سامانه‌های ترکیبی عامل‌های فعال‌سطح یونی و غیریونی – بخش 2
2-ترکیبی از سامانه‌های عامل فعال‌سطح یونی و غیریونی
چن و همکارانش صحت کلی نظریه‌ی اسمیت‑اوارت را برای پلیمریزاسیون امولسیونی استایرن پایدارشده با ترکیبی از عامل‌های فعال‌سطح یونی و غیریونی سدیم‌دودسیل‌سولفات و NP‑40 بررسی نمودند. غلظت‌های مایسل بحرانی برای سامانه‌های عامل فعال‌سطح حاوی ترکیب‌های گوناگون در 25 و 80 درجه‌ی سانتی‌گراد تعیین و داده‌های تجربی به‌کمک مدل حل منظم برای مایسل‌های مخلوط به‌خوبی ارائه شد. این مایسل‌های ترکیبی، یک رفتار کاملاً غیرایده‌آل را به‌ویژه در دمای پایین‌تر از خود نشان می‌دهند. اثر ترکیب عامل‌های فعال‌سطح بر هسته‌گذاری، به‌کمک مجموعه‌ای از واکنش‌های پلیمریزاسیون امولسیونی استایرن ارزیابی شد. افزودن تنها مقدار کمی از سدیم‌دودسیل‌سولفات در سامانه‌ی پلیمریزاسیون، تعداد ذره‌های لاتکس نهایی را به‌ازای واحد حجم آب به‌شدت افزایش می‌دهد و به‌این ترتیب، سبب کاهش اندازه‌ی ذره‌های لاتکس نهایی خواهد شد. علاوه‌بر این، درهنگامی‌که میزان NP‑40 در سامانه‌ی پلیمریزاسیون پایدارشده به‌واسطه‌ی ترکیبی از عامل‌های فعال‌سطح نسبتاً زیاد است، از نظریه‌ی اسمیت‑اوارت متداول پیروی نمی‌کند. بعدها چرن و همکارانش نشان دادند که سامانه‌ی پلیمریزاسیون تنها درهنگامی‌که میزان NP‑40 در ترکیب سدیم‌دودسیل‌سولفات کم‌تر از 30 درصد وزنی باشد، از نظریه‌ی اسمیت‑اوارت پیروی می‌کند. این درحالی است که سامانه‌ی پلیمریزاسیون درهنگامی‌که میزان NP‑40 (در مخلوط پایدارکننده‌ها) بیش‌تر از 50 درصد وزنی است، به‌شدت شروع به‌انحراف از نظریه‌ی اسمیت‑اوارت می‌کند. اثر پایدارسازی فضایی حاصل از NP‑40 به‌تنهایی برای جلوگیری از تجمع ذره‌های لاتکس به‌اندازه‌ی کافی قوی نیست. از سویی دیگر، استفاده‌ی ترکیبی از عامل‌های فعال‌سطح یونی و غیریونی، پایداری کلوئیدی سامانه‌ی پلیمریزاسیون را به‌واسطه‌ی اثرهای هم‌افزایی ایجادشده از طریق سازوکارهای پایدارسازی الکترواستاتیک و فضایی به‌طور قابل‌توجهی بهبود می‌بخشد و فرآیند تجمع محدود ذره‌ها را تا حدود زیادی به‌تأخیر می‌اندازد. ترکیب عامل‌های فعال‌سطح سدیم‌دودسیل‌سولفات و NP‑40 با نسبت وزنی 20 به 80، می‌تواند بهترین انتخاب باشد. زیرا در آزمایش‌های انجام‌گرفته ضمن ارائه‌ی بهترین دوباره‌تولید، دارای بیش‌ترین سرعت پلیمریزاسیون نیز بوده است. چرن و همکارانش اثر غلظت آغازگر (سدیم‌پرسولفات) را بر پلیمریزاسیون امولسیونی استایرن پایدارشده با سدیم‌دودسیل‌سولفات و NP‑40 مطالعه کردند. رابطه‌ای که در آن تعداد ذره‌های لاتکس هسته‌گذاری‌شده به‌ازای واحد حجم آب به‌ترتیب با توان 6/0 و 4/0 با غلظت عامل فعال‌سطح و آغازگر متناسب است، تنها برای سامانه‌ی پلیمریزاسیون فاقد NP‑40 صادق خواهد بود. درهنگامی‌که غلظت آغازگر M 3‑10×38/1 است، پلیمریزاسیون‌های امولسیونی با صفر، 50 و 80 درصد وزنی از NP-40 منجر به‌اندازه‌ی ذره‌های متمایز و نیز توزیع اندازه‌ی ذره‌های نسبتاً یکنواخت درطی