ها در ذرات جداگانه ایزوله می‌شوند، بنابراین یک رادیکال در حال رشد به سرعت توسط رادیکال دیگری خاتمه نمی‌یابد. بنابراین، هر زنجیره برای مدت طولانی رشد می‌کند (جرم مولی بالا) در حالی که بسیاری از ذرات به صورت موازی پلیمریزه می‌شوند (سرعت بالا) — ترکیبی که در یک فاز همگن واحد غیرممکن است.

تفاوت بین پلیمریزاسیون امولسیونی و تعلیقی چیست؟

امولسیون از میسل‌های سورفکتانت و آغازگر محلول در آب استفاده می‌کند و ذرات لاتکس زیر میکرون تولید می‌کند. تعلیق از یک کلوئید محافظ و آغازگر محلول در روغن استفاده می‌کند و دانه‌های بسیار بزرگ‌تری تولید می‌کند که هر کدام مانند یک راکتور توده‌ای کوچک عمل می‌کنند.