Jump to content

Эмульсионная полимеризация

В химии полимеров эмульсионная полимеризация — это тип радикальной полимеризации , которая обычно начинается с образования эмульсии, включающей воду, мономеры и поверхностно-активные вещества . Наиболее распространенным типом эмульсионной полимеризации является эмульсия масло в воде, в которой капли мономера (масла) эмульгируются (с поверхностно-активными веществами) в непрерывной фазе воды. Водорастворимые полимеры, такие как некоторые поливиниловые спирты или гидроксиэтилцеллюлозы , также могут использоваться в качестве эмульгаторов/стабилизаторов. Название «эмульсионная полимеризация» является неправильным употреблением, возникшим из-за исторического заблуждения. Полимеризация происходит не в каплях эмульсии, а в частицах латекса / коллоида , которые образуются самопроизвольно в первые несколько минут процесса. Эти латексные частицы обычно имеют размер 100 нм и состоят из множества отдельных полимерных цепей. Частицы не могут коагулировать друг с другом, поскольку каждая частица окружена поверхностно-активным веществом («мылом»); заряд поверхностно-активного вещества отталкивает другие частицы электростатически . Когда в качестве стабилизаторов вместо мыла используются водорастворимые полимеры, отталкивание между частицами возникает потому, что эти водорастворимые полимеры образуют «волосатый слой» вокруг частицы, который отталкивает другие частицы, поскольку сталкивание частиц вместе приведет к сжатию этих цепей.

Эмульсионная полимеризация используется для производства нескольких коммерчески важных полимеров. Многие из этих полимеров используются в виде твердых материалов и после полимеризации их необходимо изолировать от водной дисперсии. В других случаях конечным продуктом является сама дисперсия. Дисперсию, полученную в результате эмульсионной полимеризации, часто называют латексом (особенно если она получена из синтетического каучука ) или эмульсией (хотя, строго говоря, «эмульсия» относится к дисперсии несмешивающейся жидкости в воде). Эти эмульсии находят применение в клеях , красках , покрытиях для бумаги и текстильных покрытиях. В этих целях их часто предпочитают продуктам на основе растворителей из-за отсутствия в них летучих органических соединений (ЛОС).

ИЮПАК определение

Эмульсионная полимеризация : Полимеризация , при которой мономер(ы), инициатор, дисперсия
среда и, возможно, коллоидный стабилизатор изначально представляют собой неоднородную систему
в результате чего образуются частицы коллоидных размеров, содержащие образовавшийся полимер.

Примечание . За исключением мини-эмульсионной полимеризации , термин «эмульсионная полимеризация»
не означает, что полимеризация происходит в каплях эмульсии мономера. [1]

Периодическая эмульсионная полимеризация : Эмульсионная полимеризация , при которой все ингредиенты
помещают в реактор перед реакцией. [2]

К преимуществам эмульсионной полимеризации относятся: [3]

  • Полимеры с высокой молекулярной массой могут быть получены с высокой скоростью полимеризации. Напротив, при радикальной полимеризации в массе и растворе существует компромисс между молекулярной массой и скоростью полимеризации.
  • Непрерывная водная фаза является отличным проводником тепла, обеспечивая высокую скорость полимеризации без потери контроля температуры.
  • Поскольку полимера молекулы содержатся внутри частиц, вязкость реакционной среды остается близкой к вязкости воды и не зависит от молекулярной массы .
  • Конечный продукт можно использовать как есть, и его обычно не нужно изменять или обрабатывать.

К недостаткам эмульсионной полимеризации относятся:

  • Поверхностно-активные вещества и другие адъюванты полимеризации остаются в полимере или их трудно удалить.
  • Для сухих (изолированных) полимеров удаление воды является энергозатратным процессом.
  • Эмульсионная полимеризация обычно рассчитана на высокую конверсию мономера в полимер. Это может привести к значительной передаче цепи полимеру.
  • Не может быть использован для конденсационной, ионной полимеризации или полимеризации Циглера-Натта, хотя известны некоторые исключения.

