راکتور رزین پایه آب چیست: طراحی امولسیون و قابل رقیق شدن با آب

پاسخ به سوال اصلی:راکتور رزین پایه آب چیست؟ یک راکتور رزین پایه آب یک مخزن همزن دار با ژاکت، معمولاً از فولاد ضد زنگ 316L با کندانسور رفلاکس و سیستم تغذیه نیمه بچ، است که در آن رزین به صورت امولسیون آبی، محلول قابل رقیق شدن با آب، یا پراکنده پلی یورتان تولید می شود. این سه روش اساساً متفاوت هستند. پلیمریزاسیون امولسیونی پلیمر را در آب در دمای 60-90 درجه سانتیگراد با استفاده از سورفکتانت و آغازگر محلول در آب می سازد و ذراتی به اندازه 80-500 نانومتر با 40-60 درصد جامد و تقریباً بدون حلال مشترک تولید می کند. رزین های قابل رقیق شدن با آب ابتدا در حلال در دمای 80-150 درجه سانتیگراد تا عدد اسیدی 35-60 میلی گرم KOH/g ساخته می شوند، سپس 70-100 درصد با آمین خنثی شده و در آب رقیق می شوند. پراکنده های پلی یورتان به صورت پیش پلیمر ساخته شده و سپس در دمای 50-90 درجه سانتیگراد در آب معکوس می شوند. طراحی عمدتاً توسط شیمی تعیین نمی شود، بلکه توسط کنترل کف، دفع حرارت از طریق کندانسور رفلاکس و این واقعیت که آب گرمای تبخیر بسیار بالاتری نسبت به حلال دارد، تعیین می شود.

1. سه روش پایه آب و نیازهای راکتور آنها

هر روش یک کلوئید اساساً متفاوت تولید می کند و راکتور باید برای آن کلوئید طراحی شود نه فقط برای واکنش:

