izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2024-3-55-60izmertech-2163Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯPHYSICOCHEMICAL MEASUREMENTSВлияние поверхностно-активных веществ на степень полидисперсности суспензий полистирольных латексных сферEffect of surfactants on the degree of polydispersity of a suspension of polystyrene latex sphereshttps://orcid.org/0000-0002-8653-3267АверкинД. В.AverkinD. V.

Дмитрий Вадимович Аверкин 

Менделеево, Московская обл. 

Dmitry V. Averkin 

Mendeleevo, Moscow region 

averkin@vniiftri.ruВсероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измеренийРоссияRussian Metrological Institute of Technical Physics and Radio EngineeringRussian Federation202415052024035560Copyright © Аверкин Д.В., 20242024Аверкин Д.В.Averkin D.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.izmt.ru/jour/article/view/2163

Рассмотрены способы получения суспензий на основе монодисперсных частиц полистирольных латексных сфер. Такие суспензии можно применять в качестве мер размеров частиц, необходимых для обеспечения единства измерений гранулометрического состава аэрозолей, взвесей и порошкообразных материалов. Показано, что при различных условиях синтеза монодисперсных суспензий полистирольных латексных сфер можно получать как монодисперсные, так и полидисперсные образцы. Исследовано влияние состава и степени растворимости поверхностно-активных веществ в эмульсии стирол-вода на размер получаемых в результате эмульсионной полимеризации частиц суспензий полистирольных латексных сфер и степень полидисперсности таких частиц. Методами динамического рассеяния света и дифракции лазерного излучения исследованы метрологические характеристики полученных в настоящей работе суспензий полистирольных латексных сфер на основе различных солей лауриновой кислоты – лауратов натрия, калия и лития. Установлено, что на размер и степень полидисперсности частиц указанных суспензий в первую очередь влияет растворимость поверхностно-активного вещества и поверхностное натяжение межфазного слоя стирол-вода в момент образования частиц. Изучено влияние скорости реакции, а также концентрации поверхностно-активных веществ на размер и степень полидисперсности синтезируемых частиц. Установлено, что при использовании в качестве инициатора реакции персульфата калия распределение частиц по размерам является монодисперсным в суспензиях на основе лаурата натрия или калия. Определено, что степень полидисперсности суспензий на основе лаурата лития в 1,5–2 раза выше, чем в образцах других исследованных суспензий. Применение в качестве инициатора азоизобутиронитрила позволило достичь монодисперсности всех образцов суспензий. Экспериментально установлено, что монодисперсность образцов обусловлена временем образования полимерно-мономерных частиц, сопоставимым со скоростью превращения мономера. Полученные результаты будут использованы при создании мер размеров частиц для хранения и воспроизведения значений размеров частиц в жидкости.

The problem of satisfying the needs of the domestic market of the Russian Federation for creating domestic particle size standard reference materials in liquids to ensure uniformity in measurements of the granulometric composition of aerosols and powdery substances is considered. It is known that, under various conditions, monodisperse suspensions of polystyrene latex spheres can be synthesized, both monodisperse and polydisperse samples being obtainable. The effect of the composition and solubility of surfactants in a styrene-based water emulsion on the particle size of suspensions obtained as a result of emulsion polymerization, and their polydispersity, has been investigated. The metrological characteristics of polystyrene suspensions based on sodium, potassium, and lithium laureths synthesized in this study were determined using dynamic light scattering and laser diffraction techniques. It has been found that the size and degree of polydispersity of particles in suspensions based on lauric acid salts is primarily influenced by the solubility of the surfactant and the surface tension of the interfacial layer formed between styrene and water at the time of particle formation. The effect of the rate of reaction, as well as the concentration of surfactants, on the size and polydispersity of the synthesized particles, has been studied. It has been found that when potassium persulfate is used as the initiator in the reaction, particle size distributions are monodisperse for suspensions based on sodium or potassium laureate. The polydispersity degree of lithium laureate-based suspensions is approximately 1.5 to 2 times higher compared to other suspension samples. When azoisobutyronitrile is used as an initiator, all suspensions samples are monodisperse. It has been experimentally determined that the achievement of monodisperse samples is due to the polymer-monomer particle formation time, which is comparable to the monomer transformation rate. The results obtained will be utilized in the development and establishment of particle size standard reference materials for storage and reproduction of particle size values within a liquid medium.

