|
راکتور لاستیکی چیست: پلیمریزاسیون لاستیک مصنوعی، طراحی و کاربردها
| مقدار تولیدی: | 1 مجموعه |
| قیمت: | 10000 USD |
| دوره تحویل: | 2 ماه |
| روش پرداخت: | L/C، T/T |
| ظرفیت تامین: | 200 مجموعه در روز |
طراحی راکتور پلیمریزاسیون لاستیک
,کاربردهای راکتور لاستیک مصنوعی
,راکتور لاستیکی فولاد ضد زنگ
راکتور سیلیکونی چیست: شیمی سیلکسان، پیکربندی‌ها و مقیاس‌بندی
پاسخ به سوال اصلی:راکتور سیلیکونی چیست؟راکتور سیلیکونی ظرف یا ماشینی است که کلروسیلان‌ها یا سیلکسان‌های حلقوی را به پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان و کوپلیمرهای آن تبدیل می‌کند و شامل هیدرولیز، پلیمریزاسیون تعادلی باز شدن حلقه، خنثی‌سازی کاتالیزور و جداسازی خلاء است. دو شیمی متمایز طراحی را شکل می‌دهند. هیدرولیز سریع، به شدت گرمازا است و اسید هیدروکلریک آزاد می‌کند، بنابراین به مقاومت در برابر خوردگی و مدیریت گاز نیاز دارد. پلیمریزاسیون تعادلی از نظر ترمودینامیکی کنترل می‌شود و در دمای 140-180 درجه سانتی‌گراد با 10-100 قسمت در میلیون کاتالیزور سیلانولیت پتاسیم انجام می‌شود و برگشت‌پذیر است، بنابراین در حالت تعادل محتویات راکتور همچنان حاوی 10-18٪ سیلکسان‌های حلقوی است که باید در دمای 150-200 درجه سانتی‌گراد تحت فشار 1-10 میلی‌بار تا 100-1000 قسمت در میلیون جدا شوند. دامنه مهندسی تعیین‌کننده ویسکوزیته است: همان خانواده محصول از یک سیال 10 سانتی‌پویز تا یک صمغ 1,000,000 سانتی‌پویز را پوشش می‌دهد که معادل درجه پلیمریزاسیون از حدود 10 تا بیش از 10,000 است، به همین دلیل هیچ همزن یا نوع راکتور واحدی برای کل دامنه مناسب نیست.
1. شیمی سیلکسان که وظیفه راکتور را تعیین می‌کند
چهار ویژگی شیمیایی پردازش سیلیکون را از سایر پلیمریزاسیون‌ها متمایز می‌کند:
- هیدرولیز و تراکم سیلانول: مسیر صنعتی با واکنش دی‌متیل‌دی‌کلروسیلان با آب برای تولید مخلوطی از الیگومرهای خطی با پایان سیلانول و گونه‌های حلقوی آغاز می‌شود و به ازای هر مول کلروسیلان دو مول اسید هیدروکلریک آزاد می‌کند. واکنش سریع و به شدت گرمازا است و اسید هیدروکلریک در تماس با هرگونه رطوبت اسید هیدروکلریک تشکیل می‌دهد، بنابراین این مرحله به ساختار مقاوم در برابر خوردگی، معمولاً فولاد با روکش شیشه، هستلوی یا روکش فلوروپلیمر، به علاوه یک سیستم جذب و شستشو برای گاز خروجی نیاز دارد. دما زیر حدود 40-60 درجه سانتی‌گراد نگه داشته می‌شود زیرا توزیع بین محصولات خطی و حلقوی و در نتیجه بازده واسطه قابل استفاده را کنترل می‌کند. تراکم بعدی سیلانول‌ها برای افزایش طول زنجیره توسط اسید و باز کاتالیز می‌شود و حتی در دمای اتاق نیز پیش می‌رود، به این معنی که هیدرولیزات واکنش‌پذیر است و نمی‌توان آن را بدون انحراف وزن مولکولی به طور نامحدود ذخیره کرد.
