Эмульсионная и суспензионная полимеризация

Эмульсионная и суспензионная полимеризация — это гетерогенные водные процессы, в которых мономер диспергирован в виде мицелл или капель; эмульсионная полимеризация уникальна тем, что позволяет одновременно достигать высокой скорости и высокой молекулярной массы за счет компартментализации радикалов, тогда как суспензионная полимеризация дает полимерные шарики.

Definition

Эмульсионная полимеризация — это гетерогенный радикальный процесс, в котором мономер эмульгируется в воде с поверхностно-активным веществом и полимеризуется внутри стабилизированных поверхностно-активным веществом частиц; суспензионная полимеризация — это гетерогенный процесс, в котором капли мономера, стабилизированные суспендирующим агентом, полимеризуются каждая как небольшой объемный реактор, образуя полимерные шарики.

Scope

Эта тема охватывает два основных водных гетерогенных процесса. Для эмульсионной полимеризации она включает мицеллы поверхностно-активных веществ, нуклеацию частиц, три интервала описания Смита-Эварта и компартментализацию радикалов. Для суспензионной полимеризации она включает стабилизацию капель мономера суспендирующими агентами, образование шариков и, по существу, объемно-подобную кинетику внутри каждой капли. Вода как непрерывная фаза обеспечивает отличный теплообмен в обоих процессах.

Core questions

• Как компартментализация радикалов в частицах позволяет эмульсионной полимеризации одновременно достигать высокой скорости и высокой молекулярной массы?
• Где нуклеируются частицы и как картина Смита-Эварта описывает их рост?
• Как суспендирующие агенты и перемешивание определяют размер шариков при суспензионной полимеризации?
• Почему вода так хорошо служит непрерывной фазой в обоих процессах?

Key theories

Теория эмульсионной полимеризации Смита-Эварта

Полимеризация протекает во многих мелких набухших мономером частицах, каждая из которых содержит в среднем около половины радикала, поэтому радикал, попадающий в частицу, распространяется до тех пор, пока не войдет другой и не оборвет его; эта компартментализация отделяет скорость от обрыва и одновременно обеспечивает высокую скорость и высокую молекулярную массу.

Mechanisms

При эмульсионной полимеризации поверхностно-активное вещество выше своей критической мицеллярной концентрации образует мицеллы, куда проникают водорастворимые радикалы инициатора и начинают полимеризоваться; мономер диффундирует из резервуаров капель через воду, питая растущие частицы. Поскольку каждая частица содержит не более нескольких радикалов, а проникающие радикалы обрывают друг друга лишь периодически, эффективное время жизни радикала на частицу велико, что обеспечивает высокую молекулярную массу при высокой скорости. При суспензионной полимеризации механическое перемешивание разбивает маслорастворимый мономер на капли, стабилизированные защитным коллоидом; каждая капля полимеризуется по объемной кинетике в твердый шарик, размер которого определяется перемешиванием и стабилизатором.

Clinical relevance

Эмульсионная полимеризация производит латексы, используемые в красках на водной основе, клеях, покрытиях для бумаги и текстиля, а также синтетический каучук, такой как бутадиен-стирольный каучук, поставляя полимер в непосредственно пригодной для использования дисперсии с низким содержанием летучих органических соединений. Суспензионная полимеризация производит поливинилхлоридные и полистирольные шарики, вспенивающийся полистирол и сшитые шарики, используемые для ионообменных и хроматографических смол.

History

Эмульсионная полимеризация была масштабирована во время Второй мировой войны для производства синтетического каучука, и ее механизм был прояснен качественной картиной мицеллярной нуклеации Харкинса, а затем количественной кинетической теорией Смита-Эварта, опубликованной в 1948 году, которая остается стандартной основой.

Key figures

• Wendell Smith
• Roswell Ewart
• William Harkins

Seminal works

• odian2004
• young2011

Frequently asked questions

Почему эмульсионная полимеризация может одновременно достигать высокой скорости и высокой молекулярной массы?

Радикалы изолированы в отдельных частицах, поэтому растущий радикал не быстро обрывается другим. Каждая цепь, таким образом, растет в течение длительного времени (высокая молекулярная масса), в то время как многие частицы полимеризуются параллельно (высокая скорость) — комбинация, невозможная в одной гомогенной фазе.

В чем разница между эмульсионной и суспензионной полимеризацией?

Эмульсионная полимеризация использует мицеллы поверхностно-активных веществ и водорастворимый инициатор, производя субмикронные латексные частицы. Суспензионная полимеризация использует защитный коллоид и маслорастворимый инициатор, производя гораздо более крупные шарики, каждый из которых ведет себя как крошечный объемный реактор.