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Emulgatorfreie Emulsionspolymerisation : Monomerlösungszustand und Teilchenbildung

Emulsifier-free emulsion polymerization : monomer solution state and particle formation

  • Polymere sind zweifelsohne der Werkstoff in unserer Zeit. Ein bedeutender Anteil der heute industriell produzierten Polymere wird durch Emulsionspolymerisation hergestellt. Obwohl die Emulsionspolymerisation breite Anwendung findet, sind die involvierten Mechanismen von Teilchenbildung und -wachstum noch heute Gegenstand heftiger Kontroversen. Ein Spezialfall der Emulsionspolymerisation ist die emulgatorfreie Emulsionspolymerisation. Hierbei handelt es sich um ein scheinbar einfacheres System der Emulsionspolymerisation, weil diese Methode ohne Zusatz von Emulgatoren auskommt. Die Teilchenbildung ist ein fundamentaler Vorgang im Verlauf der Emulsionspolymerisation, da sie zur Ausbildung der polymeren Latexphase führt. Detaillierte Kenntnisse zum Mechanismus der Nukleierung ermöglichen eine bessere Kontrolle des Reaktionsverlaufes und damit der Eigenschaften des Endproduktes der Emulsionspolymerisation, dem Polymer-Latex. Wie bereits vorangegangene Arbeiten auf dem Gebiet der emulgatorfreien Emulsionspolymerisation von Styrol sowiePolymere sind zweifelsohne der Werkstoff in unserer Zeit. Ein bedeutender Anteil der heute industriell produzierten Polymere wird durch Emulsionspolymerisation hergestellt. Obwohl die Emulsionspolymerisation breite Anwendung findet, sind die involvierten Mechanismen von Teilchenbildung und -wachstum noch heute Gegenstand heftiger Kontroversen. Ein Spezialfall der Emulsionspolymerisation ist die emulgatorfreie Emulsionspolymerisation. Hierbei handelt es sich um ein scheinbar einfacheres System der Emulsionspolymerisation, weil diese Methode ohne Zusatz von Emulgatoren auskommt. Die Teilchenbildung ist ein fundamentaler Vorgang im Verlauf der Emulsionspolymerisation, da sie zur Ausbildung der polymeren Latexphase führt. Detaillierte Kenntnisse zum Mechanismus der Nukleierung ermöglichen eine bessere Kontrolle des Reaktionsverlaufes und damit der Eigenschaften des Endproduktes der Emulsionspolymerisation, dem Polymer-Latex. Wie bereits vorangegangene Arbeiten auf dem Gebiet der emulgatorfreien Emulsionspolymerisation von Styrol sowie Methylmethacrylat und Vinylacetat zeigen konnten, verläuft die Teilchenbildung in diesen Systemen über den Mechanismus der aggregativen Nukleierung. Im Zusammenhang mit den Ergebnissen der genannten Arbeiten tauchte dabei immer wieder ein interessanter Effekt im Bereich der Partikelnukleierung auf. Dieses als JUMBO-Effekt bezeichnete Phänomen zeigte sich reproduzierbar in einem Anstieg der Transmission im Bereich der Teilchenbildung von emulgatorfreien Emulsionspolymerisationen von Styrol, MMA und VAc. Nach der Initiierung der Polymerisation in einer wässrigen Monomerlösung durch Kaliumperoxodisulfat steigt die Durchlässigkeit bei 546 nm auf über 100 % an. Für diese „Abnahme der optischen Dichte“ wurden verschiedene Erklärungsmöglichkeiten vorgeschlagen, jedoch blieb ein Nachweis der Ursache für den JUMBO-Effekt bisher aus. Dieser Mangel an Aufklärung eines offenbar grundlegenden Phänomens in der emulgatorfreien Emulsionspolymerisation bildet den „Nukleus“ für die vorlie¬gende Arbeit. Durch die vorliegende Dissertation konnte das Verständnis für Phänomene der Teilchenbildung in der emulgatorfreien Emulsionspolymerisation von Styrol mit KPS erweitert werden. In diesem Rahmen wurde das Online-Monitoring des Polymerisationsvorganges verbessert und um verschiedene Methoden erweitert: Zur simultanen Erfassung von Trübungsdaten bei verschiedenen Wellenlängen konnte ein modernes Spektrometer in Kombination mit einer Lichtleitersonde in die Reaktionsapparatur integriert werden. Es wurde ein verbesserter Algorithmus zur Datenbearbeitung für die Partikelgrößenbestimmung mittels faseroptischer dynamischer Lichtstreuung entwickelt. Es wurden Online-Partikelgrößenanalysen mittels statischer Vielwinkellichtstreuung bei Polymerisationen direkt in entsprechenden Lichtstreuküvetten durchgeführt. Diese zur Beschreibung des untersuchten Systems eingeführten