Tegenwoordig worden aanzienlijke delen van consumptiegoederen, elektronica, voertuigen die worden gebruikt voor transport en de gebouwde omgeving gemaakt met behulp van kunststoffen of elastomeren die zijn samengesteld uit vinylpolymeren. Deze polymeren, zoals PE, PP, PVC, PS, PVAc en PAN, worden doorgaans geproduceerd door vrije radicalenpolymerisatie waarbij gecontroleerde reacties worden uitgevoerd met behulp van vinylmonomeren, radicale initiatoren, ketenoverdrachtsmiddelen en een oplosmiddel.
Eén reden waarom vinylpolymeren zo populair zijn, is vanwege de hoge mate van duurzaamheid en veelzijdigheid die ze kunnen bieden. Het bereiken van deze eigenschappen hangt echter vaak af van de kwaliteit van het polymeer, wat wordt bepaald door een zorgvuldig productieproces dat het molecuulgewicht, de zuiverheid en de morfologie optimaliseert. In veel gevallen kunnen deze eigenschappen vrij eenvoudig worden geoptimaliseerd en gecontroleerd als azonitril-gebaseerde radicaalinitiatoren, of azo-initiatoren, worden gebruikt.
Wat zijn azo-initiatoren?
Azo-initiatoren zijn organische verbindingen met een centrale N2-verbindingsgroep, zoals weergegeven in het onderstaande chemische ontledingsschema. Deze verbindingen worden doorgaans gebruikt als thermische initiatoren en zijn ongelooflijk nuttig als een bron van vrije radicalen voor polymerisatie-initiatie, omdat het thermodynamisch gunstig is voor de azonitrilverbinding om de afgifte van N2-moleculen als stikstofgas aan te drijven.
De vorming van twee radicalen uit de azonitrilverbinding is de sleutel in deze reactie. Deze radicalen initiëren polymerisatie door de dubbele binding van vinylmonomeermoleculen aan te vallen, waardoor een nieuwe radicale soort wordt gevormd die dit proces herhaalt met andere vinylmonomeren, en uiteindelijk de polymeerketen propageert.
Voordelen van het gebruik van een azonitril-initiator
Een van de meest gebruikte initiatoren voor radicale initiatie is organisch peroxide omdat het relatief goedkoop is. Het heeft echter nadelen voor het behoud van de polymeerkwaliteit, veiligheid op de werkplek en gebruiksgemak. Daarom investeren veel vinylpolymeerfabrikanten in azo-initiatoren om betere polymeeropbrengsten te verkrijgen, minder uit te geven aan programma's voor gevarenrespons en -beperking en hun productie-efficiëntie te verhogen. Details over hoe azo-initiatoren specifiek deze voordelen bieden in vergelijking met organische peroxiden worden hieronder besproken.
Geoptimaliseerde polymeerkwaliteit
Organische peroxide-initiatoren ontbinden in hydroxylradicalen, die extreem sterke oxidatoren zijn. Deze hydroxylradicalen kunnen gemakkelijk waterstofatomen onttrekken aan groeiende polymeerketens, waardoor radicalen ontstaan op ongewenste plekken. Wanneer dit gebeurt, kan er onverwachte polymeervertakking of cross-linking optreden, wat aanzienlijke uitdagingen oplevert voor het beheersen van het molecuulgewicht en de morfologie van het polymeer. Aan de andere kant onttrekken azonitrilradicalen-initiatoren geen waterstof aan groeiende polymeerketens. Dit verkleint de kans op ongewenste polymeervertakking en cross-linking, waardoor de fabrikant meer controle heeft over de uiteindelijke polymeerstructuur. Daarom maken azonitrilradicalen-initiatoren cruciale kwaliteitsverbeteringen mogelijk voor fabrikanten die speciale polymeren produceren met goed gedefinieerde molecuulgewicht- en kwaliteitsdoelen.