• پلیمریزاسیون امولسیونی: مونومر در آب با سورفکتانت بالاتر از غلظت بحرانی میسل امولسیون می شود و یک آغازگر محلول در آب، معمولاً پرسولفات آمونیوم یا پتاسیم، رادیکال هایی تولید می کند که وارد میسل ها شده و زنجیره ها را در آنجا شروع می کنند. نتیجه یک لاتکس با ذرات 80-500 نانومتر در 40-60 درصد جامد، با ویسکوزیته بسیار پایین حتی در وزن مولکولی بالا است، زیرا ویسکوزیته لاتکس به بسته بندی ذرات بستگی دارد نه به طول زنجیره. این مهمترین مزیت این روش است و دلیل تسلط آن در پوشش های معماری و چسب ها. راکتور یک مخزن نیمه بچ است که در آن مونومر از قبل امولسیون شده و آغازگر به مدت 2-6 ساعت تغذیه می شود، که باعث می شود آزادسازی حرارت در محدوده ظرفیت ژاکت و رفلاکس باقی بماند و همزمان به تولید کننده اجازه می دهد تا ترکیب هر ذره را مهندسی کند، به عنوان مثال با تغذیه مونومر سخت تر در اواخر برای ایجاد ساختار هسته-پوسته.
• رزین های قابل رقیق شدن با آب: در اینجا پلیمر با استفاده از پلیمریزاسیون تراکمی یا رادیکال آزاد معمولی در یک حلال مشترک قابل اختلاط با آب مانند گلیکول اتر یا الکل، در دمای 80-150 درجه سانتیگراد ساخته می شود. گروه های کربوکسیل به طور عمدی در زنجیره تا عدد اسیدی 35-60 میلی گرم KOH/g ساخته می شوند و پلیمر نهایی با آمین، معمولاً دی متیل اتانول آمین یا تری اتیل آمین، تا 70-100 درصد نیاز نظری خنثی می شود. گروه های کربوکسیل خنثی شده پلیمر را قابل پراکنده می کنند و آب تحت هم زدن اضافه می شود تا زمانی که سیستم از محلول رزین در حلال به پراکنده رزین در آب معکوس شود. نقطه معکوس شدن قابل مشاهده و حیاتی است: ویسکوزیته از یک حداکثر برجسته عبور می کند زیرا فازها معکوس می شوند، بنابراین راکتور و همزن باید برای آن پیک، نه برای محصول نهایی با ویسکوزیته پایین، اندازه گذاری شوند. محتوای حلال مشترک معمولاً 5-20 درصد است، به همین دلیل این روش در جایی که مقررات سختگیرانه تر است توسط امولسیون های واقعی جایگزین می شود.
• پراکنده‌های پلی یورتان: یک PUD با ساختن ابتدا یک پیش پلیمر با پایان ایزوسیانات از یک دی ایزوسیانات، یک پلی ال و یک عامل کشش زنجیره اسید دی متیل ال پروپیونیک که گروه یونی را حمل می کند، در دمای 50-90 درجه سانتیگراد، معمولاً با مقدار کمی حلال یا بدون حلال برای کنترل ویسکوزیته ساخته می شود. سپس پیش پلیمر خنثی شده و در آب پراکنده می شود، جایی که با یک دی آمین زنجیره کشیده می شود. مرحله پراکنده سازی یک رقابت بین دو واکنش است: زنجیره کشی مورد نظر با دی آمین که سریع است، و واکنش ناخواسته ایزوسیانات با آب که دی اکسید کربن تولید کرده و باعث کف و فشار می شود. بنابراین راکتور باید بتواند افزایش ناگهانی ویسکوزیته را در هنگام معکوس شدن، پراکنده سازی سریع با برش بالا، و تخلیه یا مدیریت دی اکسید کربن را تحمل کند. مدیریت ایزوسیانات همچنین به مواد اولیه خشک نیاز دارد، زیرا آب یک واکنش دهنده است، و کنترل دقیق دما، زیرا واکنش ها گرمازا هستند.
• کنترل کف، گرفتگی و مواد فرار: راکتورهای پایه آب سه مشکل مشترک دارند که مخازن پایه حلال عمدتاً از آنها اجتناب می کنند. کف، زیرا سورفکتانت ها و لاتکس پایدار کف پایدار ایجاد می کنند که می تواند فضای بخار را پر کرده و به کندانسور منتقل شود؛ پاسخ طراحی فضای بخار سخاوتمندانه، یک کف زدا مکانیکی یا یک شکننده کف برای موارد شدید، و دوزینگ دقیق ضد کف، زیرا دوز بیش از حد باعث نقص سطح در فیلم می شود. گرفتگی، زیرا فیلم شدن پلیمر در سطح بخار-مایع و روی دیوار باعث ایجاد شن می شود که به صورت لکه در پوشش نهایی ظاهر می شود؛ پاسخ سطوح پولیش شده الکتریکی یا روکش شیشه ای، پوشش ژاکت بالاتر از سطح مایع و یک چرخه تمیز کردن تعریف شده است. و مواد فرار، زیرا مونومر باقیمانده و حلال مشترک باید تا کمتر از 100-1000 ppm با بخار زدایی یا با یک تعقیب شیمیایی با آغازگر اضافی حذف شوند، که نیاز به سیستم خلاء و اسکرابر بخار دارد.

2. ویژگی های طراحی راکتور برای سرویس پایه آب

چهار ویژگی یک راکتور رزین پایه آب را از یک راکتور پایه حلال متمایز می کند:

