بسپارش امولسیونی

بسپارش امولسیونی یا پلیمریزاسیون امولسیونی (به انگلیسی: Emulsion polymerization) یکی از انواع فرایند بسپارش است که در آن تکپارها (به انگلیسی:  monomer) در محیط آبی، به مانند روغن در آب امولسیون می‌شوند. دیگر مواد موجود در محیط واکنش، ماده امولسیون‌کننده(به انگلیسی:  Emulsifiers) و آغازگر واکنش رادیکالی
(به انگلیسی:  Radical initiator) هستند. سازوکار (مکانیسم) واکنش بسپارش امولسیونی از نوع زنجیره ای رادیکالی (به انگلیسی:  Chain reaction) است.

چگونگی انجام واکنش

بسپارش امولسیونی در سه مرحله اتفاق می‌افتد:

مرحلهٔ ۱

در این مرحله، تکپارها به مخلوط آب و سورفکتانت
(به انگلیسی:  Surfactant) اضافه می‌شوند و قطره‌های منومری می‌سازند. این قطره‌ها بوسیله سورفکتانت پوشیده می‌شوند. باقی‌ماندهٔ سورفکتانت تشکیل مایسل
(به انگلیسی:  Micelle) را می‌دهد. مقدار کمی از منومر بوسیلهٔ پدیدهٔ نفوذ
(به انگلیسی:  Diffusion) از داخل قطره‌های منومر به داخل مایسل حرکت می‌کند.
وقتی که آغازگرِ واکنش رادیکالی به محیط اضافه می‌شود، آغازگر تجزیه شده و به دو رادیکال تبدیل می‌شود. رادیکال با مونومر در محیط آبی واکنش می‌دهد و رادیکال اُلیگومری
(به انگلیسی:  Oligomer) تشکیل می‌دهد. سپس رادیکالِ اُلیگومری وارد مایسل شده و با منومرها در داخل مایسل واکنش می‌دهد یا در محیط آبی با منومرها واکنش می‌دهد، تا جایی که زنجیرهٔ بسپار آنقدر سنگین شود که دیگر معلق نباشد و در آب تهنشین شود. رادیکالهای اُلیگومری بدین دلیل ورود به مایسل را به ورود به قطرهٔ منومری ترجیح می‌دهند که کل سطح رویهٔ مایسلها از کل سطح رویهٔ قطره‌های منومری بیشتر است. در  تصویر شماتیک از چگونگی واکنش پلیمریزاسیون امولسیونی دیده می‌شود که منومرها از قطرهٔ منومری به داخل مایسل حرکت می‌کنند و به زنجیره بسپار درون مایسل اضافه می‌شوند. در پایان مرحلهٔ یک تمام مایسلها دارای هستهٔ پلیمری هستند و وقتیکه غلظتِ سورفکتانت از حد بحرانی برای تهیه مایسل کمتر می‌شود، تشکیلِ ذرات متوقف می‌شود و تعداد ذرات ثابت باقی می‌ماند.

مرحلهٔ ۲

زمانیکه تشکیل ذرات متوقف می‌شود، مرحلهٔ ۲ آغاز می‌شود. در این زمان هر دو جزء منومر و قطرهٔ منومری در محلول واکنش وجود دارند. بسپارش ادامه می‌یابد و منومرها همچنان از قطرهٔ منومری به ذرهٔ بسپار حرکت می‌کنند و غلظت منومر را در ذرهٔ بسپار در حد اشباع نگه می‌دارند. در طی این مرحله، قطرهٔ منومری کوچک می‌شود و ذرات بسپار بزرگ می‌شوند.

مرحلهٔ ۳

زمانیکه قطره‌های منومری ناپدید می‌شوند، مرحلهٔ ۳ آغاز می‌شود. در این مرحله بیشتر منومرها در ذرات بسپار و در محیط آبی قرار دارند. به مرور زمان غلظت منومر در ذرات کاهش یافته و سرعت پلیمریزاسیون کاهش می‌یابد تا جائیکه واکنش پایان یابد.