Ранняя история эмульсионной полимеризации связана с областью синтетического каучука. [4] [5] Идея использования эмульгированного мономера в водной суспензии или эмульсии впервые возникла в компании Bayer перед Первой мировой войной при попытке получить синтетический каучук. [6] [7] Толчком к этой разработке послужило наблюдение, что натуральный каучук производится при комнатной температуре в виде дисперсных частиц, стабилизированных коллоидными полимерами, поэтому промышленные химики попытались воспроизвести эти условия. Сотрудники Bayer использовали природные полимеры, такие как желатин , овальбумин и крахмал , для стабилизации их дисперсии. По сегодняшнему определению это была не настоящая эмульсионная полимеризация, а суспензионная полимеризация .

Первые «настоящие» эмульсионные полимеризации, в которых использовались поверхностно-активное вещество и инициатор полимеризации, были проведены в 1920-х годах для полимеризации изопрена . [8] [9] В течение следующих двадцати лет, вплоть до конца Второй мировой войны , были разработаны эффективные методы производства нескольких форм синтетического каучука методом эмульсионной полимеризации, однако публикаций в научной литературе появилось относительно мало: большинство раскрытий ограничивалось патентами или держалось в секрете. в связи с потребностями военного времени.

После Второй мировой войны эмульсионная полимеризация была распространена на производство пластмасс. Начато производство дисперсий для использования в латексных красках и других продуктах, продаваемых в виде жидких дисперсий. Были разработаны еще более сложные процессы для приготовления продуктов, которые заменили материалы на основе растворителей . По иронии судьбы, производство синтетического каучука все больше и больше отказывалось от эмульсионной полимеризации по мере разработки новых металлоорганических катализаторов, которые позволяли гораздо лучше контролировать архитектуру полимера.

Теоретический обзор

[ редактировать ]

Первая успешная теория, объясняющая особенности эмульсионной полимеризации, была разработана Смитом и Юартом. [10] и Харкинс [11] в 1940-х годах на основе своих исследований полистирола . Смит и Юарт условно разделили механизм эмульсионной полимеризации на три стадии или интервала. Впоследствии было признано, что не все мономеры или системы проходят эти конкретные три интервала. Тем не менее, описание Смита-Юарта является полезной отправной точкой для анализа эмульсионной полимеризации.

Схема эмульсионной полимеризации

Теория Смита-Юарта-Харкинса о механизме свободнорадикальной эмульсионной полимеризации резюмируется следующими этапами:

  • Мономер диспергируется или эмульгируется в растворе поверхностно-активного вещества и воды, образуя относительно большие капли в воде.
  • Избыток ПАВ создает мицеллы . в воде
  • Небольшие количества мономера диффундируют через воду к мицелле.
  • Водорастворимый инициатор вводится в водную фазу, где он реагирует с мономером в мицеллах. (Эта характеристика отличается от суспензионной полимеризации , при которой маслорастворимый инициатор растворяется в мономере с последующим образованием полимера в самих каплях мономера.) Это считается интервалом Смита-Юарта 1.
  • Общая площадь поверхности мицелл намного больше, чем общая площадь поверхности меньшего количества более крупных капель мономера; поэтому инициатор обычно реагирует в мицелле, а не в капле мономера.
  • Мономер в мицелле быстро полимеризуется и растущая цепь обрывается. В этот момент набухшая мономером мицелла превратилась в полимерную частицу. Когда в системе присутствуют как капли мономера, так и частицы полимера, это считается интервалом Смита-Юарта 2.
  • Больше мономера из капель диффундирует к растущей частице, где в конечном итоге вступает в реакцию большее количество инициаторов.
  • Со временем капли свободного мономера исчезают, а весь оставшийся мономер оказывается в частицах. Это считается интервалом Смита-Юарта 3.
  • В зависимости от конкретного продукта и мономера можно непрерывно и медленно добавлять дополнительный мономер и инициатор для поддержания их уровня в системе по мере роста частиц.
  • Конечный продукт представляет собой дисперсию полимерных частиц в воде. Он также может быть известен как полимерный коллоид , латекс или обычно и неточно как «эмульсия».

