การเกิดพอลิเมอร์แบบอิมัลชันและแบบแขวนลอย

การเกิดพอลิเมอร์แบบอิมัลชันและแบบแขวนลอยเป็นกระบวนการแบบเฮเทอโรจีนัสที่ใช้น้ำเป็นตัวกลาง โดยที่มอนอเมอร์จะกระจายตัวเป็นไมเซลล์หรือหยดน้ำมัน; การเกิดพอลิเมอร์แบบอิมัลชันมีลักษณะเฉพาะที่ช่วยให้ได้อัตราการเกิดปฏิกิริยาและมวลโมเลกุลสูงพร้อมกันโดยการแบ่งส่วนอนุมูลอิสระ ในขณะที่การเกิดพอลิเมอร์แบบแขวนลอยจะให้ลูกปัดพอลิเมอร์

Definition

การเกิดพอลิเมอร์แบบอิมัลชันเป็นกระบวนการอนุมูลอิสระแบบเฮเทอโรจีนัสที่มอนอเมอร์ถูกทำให้อิมัลชันในน้ำด้วยสารลดแรงตึงผิวและเกิดพอลิเมอร์ภายในอนุภาคที่คงตัวด้วยสารลดแรงตึงผิว; การเกิดพอลิเมอร์แบบแขวนลอยเป็นกระบวนการแบบเฮเทอโรจีนัสที่หยดมอนอเมอร์ที่คงตัวด้วยสารแขวนลอยแต่ละหยดจะเกิดพอลิเมอร์เหมือนเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็กเพื่อให้ได้ลูกปัดพอลิเมอร์

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมกระบวนการเฮเทอโรจีนัสที่ใช้น้ำเป็นตัวกลางหลักสองกระบวนการ สำหรับการเกิดพอลิเมอร์แบบอิมัลชัน จะรวมถึงไมเซลล์ของสารลดแรงตึงผิว, การก่อตัวของอนุภาค, ช่วงเวลาสามช่วงของการอธิบายของสมิธ-อีวาร์ต, และการแบ่งส่วนอนุมูลอิสระ สำหรับการเกิดพอลิเมอร์แบบแขวนลอย จะรวมถึงการทำให้หยดมอนอเมอร์คงตัวด้วยสารแขวนลอย, การก่อตัวของลูกปัด, และจลนพลศาสตร์ที่คล้ายกับการเกิดพอลิเมอร์แบบกลุ่มภายในแต่ละหยด น้ำในฐานะที่เป็นวัฏภาคต่อเนื่องช่วยให้การถ่ายเทความร้อนเป็นไปอย่างยอดเยี่ยมในทั้งสองกระบวนการ

Core questions

• การแบ่งส่วนอนุมูลอิสระในอนุภาคช่วยให้การเกิดพอลิเมอร์แบบอิมัลชันบรรลุอัตราการเกิดปฏิกิริยาสูงและมวลโมเลกุลสูงพร้อมกันได้อย่างไร?
• อนุภาคก่อตัวที่ใดและภาพของสมิธ-อีวาร์ตอธิบายการเติบโตของอนุภาคอย่างไร?
• สารแขวนลอยและการกวนกำหนดขนาดของลูกปัดในการเกิดพอลิเมอร์แบบแขวนลอยได้อย่างไร?
• เหตุใดน้ำจึงทำหน้าที่เป็นวัฏภาคต่อเนื่องได้ดีในทั้งสองกระบวนการ?

Key theories

ทฤษฎีสมิธ-อีวาร์ตของการเกิดพอลิเมอร์แบบอิมัลชัน

การเกิดพอลิเมอร์ดำเนินไปในอนุภาคขนาดเล็กจำนวนมากที่บวมด้วยมอนอเมอร์ โดยแต่ละอนุภาคมีอนุมูลอิสระโดยเฉลี่ยประมาณครึ่งหนึ่ง ดังนั้นอนุมูลอิสระที่เข้าสู่อนุภาคจะแพร่กระจายไปเรื่อยๆ จนกว่าจะมีอนุมูลอิสระอื่นเข้ามาและยุติปฏิกิริยา การแบ่งส่วนนี้จะแยกอัตราการเกิดปฏิกิริยาออกจากการยุติปฏิกิริยา และให้ทั้งอัตราการเกิดปฏิกิริยาสูงและมวลโมเลกุลสูงพร้อมกัน

