Глава 35.6 Полимерные латексы

Если количество тепла, подводимого к капле от газа, равно количеству тепла, отводимого от капли с испаряющейся влагой, (эквивалентный тепло-массообмен), то в формировании струк­туры частицы будет преобладать механизм Томана. Если же количество тепла, передаваемого от газа к капле, больше коли­чества тепла, отводимого с испаряемой влагой (неэквивалент­ный тепло-массообмен), то избыток тепла пойдет на нагрев кап­ли и приведет к внутреннему парообразованию, нередко сопро­вождающемуся кипением жидкой фазы. В последнем случае давление паров при наличии плохопаропроницаемой эластич­ной пленки неизбежно приведет к раздутию частицы, а при жесткой непористой корке  к разрушению, т. е. будет преобла­дать механизм Маршалла.

С учетом этих представлений и предпосылок рассмотрим процесс формо- и структурообразования частиц на примере ис­следования В. М. Ульянова и Ю. В. Овчинникова [151], выпол­ненного методами оптической и электронной микроскопии вы­сыхающих капель латексов и сухих образцов полимеров, полу­ченных сушкой распылением различных эмульсионных полиме­ров и сополимеров.

Полимерные латексы представляют собой устойчивые взвеси в воде с'ферических полимерных глобул (латексных частиц) диаметром от 0,05 до 2 мкм, которые значительно крупнее час­тиц коллоидных растворов, но существенно мельче частиц обыч­ных суспензий или расслаивающихся взвесей. Полимерные час­тицы в зависимости от температуры перехода в высокоэластиче­ское (t_g<0<t_f) или вязкотекучее (0>t_f) состояние полимера и от температуры среды могут образовывать жесткую или эла­стичную корку на поверхности капли латекса. Кроме того, в вод­ной фазе содержится растворенный эмульгатор — высокомоле­кулярное соединение типа синтетического мыла, т. е. при упа­ривании водная фаза может постепенно трансформироваться в коллоидный раствор. Таким образом, латексы одновременно обладают свойствами суспензий и коллоидных растворов, и структурные превращения при их сушке могут идти по любому из рассмотренных механизмов.

Согласно представлениям В. М. Ульянова и Ю. В. Овчинни­кова, при тепло-массообмене капли латекса с сушильным аген­том испарение влаги приводит к повышению концентрации твер­дой фазы, в первую очередь в поверхностном слое, потому что испарение жидкой фазы происходит с поверхности капли. Латексные частицы агрегируются и образуют на поверхности кап­ли плотную упаковку в виде свода, способного противостоять силам сжатия. Влага будет испаряться через поры, образован­ные соприкасающимися глобулами. Силы поверхностного натя­жения при отрицательной кривизне менисков стремятся удер­жать в порах и растянуть межглобулярную жидкость, которая оказывается под отрицательным давлением. Величина отрица­тельного давления и, таким образом, внешнее давление на свод, оцененное по формуле Лапласа, при диаметре латексных частиц 0,05—2 мкм оказалось в интервале 1—35 МПа. Столь значи­тельные силы не могут не влиять на процесс структурообразования.

Из теории устойчивости оболочек известно, что при достиже­нии внешнего давления определенной величины, называемой критическим, оболочка теряет форму, т. е. сминается и продав­ливается, образуя некоторое количество волн смятия, завися­щее от толщины и радиуса оболочки. Величину критического давления для сферических оболочек можно рассчитать по фор­муле [39] 

 Оценка по формуле (6-24) для капель латекса ПММА ра­диусом от 1 до 50 мкм и толщиной оболочки от 0,1 до 0,5 мкм дает величины критического давления от 1500 МПа до 25 кПа.

После образования сводоподобной корочки процесс форми­рования морфологической структуры частицы зависит от усло­вий тепло-массообмена с окружающей средой (рис. 6-18).