Теория Смита-Юарта не предсказывает специфическое поведение полимеризации, когда мономер в некоторой степени растворим в воде, например, метилметакрилат или винилацетат . В этих случаях происходит гомогенная нуклеация : частицы образуются без присутствия или необходимости мицелл ПАВ. [12]

При эмульсионной полимеризации образуются высокие молекулярные массы, поскольку концентрация растущих цепей внутри каждой частицы полимера очень низка. При традиционной радикальной полимеризации концентрация растущих цепей выше, что приводит к обрыву связи, что в конечном итоге приводит к укорочению полимерных цепей. Оригинальный механизм Смита-Юарта-Хокинса требовал, чтобы каждая частица содержала либо ноль, либо одну растущую цепь. Улучшение понимания эмульсионной полимеризации позволило смягчить этот критерий и включить более одной растущей цепи на частицу, однако количество растущих цепей на частицу по-прежнему считается очень низким.

Из-за сложной химии, которая происходит во время эмульсионной полимеризации, включая кинетику полимеризации и кинетику образования частиц, количественное понимание механизма эмульсионной полимеризации потребовало обширного компьютерного моделирования . Роберт Гилберт резюмировал недавнюю теорию. [13]

Более детальное рассмотрение теории Смита-Юарта.

[ редактировать ]

Интервал 1

[ редактировать ]

Когда радикалы, образующиеся в водной фазе, сталкиваются с мономером внутри мицеллы, они инициируют полимеризацию. Превращение мономера в полимер внутри мицеллы снижает концентрацию мономера и создает градиент концентрации мономера. В результате мономер из капель мономера и неинициированных мицелл начинает диффундировать к растущим полимерсодержащим частицам. Те мицеллы, которые не столкнулись с радикалом на более ранней стадии превращения, начинают исчезать, уступая растущим частицам свой мономер и ПАВ. Теория предсказывает, что после окончания этого интервала количество растущих частиц полимера остается постоянным.

Интервал 2

[ редактировать ]

Этот интервал также известен как стадия установившейся реакции. На этом этапе капли мономера действуют как резервуары, доставляющие мономер к растущим полимерным частицам путем диффузии через воду. В устойчивом состоянии соотношение свободных радикалов на частицу можно разделить на три случая. Когда количество свободных радикалов на частицу меньше 1 2 , это называется случаем 1. Когда число свободных радикалов на частицу равно 1 2 , это называется случаем 2. И когда есть больше, чем 1 радикала на частицу, это называется случаем 3. Теория Смита-Юарта предсказывает, что случай 2 является преобладающим сценарием по следующим причинам. Набухшая мономером частица, пораженная радикалом, содержит одну растущую цепь. Поскольку присутствует только один радикал (на конце растущей полимерной цепи), цепь не может оборваться и будет продолжать расти до тех пор, пока в частицу не войдет второй радикал-инициатор. Поскольку скорость обрыва намного превышает скорость распространения, а частицы полимера чрезвычайно малы, рост цепи прекращается сразу после входа второго радикала-инициатора. Затем частица остается в состоянии покоя до тех пор, пока не войдет третий радикал-инициатор, инициирующий рост второй цепи. Следовательно, полимерные частицы в этом случае либо имеют ноль радикалов (спящее состояние), либо 1 радикал (состояние роста полимера) и очень короткий период из 2 радикалов (терминирующее состояние), которым можно пренебречь при расчете количества свободных радикалов на частицу. В любой момент времени мицелла содержит либо одну растущую цепь, либо не содержит растущих цепей (предполагается, что это равновероятно). Таким образом, в среднем на одну частицу приходится около 1/2 радикала, что приводит к сценарию 2. Скорость полимеризации на этой стадии можно выразить выражением

где - константа скорости гомогенного распространения полимеризации внутри частиц и – равновесная концентрация мономера внутри частицы. представляет собой общую концентрацию полимеризующихся радикалов в реакции. Для случая 2, когда среднее количество свободных радикалов на мицеллу равно , можно рассчитать в следующем выражении:

где – числовая концентрация мицелл (число мицелл в единице объема), постоянная Авогадро ( 6,02 × 10 23 моль −1 ). Следовательно, скорость полимеризации тогда равна

Интервал 3

[ редактировать ]

По мере продолжения реакции отдельные капли мономера исчезают. Частицы полимера на этой стадии могут быть достаточно большими, чтобы содержать более 1 радикала на частицу.