наночастицаполистирольные латексные сферыразмер частицмикроэмульсиясуспензиямераэмульсионная полимеризацияколлоидная частицаnanoparticlepolystyrene latex spheresparticle sizemicroemulsionsuspensionstandard sampleemulsion polymerizationcolloidal particleРабота выполнена в рамках договора от 19.06.2023 № 1687/23, являющегося составной частью государственного контракта от 17.05.2023 № 120-38/2023 на выполнение опытно-конструкторской работы по теме «Разработка и выпуск новых комплексов стандартных образцов и мер для обеспечения единства измерений по приоритетным направлениям в целях технологического суверенитета Российской Федерации» (шифр ОКР «Суверенитет»).The work was carried out within the framework of the agreement dated 06/19/2023 no. 1687/23, which is an integral part of the state contract dated 05/17/2023 no. 120-38/2023 for the implementation of experimental design work on the topic “Development and release of new complexes of standard samples and measures to ensure the uniformity of measurements in priority areas for the purposes of technological sovereignty of the Russian Federation” (code of the Development Work “Sovereignty”).ReferencesГрицкова И. А., Жаченков С. В., Прокопов Н. И., Ильменев П. Е. Эмульсионная полимеризация гидрофобных мономеров в высокодисперсных эмульсиях. Высокомолекулярные соединения, 33А(7), 1476–1483 (1991).Gritskova I. A., Zhachenkov S. V., Prokopov N. I., Ilmenev P. E. Emulsion polymerization of hydrophobic monomers in highly dispersed emulsions. High-molecular Compounds, 33А(7), 1476–1483 (1991). (In Russ.)Прокопов Н. И., Грицкова И. А. Особенности гетерофазной полимеризации стирола при образовании поверхностно-активных веществ на границе раздела фаз. Успехи химии, 70(9), 890–900 (2001). https://doi.org/10.1070/RC2001v070n09ABEH000669Prokopov N. I., Gritskova I. A. Characteristic features of heterophase polymerisation of styrene with simultaneous formation of surfactants at the interface, Russian Chemical Reviews, 70(9), 791–800 (2001). https://doi.org/10.1070/RC2001v070n09ABEH000669Аверкин Д. В., Кузнецов И. А., Балаханов Д. М. Разработка мер размеров частиц в жидкости с номинальным значением размеров частиц 0,07 мкм и 0,1 мкм. Альманах современной метрологии, 4(36), 87–95 (2023).Averkin D. V., Kuznetsov I. A., Balakhanov D. M. Development of particle size measures in a liquid with a nominal particle size value of 0.07 microns and 0.1 microns. Almanac of Modern Metrology, 4(36), 87–95 (2023). (In Russ.)Brouwer W. M. The preparation of small polystyrene latex particles. Journal of Applied Polymer Science, 38, 1335–1346 (1989). https://doi.org/https://doi.org/10.1002/app.1989.070380712Brouwer W. M. The preparation of small polystyrene latex particles. Journal of Applied Polymer Science, 38, 1335–1346 (1989). https://doi.org/https://doi.org/10.1002/app.1989.070380712Ugelstad J., El-Aasser M. S., Vanderhoff J. W. Emulsion polymerization: Initiation of polymerization in monomer droplets. Polymer Letters Edition, 11, 503–513 (1973). https://doi.org/10.1002/POL.1973.130110803Ugelstad J., El-Aasser M. S., Vanderhoff J. W. Emulsion polymerization: Initiation of polymerization in monomer droplets. Polymer Letters Edition, 11, 503–513 (1973). https://doi.org/10.1002/POL.1973.130110803Paulen R., Benyahia B., Latifi M. A., Fikar M. Dynamic optimization of semi-batch emulsion co-polymerization reactor for styrene/butyl acrylate in the presence of a chain transfer agent. Computer Aided Chemical Engineering, 32, 721–726 (2013). http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-444-63234-0.50121-4Paulen R., Benyahia B., Latifi M. A., Fikar M. Dynamic optimization of semi-batch emulsion co-polymerization reactor for styrene/butyl acrylate in the presence of a chain transfer agent. Computer Aided Chemical Engineering, 32, 721–726 (2013). http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-444-63234-0.50121-4Alexandra J. Macbeth, Zhuangsheng Lin, Julie M. Goddard. General method for emulsion polymerization to yield functional terpolymers. MethodsX, 7, 101110 (2020). https://doi.org/10.1016/j.mex.2020.101110Alexandra J. Macbeth, Zhuangsheng Lin, Julie M. Goddard. General method for emulsion polymerization to yield functional terpolymers. MethodsX, 7, 101110 (2020). https://doi.org/10.1016/j.mex.2020.101110Wang