كرات صغيرة من مادة PMMA (كريات صغيرة من مادة البولي ميثيل ميثاكريلات)

تُعرف الكريات الدقيقة من PMMA أيضًا باسم الكريات الدقيقة من ميثاكريلات الميثيل، وهي عبارة عن جزيئات مسحوق أبيض تتشكل عن طريق بلمرة تعليق مونومرات MMA (ميثاكريلات الميثيل). الصيغة البنيوية الموضحة في الشكل 1 هي واحدة من أهم المواد المستخدمة على نطاق واسع في إسترات الأكريليك، وهي أيضًا المادة الأكثر تميزًا وغير المكلفة نسبيًا في تركيب المواد الشفافة حتى الآن. تُستخدم على نطاق واسع في مستحضرات التجميل والأفلام والطلاء والدهانات ووسائط الكروماتوغرافيا والمواد البصرية نظرًا لخصائصها المحددة مثل مساحة السطح الكبيرة والامتصاص القوي والتخثر العالي والتفاعل القوي على السطح. من خلال تعديل السطح، يمكن تحضير الكريات الدقيقة من PMMA ذات المجموعات الوظيفية المختلفة، بما في ذلك الكريات الدقيقة الكربوكسيلية من PMMA والكرات الدقيقة الأمينية من PMMA والكرات الدقيقة الإيبوكسي من PMMA. وفقًا لمتطلبات التطبيق، يمكن أيضًا تحضير الكريات الدقيقة من PMMA بدرجات مختلفة من الترابط المتبادل.

الشكل 1 مخطط هيكلي للبولي ميثيل ميثاكريلات (PMMA)

بدأت صناعة الكرات الدقيقة من البوليمر PMMA، كمجال بحثي جديد، في تحضير كرات دقيقة من البوليسترين بحجم جسيمات وارتفاع موحدين بواسطة Vanderhoff Brand ford من معهد أبحاث البوليمرات المستحضرة بجامعة ليهاي في عام 1955، وحققت تقدمًا كبيرًا في العقود الأخيرة. تتمتع بمزايا فريدة مثل مساحة السطح النوعية الكبيرة، والامتصاص القوي، وتأثير التخثر العالي، ووجود الجينات التفاعلية على السطح. لديها آفاق تطبيق واسعة في العديد من المجالات مثل المواد الطبية الحيوية، والحشو الكروماتوغرافي، والتوليف العضوي في الطور الصلب. في الوقت الحاضر، هناك العديد من طرق التوليف للكرات الدقيقة من البوليمر PMMA، مثل البلمرة المشتتة، وبلمرة التعليق، وبلمرة اللوشن، وبلمرة المستحلب الدقيق، وبلمرة الجذور الذرية المنقولة، وبلمرة اللوشن الخالية من الصابون، وما إلى ذلك. يتراوح قطر الكرات الدقيقة البوليمرية المحضرة عن طريق بلمرة اللوشن من نانومتر إلى دون الميكرون. يبلغ حجم الجسيمات للكرات الدقيقة المحضرة عن طريق البلمرة الترسيبية وبلمرة التشتت عادة حوالي بضعة ميكرومترات. يتراوح توزيع حجم الجسيمات للكرات الدقيقة المحضرة عن طريق البلمرة المعلقة عادة في نطاق الميكرومتر إلى الملليمتر. فيما يلي ثلاث طرق للتخليق.

كرات PMMA المجهرية SHBC

1.بلمرة المستحضر الخالي من الصابون

تم تحضير الكريات المجهرية من مادة PMMA عن طريق بلمرة المستحضر الخالي من الصابون باستخدام ميثاكريلات الميثيل كمتفاعل، وبيركبريتات البوتاسيوم كمبدأ، ودوديسيل بنزين سلفونات الصوديوم كمواد فعالة بالسطح. تظهر صيغة التفاعل وآلية العمل في الشكلين 2 و3.

عادةً ما تكون المواد الخافضة للتوتر السطحي مستحلبات أنيونية ممتازة تحتوي على مجموعات محبة للماء وكارهة للماء في جزيئاتها. تسمح هذه الهياكل المحبة للماء لبعض المركبات العضوية غير القابلة للذوبان أو القابلة للذوبان قليلاً بالذوبان في المجموعات المحبة للماء المركزة داخل المذيلات التي تشكلها المواد الخافضة للتوتر السطحي، مما يزيد بشكل كبير من قابلية ذوبان المادة. لها تطبيقات واسعة في العديد من المجالات مثل الغسيل والطب والنظافة والبترول وما إلى ذلك. استكشف لي لي وآخرون تأثير المواد الخافضة للتوتر السطحي على تحضير الكرات الدقيقة من PMMA عن طريق بلمرة المستحضر الخالي من الصابون.

تشير نتائج البحث إلى أنه مع زيادة جرعة المادة الفعالة على السطح، يتناقص حجم جزيئات الكريات الدقيقة من مادة PMMA تدريجيًا وتزداد المساحة السطحية المحددة تدريجيًا. عندما يكون تركيز المادة الفعالة على السطح 0.025 مول/لتر، فإن الكريات الدقيقة من مادة PMMA المحضرة لها حجم جزيئات صغير وتأثير تشتت جيد وتظهر استقرارًا حراريًا جيدًا.