Соображения процесса

[ редактировать ]

Эмульсионную полимеризацию использовали в периодических , полупериодических и непрерывных процессах. Выбор зависит от желаемых свойств конечного полимера или дисперсии, а также от экономичности продукта. Современные схемы управления технологическими процессами позволили разработать сложные реакционные процессы с такими ингредиентами, как инициатор, мономер и поверхностно-активное вещество, добавляемыми в начале, во время или в конце реакции.

Ранние рецепты бутадиен-стирольного каучука (SBR) являются примерами настоящих периодических процессов: все ингредиенты добавлялись в реактор одновременно. Полупериодические рецепты обычно включают программированную подачу мономера в реактор. Это позволяет провести реакцию с голоданием и обеспечить хорошее распределение мономеров в основной цепи полимера . Непрерывные процессы использовались для производства различных сортов синтетического каучука.

Некоторые полимеризации прекращаются до того, как весь мономер прореагирует. Это сводит к минимуму передачу цепи на полимер. В таких случаях мономер необходимо удалить или удалить из дисперсии.

Коллоидная стабильность является фактором при разработке процесса эмульсионной полимеризации. Для сухих или изолированных продуктов дисперсию полимера необходимо изолировать или перевести в твердую форму. Этого можно добиться простым нагреванием дисперсии до тех пор, пока не испарится вся вода . Чаще всего дисперсию дестабилизируют (иногда называют «разрушенной») добавлением многовалентного катиона . Альтернативно, подкисление дестабилизирует дисперсию с поверхностно-активным веществом на основе карбоновой кислоты . Эти методы можно использовать в сочетании с применением сдвига для увеличения скорости дестабилизации. После выделения полимера его обычно промывают, сушат и упаковывают.

Напротив, продукты, продаваемые в виде дисперсий, обладают высокой степенью коллоидной стабильности. Коллоидные свойства, такие как размер частиц, распределение частиц по размерам и вязкость, имеют решающее значение для эффективности этих дисперсий.

процессы живой полимеризации , осуществляемые посредством эмульсионной полимеризации, такие как йодпереносящая полимеризация и RAFT Были разработаны .

Методы контролируемой коагуляции позволяют лучше контролировать размер и распределение частиц. [14]

Компоненты

[ редактировать ]

Мономеры

[ редактировать ]

Типичными мономерами являются те, которые подвергаются радикальной полимеризации, находятся в жидком или газообразном состоянии в условиях реакции и плохо растворяются в воде. Твердые мономеры трудно диспергировать в воде. Если растворимость мономера слишком высока, образование частиц может не произойти, и кинетика реакции снизится до кинетики полимеризации в растворе.

Этен и другие простые олефины необходимо полимеризовать при очень высоких давлениях (до 800 бар).

Сомономеры

[ редактировать ]

Сополимеризация распространена при эмульсионной полимеризации. Те же правила и пары сомономеров , которые существуют при радикальной полимеризации, действуют и при эмульсионной полимеризации. Однако на кинетику сополимеризации большое влияние оказывает в воде растворимость мономеров . Мономеры с большей растворимостью в воде будут иметь тенденцию распределяться в водной фазе, а не в частицах полимера. Они не будут так легко включаться в полимерную цепь, как мономеры с более низкой растворимостью в воде. Этого можно избежать, программируя добавление мономера полупериодическим способом.

Этен и другие алкены используются в качестве второстепенных сомономеров при эмульсионной полимеризации, особенно в винилацетата сополимерах .