- پلیمریزاسیون تعادلی باز شدن حلقه: پلیمریزاسیون تجاری سیلکسان‌های حلقوی مانند اکتا‌متیل‌تترا‌سیکلو‌سیلوکسان و دکامتیل‌پنتا‌سیکلو‌سیلوکسان را با یک کاتالیزور پایه، معمولاً سیلانولیت پتاسیم در 10-100 قسمت در میلیون، در دمای 140-180 درجه سانتی‌گراد باز می‌کند. مکانیسم یک رشد زنجیره ساده تا تکمیل نیست، بلکه یک توزیع مجدد است که در آن پیوندهای سیلکسان به طور مداوم شکسته و دوباره تشکیل می‌شوند تا زمانی که سیستم به تعادل ترمودینامیکی بین پلیمر خطی و گونه‌های حلقوی برسد. پیامدهای عملی قابل توجه هستند. وزن مولکولی نه با تبدیل، بلکه با مقدار مسدود کننده زنجیره، معمولاً یک سیال کوتاه با پایان تری‌متیل‌سیلوکسی یا هگزامتیل‌دی‌سیلوکسان تعیین می‌شود، بنابراین دستور غذا به جای زمان واکنش، محصول را تعیین می‌کند. دما باید در حدود 1 درجه سانتی‌گراد یکنواخت باشد زیرا تعادل به دما وابسته است و نقاط داغ هم وزن مولکولی و هم محتوای حلقوی را جابجا می‌کنند. و در حالت تعادل 10-18٪ از جرم هنوز حلقوی است و باید جدا شود.
- خنثی‌سازی کاتالیزور و پایداری محصول: از آنجایی که تعادل برگشت‌پذیر و کاتالیز شده است، هر کاتالیزور فعال باقی‌مانده در محصول به توزیع مجدد زنجیره‌ها در طول ذخیره‌سازی ادامه می‌دهد و باعث انحراف ویسکوزیته، بازگشت به حلقه‌ها و در بدترین حالت ژل شدن می‌شود. بنابراین خنثی‌سازی یک مرحله مجزا و حیاتی است: مقدار استوکیومتری اسید فسفریک، فسفات سیلیل، یا دی‌اکسید کربن به همراه آب اضافه می‌شود تا سیلانولیت پتاسیم را به یک نمک غیرفعال تبدیل کند و بچ برای مدت کافی در دما نگه داشته می‌شود تا واکنش کامل شود. کریستال‌های نمک معمولاً برای سیالات در محصول باقی می‌مانند یا برای گریدهای با شفافیت بالا فیلتر می‌شوند. تأیید با یک تست حرارتی تسریع شده انجام می‌شود که در آن یک نمونه به مدت 24 ساعت در دمای 200-250 درجه سانتی‌گراد نگهداری می‌شود و تغییر ویسکوزیته اندازه‌گیری می‌شود؛ یک محصول پایدار کمتر از چند درصد تغییر می‌کند، در حالی که یک محصول ناقص خنثی شده به طور قابل توجهی غلیظ یا رقیق می‌شود.
- جداسازی و حذف حلقوی: جداسازی جایی است که بخش زیادی از سرمایه در یک کارخانه سیلیکون قرار دارد. مخلوط تعادلی باید از 10-18٪ حلقوی به زیر 100-1000 قسمت در میلیون، بسته به گرید و محدودیت‌های نظارتی برای برخی سیلکسان‌های حلقوی کاهش یابد. از آنجایی که پلیمر ویسکوز است، مرحله محدود کننده فشار بخار حلقه‌ها نیست، بلکه انتشار آنها از طریق مذاب به یک سطح آزاد است، بنابراین تجهیزات باید مساحت سطح بزرگی را در خلاء 1-10 میلی‌بار در دمای 150-200 درجه سانتی‌گراد ایجاد و تجدید کنند. تبخیرکننده‌های فیلم پاک شده و فیلم نازک مؤثرترین هستند و کمترین باقی‌مانده را با زمان اقامت کوتاه که تخریب حرارتی را محدود می‌کند، به دست می‌آورند. جداسازی در راکتور با همزن نواری با سطح بالا و اسپارژینگ نیتروژن ارزان‌تر اما کندتر است و باقی‌مانده بالاتری را به دست می‌آورد. مواد فرار برای بازیافت متراکم و بازیابی می‌شوند که هم یک الزام اقتصادی و هم انطباقی است.
