Che cos'è un reattore a resina a base d'acqua: emulsione e disegno riduttibile in acqua

Rispondendo alla domanda fondamentale:Cos'è un reattore a resina a base d'acqua?Un reattore a resina a base d'acqua è un recipiente agitato con giacca, di solito in acciaio inossidabile da 316L con un condensatore di reflusso e un sistema di alimentazione a semilato, in cui una resina viene prodotta come emulsione acquosa,come soluzione riducibile in acquaL'emulsione polimerizzante costruisce il polimero in acqua a 60-90°C utilizzando un tensioattivo e un iniziatore idrosolubile.che producono particelle di 80-500 nm a 40-60% di solidi senza sostanzialmente alcun co-solventeLe resine riducibili in acqua vengono prima costruite in solvente a 80-150°C a un valore acido di 35-60 mg KOH/g, poi neutralizzate al 70-100% con un'amina e lasciate scendere in acqua.Le dispersioni di poliuretano sono costruite come prepolimero e poi invertite in acqua a 50-90°CIl disegno è dominato non dalla chimica ma dal controllo della schiuma, dalla rimozione del calore attraverso un condensatore di reflusso e dal fatto che l'acqua ha un calore di vaporificazione molto più elevato del solvente.

1Le tre rotte idroponiche e le loro richieste di reattori

Ogni via produce un colloide fondamentalmente diverso, e il reattore deve essere progettato per quel colloide piuttosto che solo per la reazione:

• Emulsione polimerizzata:Il monomero viene emulsionato in acqua con un tensioattivo superiore alla sua concentrazione critica di micelle e un iniziatore idrosolubile, in genere persolfato di ammonio o potassio,genera radicali che entrano nelle micelle e iniziano le catene lìIl risultato è un lattice di particelle da 80 a 500 nm a 40-60% di solidi, con una viscosità molto bassa anche ad alto peso molecolare,perché la viscosità di un lattice dipende dall'imballaggio delle particelle piuttosto che dalla lunghezza della catenaQuesto è il singolo vantaggio più importante del percorso e la ragione per cui domina i rivestimenti e gli adesivi architettonici.Il reattore è un recipiente a semilato in cui il monomero preemulsionato e l'iniziatore vengono alimentati per 2-6 ore, che mantiene il rilascio di calore all'interno della capacità della giacca e del reflusso e permette allo stesso tempo al produttore di progettare la composizione di ogni particella,ad esempio, alimentando un monomero duro in seguito per creare una struttura di nucleo-conchiglia.
• Resine riducibili in acqua:Qui il polimero viene costruito mediante policondensazione convenzionale o polimerizzazione dei radicali liberi in un co-solvente miscibile con l'acqua, come un etere di glicolo o un alcol, a 80-150 °C.I gruppi carbossilici sono deliberatamente incorporati nella catena fino a un valore acido di 35-60 mg KOH/g, e il polimero finito viene neutralizzato con un'amina, in genere dimetiletanolamina o trietilamina, al 70-100% del fabbisogno teorico.I gruppi carbossili neutralizzati rendono dispersibile il polimero, e l'acqua viene aggiunta sotto agitazione fino a quando il sistema si inverte da una soluzione di resina in solvente a una dispersione di resina in acqua.viscosità passa attraverso un massimo pronunciato come le fasi invertono, quindi il reattore e l'agitatore devono essere dimensionati per quel picco, non per il prodotto finale a bassa viscosità.Questo è il motivo per cui questa rotta è stata sostituita da vere emulsioni dove le normative sono più strette.
• Dispersioni di poliuretano:Un PUD è prodotto costruendo prima un prepolimero terminato con isocianato da un diisocianato, un poliolo e un estensore della catena dell'acido dimetilolpropionico che trasporta il gruppo ionico, a 50-90 °C,di solito con una piccola quantità di solvente o nulla per controllare la viscositàIl prepolimero viene quindi neutralizzato e disperso in acqua, dove viene esteso in catena con una diamina.l'estensione della catena desiderata con la diamina, che è veloce, e la reazione indesiderata dell'isocianato con l'acqua, che genera anidride carbonica e provoca schiuma e pressione.Il reattore deve quindi sopportare un improvviso aumento della viscosità all'inversioneLa manipolazione dell'isocianato richiede anche materie prime secche, poiché l'acqua è un reattivo, e un rigoroso controllo della temperatura.poiché le reazioni sono esotermiche.
• Controllo della schiuma, della sporcizia e dei volatili:I reattori ad acqua condividono tre problemi che i reattori a solvente evitano in gran parte.perché i tensioattivi e il lattice stabilizzato producono una schiuma persistente che può riempire lo spazio di vapore e essere trasportata nel condensatore■ la risposta progettuale è un generoso spazio di vapore, un defoamer meccanico o un spazzatore di schiuma per i casi gravi e un dosaggio anti schiuma attentamente controllato,poiché il sovradosaggio provoca difetti superficiali nella pellicola. impollinazione, perché la riproduzione del polimero all'interfaccia vapore-liquido e sulla parete produce ghiaia che appare come macchie nel rivestimento finito;la risposta è di superfici elettropulizzate o rivestite di vetro, la copertura della giacca al di sopra del livello del liquido e un ciclo di pulizia definito.000 ppm mediante depurazione a vapore o con una caccia chimica con iniziatore aggiuntivo, che richiede un sistema di vuoto e uno scrubber di ventilazione.

