Технологии

Основной функцией поверхностно-активных веществ (ПАВ) при полимеризации в эмульсии является снижение межфазного поверхностного натяжения, которое позволяет осуществлять эмульгацию реактивных виниловых мономеров и образование стабильных коллоидных дисперсий наноразмерных полимерных частиц. Традиционно используемые поверхностно-активные вещества способствуют эмульгации мономеров внутри мицелл, они стабилизируют частицы полимеров во время структурообразования и роста, а также увеличивают стабильность образующегося в результате латекса.

Поверхностно-активные вещества оказывают сильное воздействие, снижая поверхностное натяжение между водой и воздухом, а также межфазное поверхностное натяжение между водой и другими несмешивающимися с ней жидкостями, такими как виниловые мономеры. Тот имеющий чисто практическое значение факт, что промышленная полимеризация в эмульсии может осуществляться без всяких проблем и довольно быстро с использованием многих нерастворимых в воде мономеров, объясняется наличием поверхностно-активных веществ. Обычно поверхностно-активные вещества используются в концентрациях, которые значительно превышают критическую концентрацию мицеллообразования (ККМ). При таких практических концентрациях поверхностно-активные вещества образуют мицеллы, которые представляют собой образования, способные «придавать растворимость» неполярным веществам, таким как органические мономеры.

Самым существенным вопросом при промышленном производстве латекса является его стабильность во время и после производства. Как уже было упомянуто выше, поверхностно-активные вещества оказывают влияние на общую стабильность латекса. Таким образом, выбор соответствующего поверхностно-активного вещества является важным фактором при проектировании рецептуры латекса. Анионогенные и неионогенные ПАВы являются наиболее эффективными и широко используемыми поверхностно-активными веществами при эмульсионной полимеризации. В то время как анионогенные поверхностно-активные вещества препятствуют коагуляции за счет электростатического отталкивания, неионогенные поверхностно-активные вещества препятствуют коагуляции за счет стерической стабилизации. Анионогенные поверхностно-активные вещества препятствуют коагуляции за счет электростатического отталкивания, возникающего между зарядами анионных групп ПАВов, адсорбированных на полимерных частицах и соединенных с ними двойными слоями. А неионогенные поверхностно-активные вещества, особенно полиэтоксилаты, препятствуют коагуляции за счет пространственной или стерической стабилизации. Некоторые специальные поверхностно-активные вещества, такие как сульфаты простого эфира жирного спирта, Disponil® FES, обладают сочетанием обоих видов стабилизации (и электростатической, и стерической) в своих молекулах.

Также хорошо известно, что количество и химическая структура используемого при эмульсионной полимеризации поверхностно-активного вещества имеет существенное влияние на глубину протекания реакции, размер частиц и распределение по размерам, вязкость, общую стабильность латекса и чистоту. Поверхностно-активные вещества также оказывают влияние на конечные свойства, такие как образование пленки, адгезия, смачиваемость, водонепроницаемость, а также вспениваемость. Поскольку концентрация обычных поверхностно-активных веществ превышает критическую концентрацию мицеллообразования (ККМ), существуют некоторые «правила», которые могут оказать большую помощь. Поверхностно-активные вещества используются в диапазоне от нескольких десятых процента до 5%. Тем не менее, обычно концентрация анионогенных поверхностно-активных веществ составляет от 0.5% до 3% при использовании в качестве основного поверхностно-активного вещества; и между 0.5% и 2% при использовании в сочетании с неионогенными поверхностно-активными веществами.

Неионогенные поверхностно-активные вещества редко используются отдельно из-за наличия у них тенденции к образованию более крупных частиц, в основном, из-за отсутствия заряда. Если же есть необходимость использовать их, то берутся обычно более высокие концентрации, как правило, 5%. Тем не менее, даже небольшого процента анионогенного поверхностно-активного вещества, используемого в сочетании с неионогенным поверхностно-активным веществом, будет достаточно для того, чтобы уменьшить размер частиц. Чтобы добиться нужного баланса свойств, большинство товарных эмульсионных полимеров производится с использованием соответствующих сочетаний анионогенных поверхностно-активных веществ для управления размером частиц и электростатической стабилизации, и неионогенных поверхностно-активных веществ для увеличения механической, электролитической, термической стабильности, а также стабильности замерзания-оттаивания.

Экспериментальная полимеризация
Для производства акриловых латексов для данного исследования использовалась полунепрерывная полимеризация. Был образован затравочный полимер с добавлением 2% мономерной первичной эмульсии на начальной стадии реакции, остальное было добавлено в соответствии с заранее разработанным графиком во время полимеризации.

Преимуществом использования затравочно-эмульсионной полимеризации является возможность производить более ограниченное гранулометрическое распределение частиц. В результате медленного добавления мономеров также получается более однородный состав сополимера. Во время этапа с затравочным полимером частицы подвергаются структурообразованию, и им дают расти до полного преобразования мономера. Добавление оставшегося мономера и поверхностно-активного вещества обеспечивает рост частиц, которые сформировались во время затравочного этапа. Не ожидается образования каких-либо новых частиц на этапе добавления оставшегося мономера и поверхностно-активного вещества.

ПАВ – анионогеногенные сульфаты 0.75%.
Теоретическое содержание твердой фазы в латексе ~ 50.00