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Emulsionspolymerisation

Reaktionsablauf der Emulsionspolymerisation

Zur Durchführung einer Emulsionspolymerisation löst man den Emulgator in der wässrigen Phase. Um genügend Micellen bilden zu können, muss die Konzentration des Emulgators genügend weit oberhalb der kritischen Micellbildungskonzentration (KMK) liegen.

Abb.1
Veranschaulichung der Micellbildung

Diese liegt normalerweise zwischen 0,5 und 5 %, bezogen auf die Monomerkonzentration. Dies entspricht einer Micellkonzentration von etwa 1018 Micellen pro cm3. Nachdem der Emulgator gelöst ist, wird das Monomer unter schonendem Rühren in der Flotte zu Tröpfchen von 0,1 bis 10 μm Durchmesser verteilt, der Initiator zugesetzt und die Reaktionsmischung auf Reaktionstemperatur gebracht. Es werden durchschnittlich 1013 Radikale pro Milliliter und pro Sekunde gebildet. Bevor die Reaktion beginnt, liegen zwei Phasen vor - Wasser und Monomer. Das Monomer bildet im Wasser Monomertröpfchen aus. Nach Zugabe des Emulgators und der Bildung der Micellen befindet sich Monomer in den Monomertröpfchen, in geringer Konzentration gelöst in der Wasserphase und solubilisiert in den Micellen. Der wasserlösliche Initiator startet die Reaktion in erster Linie in der Wasserphase. Die entstehenden Polymerradikale diffundieren in die Micellen und lösen dort eine Polymerisation aus, die so lange ungestört weiter läuft, bis ein weiteres Radikal diese aktive Micelle, die zum Latexteilchen heranwächst, trifft und die Polymerisation abbricht. Durch ein weiteres Polymerradikal kann der temporär stillgelegte "Polymerisationsreaktor" wieder angeschaltet werden. Monomer wird ständig aus den Tropfen über die Wasserphase in diese Reaktoren nachgeführt.

Als Reaktionsorte kommen theoretisch auch die Monomertröpfchen in Betracht. Allerdings ist das Zahlenverhältnis von Micellen zu Monomertröpfchen in 1 cm3 Lösung 1018:1010. Damit ist es sehr unwahrscheinlich, dass ein wachsendes Polymerradikal statt einer Micelle ein Monomertröpfchen trifft. Dies wird auch durch die mikroskopische Beobachtung des großen Wachstums der Latexteilchen unterstützt. Auch sind die resultierenden Polymerteilchen deutlich (mindestens eine Zehnerpotenz) kleiner als die ursprünglichen Monomertröpfchen.

In einer alternativen Mechanismusvariante (homogene Teilchenbildung) wird angenommen, dass die Polymerkette im Wasser wächst und dabei durch Emulgatoren vor dem Ausfällen geschützt wird. Zu weiterem Wachstum muss nun, ebenso wie vorher geschildert, Monomer nachgeführt werden - von diesem Zeitpunkt sind beide Mechanismusvorschläge ununterscheidbar.

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