Mechanisms

ในการเกิดพอลิเมอร์แบบอิมัลชัน สารลดแรงตึงผิวที่ความเข้มข้นสูงกว่าความเข้มข้นไมเซลล์วิกฤตจะก่อตัวเป็นไมเซลล์ที่อนุมูลอิสระของตัวริเริ่มที่ละลายน้ำได้จะเข้าไปและเริ่มเกิดพอลิเมอร์; มอนอเมอร์จะแพร่จากแหล่งกักเก็บหยดผ่านน้ำเพื่อเลี้ยงอนุภาคที่กำลังเติบโต เนื่องจากแต่ละอนุภาคมีอนุมูลอิสระเพียงไม่กี่ตัว และอนุมูลอิสระที่เข้ามาจะยุติปฏิกิริยาซึ่งกันและกันเป็นครั้งคราวเท่านั้น อายุการใช้งานของอนุมูลอิสระที่มีประสิทธิภาพต่ออนุภาคจึงยาวนาน ทำให้ได้มวลโมเลกุลสูงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยาสูง ในการเกิดพอลิเมอร์แบบแขวนลอย การกวนเชิงกลจะทำลายมอนอเมอร์ที่ละลายในน้ำมันให้เป็นหยดที่คงตัวด้วยคอลลอยด์ป้องกัน; แต่ละหยดจะเกิดพอลิเมอร์ด้วยจลนพลศาสตร์แบบกลุ่มกลายเป็นลูกปัดแข็ง โดยมีขนาดที่กำหนดโดยการกวนและสารทำให้คงตัว

Clinical relevance

การเกิดพอลิเมอร์แบบอิมัลชันผลิตน้ำยางที่ใช้ในสีน้ำ กาว สารเคลือบกระดาษและสิ่งทอ และยางสังเคราะห์ เช่น ยางสไตรีน-บิวทาไดอีน ซึ่งให้พอลิเมอร์ในรูปของสารกระจายตัวที่ใช้งานได้โดยตรงและมีสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่ายต่ำ การเกิดพอลิเมอร์แบบแขวนลอยผลิตลูกปัดพอลิ(ไวนิลคลอไรด์) และพอลิสไตรีน, พอลิสไตรีนขยายตัวได้, และลูกปัดเชื่อมขวางที่ใช้สำหรับเรซินแลกเปลี่ยนไอออนและโครมาโทกราฟี

History

การเกิดพอลิเมอร์แบบอิมัลชันได้รับการขยายขนาดในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองเพื่อผลิตยางสังเคราะห์ และกลไกของมันได้รับการอธิบายให้ชัดเจนโดยภาพเชิงคุณภาพของการก่อตัวของไมเซลล์ของฮาร์กินส์ และต่อมาโดยทฤษฎีจลนพลศาสตร์เชิงปริมาณของสมิธ-อีวาร์ตที่ตีพิมพ์ในปี 1948 ซึ่งยังคงเป็นกรอบมาตรฐาน

Key figures

• Wendell Smith
• Roswell Ewart
• William Harkins

Seminal works

• odian2004
• young2011

Frequently asked questions

เหตุใดการเกิดพอลิเมอร์แบบอิมัลชันจึงสามารถทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาสูงและมวลโมเลกุลสูงได้ในเวลาเดียวกัน?

อนุมูลอิสระถูกแยกออกจากกันในอนุภาคที่แยกกัน ดังนั้นอนุมูลอิสระที่กำลังเติบโตจึงไม่ถูกยุติปฏิกิริยาอย่างรวดเร็วโดยอนุมูลอิสระอื่น แต่ละสายโซ่จึงเติบโตเป็นเวลานาน (มวลโมเลกุลสูง) ในขณะที่อนุภาคจำนวนมากเกิดพอลิเมอร์พร้อมกัน (อัตราการเกิดปฏิกิริยาสูง) ซึ่งเป็นการรวมกันที่เป็นไปไม่ได้ในวัฏภาคเอกพันธ์เดียว

ความแตกต่างระหว่างการเกิดพอลิเมอร์แบบอิมัลชันและการเกิดพอลิเมอร์แบบแขวนลอยคืออะไร?

อิมัลชันใช้ไมเซลล์ของสารลดแรงตึงผิวและตัวริเริ่มที่ละลายน้ำได้ ซึ่งผลิตอนุภาคยางขนาดเล็กกว่าไมครอน การแขวนลอยใช้คอลลอยด์ป้องกันและตัวริเริ่มที่ละลายในน้ำมัน ซึ่งผลิตลูกปัดขนาดใหญ่กว่ามาก โดยแต่ละลูกปัดทำหน้าที่เหมือนเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็ก