الشكل 2 معادلة التفاعل لإعداد الكريات المجهرية من مادة PMMA

الشكل 3 آلية تحضير الكريات المجهرية المصنوعة من مادة PMMA

2.بلمرة المستحضر المعلق

يتم تحضير الكرات المجهرية من ميثاكريلات البولي ميثيل عادة عن طريق بلمرة التعليق، ولكن التحكم غير السليم في الظروف أثناء عملية التخليق يمكن أن يتسبب بسهولة في التصاق الجسيمات وحتى تشكيل كتل، مما يجعل من الصعب متابعة التفاعل؛ مع التعمق المستمر في أبحاث التطبيقات، أصبحت متطلبات التطبيق للكرات المجهرية البوليمرية المترابطة أحادية التشتت عالية بشكل متزايد، كما يصعب التحكم في عملية الكرات المجهرية المترابطة الضيقة أحادية التشتت ذات الحجم الكبير.

قام Teng Lingzhen وآخرون بتجميع مزايا بلمرة المستحضر المعلق وبلمرة المستحضر، وأعدوا كريات مجهرية من PMMA ذات سطح أملس وتوحيد جيد في الحجم من خلال مقارنة المستحلبات المختلفة والمبادرات وسرعة الدوران وغيرها من الظروف.

تتضمن الطريقة التجريبية إذابة المادة المبدئية في MMA أو الماء، والمثبط والمستحلب في الماء، وPVA لتكوين محلول 5%. ثم يتم تطهير الخليط بغاز النيتروجين في زجاجة ذات أربعة أعناق لمدة 3 دقائق، ثم تضاف المواد والبذور المذكورة أعلاه. يتم تقليب الخليط وتسخينه إلى 75 درجة مئوية لإنتاج كرات مجهرية من PMMA.

عندما يتم التحكم في نسبة الماء/الزيت عند 1.4، يتم استخدام مستحلبات مركبة ومبادرات قابلة للذوبان في الزيت، ويتم التحكم في سرعة الدوران عند 210-400 دورة/دقيقة، يمكن الحصول على كريات مجهرية من PMMA بحجم جسيم موحد في ظل ظروف معتدلة نسبيًا، وهي ظروف التفاعل المثالية. تظهر الكرات المجهرية PMMA الناتجة في الشكل 4.

الشكل 4 صورة المجهر الإلكتروني PMMA

3.طريقة التجميع المتشتت

تعد البلمرة التشتتية طريقة فعالة لإعداد كرات مجهرية أحادية التشتت بحجم جسيم يتراوح بين 1-15 ميكرومتر، والتي لها تطبيقات واسعة في تحليل الأدوية، وتخليق البروتين، وشاشات العرض المسطحة، والتحليل الكروماتوغرافي.

يشير مصطلح بلمرة التشتت عادةً إلى طريقة بلمرة يتم فيها إذابة المونومرات في وسط التشتت، في حين يكون البوليمر الناتج غير قابل للذوبان في وسط التشتت ويتم تثبيته بمساعدة مثبتات الفراغ (المشتتات). إنه نوع خاص من بلمرة الترسيب مع حجم جسيمات يمكن التحكم فيه. يتميز بخصائص جزيئات البوليمر الكروية الجيدة وحجم الجسيمات الكبير (مقارنة ببلمرة المستحضر) وتوزيع حجم الجسيمات الضيق واللزوجة المنخفضة وما إلى ذلك، ويستخدم بشكل أساسي لإعداد الكرات الدقيقة الوظيفية.

استخدم Jiang Xueliang وآخرون الميثانول/الماء كوسيط للتشتت، والبولي فينيل بيروليدون (PVP) كمشتت، والأزوبيسيسوبوتيرونتريل (AIBN) كمبادر. وفي ظل ظروف عدم وجود حماية من النيتروجين وعدم إضافة عامل تشابك، استخدموا طريقة بلمرة التشتت الثانوي بالتنقيط لإعداد كرات مجهرية صغيرة الحجم أحادية التشتت ذات توزيع ضيق غير متشابك بسهولة وسرعة مع نطاق حجم الجسيمات من 1-4.5 ميكرومتر، وسطح أملس، وكروية جيدة. تظهر صورة المجهر الإلكتروني الماسح في الشكل 5، وعامل التنظيف هو الميثانول.

الشكل 1 صورة مجهر مسح إلكتروني لكرات مجهرية من ميثاكريلات البولي ميثيل (PMMA) (أ) كرات مجهرية من ميثاكريلات البولي ميثيل غير مغسولة؛ ب، ج، د كرات مجهرية من ميثاكريلات البولي ميثيل تم تنظيفها عدة مرات)

أمثلة على تطبيقات PMMA

بسبب الخصائص الفريدة التي تتمتع بها الكريات الدقيقة PMMA، فهي تستخدم على نطاق واسع في المجالات التالية.

(1) مستحضرات التجميل: تحسين السيولة؛ إحساس جيد باللمس وقابلية التشتت؛ أداء الانقراض

(2) الطلاء والحبر: عامل مقاوم للخدش؛ تحسين ملمس اليد؛ عامل مقاوم للتآكل؛ عامل نسيج

(3) السيراميك: عوامل تشكيل المسام

(4) فيلم انتشار الضوء: لوحة انتشار الضوء، عامل انتشار الضوء

(5) LCD: كرات صغيرة معزولة لشاشة LCD

(6) الفيلم: عامل مضاد للالتصاق؛ يمكن استخدامه لأفلام PP وPE وPET

(7) أخرى: يمكن استخدامه أيضًا كحشو ومعدل للبلاستيك والمطاط والمواد اللاصقة والورق الحساس للضغط.