Polymérisation en émulsion et en suspension
Les polymérisations en émulsion et en suspension sont des procédés hétérogènes à base aqueuse dans lesquels le monomère est dispersé sous forme de micelles ou de gouttelettes ; la polymérisation en émulsion permet, de manière unique, d'atteindre simultanément une vitesse élevée et une masse molaire élevée en compartimentant les radicaux, tandis que la polymérisation en suspension produit des billes de polymère.
Definition
La polymérisation en émulsion est un procédé radicalaire hétérogène dans lequel le monomère est émulsifié dans l'eau avec un tensioactif et polymérise à l'intérieur de particules stabilisées par le tensioactif ; la polymérisation en suspension est un procédé hétérogène dans lequel des gouttelettes de monomère stabilisées par un agent de suspension polymérisent chacune comme un petit réacteur en masse (bulk) pour donner des billes de polymère.
Scope
Ce sujet aborde les deux principaux procédés hétérogènes aqueux. Pour la polymérisation en émulsion, il comprend les micelles de tensioactif, la nucléation des particules, les trois intervalles de la description de Smith-Ewart et la compartimentalisation des radicaux. Pour la polymérisation en suspension, il inclut la stabilisation des gouttelettes de monomère par des agents de suspension, la formation de billes et la cinétique essentiellement de type masse (bulk) au sein de chaque gouttelette. L'eau, en tant que phase continue, assure un excellent transfert de chaleur dans les deux cas.
Core questions
- Comment la compartimentalisation des radicaux dans les particules permet-elle à la polymérisation en émulsion d'atteindre simultanément une vitesse élevée et une masse molaire élevée ?
- Où les particules sont-elles nucléées et comment la description de Smith-Ewart décrit-elle leur croissance ?
- Comment les agents de suspension et l'agitation déterminent-ils la taille des billes en polymérisation en suspension ?
- Pourquoi l'eau est-elle si efficace comme phase continue dans les deux procédés ?
Key theories
- Smith-Ewart theory of emulsion polymerization
- La polymérisation se déroule dans de nombreuses petites particules gonflées de monomère, chacune contenant en moyenne environ un demi-radical ; ainsi, un radical qui pénètre dans une particule se propage jusqu'à ce qu'un autre y pénètre et le termine. Cette compartimentalisation découple la vitesse de la terminaison et permet d'obtenir simultanément une vitesse et une masse molaire élevées.
Mechanisms
En polymérisation en émulsion, le tensioactif, au-dessus de sa concentration micellaire critique, forme des micelles où les radicaux initiateurs hydrosolubles pénètrent et commencent la polymérisation ; le monomère diffuse des réservoirs de gouttelettes à travers l'eau pour alimenter les particules en croissance. Étant donné que chaque particule contient au plus quelques radicaux et que les radicaux entrants ne se terminent mutuellement que par intermittence, la durée de vie effective des radicaux par particule est longue, ce qui confère une masse molaire élevée à une vitesse élevée. En polymérisation en suspension, une agitation mécanique disperse le monomère liposoluble en gouttelettes stabilisées par un colloïde protecteur ; chaque gouttelette polymérise selon une cinétique de type masse (bulk) pour former une bille solide, dont la taille est déterminée par l'agitation et le stabilisant.
Clinical relevance
La polymérisation en émulsion produit les latex utilisés dans les peintures à base d'eau, les adhésifs, les revêtements pour papier et textiles, et le caoutchouc synthétique tel que le caoutchouc styrène-butadiène, fournissant le polymère sous forme de dispersion directement utilisable et à faible teneur en VOC. La polymérisation en suspension produit des billes de poly(chlorure de vinyle) et de polystyrène, du polystyrène expansible, et les billes réticulées utilisées pour les résines échangeuses d'ions et de chromatographie.
History
La polymérisation en émulsion a été développée à l'échelle industrielle pendant la Seconde Guerre mondiale pour produire du caoutchouc synthétique, et son mécanisme a été clarifié par la description qualitative de Harkins sur la nucléation micellaire, puis par la théorie cinétique quantitative de Smith-Ewart publiée en 1948, qui demeure le cadre de référence.
Key figures
- Wendell Smith
- Roswell Ewart
- William Harkins
Related topics
Seminal works
- odian2004
- young2011
Frequently asked questions
- Pourquoi la polymérisation en émulsion peut-elle atteindre simultanément une vitesse élevée et une masse molaire élevée ?
- Les radicaux sont isolés dans des particules distinctes, de sorte qu'un radical en croissance n'est pas rapidement terminé par un autre. Chaque chaîne croît donc pendant une longue période (masse molaire élevée) tandis que de nombreuses particules polymérisent en parallèle (vitesse élevée) — une combinaison impossible dans une phase homogène unique.
- Quelle est la différence entre la polymérisation en émulsion et la polymérisation en suspension ?
- L'émulsion utilise des micelles de tensioactif et un initiateur hydrosoluble, produisant des particules de latex submicroniques. La suspension utilise un colloïde protecteur et un initiateur liposoluble, produisant des billes beaucoup plus grandes, chacune se comportant comme un minuscule réacteur en masse (bulk).