مقدمه‌ای بر کلوئیدهای محافظ – بخش 1
از کلوئیدهای محافظ به‌منظور افزایش پایداری ذرات در لاتکس در برابر انعقاد استفاده می‌شود. ممکن است از برخی از ترکیب‌های آبدوست محلول در آب به‌عنوان کلوئیدهای محافظ استفاده شود. از این کلوئیدها در پلیمریزاسیون امولسیونی پلی‌وینیل‌استات به‌منظور جلوگیری از تجمع ذرات پلیمر در هنگام تشکیل آن‌ها استفاده می‌شود. این مواد در ذرات پلیمر جذب نمی‌شوند. اما بر روی سطح باقی می‌مانند و با پوشاندن پلیمر، از تجمع آن‌ها جلوگیری می‌کنند و توسط مولکول‌های آب، حل و یا احاطه می‌شوند. بخشی از زنجیره‌ی پلیمری کلوئیدی محافظ بر روی سطح ذرات قرار می‌گیرد و یا به‌شدت جذب می‌شود؛ درحالی‌که قسمت اصلی آن باید در مرحله‌ی آبی پخش شود و گسترش یابد که این موضوع، مانع از اثر متقابل پلیمر-پلیمر می‌شود که سبب انعقاد و یا تجمع ذرات است. این نوع پایدارسازی به‌عنوان پایدارسازی فضایی نیز شناخته می‌شود. همچنین کلوئیدهای محافظ ویسکوزیته‌ی فاز آبی را افزایش می‌دهند، از نزدیکی ذرات برای تجمع جلوگیری می‌کنند، سرعت رسوب ذرات جامد را کاهش می‌دهند و تأثیر پایدارکننده‌ای بر روی لاتکس ایجاد می‌کنند. با این حال، اگرچه آن‌ها تا حدود زیادی در صنعت لاتکس (مانند ساخت پلی‌وینیل‌استات) استفاده می‌شوند، اما کلوئیدهای محافظ همیشه اجزای لازم یا مطلوب یک لاتکس نیستند. از طرفی، ممکن است لاتکس پایدار بدون عامل فعال‌سطحی، اما تنها با استفاده از کلوئید محافظ ساخته شود.
کلوئیدهای محافظ معایبی نیز دارند و از آنجایی‌که محلول در آب هستند، حساسیت به‌آب را در فیلمی که از لاتکس ساخته شده است، ایجاد می‌کنند. علاوه‌براین، از آنجایی‌که در ذرات پلیمری جذب نمی‌شوند، ممکن است سبب کدرشدن و مقاومت پایین در برابر سایش در یک فیلم شوند. به‌همین دلایل، مطلوب است که غلظت کلوئید محافظ تا حد ممکن پایین نگه داشته شود. مقدار کلوئید محافظ مورد نیاز معمولاً در محدوده‌ی 1 تا 5 درصد وزنی محلول است. در عمل و واقعیت، رفتار امولسیفایرها و کلوئیدهای محافظ به‌صورت تئوری آن‌ها روشن نیست. امولسیفایرها برخی از خواص محافظت‌کننده کلوئیدها را دارا هستند و برعکس آن نیز صادق است. بنابراین، امولسیون‌ها را می‌توان با استفاده از تنها یکی از هر دو نوع ساخت. با این حال، معمول‌ترین روش استفاده از هردو به‌صورت همزمان و حتی بیشتر از هر نوع آن‌ها است. انتخاب یک سامانه‌ی کلوئیدی محافظ-امولسیفایر با داشتن تعادل مناسب در هر مؤلفه، از لحاظ خواص و پایداری برای امولسیون بسیار مهم است. تعادل صحیح در سامانه‌ی کلوئیدی محافظ امولسیفایر را می‌توان تنها با انجام تعداد قابل‌توجهی آزمایش بدست آورد.
کلوئیدهای محافظ عموماً از دو نوع هستند: (1) محصول‌های طبیعی یا اصلاح‌شده مانند صمغ آگار، صمغ عربی، صمغ کتیرا، نشاسته‌ی محلول در آب، پکتین، ژلاتین، آلژینات‌ها و سلولزهای اصلاح‌شده مانند هیدروکسی‌اتیل‌سلولز و کربوکسی‌متیل‌سلولز؛ و (2) محصول‌های مصنوعی مانند پلی‌وینیل‌الکل، پلی‌متاکریل‌آمید، پلی‌وینیل‌پیرولیدون، پلی‌استایرن سولفوناته و نمک‌های قلیایی اسیدهای پلی‌متیاکریلیک و پلی‌آکریلیک. دو کلوئید محافظ پرکاربرد، پلی‌وینیل‌الکل و هیدروکسی‌اتیل‌سلولز هستند که در ادامه توضیح داده خواهند شد.