T., Shi S., Yang F., Zhou L. M., Kuroda S. Poly(methyl methacrylate)/polystyrene composite latex particles with a novel core/shell morphology. Journal of Materials Science, 45, 3392–3395 (2010). https://doi.org/10.1007/s10853-010-4449-9Wang T., Shi S., Yang F., Zhou L. M., Kuroda S. Poly(methyl methacrylate)/polystyrene composite latex particles with a novel core/shell morphology. Journal of Materials Science, 45, 3392–3395 (2010). https://doi.org/10.1007/s10853-010-4449-9Xinlong Fan, Xiangkun Jia, Hepeng Zhang, Baoliang Zhang, Chunmei Li, Qiuyu Zhang. Synthesis of raspberry-like poly(styrene–glycidyl methacrylate) particles via a one-step soap-free emulsion polymerization process accompanied by phase separation. Langmuir, 29, 11730–11741 (2013). https://doi.org/10.1021/la402759wXinlong Fan, Xiangkun Jia, Hepeng Zhang, Baoliang Zhang, Chunmei Li, Qiuyu Zhang. Synthesis of raspberry-like poly(styrene–glycidyl methacrylate) particles via a one-step soap-free emulsion polymerization process accompanied by phase separation. Langmuir, 29, 11730–11741 (2013). https://doi.org/10.1021/la402759wSudol E. D., El-Aasser M. S., Vanderhoff J. W. Kinetics of successive seeding of monodisperse polystyrene latexes. I. Initiation via potassium persulfate. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 24, 3499–3513 (1986). https://doi.org/https://doi.org/10.1002/pola.1986.080241231Sudol E. D., El-Aasser M. S., Vanderhoff J. W. Kinetics of successive seeding of monodisperse polystyrene latexes. I. Initiation via potassium persulfate. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 24, 3499–3513 (1986). https://doi.org/https://doi.org/10.1002/pola.1986.080241231Vanderhoff J. W., Vitkuske J. F., Bradford E. B., Alfrey Jr. T. Some factors involved in the preparation of uniform particle size latexes. Journal of Polymer Science, 20(95), 225–234 (1956). https://doi.org/10.1002/pol.1956.120209501Vanderhoff J. W., Vitkuske J. F., Bradford E. B., Alfrey Jr. T. Some factors involved in the preparation of uniform particle size latexes. Journal of Polymer Science, 20(95), 225–234 (1956). https://doi.org/10.1002/pol.1956.120209501Thomson B., Rudin A., Lajoie G. Dispersion copolymerization of styrene and divinylbenzene: Synthesis of monodisperse, uniformly crosslinked particles. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 33, 345–357 (1995). https://doi.org/https://doi.org/10.1002/pola.1995.080330301Thomson B., Rudin A., Lajoie G. Dispersion copolymerization of styrene and divinylbenzene: Synthesis of monodisperse, uniformly crosslinked particles. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 33, 345–357 (1995). https://doi.org/https://doi.org/10.1002/pola.1995.080330301Qi H., Hao W., Xu H. et al. Synthesis of large-sized monodisperse polystyrene microspheres by dispersion polymerization with dropwise monomer feeding procedure. Colloid and Polymer Science, 287, 243–248 (2009). https://doi.org/10.1007/s00396-008-1979-7Qi H., Hao W., Xu H. et al. Synthesis of large-sized monodisperse polystyrene microspheres by dispersion polymerization with dropwise monomer feeding procedure. Colloid and Polymer Science, 287, 243–248 (2009). https://doi.org/10.1007/s00396-008-1979-7Аверкин Д. В. Синтез мер размера частиц на основе водных суспензий полистирольных латексных сфер. Измерительная техника, (12), 64–68 (2022). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2022-12-64-68Averkin D. V. Synthesis of particle size measures based on aqueous suspensions of polystyrene latex spheres. Measurement Techniques, 65(12), 936–941 (2023). https://doi.org/10.1007/s11018-023-02173-1Балаханов М. В., Добровольский В. И., Балаханов Д. М., Беленький Д. И. Совершенствование Государственного первичного эталона единиц дисперсных параметров аэрозолей, взвесей и порошкообразных материалов ГЭТ 163-2010. Измерительная техника, (12), 3–7 (2018). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2018-12-3-7Balakhanov M. V., Dobrovolsky V. I., Balakhanov D. M., Belenky D. I. Improvement of the State Primary Standard of units of dispersed parameters of aerosols, suspensions and powdery materials GET 163-2010. Measurement Techniques, 61(12), 1135–1140 (2019). https://doi.org/10.1007/s11018-019-01560-x

The authors declare that there are no conflicts of interest present.