اندازه‌ی ذرات و ارتباط آن با حداقل دمای تشکیل فیلم در لاتکس‌ها – بخش 1

لاتکس

چکیده

ارتباط میان اندازه‌ی ذرات و حداقل دمای تشکیل فیلم (MFT) کلوئیدهای پلیمری مورد مطالعه قرار گرفت. مطالعات اخیر مدل‌های نظری (که پیش‌بینی می‌کردند که کلوئیدها با دانه‌های کوچک باید با سهولت بیش‌تر و با حداقل دمای تشکیل فیلم پایین‌تری در مقایسه با کلوئیدهای با دانه‌های درشت منعقد شوند) را توسعه داده‌اند. تحقیقات اخیر این پرسش را بررسی کرده‌اند: آیا حداقل دمای تشکیل فیلم مستقل از اندازه‌ی ذرات است؟ در سال 1990، اِکِرسلی (Eckersley) و رودین (Rudin) از لاتکس‌های اکریلیک مونودیسپرس در محدوده‌ی 148 تا 1234 نانومتر استفاده کرده و بیان کردند که همان‌طور که پیش‌بینی می‌شد، حداقل دمای تشکیل فیلم تابعی از اندازه‌ی ذرّات است.

ما یک سری از لاتکس‌های کوپلیمری اکریلیکی مونودیسپرس در محدوده‌ی 63 تا 458 نانومتر را ساختیم و حداقل دمای تشکیل فیلم را برای این لاتکس‌ها و مخلوط آن‌ها اندازه‌گیری کردیم. همچنین دریافتیم که اندازه‌ی ذرات بر حداقل دمای تشکیل فیلم مؤثر است؛ به‌نحوی که کلوئیدهای پلیمری با اندازه‌ی کوچک دارای حداقل دمای تشکیل فیلم پایین‌تری در مقایسه با کلوئیدهای پلیمری با اندازه‌ی بزرگ هستند. نتایج به‌دست‌آمده برای حداقل دمای تشکیل فیلم مربوط به‌دمایی پایین‌تر از دمای گذار شیشه‌ای پلیمرها بود؛ درحالی‌که اِکِرسلی و همکارانش حداقل دمای تشکیل فیلم را برای دمایی بالاتر از دمای گذار شیشه‌ای گزارش دادند.

1-مقدّمه

فرآیند تشکیل فیلم کوپلیمرهای امولسیونی از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. این مقاله، ارتباط میان اندازه‌ی ذرّات یک سامانه‌ی کوپلیمری امولسیونی و حداقل دما که در آن، یک فیلم پیوسته از لاتکس تشکیل می‌شود را بیان می‌کند. حدّاقل دمای تشکیل فیلم (MFT) ابزار متداول مورد استفاده در صنایع پوشش است. در سامانه‌های امولسیونی، یک فیلم پیوسته زمانی تشکیل می‌شود که ذرّات پلیمری منعقد شوند.

برای درک مفهوم تشکیل فیلم، داشتن یک درک از انعقاد ذرّات ضروری است. یک تلاش اخیر در راستای طرّاحی یک سازوکار برای تشکیل فیلم لاتکسی توسّط دیلون (Dillon)، مَتِسون (Matheson) و بِرَدفورد (Bradford) در سال 1951 میلادی انجام گرفت. آن‌ها تصدیق کردند که نیروهای سطحی ذرات لاتکس پلیمری مانند کشش سطحی، ذرّات را به‌سمت انعقاد سوق می‌دهند. آن‌ها مدلی را که توسّط فِرِنکِل (Frenkel) در سال 1945 درباره‌ی انعقاد ذرّات کروی با جریان ویسکوز توسعه داده شده بود را به‌کار بردند. این مدل، در معادله‌ی (1) ارائه شده است:

که در آن، gamma کشش سطحی، t زمان، r شعاع ذرات و etta ویسکوزیته‌ی پلیمر شامل ذرات لاتکسی است (شکل (1))

شکل (1): شکل مربوط به‌معادله‌ی (1)

با توجّه به‌معادله‌ی (1)، مشخص می‌شود که در ادامه‌ی فرآیند انعقاد، نیم‌زاویه‌ی انعقاد (thetta) با افزایش کشش سطحی و زمان، افزایش می‌یابد و با افزایش اندازه‌ی ذرّات و ویسکوزیته نیز کاهش خواهد یافت. در دمای بالاتر از دمای گذار شیشه‌ای، ویسکوزیته‌ی ذرات (etta) برای پلیمرهای خطّی، تابعی از وزن مولکولی و دما است. از آن‌جایی که gamma و t در تمامی امولسیون‌های مذکور از ذرّه‌ای به‌ذرّه‌ی دیگر متفاوت نیستند، شعاع ذرّات (r) متغیّر کلیدی است. بنابراین، می‌توان انتظار آن را داشت که اندازه‌ی ذرّات بر تشکیل فیلم مؤثّر باشد.

دیلون و همکارانش و همچنین بِراون (Brown) معتقد نبودند که کشش سطحی و نیروهای موئینگی نیروی محرکه‌ی برای انعقاد ذرّات را فراهم می‌آورند. گرچه هر دو مدل‌های پیشنهادی آن‌ها با سازوکارهایی متفاوت، پیشنهاد دادند که انعقاد ذرات کوچک‌تر در مقایسه با ذرّات بزرگ‌تر باید راحت‌تر صورت گیرد.

اِکِرسلی و همکارانش مدل‌های نظری تشکیل فیلم را بررسی کردند و نتیجه گرفتند که مدل‌هایی که تنها بر پایه‌ی نیروهای محرّکه‌ی موئینگی استوار هستند، برای تشریح فرآیند تشکیل فیلم ناکافی هستند.

ادامه دارد…

بخوانید: تاریخچه پلیمریزاسیون امولسیونی

مرجع

Jensen, D. P., & Morgan, L. W. (1991). Particle size as it relates to the minimum film formation temperature of latices. Journal of applied polymer science, 42(10), 2845-2849.