Trùng hợp nhũ tương và trùng hợp huyền phù

Trùng hợp nhũ tương và trùng hợp huyền phù là các quá trình dị thể, dựa trên nước, trong đó monome được phân tán dưới dạng mixen hoặc giọt; trùng hợp nhũ tương đặc biệt cho phép tốc độ và khối lượng mol cao cùng lúc bằng cách phân vùng các gốc tự do, trong khi trùng hợp huyền phù tạo ra các hạt polyme.

Definition

Trùng hợp nhũ tương là một quá trình gốc tự do dị thể trong đó monome được nhũ hóa trong nước với chất hoạt động bề mặt và trùng hợp bên trong các hạt được ổn định bằng chất hoạt động bề mặt; trùng hợp huyền phù là một quá trình dị thể trong đó các giọt monome được ổn định bằng chất huyền phù, mỗi giọt trùng hợp như một lò phản ứng khối nhỏ để tạo ra các hạt polyme.

Scope

Chủ đề này bao gồm hai quá trình dị thể trong môi trường nước chính. Đối với trùng hợp nhũ tương, nó bao gồm các mixen chất hoạt động bề mặt, sự tạo mầm hạt, ba giai đoạn của mô tả Smith-Ewart và sự phân vùng gốc tự do. Đối với trùng hợp huyền phù, nó bao gồm sự ổn định giọt monome bằng các chất huyền phù, sự hình thành hạt và động học về cơ bản giống như khối trong mỗi giọt. Nước là pha liên tục cung cấp khả năng truyền nhiệt tuyệt vời trong cả hai quá trình.

Core questions

• Làm thế nào việc phân vùng các gốc tự do trong các hạt cho phép trùng hợp nhũ tương đạt được tốc độ cao và khối lượng mol cao cùng một lúc?
• Các hạt được tạo mầm ở đâu và hình ảnh Smith-Ewart mô tả sự phát triển của chúng như thế nào?
• Các chất huyền phù và khuấy trộn xác định kích thước hạt trong trùng hợp huyền phù như thế nào?
• Tại sao nước lại là pha liên tục tốt như vậy trong cả hai quá trình?

Key theories

Lý thuyết Smith-Ewart về trùng hợp nhũ tương

Quá trình trùng hợp diễn ra trong nhiều hạt nhỏ trương monome, mỗi hạt trung bình chứa khoảng một nửa gốc tự do, do đó một gốc tự do đi vào một hạt sẽ lan truyền cho đến khi một gốc tự do khác đi vào và chấm dứt nó; sự phân vùng này tách rời tốc độ khỏi sự chấm dứt và đồng thời mang lại tốc độ cao và khối lượng mol cao.

Mechanisms

Trong trùng hợp nhũ tương, chất hoạt động bề mặt trên nồng độ mixen tới hạn của nó tạo thành các mixen nơi các gốc tự do khởi đầu tan trong nước đi vào và bắt đầu trùng hợp; monome khuếch tán từ các bể chứa giọt qua nước để nuôi các hạt đang phát triển. Bởi vì mỗi hạt chứa tối đa một vài gốc tự do và các gốc tự do đi vào chỉ chấm dứt lẫn nhau một cách không liên tục, nên thời gian sống hiệu quả của gốc tự do trên mỗi hạt dài, mang lại khối lượng mol cao ở tốc độ cao. Trong trùng hợp huyền phù, khuấy cơ học phá vỡ monome tan trong dầu thành các giọt được ổn định bằng một keo bảo vệ; mỗi giọt trùng hợp theo động học khối thành một hạt rắn, với kích thước được xác định bởi khuấy và chất ổn định.

Clinical relevance

Trùng hợp nhũ tương tạo ra các latex được sử dụng trong sơn gốc nước, chất kết dính, lớp phủ giấy và dệt may, và cao su tổng hợp như cao su styren-butadien, cung cấp polyme ở dạng phân tán có thể sử dụng trực tiếp, VOC thấp. Trùng hợp huyền phù tạo ra các hạt poly(vinyl clorua) và polystyren, polystyren giãn nở, và các hạt liên kết chéo được sử dụng cho nhựa trao đổi ion và sắc ký.

History

Trùng hợp nhũ tương được mở rộng quy mô trong Thế chiến thứ hai để sản xuất cao su tổng hợp, và cơ chế của nó đã được làm rõ bằng hình ảnh định tính của Harkins về sự tạo mầm mixen và sau đó bằng lý thuyết động học định lượng Smith-Ewart được công bố năm 1948, vẫn là khuôn khổ tiêu chuẩn.

Key figures

• Wendell Smith
• Roswell Ewart
• William Harkins

Seminal works

• odian2004
• young2011

Frequently asked questions

Tại sao trùng hợp nhũ tương có thể đạt được tốc độ cao và khối lượng mol cao cùng một lúc?

Các gốc tự do được cô lập trong các hạt riêng biệt, do đó một gốc tự do đang phát triển không bị chấm dứt nhanh chóng bởi một gốc tự do khác. Do đó, mỗi chuỗi phát triển trong một thời gian dài (khối lượng mol cao) trong khi nhiều hạt trùng hợp song song (tốc độ cao)—một sự kết hợp không thể có trong một pha đồng nhất duy nhất.

Sự khác biệt giữa trùng hợp nhũ tương và trùng hợp huyền phù là gì?

Nhũ tương sử dụng mixen chất hoạt động bề mặt và chất khởi đầu tan trong nước, tạo ra các hạt latex dưới micromet. Huyền phù sử dụng keo bảo vệ và chất khởi đầu tan trong dầu, tạo ra các hạt lớn hơn nhiều, mỗi hạt hoạt động như một lò phản ứng khối nhỏ.