Methoden sowie ein zeitlich vollständiges Monitoring des gesamten Polymerisationsverlaufes, beginnend mit der Zugabe von Monomer zu Wasser, führten zu neuen Erkenntnissen zur emulgatorfreien Emulsionspolymerisation. Es wurden große Monomeraggregate, die sog. Nanotröpfchen, in wässriger Lösung (emulgatorfrei) nachgewiesen. Diese Aggregate bilden sich spontan und treten verstärkt in entgastem Wasser auf. Die Existenz von Nanotröpfchen in Verbindung mit Trübungs- und gaschromatografischen Messungen lässt auf eine molekular gelöste „Wirkkonzentration“ von Styrol in Wasser schließen, die bedeutend geringer ist als die absolute Sättigungskonzentration. Es konnten Hinweise auf eine Reaktion höherer Ordnung im System Wasser/Styrol/KPS gefunden werden. Es konnte gezeigt werden, dass eine präzise Einstellung der Nukleierungsdauer über die Zeit der Equilibrierung von Wasser mit Styrol möglich ist. Der JUMBO-Effekt, dem in dieser Arbeit ein besonderes Interesse galt, konnte in gewisser Weise entmystifiziert werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Durchlässigkeit der Reaktionsmischung bereits beim Lösen von Styrol in Wasser durch Bildung von Styrolaggregaten abnimmt. Der darauf folgende kurzzeitige Transmissionsanstieg im Zusammenhang mit der Nukleierung erreicht dabei nicht mehr 100 % des Referenzwertes von reinem Wasser. Alle experimentellen Daten sprechen für die Nanotröpfchen als Ursache des JUMBO-Effekts. Wie die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, ist selbst das relativ „einfache“ System der emulgatorfreien Emulsionspolymerisation komplizierter als angenommen. Die Existenz von großen Styrolaggregaten in wässriger Lösung erfordert eine neue Betrachtungsweise des Reaktionssystems, in die auch der Lösungszustand des Monomers mit einbezogen werden muss.show moreshow less
  • Polymers are doubtless the material of today. Large amounts of industrially produced polymers are made via emulsion polymerization. Although emulsion polymerization is widely used commercially, the mechanisms of particle formation and -growth involved are still intensely controversial. A special case of the emulsion polymerization is the emulsifier-free emulsion polymerization. This apparently easier procedure is performed without addition of emulsifier. Particle formation is a fundamental event in the progression of emulsion polymerization because it leads to the formation of a polymeric latex phase. Explicit knowledge concerning the mechanism of nucleation facilitates better control of the reaction process and therefore of the properties of the final polymeric latex product. Other contributions in emulsifier-free emulsion polymerization of styrene could already proof that particle formation in the present system proceeds via aggregative nucleation. In the context of the results of these contributions, an interesting effect wasPolymers are doubtless the material of today. Large amounts of industrially produced polymers are made via emulsion polymerization. Although emulsion polymerization is widely used commercially, the mechanisms of particle formation and -growth involved are still intensely controversial. A special case of the emulsion polymerization is the emulsifier-free emulsion polymerization. This apparently easier procedure is performed without addition of emulsifier. Particle formation is a fundamental event in the progression of emulsion polymerization because it leads to the formation of a polymeric latex phase. Explicit knowledge concerning the mechanism of nucleation facilitates better control of the reaction process and therefore of the properties of the final polymeric latex product. Other contributions in emulsifier-free emulsion polymerization of styrene could already proof that particle formation in the present system proceeds via aggregative nucleation. In the context of the results of these contributions, an interesting effect was always detected in the time range of particle nucleation. This so-called “JUMBO-effect” appeared highly reproducible as an increase of transmittance during nucleation period in the emulsifier-free emulsion polymerization of styrene. After initiation of the polymerization