سورفاکتانت

سورفکتانت (به انگلیسی:  Surfactant) یا ماده فعال‌کننده سطحی، مولکولی است که دارای دو سر آب دوست و آب گریز است. به خاطر داشتن این ویژگی این مولکول در هر دو فاز آلی و آبی قابل حل است. برای مثال سدیم دودسیل سولفات (SDS)
(به انگلیسی:  Sodium dodecyl sulfate) یک سورفاکتانت است که در بسپارش امولسیونی استفاده می‌شود.

همانطور که در شکل دیده می‌شود این مولکول ۱۲ اتم کربن در دم آلی و یک گروه سولفات در سر آبی خود دارد.
در بسپارش امولسیونی مولکول سورفاکتانت از قسمت آلی به قطره منومری وصل می‌شود و قسمت آبی آن در محیط آبی حل می‌شود. این مسئله باعث می‌شود که قطره‌های منومری در محیط آبی به حالت تعلیق درآید و با مکانیزمی مشابه باعث می‌شود که ذرات بسپارِ در حال رشد تثبیت شوند. در  تصویر شماتیک از چگونگی واکنش پلیمریزاسیون امولسیونی مولکولهای سورفکتانت را در سطح قطره منومری و در مایسل می‌بینید.

آغازگر واکنش رادیکالی

آغازگر واکنش رادیکالی (به انگلیسی:  Radical initiator) ماده ایست که تجزیه می‌شود و در محیط واکنش تولید رادیکال می‌کند. رادیکال مولکول، اتم یا یونی است که الکترون جفت نشده دارد. رادیکال بسیار واکنش پذیر بوده و بسپارش را آغاز می‌کنند. پتاسیم پرسولفات (به انگلیسی:  Potassium persulfate) بافرمول شیمیایی (K۲S۲O۸) آغازگری است که بسیار در واکنش بسپارش امولسیونی استفاده می‌شود.

رآکتورهای همزن دار

راکتور همزن دار (به انگلیسی:  Continuous stirred-tank reactor, CSTR) شامل مخزن واکنش به همراه همزن برای مخلوط شدن بهتر مواد واکنش دهنده‌است.
این رآکتور بیشتر برای نوعی از واکنش بسپارش امولسیونی استفاده می‌شود که در آن محصول واکنش ویسکوزیته بالایی داشته باشد. رآکتور همزن دار می‌تواند به صورت یک واحد یا یک سری متوالی از مخازن دارای همزن باشد.

وقتیکه رآکتور همزن دار به صورت حالت پایا (به انگلیسی:  Steady state) کار می‌کند، ذرات محصول بطور مداوم تولید می‌شوند. چنین محصولی طیف وسیعی از اندازه ذرات محصول را در بر می‌گیرد.

رآکتور لوله‌ای

در رآکتور لوله‌ای (به انگلیسی:  Tubular reactor) یا (به انگلیسی:  Plug flow reactor model) چند ماده واکنش دهنده به داخل یک یا چند لوله پمپ می‌شوند.
واکنش در طول لوله انجام می‌شود. در ابتدای لوله سرعت واکنش بالاست و در انتهای لوله سرعت کم می‌شود و میزان محصول افزایش یافته‌است.

مزیت رآکتور لوله‌ای داشتن سطح زیاد برای انتقال حرارت است و چون واکنش بسپارش امولسیونی بسیار گرمازا است، توانایی بالای انتقال حرارت، مزیت مهمی برای این نوع رآکتور است. هر چه سطح مقطع لوله‌ها کوچکتر باشد، نسبت سطح انتقال حرارت به حجم مواد واکنش دهنده افزایش پیدا می‌کند. مزیت دیگر رآکتور لوله‌ای اینست که به‌دلیل اینکه زمان باقی‌ماندن ذرات در رآکتور نسبتاً ثابت است، توزیع اندازهٔ ذرات، طیف کمی را در بر می‌گیرد.