2. پیکربندی راکتور از بچ تا پیوسته
پیکربندی بر اساس دامنه ویسکوزیته، توان خروجی و مجموعه محصولات مورد نیاز کارخانه انتخاب می‌شود:
- راکتور همزن بچ: پیکربندی استاندارد برای دامنه سیال و ویسکوزیته متوسط، و برای کارخانه‌هایی که گریدهای زیادی تولید می‌کنند. یک مخزن ژاکت‌دار 500-20,000 لیتری از فولاد ضد زنگ 316L، با یک ژاکت نیمه لوله یا فرورفته و، بالاتر از حدود 50,000 سانتی‌پویز، یک روبان مارپیچی یا ترکیبی هم‌محور از یک دیسپرسر و یک لنگر. راکتورهای بچ انعطاف‌پذیر هستند، امکان تغییر گرید بین کمپین‌ها را فراهم می‌کنند و انتخاب عملی برای محصولات تخصصی، ترکیبات و حجم‌های کوچک هستند. محدودیت‌های آنها انتقال حرارت است، زیرا ضریب دیوار در ویسکوزیته بالا زیر 100 وات بر متر مربع کلوین کاهش می‌یابد، زمان چرخه، زیرا گرمایش، واکنش، خنثی‌سازی و جداسازی همه به صورت متوالی در یک مخزن اتفاق می‌افتند، و تغییرات بچ به بچ، که باید از طریق نظم دستور غذا و یکنواختی دما به جای خود تجهیزات کنترل شود.
- راکتورهای حلقه پیوسته و میکسر استاتیک: برای سیالات استاندارد با حجم بالا، پلیمریزاسیون پیوسته چرخه بچ را به طور کامل حذف می‌کند. طراحی، حلقه‌ها، مسدود کننده زنجیره و کاتالیزور را به یک راکتور حلقه تغذیه می‌کند، اساساً یک خط میکسر استاتیک یا یک حلقه لوله‌ای ژاکت‌دار با گردش مجدد، که در آن مخلوط به دمای 140-180 درجه سانتی‌گراد گرم می‌شود و برای 10-60 دقیقه نگه داشته می‌شود تا به تعادل برسد، سپس از یک میکسر خنثی‌سازی عبور کرده و به یک جداکننده پیوسته می‌رود. راکتورهای میکسر استاتیک به ویژه مناسب هستند زیرا تعادل نیاز به اختلاط شعاعی خوب و زمان اقامت مشخصی دارد نه برش شدید، و یک میکسر استاتیک هر دو را بدون قطعات متحرک و بدون آب‌بندی در منطقه داغ فراهم می‌کند. مزیت آن کاهش ده برابری زمان اقامت، محصول سازگار و ردپای بسیار کوچکتر است؛ محدودیت این است که تغییر گرید مواد انتقالی تولید می‌کند، بنابراین خطوط پیوسته به مجموعه محصولات محدود اختصاص داده می‌شوند.
- راکتور اکسترودر دو پیچ: برای انتهای بالای دامنه ویسکوزیته، و به طور فزاینده‌ای برای پردازش پیوسته بدون حلال، یک اکسترودر دو پیچ هم‌چرخان به عنوان راکتور عمل می‌کند. این دستگاه ویسکوزیته‌هایی را که هیچ مخزن همزن نمی‌تواند مخلوط کند، مدیریت می‌کند، برش شدید و قابل کنترل، تجدید سطح عالی و جداسازی یکپارچه را از طریق چندین دریچه خلاء در طول بشکه، با زمان اقامت تنها 1-5 دقیقه فراهم می‌کند. عناصر پیچ در مناطق ذوب یا تغذیه، واکنش، خاموش کردن کاتالیزور و تهویه پیکربندی شده‌اند، بنابراین کل مسیر در یک دستگاه اجرا می‌شود. مزایای آن برای صمغ‌های با وزن مولکولی بالا و ترکیبات با ویسکوزیته بالا چشمگیر است و زمان اقامت کوتاه تخریب حرارتی را محدود می‌کند. محدودیت‌ها شامل هزینه سرمایه، مهارت مورد نیاز برای طراحی و بهره‌برداری از پروفیل پیچ، و دشواری تمیز کردن بین گریدهای ناسازگار است.
