Polimerização em Emulsão e em Suspensão

As polimerizações em emulsão e em suspensão são processos heterogêneos, à base de água, nos quais o monômero é disperso como micelas ou gotículas; a emulsão permite, de forma única, que a taxa e a massa molar sejam altas simultaneamente, compartimentalizando os radicais, enquanto a suspensão produz esferas de polímero.

Definition

A polimerização em emulsão é um processo radicalar heterogêneo no qual o monômero é emulsionado em água com surfactante e polimeriza dentro de partículas estabilizadas por surfactante; a polimerização em suspensão é um processo heterogêneo no qual gotículas de monômero estabilizadas por um agente de suspensão polimerizam cada uma como um pequeno reator em massa (bulk) para formar esferas de polímero.

Scope

Este tópico abrange os dois principais processos aquosos heterogêneos. Para a polimerização em emulsão, inclui micelas de surfactante, nucleação de partículas, os três intervalos da descrição de Smith-Ewart e a compartimentalização de radicais. Para a polimerização em suspensão, inclui a estabilização de gotículas de monômero por agentes de suspensão, a formação de esferas e a cinética essencialmente semelhante à de massa (bulk) dentro de cada gotícula. A água como fase contínua proporciona excelente transferência de calor em ambos.

Core questions

• Como a compartimentalização de radicais em partículas permite que a polimerização em emulsão atinja alta taxa e alta massa molar simultaneamente?
• Onde as partículas são nucleadas e como a descrição de Smith-Ewart descreve seu crescimento?
• Como os agentes de suspensão e a agitação determinam o tamanho das esferas na polimerização em suspensão?
• Por que a água serve tão bem como fase contínua em ambos os processos?

Key theories

Teoria de Smith-Ewart da polimerização em emulsão

A polimerização ocorre em muitas pequenas partículas inchadas por monômero, cada uma contendo em média cerca de meio radical, de modo que um radical que entra em uma partícula propaga-se até que outro entre e o termine; essa compartimentalização desacopla a taxa da terminação e produz simultaneamente alta taxa e alta massa molar.

Mechanisms

Na polimerização em emulsão, o surfactante acima de sua concentração micelar crítica forma micelas onde radicais iniciadores solúveis em água entram e começam a polimerizar; o monômero difunde-se de reservatórios de gotículas através da água para alimentar as partículas em crescimento. Como cada partícula contém no máximo alguns radicais e os radicais que entram se terminam apenas intermitentemente, a vida útil efetiva do radical por partícula é longa, resultando em alta massa molar em alta taxa. Na polimerização em suspensão, a agitação mecânica quebra o monômero solúvel em óleo em gotículas estabilizadas por um coloide protetor; cada gotícula polimeriza por cinética de massa (bulk) para formar uma esfera sólida, com o tamanho determinado pela agitação e pelo estabilizador.

Clinical relevance

A polimerização em emulsão produz os látexes usados em tintas à base de água, adesivos, revestimentos de papel e têxteis, e borracha sintética como a borracha de estireno-butadieno, fornecendo polímero em uma dispersão diretamente utilizável e com baixo VOC. A polimerização em suspensão produz esferas de poli(cloreto de vinila) e poliestireno, poliestireno expandido e as esferas reticuladas usadas para resinas de troca iônica e cromatografia.

History

A polimerização em emulsão foi ampliada durante a Segunda Guerra Mundial para produzir borracha sintética, e seu mecanismo foi esclarecido pela imagem qualitativa de Harkins da nucleação micelar e, em seguida, pela teoria cinética quantitativa de Smith-Ewart publicada em 1948, que permanece a estrutura padrão.

Key figures

• Wendell Smith
• Roswell Ewart
• William Harkins

Seminal works

• odian2004
• young2011

Frequently asked questions

Por que a polimerização em emulsão pode atingir alta taxa e alta massa molar ao mesmo tempo?

Os radicais são isolados em partículas separadas, de modo que um radical em crescimento não é rapidamente terminado por outro. Cada cadeia, portanto, cresce por um longo tempo (alta massa molar) enquanto muitas partículas polimerizam em paralelo (alta taxa) — uma combinação impossível em uma única fase homogênea.

Qual é a diferença entre polimerização em emulsão e em suspensão?

A emulsão usa micelas de surfactante e iniciador solúvel em água, produzindo partículas de látex submicrométricas. A suspensão usa um coloide protetor e iniciador solúvel em óleo, produzindo esferas muito maiores, cada uma se comportando como um pequeno reator em massa (bulk).