2Caratteristiche di progettazione del reattore per il servizio in acqua

Quattro caratteristiche distinguono un reattore a resina a base d'acqua da uno a base di solvente:

• Dimensioni del condensatore di reflusso:In un reattore a solvente il condensatore di riflusso è dimensionato per il carico di vapore di solvente al picco, il che è semplice.perché l'acqua ha un calore latente di evaporazione di 2Per eliminare una determinata quantità di calore mediante l'acqua bollente è necessaria una massa molto minore, ma il carico volumetrico del vapore a bassa pressione è enorme.Un condensatore di dimensioni di esperienza sul solvente sarà gravemente sottocosto per il servizio idricoI progettisti misurano quindi il condensatore a partire dal picco di rilascio di calore, utilizzando il volume specifico effettivo del vapore acqueo alla pressione di funzionamento,e spesso specificano una linea di vapore più grande e una caduta di pressione più bassa di quanto suggerisce l' intuizione, poiché ogni contropressione aumenta il punto di ebollizione e quindi la temperatura di reazione.
• Agitazione per inversione e picchi di alta viscosità:L'agitatore deve avere un profilo di viscosità molto diverso da quello di un sistema a solvente.e un semplice motore a lama inclinata o ad alico con deflettori funziona beneUn processo idroreducibile o un processo PUD non lo è, perché la viscosità passa attraverso un massimo acuto al punto di inversione di fase,a volte raggiungono 10-100 Pa·s per un breve periodo in un recipiente il cui prodotto finale è inferiore a 1 Pa·s. l'agitatore e l'azionamento devono essere dimensionati per tale picco, in genere con un'ancora o un nastro elicoidale,o con una disposizione coassiale di un dispergatore ad alta capacità di taglio per l'inversione e un'ancora lenta per la miscelazione a sferoSottostimare l'azionamento a questo punto è il motivo più comune per cui una pianta idroelettrica non può raggiungere i solidi progettati.
• Materiali e finitura superficiale:L'acciaio inossidabile 316L è lo standard, e per molti prodotti idrici la finitura superficiale è più importante della lega.8 micrometri Ra, riduce l'adesione della pellicola polimerica e facilita notevolmente la pulizia, il che è importante perché in un impianto multiprodotto il ciclo di pulizia può consumare il 20-40% del tempo disponibile.L'acciaio rivestito di vetro è utilizzato quando la formulazione è acida o quando la contaminazione da ferro potrebbe causare problemi di colore o stabilità- in tutti i casi la progettazione deve eliminare le crepe: valvole di fondo montate a scarico anziché in profondità, supporti interni saldati anziché avvitati, senza gambe morte nelle linee di alimentazione o di uscita,perché qualsiasi sacca in cui il prodotto può stagnare alla fine produrrà una particella di gel che contamina il prossimo lotto.
• Controllo della temperatura e strategia di alimentazione:Le reazioni ad acqua vengono eseguite a 60-90 °C per i sistemi di emulsione, e il controllo entro 1-2 °C è ciò che fornisce una dimensione delle particelle coerente, peso molecolare e temperatura minima di formazione del film.La strategia e' semi-batch.: il monomero o il prepolimero viene alimentato per 2-6 ore in modo che il rilascio di calore istantaneo corrisponda alla capacità di rientro e di reflusso,e l'iniziatore viene alimentato separatamente in modo che il flusso radicale possa essere regolato indipendentemente dal monomeroPoiché le proprietà del polimero dipendono dalla nucleazione delle particelle nei primi minuti, la carica iniziale deve essere riscaldata con precisione e la fase di semina mantenuta con precisione prima dell'inizio dell'alimentazione.Le piante aggiungono uno stadio post-polimerizzazione o di caccia con un iniziatore aggiuntivo per abbassare il monomero residuo, seguita da una depurazione a vapore sotto vuoto ove lo richiedono le specifiche, e quindi da una filtrazione attraverso un filtro a sacchetto o a cartuccia per rimuovere qualsiasi grana prima che il prodotto vada allo stoccaggio.