Небольшие количества акриловой кислоты или других ионизируемых мономеров иногда используются для придания коллоидной стабильности дисперсии.

Инициаторы

[ редактировать ]

как термическая , так и окислительно-восстановительная При эмульсионной полимеризации используются генерация свободных радикалов. Персульфатные соли обычно используются в обоих режимах инициирования . Персульфат-ион легко распадается на сульфат-ион-радикал при температуре выше 50 ° C, обеспечивая тепловой источник инициирования. Инициирование окислительно-восстановительного процесса происходит, когда окислитель, такой как соль персульфата, восстановитель, такой как глюкоза, ронгалит или сульфит в рецепт полимеризации включены , и окислительно-восстановительный катализатор, такой как соединение железа. Рецепты Redox не ограничены температурой и используются для полимеризаций, протекающих при температуре ниже 50 °C.

органические пероксиды и гидропероксиды Хотя при эмульсионной полимеризации используются , инициаторы обычно растворимы в воде и распределяются в водную фазу. Это обеспечивает поведение генерации частиц, описанное в разделе теории. При окислительно-восстановительном инициировании либо окислитель, либо восстановитель (или оба) должны быть водорастворимыми, но один компонент может быть нерастворимым в воде.

Выбор правильного поверхностно-активного вещества имеет решающее значение для разработки любого процесса эмульсионной полимеризации. Поверхностно-активное вещество должно обеспечивать высокую скорость полимеризации, минимизировать коагуляцию или загрязнение реактора и другого технологического оборудования, предотвращать неприемлемо высокую вязкость во время полимеризации (которая приводит к плохой теплопередаче) и сохранять или даже улучшать свойства конечного продукта, такие как: прочность на разрыв , блеск и водопоглощение.

анионные , неионогенные и катионные Использовались поверхностно-активным веществам с низкой критической концентрацией мицеллообразования поверхностно-активные вещества, хотя анионные поверхностно-активные вещества являются наиболее распространенными. Предпочтение отдается (ККМ); скорость полимеризации резко увеличивается, когда уровень поверхностно-активного вещества превышает ККМ, и минимизация количества поверхностно-активного вещества предпочтительна по экономическим причинам и (обычно) неблагоприятному влиянию поверхностно-активного вещества на физические свойства получаемого полимера. Часто используют смеси поверхностно-активных веществ, включая смеси анионных и неионогенных поверхностно-активных веществ. Смеси катионных и анионных поверхностно-активных веществ образуют нерастворимые соли и бесполезны.

Примеры поверхностно-активных веществ, обычно используемых при эмульсионной полимеризации, включают жирные кислоты , лаурилсульфат натрия и альфа-олефинсульфонат .

Неповерхностно-активные стабилизаторы

[ редактировать ]

Некоторые сорта поливинилового спирта и другие водорастворимые полимеры могут способствовать эмульсионной полимеризации, хотя они обычно не образуют мицеллы и не действуют как поверхностно-активные вещества (например, они не снижают поверхностное натяжение ). Считается, что растущие полимерные цепи прививаются к этим водорастворимым полимерам, которые стабилизируют образующиеся частицы. [15]

Дисперсии, приготовленные с такими стабилизаторами, обычно демонстрируют превосходную коллоидную стабильность (например, сухие порошки можно смешивать с дисперсией, не вызывая коагуляции). Однако в результате часто получаются продукты, очень чувствительные к воде из-за присутствия водорастворимого полимера .

Другие ингредиенты

[ редактировать ]

Другие ингредиенты, обнаруженные при эмульсионной полимеризации, включают агенты передачи цепи , буферные агенты и инертные соли . Консерванты добавляются в продукты, продаваемые в виде жидких дисперсий, для замедления роста бактерий. Однако обычно их добавляют после полимеризации.

Приложения

[ редактировать ]

Полимеры, полученные методом эмульсионной полимеризации, можно условно разделить на три категории.