1–پلی‌وینیل‌الکل
هیدرولیز پلی‌وینیل‌استات منجر به‌تشکیل پلیمر وینیل‌الکل با وزن مولکولی بالا و محلول در آب می‌شود. هیدرولیز جزئی (87 تا 89 درصد) معمولاً به‌عنوان کلوئیدهای محافظ در پلیمریزاسیون امولسیونی صنعتی پلیمر وینیل‌الکل استفاده می‌شود. این عملکرد دوگانه‌ی امولسیون‌کردن مونومر و پایداری ذرات پلیمری تشکیل‌شده، در طی فرآیند بدست خواهد آمد. خواص پلی‌وینیل‌الکل بسته به‌طول زنجیره‌ی پلی‌وینیل‌استات انتخاب‌شده و میزان هیدرولیز، ممکن است به‌طور گسترده‌ای تغییر یابد. نوع صنعتی شامل هیدرولیز کامل (98 تا 99 درصد مولی)، هیدرولیز متوسط (93 تا 97 درصد مولی)، و تا حدودی هیدرولیز (85 تا 90 درصد مولی)، شکل‌های گوناگون پلی‌وینیل‌استات هستند و بنابراین، پلی‌وینیل‌الکل همیشه حاوی مقداری پلی‌وینیل‌استات هیدرولیزنشده‌ی باقیمانده است. پلی‌وینیل‌الکل‌های جزئی‌هیدرولیزشده حاوی 10 تا 15 درصد مولی گروه استیل بوده و دارای ساختار کوپلیمر بلوک هستند. توزیع گروه‌های استیل باقیمانده، به‌شدت با روش هیدرولیز تحت تأثیر قرار می‌گیرد. میزان بلوک‌بودن کوپلیمر نیز با افزودن بخشی از بنزن به‌حلال هیدرولیز قلیایی می‌تواند افزایش یابد.
خواص فیزیکی پلی‌وینیل‌الکل توسط وزن مولکولی و میزان هیدرولیز آن کنترل می‌شود. در درجه‌ی ثابت هیدرولیز، افزایش وزن مولکولی سبب افزایش ویسکوزیته‌ی محلول در آب می‌شود؛ مقاومت کششی، مقاومت در برابر آب و حلال و استحکام چسبندگی فیلم حاصل از پلی‌وینیل‌الکل را افزایش می‌دهد و سهولت حلال‌پوشی در آب را کاهش می‌دهد. در وزن مولکولی ثابت، افزایش درجه‌ی هیدرولیز سبب افزایش مقاومت در برابر آب و حلال، تبلور، استحکام کششی و چسبندگی و همچنین توانایی چسبندگی به‌سطوح آبگریز حاصل از فیلم پلی‌وینیل‌الکلی حاصل می‌شود. از آنجایی‌که هیدرولیز و وزن مولکولی می‌توانند به‌طور مستقل در فرآیند تولید کنترل شوند، ماتریس محصول حاصل تعادل خاصیت مورد نیاز برای کاربردهای گوناگون را فراهم می‌کند. ماتریس محصول پلی‌وینیل‌الکل دارای سه‌سطح هیدرولیز کلیدی (که قبلاً شرح داده شده بودند) و چهار دامنه‌ی وزن مولکولی مختلف است. چهار محدوده‌ی وزن مولکولی کلی با میانگین وزن مولکولی عددی آن‌ها (Mn) و ویسکوزیته‌ی محلول آبی محلول 4 درصد وزنی در 20 درجه‌ی سانتی‌گراد با اندازه‌گیری ویسکومتر بروکفیلد توضیح داده شده است. درجه‌های مختلف پلی‌وینیل‌الکل عبارتند از: کم (میانگین وزن مولکولی عددی برابر با 25 هزار و ویسکوزیته‌ی محلول برابر با 4 تا 7 سانتی‌پوآز)، میانه (میانگین وزن مولکولی عددی برابر با 40 هزار و ویسکوزیته‌ی محلول برابر با 13 تا 18 سانتی‌پوآز)، متوسط (میانگین وزن مولکولی عددی برابر با 60 هزار و ویسکوزیته‌ی محلول برابر با 20 تا 36 سانتی‌پوآز) و بالا (میانگین وزن مولکولی عددی برابر با 100 هزار و ویسکوزیته‌ی محلول برابر با 48 تا 65 سانتی‌پوآز). از مخلوط آن‌ها نیز می‌توان برای دستیابی به‌خواص نهایی مطلوب استفاده نمود و محدودیتی نیز برای ویسکوزیته وجود ندارد و با مخلوط‌کردن انواع موجود آن قابل‌تولید است. درجه‌های مختلف هیدرولیز نیز می‌توانند برای ایجاد ویژگی‌های خاص عملکردی که بین این درجه‌ها هستند (مانند حلالیت متوسط) ترکیب شوند. کشش سطحی محلول‌های پلی‌وینیل‌الکل در آب با درجه‌ی هیدرولیز از 88 به 98 درصد به‌صورت خطی افزایش می‌یابد و این افزایش، در بالای 98 درصد نیز شدیدتر است.
ادامه دارد…
گردآورنده: مهدیار یافتیان- شرکت سیماب رزین
مرجع
Erbil, Y. H. (2000). Vinyl acetate emulsion polymerization and copolymerization with acrylic monomers. CRC press, pp. 159-164.
