Zastosowanie nadkrytycznego CO2 – Polimery
Zastosowanie nadkrytycznego CO2
Polimery
CO2 jest dobrym rozpuszczalnikiem dla wielu niepolarnych i niektórych polarnych cząsteczek o niskiej masie cząsteczkowej, ale jest bardzo słabym rozpuszczalnikiem dla większości polimerów o wysokiej masie cząsteczkowej w normalnych warunkach pracy.
Chociaż rozpuszczalność większości polimerów w CO2 jest niezwykle niska, rozpuszczalność CO2 w wielu polimerach jest znaczna. Może to prowadzić do dramatycznego spadku temperatury zeszklenia (Tg) tych polimerów przy umiarkowanych ciśnieniach.
Plastyfikacja polimerów przez CO2 odgrywa kluczową rolę podczas oczyszczania, ekstrakcji, spieniania lub przetwarzania materiałów wrażliwych termicznie.
CO2 jest dobrym plastyfikatorem wielu polimerów, w tym polistyrenu, polietylenu, poli(tereftalanu etylenu), poliizoprenu, polipropylenu, poli(chlorku winylu), nylonu i poli(tlenku 2,6-dimetylofenylenu). Wykazano również, że CO2 plastyfikuje polimetakrylany, poliwęglany, poliuretany, poliimidy, usieciowane elastomery oraz szereg kopolimerów blokowych i mieszanek polimerów.
- Reakcje polimeryzacji w nadkrytycznym CO2
W polimeryzacji heterogenicznej plastyfikacja zwiększa dyfuzję monomeru i inicjatora do fazy polimeru. Przykładem tego efektu jest tworzenie mieszanek polimerów przez polimeryzację w polimerze spęcznionym z użyciem CO2.
- Ekstrakcja i oczyszczanie polimerów
Często konieczne jest wyekstrahowanie małych cząsteczek, takich jak plastyfikatory, przeciwutleniacze, stabilizatory UV, resztkowe monomery, oligomery lub pozostałości rozpuszczalników z matryc polimerowych.
Ekstrakcje mogą być wymagane do analiz analitycznych, poprawy właściwości polimerów lub do spełnienia wymogów prawnych przy stosowaniu polimerów do materiałów biomedycznych. W wielu przypadkach nietoksyczny nadkrytyczny CO2 może być stosowany do zastąpienia toksycznych rozpuszczalników organicznych tradycyjnie stosowanych do analizy i przetwarzania materiałów polimerowych.
- Impregnacja i barwienie polimerów
Pęcznienie matrycy polimerowej nadkrytycznym CO2 jest wykorzystywane w wielu zastosowaniach związanych z infuzją, osadzaniem lub impregnacją.
Barwienie bezwodne materiałów polimerowych, tworzenie mieszanek polimerowych i osadzanie związków metaloorganicznych w żywicach polimerowych to kilka przykładów.
- Porowate i mikrokomórkowe pianki polimerowe
Dwutlenek węgla jest stosowany jako środek spieniający w mikrokomórkowych piankach polimerowych i może wyeliminować potrzebę stosowania rozpuszczalników porogennych przy tworzeniu porowatych polimerów.
Konwencjonalne procesy często wymagają dużych ilości toksycznych rozpuszczalników organicznych i pozostawiają ślady rozpuszczalnika uwięzione w matrycy polimerowej.
- Cząstki polimerowe i nanocząstki
Chociaż większość niefluorowanych polimerów ma bardzo niską rozpuszczalność w CO2, istnieją pewne biodegradowalne polimery, które mają ograniczoną rozpuszczalność, w tym poli(kwas mlekowy) PLA i poli(kwas glikolowy) PGA. Do utworzenia mikrocząstek tych polimerów zastosowano technikę Rapid Expansion of a Supercritical Solution (RESS). Nukleacja rozpuszczonych polimerów zachodzi, gdy roztwór nadkrytyczny jest szybko rozprężany do atmosfery.
Ponieważ większość polimerów nie jest rozpuszczalna w nadkrytycznym CO2, opracowano wiele technik wykorzystujących nadkrytyczny CO2 jako antyrozpuszczalnik w tworzeniu nano- i mikrocząstek. W tych sposobach polimer jest rozpuszczany w rozpuszczalniku organicznym i po wystawieniu na działanie nadkrytycznego CO2 jako antyrozpuszczalnika, cząstki polimeru wytrącają się w spienionym rozpuszczalniku nadkrytycznym CO2.
- Mieszanie dodatków w stanie nadkrytycznym w polimery
Mieszanie dodatków w polimer można wzmocnić nadkrytycznym CO2. Rozpuszczenie CO2 w matrycy polimerowej powoduje pęcznienie polimeru i obniża temperaturę topnienia polimeru.
Dodatki można teraz łatwo mieszać i rozprowadzać ze stopionym plastyfikowanym polimerem. Po uzyskaniu jednorodnie wymieszanego układu zawartość naczynia jest szybko rozprężana przez otwór, co powoduje ochłodzenie i zestalenie jednorodnych zmieszanych cząstek w niskich temperaturach.
- Powłoki polimerowe
Niezwykła rozpuszczalność amorficznych fluoropolimerów i silikonów w nadkrytycznym CO2 sprawia, że materiały te są atrakcyjnymi kandydatami do zastosowań powłok „bezrozpuszczalnikowych”. Proces obejmuje umieszczenie materiału do powlekania w naczyniu, rozpuszczenie fluoropolimeru lub polimeru silikonowego w nadkrytycznym CO2 i obniżenie ciśnienia w naczyniu, co powoduje osadzanie się obecnie nierozpuszczalnego polimeru na powierzchni.
Alternatywna technika obniża ciśnienie rozpuszczonego polimeru przez dyszę natryskową na powierzchnię powlekanego materiału.