پلیمرِِِیزاسیون امولسیونی

یک سیستم پلیمریزاسیون امولسیونی شامل آب، شروع کننده (Initiator) به طور معمول قابل حل در آب، یک مونومر (غیرقابل حل در آب) و فعال کنندة سطحی است. دو نوع پلیمریزاسیون امولسیونی با نام های پلیمریزاسیون میکروامولسیونی و پلیمریزاسیون مینی امولسیونی وجود دارد. در نوع میکرو، شرایط به گونه ای انتخاب می شود که قطرات مونومر بسیار کوچک باشد (با شعاع بین 10 تا 30 نانومتر). میکروامولسیون تشکیل شده در ابتدای فرآیند، به طور کامل از لحاظ ترمودینامیکی پایدار است. در پلیمریزاسیون مینی امولسیونی شعاع قطرات بین 50 تا 1000 نانومتر است و امولسیون نیز از لحاظ ترمودینامیکی ناپایدار، اما از لحاظ سینتیکی شبه پایدار است (با زمان ماندگاری به مدت چند ماه). این امولسیون ها به وسیله هیدروفوب (ماده ای که در فاز پیوسته غیرقابل حل است). در برابر فرآیند استوالد پایدار می شوند.

پلیمریزاسیون امولسیونی، با ساخت امولسیون از مونومرها در فاز پیوسته (آب) و پایدارسازی قطرات به کمک مواد فعال کنندة سطحی آغاز می شود. در غلظت بیشتر از غلظت بحرانی میسل، مولکول های فعال کنندة سطحی میسل ها را در آب تشکیل می دهند. قسمت های آب گریز میسل ها، در مرکز توده و قسمت های آب دوست آنها به سمت بیرون قرار دارد. مرکز میسل، محل استقرار مونومرهاست. بنابراین، میسل با جذب مونومر، متورم می شود و تشکیل ذرات لاتکس پلیمری را می دهد. با وجود این، اندازة میسل آن چنان کوچک است که با چشم دیده نمی شوند. پس از متورم شدن میسل ها، که به نظر
می رسد مونومر قابلیت انحلال پیدا کرده است. گرما سبب تجزیة شروع کننده ها (تجزیه پراکسید به رادیکال های آزاد) شده و باعث شروع واکنش مس شود. در پلیمریزاسیون امولسیونی، امولسیفایر به سه منظور استفاده می شود :

1- پایدارسازی قطرات مونومر در شروع پلیمریزاسیون

2- انجام فرآیند پلیمریزاسیون با تشکیل میسل ها

3- پایدارسازی ذرات لاتکس پلیمری

مک کوی (MC Coy) نقش امولسیفایرها را در پلیمریزاسیون امولسیونی، بررسی و تغییرات سرعت فعل و انفعال، اندازة هر ذره، ثبات و جرم مولکولی را به عنوان تابعی از نوع و غلظت امولسیفایر بررسی کرده است. پژوهش های دیگری در این زمینه توسط گرت (Greth) و ویلسون (Wilson)، با استفاده از روش HLB انجام گرفته است. بررسی پلیمریزاسیون استیرن و وینیل استات با استفاده از مخلوطی از امولسیفایرهای آنیونی و غیریونی نشان داده است که تغییرات تشدید در سرعت واکنش و اندازة ذرات و گرانروی در محدوده بخصوصی از مقدار HLB صورت می گیرد.

برای مثال، بهترین نتایج برای پلیمریزاسیون استیرن در HLB برابر 13 و برای وینیل استات در محدوده HLB بین 15 تا 17 به دست می آید. برای نمونه از امولسیفایرهای آنیونی در این زمینه می توان سدیم دودسیل سولفات و سدیم دی اکتیل سولفوسوکسینات را نام برد. به دلیل اینکه بیشتر فعل و انفعالات بالا در محیط قلیایی صورت می گیرد، از انواع صابون ها، بیشتر استفاده
می شود. یکی از امولسیفایرهای کاتیونی مورد استفاده در پلیمریزاسیون امولسیون، دودسیل آمین هیدروکلراید است. اگرچه این روش خود دارای معایبی است، به هر حال، پیشرفت چشمگیری در فرآیندهای پلیمریزاسیون پایه امولسیونی بوجود آمده است. نونیل فنل اتوکسیلات ها، از امولسیفایرهایی قابل تجزیه در محیط زیست اند که کاربرد فراوانی در پلیمریزاسیون امولسیونی دارند.

در فرآیند پلیمریزاسیون بوتادین، ترکیبی از صابون های اسیدهای چرب به عنوان امولسیفایر استفاده می شود. در پلیمریزاسیون مونومرهای وینیل، از امولسیفایرهای آنیونی و غیریونی استفاده می شود. در پلیمریزاسیون استیرن نیز از آلکیل لاریل سولفونات، الکل سولفات و پلی گلیکول اترها استفاده می شود. از امتیازات مهم پلیمریزاسیون امولسیونی می توان به موارد زیر اشاره کرد :

1- استفاده از رقیق کنندة ارزان مانند آب که تبدیل مونومر به یک پلیمر با جرم مولکولی بسیار بالا، سریعا" انجام می شود.

2- گرانروی کم سیستم

3- تبادل حرارتی یکنواخت و بسیار خوب

از معایب بارز این روش می توان آغشته بودن پلیمر به مواد فعال کنندة سطحی را نام برد. زیرا پس از انجام پلیمریزاسیون، امولسیفایر جذب پلیمر می شود.

یکی از کاربردهای مهم پلیمریزاسیون امولسیونی در تهیة رنگ ها است. در اروپا بیشتر رنگ های امولسیونی بر پایه لاتکس های پلی وینیل استات تهیه می شوند. این لاتکس ها، از پلیمریزاسیون امولسیونی وینیل استات حاصل می شوند، به وسیلة ترکیبی از فعال کننده های سطحی و کلوئیدهای حفاظتی (Protection colloid) پایدار می شوند. پلی وینیل استات (PVAc) ، مانند پلی متیل آکریلات، یک پلیمر به نسبت نرم است و دمای شیشه ای آن بیشتر از دمای اتاق است. رنگ های خانگی باید در دمای اتاق تشکیل فیلم دهند. بنابراین برای کاهش دمای شیشه ای پلی وینیل استات، به آن نرم کنندة لاک الکل (دی بوتیل فتالات، وینیل و رسانات یا وینیل آکریلات) ، افزوده می شود.