- قوانین مقیاس‌بندی و الزامات پایلوت: مقیاس‌بندی سیلیکون توسط سه کمیت هدایت می‌شود که به طور خطی با حجم مقیاس‌بندی نمی‌شوند. مساحت انتقال حرارت به ازای واحد حجم با افزایش اندازه مخزن کاهش می‌یابد، بنابراین بچی که در یک پایلوت 100 لیتری در یک ساعت خنک می‌شود، ممکن است در یک راکتور 10 متر مکعبی چهار ساعت طول بکشد؛ بنابراین پایلوت باید هندسه انتقال حرارت تولید را مطابقت دهد، نه فقط حجم. زمان اختلاط و زمان ترکیب با افزایش اندازه افزایش می‌یابد، و در رژیم لامینار تعداد دورهای مورد نیاز برای همگنی تقریباً ثابت است، بنابراین یک مخزن بزرگ به یک پروانه هندسی مشابه در سرعت متناسب نیاز دارد که به سرعت با محدودیت‌های گشتاور و شفت مواجه می‌شود. و طول مسیر خلاء افزایش می‌یابد: فاصله ای که یک مولکول فرار باید قبل از رسیدن به یک سطح آزاد منتشر شود افزایش می‌یابد، بنابراین جداسازی مرحله‌ای است که اغلب در مقیاس‌بندی کمتر از حد پیش‌بینی می‌شود. پروژه‌های موفق، مرحله جداسازی را به طور جداگانه در خلاء تولید و ضخامت فیلم پایلوت می‌کنند، به جای استنباط آن از آزمایش‌های راکتور.
ماتریس مقایسه پیکربندی راکتور سیلیکونی
| پیکربندی | قابلیت ویسکوزیته | زمان اقامت | بهترین کاربرد |
|---|---|---|---|
| مخزن همزن بچ | تا حدود 200,000 سانتی‌پویز | 4-12 ساعت در هر بچ | کارخانه‌های چند گرید، تخصصی، ترکیبات |
| حلقه پیوسته / میکسر استاتیک | تا حدود 10,000 سانتی‌پویز | 10-60 دقیقه | سیالات استاندارد با حجم بالا، خطوط اختصاصی |
| راکتور اکسترودر دو پیچ | تا 1,000,000 سانتی‌پویز و صمغ‌ها | 1-5 دقیقه | وزن مولکولی بالا، بدون حلال، ترکیب واکنشی |
| جداکننده فیلم پاک شده | تا 1,000,000 سانتی‌پویز | چند ثانیه تا چند دقیقه | جداسازی حلقوی تا زیر 100-1000 قسمت در میلیون |
سوالات متداول (FAQ)
س: تفاوت هیدرولیز و تعادل در تولید سیلیکون چیست؟
پاسخ: هیدرولیز واکنش یک کلروسیلان با آب برای تولید الیگومرهای با پایان سیلانول و اسید هیدروکلریک است؛ این واکنش سریع، به شدت گرمازا، خورنده است و نسبت واسطه‌های خطی به حلقوی را تعیین می‌کند. تعادل، که پلیمریزاسیون باز شدن حلقه نیز نامیده می‌شود، توزیع مجدد کاتالیزوری بعدی سیلکسان‌های حلقوی و مسدود کننده زنجیره به پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان خطی با وزن مولکولی هدف است؛ این واکنش در دمای 140-180 درجه سانتی‌گراد با 10-100 قسمت در میلیون کاتالیزور پایه انجام می‌شود و برگشت‌پذیر است و به تعادل ترمودینامیکی می‌رسد که همچنان حاوی 10-18٪ حلقه‌ها است. از نظر شیمیایی آنها واکنش‌های متفاوتی هستند و از نظر عملی به تجهیزات متفاوتی نیاز دارند: هیدرولیز به ساختار مقاوم در برابر خوردگی و شستشوی گاز اسیدی نیاز دارد، در حالی که تعادل به کنترل دقیق دما، پراکندگی خوب و مهمتر از همه، قابلیت جداسازی در پایین دست نیاز دارد.