Matrice di confronto delle rotte delle resine in acqua

Domande frequenti (FAQ)

D: Qual è la differenza tra una resina di emulsione e una resina riducibile in acqua?

R: La differenza sta nel luogo in cui il polimero è prodotto e nel modo in cui è stabilizzato in acqua.che producono particelle di 80-500 nm stabilizzate da tensioattivoIn una resina riducibile in acqua, il polimero viene costruito prima, in un co-solvente,e viene quindi reso dispersibile neutralizzando i gruppi di acidi carbossilici incorporati nella catena; l'aggiunta di acqua inverte il sistema in una dispersione con 5-20% di co-solvente e una viscosità fortemente dipendente dal peso molecolare.Le conseguenze pratiche sono che le emulsioni danno un contenuto inferiore di composti organici volatili e un peso molecolare più elevato a viscosità praticabile., mentre le resine riducibili in acqua danno una migliore formazione di pellicola, lucentezza e flusso, motivo per cui rimangono preferite per le finiture industriali a forno.

D: Perché la viscosità aumenta durante l'aggiunta di acqua in alcune resine acquose?

R: Perché il sistema sta subendo un'inversione di fase.e aggiungere più acqua aumenta solo il volume dispersoAl punto di inversione le fasi si scambiano: la resina diventa la fase dispersa e l'acqua diventa continua.Poco prima di questo punto il volume di fase dispersa raggiunge in genere il 60-75%, a quel punto le goccioline sono imballate così strettamente che la viscosità aumenta drasticamente, a volte di uno o due ordini di grandezza su un ristretto intervallo di aggiunta di acqua.Immediatamente dopo l'inversione la viscosità crolla- per una lavorazione di successo occorre aggiungere acqua lentamente attraverso il picco, e richiede un agitatore e un'unità dimensionati per quella viscosità di picco piuttosto che per il prodotto finale,Dato che un motore di dimensioni ridotte si blocca esattamente nel momento in cui il recipiente ha più bisogno di mescolare.

D: Come si controlla la formazione di schiuma in un reattore a resina a base d'acqua?

A: Quattro misure, applicate in ordine di incremento dell'intervento: formulazione: scelta di un sistema tensioattivo a bassa tendenza alla schiuma e aggiunta di un defoamer, in genere di silicone,olio minerale o tipo di polimero non siliconicoProcesso: alimentazione sotto la superficie del liquido piuttosto che su di essa, evitando cascate e spruzzi e limitando l'intensità di agitazione durante i periodi in cui non è necessaria la dispersione.Meccanica: fornire un generoso spazio di vapore, in genere del 25-40% del volume del recipiente,e nei casi più gravi, un rompiscuma meccanico sull'albero dell'agitatore o un defoamer ad ultrasuoni o centrifugo nella condotta di vapore- e operativo: applicare il vuoto lentamente durante lo stripping, poiché la rapida riduzione della pressione espandono la schiuma esistente in modo drammatico.visuale e scarsa adesione del rivestimento intercoat nella pellicola finita, in modo che la dose sia ottimizzata mediante una prova di estrazione piuttosto che semplicemente aumentata fino alla scomparsa della schiuma.

D: Qual è la temperatura minima di formazione del film e perché è importante?

R: La temperatura minima di formazione del film, o MFFT, è la temperatura più bassa alla quale un lattice si fonderà in una pellicola continua e trasparente mentre l'acqua evapora,misurato su una barra di gradiente con una termocoppia in ciascun puntoSotto il MFFT le particelle si accumulano ma non deformano e si fondono, così il rivestimento si asciuga fino a formare un film polveroso, spaccato e opaco con scarse proprietà di barriera e di adesione.È importante perché stabilisce la temperatura di applicazione più bassa per un rivestimento, e perché è determinata dalla temperatura di transizione vetrosa del polimero, che a sua volta è determinata dalla composizione monomerica scelta nel reattore.I formulatori sono generalmente progettati per una MFFT di 0-10°C per la vernice architettonica, quindi aggiungere un solvente di coalescenza per abbassare temporaneamente il MFFT efficace durante l'essiccazione; i limiti dei composti organici volatili sui coalescenti sono un fattore importante dello sviluppo attuale di resine acquose.