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Сломковский, Станислав; Алеман, Хосе В.; Гилберт, Роберт Г.; Хесс, Майкл; Хорие, Казуюки; Джонс, Ричард Г.; Кубиса, Пшемыслав; Мейзель, Ингрид; Морманн, Вернер; Пенчек, Станислав; Степто, Роберт FT (2011). «Терминология полимеров и процессов полимеризации в дисперсных системах (Рекомендации ИЮПАК 2011 г.)» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 83 (12): 2229–2259. doi : 10.1351/PAC-REC-10-06-03 . S2CID   96812603 . Архивировано из оригинала (PDF) 20 октября 2013 г. Проверено 20 июля 2013 г.
  2. ^ Сломковский, Станислав; Алеман, Хосе В.; Гилберт, Роберт Г.; Хесс, Майкл; Хорие, Казуюки; Джонс, Ричард Г.; Кубиса, Пшемыслав; Мейзель, Ингрид; Морманн, Вернер; Пенчек, Станислав; Степто, Роберт FT (2011). «Терминология полимеров и процессов полимеризации в дисперсных системах (Рекомендации ИЮПАК 2011 г.)» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 83 (12): 2229–2259. doi : 10.1351/PAC-REC-10-06-03 . S2CID   96812603 . Архивировано из оригинала (PDF) 20 октября 2013 г. Проверено 20 июля 2013 г.
  3. ^ Одиан, Дж., Принципы полимеризации , Уайли, Нью-Йорк.
  4. ^ Уитби, Г.С.; Кац, М. (1933). «Синтетический каучук». Промышленная и инженерная химия . 25 (12): 1338–1348. дои : 10.1021/ie50288a012 .
  5. ^ Хоэнштайн, В.П.; Марк, Х. (1946). «Полимеризация олефинов и диолефинов в суспензии и эмульсии. Часть I.». Журнал полимерной науки . 1 (2): 127–145. Бибкод : 1946JPoSc...1..127H . дои : 10.1002/pol.1946.120010207 .
  6. Патент Германии 250690 (12 сентября 1909 г.)
  7. ^ Готтлоб, Курт. «Каучуковое вещество и способ его изготовления» Патент США № 1149577 , поданный 6 января 1913 года.
  8. ^ Патент Германии 558890 (подана 8 января 1927 г.)
  9. ^ Динсмор, Рэй П. «Синтетический каучук и способ его изготовления», патент США № 1 732 795 , поданный 13 сентября 1927 г.
  10. ^ Смит, Венделл В.; Юарт, Розуэлл Х. (1948). «Кинетика эмульсионной полимеризации». Журнал химической физики . 16 (6): 592–599. Бибкод : 1948ЖЧФ..16..592С . дои : 10.1063/1.1746951 .
  11. ^ Харкинс, Уильям Д. (1947). «Общая теория механизма эмульсионной полимеризации1». Журнал Американского химического общества . 69 (6): 1428–1444. дои : 10.1021/ja01198a053 . ПМИД   20249728 .
  12. ^ Fitch, RM (1971) Полимерные коллоиды , Пленум, Нью-Йорк.
  13. ^ Гилберт, Р.Г. (1996) Эмульсионная полимеризация: механистический подход . Академическое издательство, Лондон.
  14. ^ Костансек, Эдвард (1 января 2004 г.). «Контролируемая коагуляция эмульсионных полимеров» . Исследования JCT . 1 (1): 41–44. дои : 10.1007/s11998-004-0023-1 . ISSN   1935-3804 .
  15. ^ Ким, Нома; Судол, Э. Дэвид; Димони, Виктория Л.; Эль-Аассер, Мохамед С. (2004). «Прививка ПВС в миниэмульсионной сополимеризации н-бутилакрилата и метилметакрилата с использованием водорастворимых, частично водорастворимых и маслорастворимых инициаторов». Макромолекулы . 37 (9): 3180–3187. дои : 10.1021/ma035153w .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 2ad9cdffcd1a11d216dd1f8ba0b7294a__1709887800
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/2a/4a/2ad9cdffcd1a11d216dd1f8ba0b7294a.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Emulsion polymerization - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)