س: چگونه وزن مولکولی پلیمر سیلیکون را کنترل می‌کنید؟
پاسخ: در پلیمریزاسیون تعادلی، وزن مولکولی توسط دستور غذا به جای زمان واکنش یا تبدیل تعیین می‌شود، زیرا سیستم به تعادل ترمودینامیکی می‌رسد که در آن طول زنجیره متوسط توسط نسبت واحدهای سیلکسان به گروه‌های پایان دهنده زنجیره تعیین می‌شود. افزودن مسدود کننده زنجیره بیشتر، معمولاً هگزامتیل‌دی‌سیلوکسان یا یک سیال کوتاه با پایان تری‌متیل‌سیلوکسی، زنجیره‌های کوتاه‌تر و ویسکوزیته پایین‌تر تولید می‌کند؛ کاهش آن زنجیره‌های بلندتر و ویسکوزیته بالاتر تولید می‌کند. این رابطه به اندازه کافی قابل پیش‌بینی است که می‌توان با تنظیم مقدار مسدود کننده، به ویسکوزیته هدف از 10 تا 1,000,000 سانتی‌پویز دست یافت. دما از طریق تأثیر آن بر ثابت تعادل، که دلیل اهمیت یکنواختی در حدود 1 درجه سانتی‌گراد است، اثر ثانویه دارد، و وجود آب یا ناخالصی‌های پروتیک دیگر به عنوان یک مسدود کننده زنجیره کنترل نشده عمل می‌کند، به همین دلیل خوراک‌ها باید خشک شوند و مخزن خشک نگه داشته شود.
س: چرا ویسکوزیته سیلیکون در طول ذخیره‌سازی انحراف پیدا می‌کند؟
پاسخ: انحراف تقریباً همیشه نشانه کاتالیزور باقی‌مانده یا آلودگی است. اگر کاتالیزور سیلانولیت پتاسیم به طور کامل خنثی نشده باشد، واکنش تعادلی به آرامی در درام ادامه می‌یابد و طول زنجیره‌ها را توزیع مجدد کرده و حلقه‌ها را آزاد می‌کند، بنابراین ویسکوزیته تغییر می‌کند و محتوای فرار افزایش می‌یابد. اگر رطوبت وجود داشته باشد، به عنوان یک مسدود کننده زنجیره عمل کرده و ویسکوزیته را کاهش می‌دهد، و در دمای بالا می‌تواند پلیمر را هیدرولیز کرده و باعث برگشت شود. فلزات کمیاب، به ویژه آهن و مس، در دماهای بالاتر از حدود 150 درجه سانتی‌گراد، تخریب اکسیداتیو را کاتالیز می‌کنند و باعث زرد شدن و در نهایت ژل شدن می‌شوند. بررسی‌های استاندارد شامل تست حرارتی تسریع شده برای تشخیص کاتالیزور باقی‌مانده، تیتراسیون کارل فیشر برای آب، و تجزیه و تحلیل فلزات است؛ پیشگیری‌های استاندارد شامل یک مرحله خنثی‌سازی استوکیومتری و به خوبی مخلوط شده، خوراک‌های خشک و ذخیره‌سازی خشک، و انتخاب مواد است که تماس با مس و آهن کنترل نشده را حذف می‌کند.
س: آیا یک راکتور می‌تواند کل طیف محصولات سیلیکونی را تولید کند؟
پاسخ: از نظر تئوری شیمی یکسان است، اما در عمل هیچ پیکربندی واحدی کل دامنه ویسکوزیته را به طور اقتصادی پوشش نمی‌دهد. دلیل آن فیزیک اختلاط است: زیر عدد رینولدز حدود 10، جریان کاملاً لامینار است و پروانه نمی‌تواند تلاطم ایجاد کند، بنابراین اختلاط کاملاً به جابجایی مثبت ماده بستگی دارد. همزنی که برای یک سیال 100 سانتی‌پویز بهینه شده است، یک دیسپرسر با برش بالا، به سادگی در یک صمغ 1,000,000 سانتی‌پویزی بی‌فایده می‌چرخد، در حالی که یک روبان مارپیچی طراحی شده برای صمغ در یک سیال رقیق ناکارآمد و کند است. بنابراین کارخانه‌ها یا از یک همزن هم‌محور با هر دو دیسپرسر با سرعت بالا و لنگر با سرعت پایین در یک مخزن استفاده می‌کنند و مصالحه‌ای را می‌پذیرند، یا فرآیند را تقسیم می‌کنند: سیالات در یک راکتور همزن یا حلقه پیوسته، و صمغ‌ها و لاستیک با قوام بالا در یک اکسترودر دو پیچ یا یک میکسر تیغه سیگما. جداسازی نیز به طور مشابه تقسیم می‌شود، با استفاده از تجهیزات فیلم پاک شده برای گریدهای ویسکوز.