واکنش می‌شود. از سویی دیگر، پلیمریزاسیون‌های امولسیونی پایدارشده تنها در حضور NP‑40، ضمن دارا بودن بزرگ‌ترین اندازه‌ی ذره‌های لاتکس، پهن‌ترین توزیع اندازه‌ی ذره‌ها را نیز از خود نشان می‌دهند. این موضوع به‌دوره‌ی طولانی هسته‌گذاری و یا فرآیند تجمع محدود ذره‌ها مربوط می‌شود. سرعت پلیمریزاسیون برای پلیمریزاسیون‌های امولسیونی پایدارشده با سدیم‌دودسیل‌سولفات، با افزایش غلظت آغازگر افزایش می‌یابد. از سویی دیگر، سرعت پلیمریزاسیون برای پلیمریزاسیون‌های امولسیونی پایدارشده تنها با NP‑40، با افزایش غلظت آغازگر نسبتاً ثابت باقی می‌ماند. به‌همین ترتیب، سرعت پلیمریزاسیون برای پلیمریزاسیون‌های امولسیونی پایدارشده با 50 یا 80 درصد وزنی از NP‑40، در ابتدا با افزایش غلظت آغازگر تا یک مقدار بیشینه افزایش یافته و سپس کاهش می‌یابد.
آنژوئتا و فورکادا یک مدل سازوکار برای کوپلیمریزاسیون امولسیونی متیل‌متاکریلات و n‑بوتیل‌اکریلات پایدارشده با ترکیبی از عامل‌های فعال‌سطح یونی و غیریونی را توسعه دادند که صحت آن به‌کمک داده‌های تجربی بررسی شد. این مدل بر اساس موازنه‌ی جرم و تجمع ذره‌های پیش‌ساز و نیز توزیع لحظه‌ای اندازه‌ی ذره‌ها بوده و تابع متغیرهایی مانند ترکیب و غلظت کلی عامل‌های فعال‌سطح است. در این مدل به‌منظور شبیه‌سازی بهتر روند هسته‌گذاری درطی پلیمریزاسیون، یک سازوکار هسته‌گذاری رقابتی درنظر گرفته شده است.
سازوکارهای هسته‌گذاری در زمینه‌ی پلیمریزاسیون امولسیونی در 60 سال اخیر، کانون توجه بسیاری از مطالعات بوده که این نتایج نظری و تجربی همواره به‌ارتقای دانش موجود پیرامون ویژگی‌های کلی هسته‌گذاری ذره‌ها منجر شده است. پلیمریزاسیون متداول امولسیون‌های مونومری شامل هسته‌گذاری و رشد ذره‌های لاتکس در یک سامانه‌ی واکنشی ناهمگن است. بر اساس مواد اولیه و شرایط واکنشی، یک یا بیش از یک سازوکار هسته‌گذاری (هسته‌گذاری مایسلی، هسته‌گذاری همگن و هسته‌گذاری لخته‌ای) در پلیمریزاسیون امولسیونی می‌تواند وجود داشته باشد. مطالعات اولیه بر هسته‌گذاری مایسلی و هسته‌گذاری همگن که سعی در توصیف کمی تشکیل هسته‌های ذره‌ها در پلیمریزاسیون‌های امولسیونی گستره‌ای از مونومرها داشته‌اند، اطلاعات ارزشمندی محسوب می‌شوند. به‌نظر می‌رسد که این دو سازوکار هسته‌گذاری ذره‌ها در این رابطه به‌خوبی قابل‌استفاده باشند. با این وجود، امروزه فرآیندهای هسته‌گذاری ذره‌ها هنوز به‌طور کامل شناخته نشده‌اند و از طرفی دیگر، موضوع پایداری کلوئیدی ذره‌های لاتکس، شرایط را پیچیده‌تر می‌کند. نحوه‌ی تشخیص سازوکارهای هسته‌گذاری ذره‌ها و نیز تعیین کمی کسر ذره‌های لاتکس شکل‌گرفته از هر سازوکار، همچنان چالش‌های بزرگی را برای شیمیدان‌های فعال در حوزه‌ی پلیمر باقی گذاشته است.
گردآورنده: مهندس مهدیار یافتیان- شرکت سیماب رزین
بخوانید: سامانه‌های ترکیبی عامل‌های فعال‌سطح یونی و غیریونی – بخش 1
مرجع:
- C. S. Chern, Principles and Applications of emulsion Polymerization, John Wiley & Sons, pp. 87-91
