Emulsion Polymerization Keywords

POLIMERIZZAZIONE IN EMULSIONE

Parole chiave

emulsione, sapone


La definizione di emulsione è: " Sospensione colloidale stabile come il latte, formata da un liquido immiscibile disperso e trattenuto in un altro liquido grazie ad una sostanza denominata emulsionante"

Per capire la polimerizzazione in emulsione e gli emulsionanti, dobbiamo prima capire come agisce il sapone. Si, il sapone! Se sapete già come funziona il sapone ed avete una ricetta della nonna per la soda caustica, cliccate qui per arrivare subito alla polimerizzazione in emulsione. Se siete curiosi continuate a leggere!

LO SPORCO LAVORO DEL SAPONE

Le molecole di sapone soffrono di disturbi di personalità ma la loro doppia personalità è quasi sempre apparente. Un sapone, o tensioattivo come vie ne definito nella polimerizzazione in emulsione, ha due estremità di diversa solubilità. Un'estremità, chiamata coda, è un lungo idrocarburo solubile in composti organici non polari. L'altra, la testa, è spesso un sale di sodio potassio, solubile in acqua. Il sale solubile in acqua può essere il sale di un acido carbossilico o acido solfonico. Il termine tecnico per la dimostrazione chimica della "doppia personalità" è anfipatico.

Rappresentazioni chimiche del Lauril Solfato di Sodio: coda non polare e testa solubile in acqua (la rappresentazione a destra è un po' sbrigativa!)

Una sola molecola di sapone non è molto, ma quando si ha un gruppo di queste molecole tutte insieme, sta per accadere qualche cosa di particolare. Ad una determinata concentrazione le molecole di sapone nell'acqua si aggregano e formano micelle. Gli scienziati usano un nome adatto ( se non originale) ovvero concentrazione critica di micelle, CMC in forma abbreviata. Non lasciatevi ingannare dagli scienziati.

Qualsiasi particella di sporcizia o grasso che vi capita di avere sulle mani è simile ad un composto organico come questo:

Quando vi lavate le mani con acqua e sapone inizia il party. L'esultante particella di sporco salta proprio in mezzo dove è molto felice. Non vuole uscire per cui si dissolve nella coda organica della micella.

Lo sporco viene dissolto nella micella e la micella viene dissolta in acqua e ………Voilà. Con un'abbondante quantità di acqua potete eliminare ogni traccia di sporco e mandarla giù nel lavandino.

Ed ora una domanda per voi: perché è così difficile fare il bagno nell'oceano?

E infine…..la polimerizzazione in emulsione

Nella polimerizzazione in emulsione il sapone, o tensioattivo, viene dissolto nell'acqua fino a quando viene raggiunta la concentrazione critica di micelle (CMC). L'interno delle micelle è il luogo ideale per la polimerizzazione. Vengono aggiunti un monomero (come stirene o metacrilato di metile) ed un iniziatore a radicale libero, solubile in acqua e tutta la miscela viene rimescolata ed agitata (scusa James Bond). Le polimerizzazioni in emulsione avvengono sempre per via radicalica. Le parti terminali delle catene anioniche e cationiche altrimenti verrebbero immediatamente soffocate dall'acqua. Il prodotto di una polimerizzazione in emulsione viene chiamata lattice; il termine idropitturanon vi fa venire in mente qualche cosa?

Dove si trova?

Una volta gettato nel recipiente, il monomero si può trovare in tre posti diversi. Può essere in grandi gocce di monomero che fluttuano nell'acqua senza meta. Una parte del monomero può essere dissolta nell'acqua ma è molto improbabile. Ricordate che i monomeri organici come stirene e metacrilato di metile hanno una paura terribile dell'acqua? Infine il monomero può trovarsi nelle micelle ed è proprio dove lo vogliamo noi. Verificate la definizione all'inizio della pagina. Il liquido immiscibile è il monomero idrofobo, il liquido principale è l'acqua e l'emulsionante è il sapone.