Verhoogde veiligheid
Omdat organische peroxiden ongelooflijk vluchtige initiatoren zijn, kunnen ze een snelle exotherme reactie ondergaan door ontleding als ze niet worden opgeslagen onder strikt gecontroleerde temperaturen. Dit kan natuurlijk leiden tot explosierisico's die ernstige gevaren op de werkplek vormen. Vergeleken met peroxiden met vergelijkbare halfwaardetijden hebben azonitrilradicaleninitiatoren hogere ontledingstemperaturen, waardoor ze minder snel per ongeluk ontleden en werkplekken in gevaar brengen. Bovendien zijn azonitrillen niet schokgevoelig zoals organische peroxiden. Daarom is het explosierisico tijdens transport en opslag verminderd. Bovendien vormen azonitrillen lagere gezondheidsrisico's bij het hanteren ervan, omdat ze worden gekenmerkt door een lage toxiciteit en geen huidsensibilisatoren zijn.
Vereenvoudigde reactieomstandigheden
Vanwege hun extreem hoge reactiviteit vormen organische peroxiden uitdagingen bij het opzetten van reactieomstandigheden die de opbrengst en kwaliteit van polymeren maximaliseren. Peroxiden kunnen bijvoorbeeld reageren met redoxgevoelige middelen, oplosmiddelen en kleurstoffen in een reactiemedium, waardoor het moeilijk is om de vereisten voor reactieomstandigheden aan te passen om effectief gebruik te bevorderen. Ter vergelijking: azonitrillen ondergaan geen redoxreacties of worden niet aangetast door redoxgevoelige reagentia. Azoradicale initiatoren reageren ook niet met oplosmiddelen, kleurstoffen of pigmenten. Bovendien ondergaan organische peroxiden vaak radicaalgeïnduceerde ontleding, waardoor andere initiatoren worden kannibaliseerd en polymerisatie minder efficiënt wordt. Ter vergelijking: azonitrillen ontleden niet in aanwezigheid van vrije radicalen, maar alleen in aanwezigheid van hitte of licht. Hierdoor kunnen ze indien gewenst worden gebruikt met andere typen radicaalinitiatoren.
Vazo™ Vrije Radicalen Initiatoren
Vazo™-initiatoren zijn gesubstitueerde azonitrilverbindingen die in de Verenigde Staten door Chemours worden geproduceerd. Deze vrije radicalen-initiatoren zijn ideaal voor het initiëren van polymerisatie en het creëren van polymeren met strikt gedefinieerde moleculaire gewichten en morfologieën. Vazo™ is verkrijgbaar in zes kwaliteiten die variëren op basis van ontledingstemperatuur en oplosbaarheid in water of organische oplosmiddelen.
Het selecteren van een Vazo™ Vrije Radicalen Initiator
De juiste Vazo™-kwaliteit voor een toepassing wordt bepaald door twee hoofdfactoren: de gewenste reactietemperatuur en het reactiemedium.
Reactietemperatuur
De belangrijkste factor bij het bepalen welke Vazo™ Free Radical Initiator u moet gebruiken, is de reactietemperatuur, die doorgaans wordt bepaald door het specifieke monomeer dat in de reactie wordt gebruikt. Over het algemeen beslaat het Vazo™-portfolio een realistisch werkingsvenster tussen 65°C en 140°C. Het getal in elke Vazo™-klasse geeft de geschatte halfwaardetijdtemperatuur van 10 uur aan. Als richtlijn kan een geschikte Vazo™-klasse worden geselecteerd op basis van een reactietemperatuurbereik dat 10°C tot 30°C boven of onder het overeenkomstige klassenummer ligt.
Reactie Medium
De oplosbaarheid van de initiator in het gewenste reactiemedium is cruciaal voor de polymerisatie-efficiëntie. Alle Vazo™-kwaliteiten zijn oplosbaar in gangbare reactiemedia zoals tolueen en aceton. Vazo™ 67 vertoont echter een betere oplosbaarheid in een breder scala aan organische oplosmiddelen. Voor reacties waarin water aanwezig is, worden Vazo™ 56 WSP en Vazo™ 68 WSP aanbevolen.