in an aqueous monomer solution with potassiumperoxodisulfate the transmittance at 546 nm increases to more than 100 %. For this “decrease in optical density” various possible explanations have been suggested, but a proof for any of them is still to be found. This lack of insight into an apparently fundamental phenomenon in emulsifier-free emulsion polymerization arises as the “nucleus” of the present thesis. Within this work the understanding of the phenomena of particle formation in emulsifier-free emulsion polymerization of styrene with potassiumperoxodisulfate could be enhanced. In this frame the online monitoring of the polymerization process could be improved and expanded to several methods: For the simultaneous recording of UV-spectra respectively turbidity data at various wavelengths a modern spectrometer in combination with a fibre optical probe could be integrated into the reaction vessel. An improved algorithm for data treatment of particle size determination via fibre optical dynamic light scattering was developed. We implemented online particle size determinations via multi angle laser light scattering directly in light scattering cuvettes. These newly introduced methods, in combination with temporally complete monitoring of the whole polymerization progression, starting with the addition of monomer to water, lead to novel insight into emulsifier-free emulsion polymerization of styrene: Big monomer aggregates, so called “nano droplets”, could be detected in an aqueous solution of styrene. These aggregates form spontaneously and appear especially in degassed water. Polymerisation as the origin of the nano droplets can be excluded. In context with turbidity and gas chromatographic measurements, the existence of nano droplets leads us to conclude that there is a molecularly dissolved “effective” concentration of styrene in water which is much lower than the absolute concentration reported in the literature. We could find some hints for a higher reaction order in the system water/styrene/potassiumpersulfate. The induced decomposition of the peroxodisulfate ion in the presence of styrene and ethylbenzene shows an additional reaction of the initiator with aromatic compounds besides the thermolytical cleavage. Furthermore it could be shown that it is possible to precisely adjust the duration of nucleation with the solubilisation time of styrene in water. This kind of control can be useful for other applications. The JUMBO-effect, which was a major topic of this thesis, could be partly de-mystified. It could be shown that the turbidity of the reaction mixture already increases during the dissolution process of styrene due to the formation of aggregates. The turbidity decrease which is depicted by the JUMBO-effect in the time range of nucleation never reaches 100 % of the reference water. An interference of the used measuring wavelength with the domain size of density fluctuations according to the theory of spinodal decomposition could not be verified. The experimental data suggest rather the nano droplets as origin of the JUMBO-effect. The results of the present thesis show clearly that the relatively “simple” system of the emulsifier-free emulsion polymerisation (water/styrene/potassiumpersulfate) is more complex than expected. The existence of big styrene aggregates in aqueous solution requires a new approach of the reaction system, which also includes the solution state of the monomer.show moreshow less

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Metadaten
Author:Steffen Kozempel
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-6106
Advisor:Klaus Tauer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2005
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2005/11/28
Release Date:2005/12/08
Tag:Lösungszustand; Nukleierung; Teilchenbildung; emulatorfrei
emulsifier-free; emulsion polymerization; nucleation; particle formation; styrene
GND Keyword:Emulsionspolymerisation; Styrol
RVK - Regensburg Classification:VE 5070
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Chemie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
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