Inizio e polimerizzazione

L'iniziazione avviene quando un frammento di iniziatore migra all'interno di una micella e reagisce con una molecola di monomero. Di norma vengono utilizzati gli iniziatori solubili in acqua, come i perossidi ed i persolfati (Inoltre si evita la polimerizzazione nelle grandi gocce di monomero). Una volta iniziata la polimerizzazione, la micella viene considerata come un aggregato di catene polimeriche in crescita. Il peso molecolare di questi aggregati polimerici può aumentare notevolmente, specialmente se la concentrazione dell'iniziatore è bassa. Il tutto abbassa anche la concentrazione dei radicali e la velocità di terminazione. Talvolta viene aggiunto alla miscela un agente di trasferimento per far si che il peso molecolare non aumenti troppo.

Propagazione

Il monomero migra dalle grandi gocce alle micelle per sostenere la polimerizzazione. In media si ha un radicale per micella. Per questo motivo non c'è grande competizione per il monomero tra le catene in espansione all'interno delle particelle cosicché queste crescono fino ad un peso molecolare quasi identico e la polidispersione è molto vicina a uno. Praticamente tutto il monomero viene consumato nelle polimerizzazioni in emulsione, ciò significa che il lattice può essere utilizzato senza essere purificato. Questo è molto importante per vernici e rivestimenti. Basta aggiungere un po’ di colore al lattice, versarlo in una latta ed è pronto per l'uso.

Questo è l'aspetto interessante della polimerizzazione in emulsione: ogni micella può essere considerata come una mini polimerizzazione in massa A differenza delle polimerizzazioni in massa tradizionali tutto il monomero reagisce e non si formano "punti di sovrariscaldamento". Nelle polimerizzazioni in massa (nessun solvente, solo monomero ed iniziatore), i punti di sovrariscaldamento provocano degradazione e colorazione ed il trasferimento delle catene amplifica la distribuzione del peso molecolare. L'aumento di temperatura a volte provoca un aumento della velocità della polimerizzazione in maniera esplosiva. L'acqua in questo caso agisce come pozzo di calore per tutti questi mini reattori ed evita loro di scoppiare! I piromani non amano la polimerizzazione in emulsione!

Peso molecolare

Anche questo è favoloso! La velocità della polimerizzazione è uguale alla velocità della scomparsa del monomero. Il monomero scompare più velocemente quando ci sono più particelle. Per avere più particelle è necessario avere più micelle. Se la concentrazione della soluzione di tensioattivo aumenta dovrebbe esserci un maggior numero di micelle. Supponiamo che la concentrazione dell'iniziatore rimanga uguale. Si otterranno più particelle e meno radicali, ciò significa che il numero di radicali per gocce di micelle scende ad di sotto di uno. In altre parole la velocità di terminazione rimarrà bassa fino a quando ci sono pochi radicali. WHEW! Il risultato finale è questo: diminuendo la concentrazione dell'iniziatore aumenta il peso molecolare e la velocità di polimerizzazione! Tutto l'opposto della polimerizzazione in massa e in soluzione. In questi casi per aumentare la velocità di polimerizzazione è necessario fornire calore alla reazione o aumentare la concentrazione dell'iniziatore, entrambe aumentano la velocità di terminazione ed abbassano il peso molecolare.

In parole povere

Sembra chiaro, ma è utile? Certo che lo è il polivinilacetato, il policloroprene, i polimetacrilati, il polivinilcloruro, la poliacrilammide ed i copolimeri del polistirene, il polibutadiene ed il poliacrilonitrile possono essere commercializzati grazie alla polimerizzazione in emulsione.

Congratulazioni!

Avete avanzato a fatica nello sporco per arrivare fino qui, a meno che non siate scappati subito alla fine per vedere cosa c'era di bello. Adesso sarete ricompensati da questa tabella di indovinelli facili da decifrare che elenca i pregi e i difetti.

Processo di polimerizzazi PREGI Difetti
Massa E' presente solo il monomero -nessun materiale aggiuntivo, Elevato peso molecolare Punti di sovrariscaldamento, Elevata viscosità, presenza di monomoro che non ha reagito
Soluzione Facile controllo della temperatura, Controllo del peso molecolare E' necessario rimuovere il solvente Trasferimento di catene al solvente
Emulsione Reagisce tutto il monomero. Il lattice può essere utilizzato così come si presente. Facile controllo termico Si possono ottenere materiali con bassa Tg ; Bassa viscosità La presenza di tensioattivi che può causare sensibilità all'acqua


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