Polimeryzacja dyspersyjna

Definicja IUPAC

Polimeryzacja dyspersyjna : Polimeryzacja wytrącająca , w której monomer(y), inicjator(i) i stabilizator(y) koloidu rozpuszcza się w rozpuszczalniku, tworząc początkowo jednorodny układ, który wytwarza polimer i prowadzi do powstania cząstek polimeru. Uwaga: W wyniku procesu zwykle powstają cząstki polimeru o wymiarach koloidalnych.

W nauce o polimerach polimeryzacja dyspersyjna jest heterogenicznym procesem polimeryzacji przeprowadzanym w obecności stabilizatora polimerowego w środowisku reakcji . Polimeryzacja dyspersyjna jest rodzajem polimeryzacji wytrącającej , co oznacza, że ​​rozpuszczalnik wybrany jako środowisko reakcji jest dobrym rozpuszczalnikiem dla monomeru i inicjatora, ale nie jest rozpuszczalnikiem dla polimeru. W miarę postępu reakcji polimeryzacji tworzą się cząsteczki polimeru, tworząc niejednorodny roztwór. W polimeryzacji dyspersyjnej cząstki te są miejscem polimeryzacji, przy czym monomer jest dodawany do cząstki w trakcie reakcji. W tym sensie mechanizm tworzenia i wzrostu polimeru ma cechy podobne do mechanizmu polimeryzacji emulsyjnej . W przypadku typowej polimeryzacji wytrącającej faza ciągła (roztwór rozpuszczalnika) jest głównym miejscem polimeryzacji, co stanowi główną różnicę między wytrącaniem a dyspersją.

Mechanizm polimeryzacji

Obraz SEM cząstek PMMA wytworzonych w procesie polimeryzacji dyspersyjnej po wysuszeniu/usunięciu organicznej fazy ciekłej (cykloheksan)

Na początku polimeryzacji polimery pozostają w roztworze , aż osiągną krytyczną masę cząsteczkową (MW), w którym to momencie wytrącają się. Te początkowe cząstki polimeru są niestabilne i koagulują z innymi cząstkami, aż do powstania cząstek stabilizowanych. Po tym punkcie polimeryzacji wzrost zachodzi tylko przez dodanie monomeru do stabilizowanych cząstek. W miarę wzrostu cząstek polimeru cząsteczki stabilizatora (lub środka dyspergującego) przyłączają się kowalencyjnie do powierzchni. Te cząsteczki stabilizatora są na ogół kopolimerami szczepionymi lub blokowymi i mogą być wstępnie formowane lub mogą tworzyć się in situ podczas reakcji. Typowo, jedna strona kopolimeru stabilizującego ma powinowactwo do rozpuszczalnika, podczas gdy druga strona ma powinowactwo do tworzącej się cząstki polimeru. Cząsteczki te odgrywają kluczową rolę w polimeryzacji dyspersyjnej, tworząc „włochatą warstwę” wokół cząstek, która zapobiega koagulacji cząstek. Kontroluje to wielkość i stabilność koloidalną cząstek w układzie reakcyjnym. Siłą napędową oddzielania cząstek jest zawada przestrzenna między skierowanymi na zewnątrz ogonami warstw stabilizujących.

Polimeryzacja dyspersyjna może wytwarzać prawie monodyspersyjne cząstki polimeru o wielkości 0,1–15 mikrometrów (µm). Jest to ważne, ponieważ wypełnia lukę między wielkością cząstek generowaną przez konwencjonalną polimeryzację emulsyjną (0,006–0,7 µm) w procesie okresowym a polimeryzacją zawiesinową (50–1000 µm).

Aplikacje

Cząstki wytwarzane przez polimeryzację dyspersyjną są wykorzystywane w wielu różnych zastosowaniach. Tonery, wzorce kalibracji przyrządów, materiały do ​​pakowania kolumn chromatograficznych, przekładki wyświetlaczy ciekłokrystalicznych oraz analizy biomedyczne i biochemiczne wykorzystują te monodyspersyjne cząstki o wielkości mikrona, cząstki, które były trudne do zdobycia przed opracowaniem metod polimeryzacji dyspersyjnej. Dyspersje stosuje się również jako powłoki powierzchniowe. W przeciwieństwie do powłok z roztworu, powłoki dyspersyjne mają lepkość niezależną od MW polimeru. Lepkości dyspersji są korzystnie niższe niż lepkości roztworów z praktycznymi zawartościami polimeru. Pozwala to na łatwiejszą aplikację powłoki.

Jednym z badanych systemów polimeryzacji dyspersyjnej jest zastosowanie ciekłego dwutlenku węgla (scCO2 _{) w stanie nadkrytycznym} jako rozpuszczalnika. Ze względu na swoje unikalne właściwości rozpuszczalnika nadkrytyczny CO ₂ jest idealnym środowiskiem do polimeryzacji dyspersyjnej wielu układów rozpuszczalnych monomerów z nierozpuszczalnymi polimerami. Na przykład, polimery można rozdzielić uwalniając wysokie ciśnienie, pod którym utrzymywany jest _{scCO2 .} Proces ten jest bardziej wydajny niż typowe procesy suszenia. Również zasady polimeryzacji dyspersyjnej z scCO2 _są zgodne z zasadami zielonej chemii : niska toksyczność rozpuszczalnika, mała ilość odpadów, wydajna ekonomia atomowa i unikanie etapów oczyszczania.