Эмульсионная полимеризация

Эмульсионная полимеризация (или полимеризация в эмульсии) – это способ проведения полимеризации в сложной многокомпонентной микрогетерогенной системе – водной эмульсии нерастворимого в воде мономера (или смеси мономеров) в присутствии коллоидных поверхностно-активных веществ (ПАВ) – эмульгаторов, приводящий к образованию полимерной суспензии со средними размерами частиц от 50 до 300 нм [11]. Эмульсия – это коллоидная дисперсия типа жидкость/жидкость, состоящая из непрерывной дисперсионной среды и дискретной (дисперсной) фазы. В эмульсионной полимеризации дисперсионной средой является вода с растворенными в ней компонентами водной фазы, а дисперсной фазой – мономер. Эмульсионная полимеризация является радикальным процессом, поэтому для его проведения необходимо применение вещественных инициаторов, которые являются источниками радикалов. Вышеперечисленные компоненты – вода, мономер, эмульгатор и инициатор – являются обязательными для любой рецептуры эмульсионной полимеризации. Кроме этих компонентов могут вводиться специальные добавки: электролиты, стабилизаторы, регуляторы молекулярной массы, буферы, стопперы, антиоксиданты и т.д.

Методом эмульсионной полимеризации полимеризуются практически все непредельные мономеры, которые могут участвовать в свободно-радикальной полимеризации. В зависимости от растворимости в воде, мономеры можно классифицировать на три группы: 1) сравнительно хорошо растворимые в воде – например, акрилонитрил (растворимость в воде 8-9%); 2) мономеры, растворимость которых в воде составляет 1-3% – например метилметакрилат (растворимость в воде 1,5%); 3) мономеры, малорастворимые в воде – например, стирол, бутилметакрилат (растворимость в воде 0,03%) [12].

В качестве инициаторов при проведении эмульсионной полимеризации используют водорастворимые (например, персульфат калия) и маслорастворимые (например, динитрил азо-бис-изомасляной кислоты) инициаторы, а также оксилительно-восстановительные системы (например, железо-трилон-ронгалитовая инициирующая система) [12].

Эмульгаторы, применяемые в эмульсионной полимеризации по способности диссоциировать в воде на ионы делятся на две большие группы: ионогенные ПАВ (диссоциирующие) и неионогенные ПАВ (недиссоциирующие). Ионогенные ПАВ могут быть анионактивными (активный стабилизирующий фрагмент имеет отрицательный заряд) и катионактивными (с положительным зарядом на стабилизирующем центре). К ионогенным ПАВ можно отнести и амфолитные (амфотерные) эмульгаторы, которые при достаточно высоких рН являются анионактивными ПАВ, а при низких – катионактивными. Эмульгаторы играют первостепенную роль в процессах эмульсионной полимеризации: они способствуют диспергированию мономеров в водной фазе; обеспечивают агрегативную устойчивость эмульсии и образующейся коллоидной дисперсии полимера; а также в значительной мере влияют на механизм образования частиц, кинетику процесса и размер образующихся глобул латекса.

Эмульсионная полимеризация состоит из двух основных стадий – образование полимерно-мономерных частиц (ПМЧ) и полимеризация мономеров в ПМЧ. Образование ПМЧ может происходить из мицелл эмульгатора, микрокапель мономера, а также по механизму гомогенной нуклеации (из макромолекул или макрорадикалов, достигших определенной степени полимеризации) [12]. Возможность одновременного формирования ПМЧ по разным механизмам приводит к получению полимерных суспензий с широким распределением частиц по размерам.

Меняя условия получения эмульсионной системы, а, следовательно, и ее состав, можно регулировать механизм образования ПМЧ и получать полимерные суспензии с заданным диаметром частиц и степенью их дисперсности. В тех случаях, когда удается обеспечить формирование ПМЧ преимущественно из микрокапель мономера, распределение частиц по размерам становится узким.