• اندازه گذاری کندانسور رفلاکس: در یک راکتور پایه حلال، کندانسور رفلاکس برای بار بخار حلال در حداکثر نرخ، که ساده است، اندازه گذاری می شود. در یک راکتور پایه آب، همین وظیفه بسیار دشوارتر است، زیرا آب دارای گرمای نهان تبخیر 2257 کیلوژول بر کیلوگرم در مقابل 300-600 کیلوژول بر کیلوگرم برای حلال های معمولی است، بنابراین حذف مقدار معینی گرما با جوشاندن آب به جرم بسیار کمتری نیاز دارد اما بار حجمی بخار در فشار پایین عظیم است. کندانسوری که بر اساس تجربه حلال اندازه گذاری شده باشد برای سرویس آب به شدت کوچک خواهد بود. بنابراین طراحان کندانسور را بر اساس حداکثر نرخ آزادسازی حرارت، با استفاده از حجم ویژه بخار آب واقعی در فشار عملیاتی، اندازه گذاری می کنند و اغلب خط بخار بزرگتر و افت فشار کمتری نسبت به آنچه شهود نشان می دهد، مشخص می کنند، زیرا هرگونه فشار برگشتی نقطه جوش و در نتیجه دمای واکنش را افزایش می دهد.
• هم زدن برای معکوس شدن و پیک های ویسکوزیته بالا: همزن باید با پروفیل ویسکوزیته ای که با سیستم حلال بسیار متفاوت است، مقابله کند. پلیمریزاسیون امولسیونی آسان است، زیرا لاتکس در تمام طول نازک باقی می ماند و یک پروانه ساده با تیغه شیب دار یا هیدروفویل با بافل به خوبی کار می کند. یک فرآیند رزین قابل رقیق شدن با آب یا PUD اینطور نیست، زیرا ویسکوزیته در نقطه معکوس شدن فاز از یک حداکثر تیز عبور می کند، گاهی اوقات برای مدت کوتاهی به 10-100 پاسکال ثانیه در مخزنی که محصول نهایی آن کمتر از 1 پاسکال ثانیه است، می رسد. همزن و درایو باید برای آن پیک، معمولاً با یک لنگر یا یک روبان مارپیچی، یا با یک آرایش هم محور از یک پراکنده کننده برش بالا برای معکوس شدن و یک لنگر کند برای اختلاط حجمی، اندازه گذاری شوند. کوچک بودن درایو در این نقطه شایع ترین دلیل عدم توانایی یک کارخانه پایه آب در رسیدن به جامدات طراحی شده آن است.
• مواد و پرداخت سطح: فولاد ضد زنگ 316L استاندارد است و برای بسیاری از محصولات پایه آب، پرداخت سطح بیش از آلیاژ اهمیت دارد. سطح پولیش شده مکانیکی یا پولیش شده الکتریکی، معمولاً کمتر از 0.8 میکرومتر Ra، چسبندگی فیلم پلیمر را کاهش داده و تمیز کردن را بسیار آسان تر می کند، که مهم است زیرا در یک کارخانه چند محصولی، چرخه تمیز کردن می تواند 20-40 درصد از زمان موجود را مصرف کند. فولاد روکش شیشه ای در مواردی که فرمولاسیون اسیدی است یا آلودگی آهن باعث مشکلات رنگ یا پایداری می شود، استفاده می شود. در همه موارد، طراحی باید از شکاف ها جلوگیری کند: شیرهای پایین نصب شده همسطح به جای شیرهای فرورفته، پشتیبانی های داخلی جوش داده شده به جای پیچ شده، و عدم وجود نقاط مرده در خطوط تغذیه یا خروجی، زیرا هر جیبی که محصول در آن راکد شود، در نهایت یک ذره ژل تولید می کند که دسته بعدی را آلوده می کند.
• کنترل دما و استراتژی تغذیه: واکنش های پایه آب در دمای 60-90 درجه سانتیگراد برای سیستم های امولسیونی انجام می شوند و کنترل در محدوده 1-2 درجه سانتیگراد، اندازه ذرات، وزن مولکولی و حداقل دمای تشکیل فیلم را تضمین می کند. استراتژی نیمه بچ است: مونومر یا پیش پلیمر به مدت 2-6 ساعت تغذیه می شود تا آزادسازی حرارت لحظه ای با ظرفیت ژاکت و رفلاکس مطابقت داشته باشد و آغازگر به طور جداگانه تغذیه می شود تا شار رادیکال ها مستقل از مونومر تنظیم شود. از آنجایی که خواص پلیمر به هسته زایی ذرات در چند دقیقه اول بستگی دارد، شارژ اولیه باید با دقت گرم شود و مرحله بذر قبل از شروع تغذیه دقیقاً حفظ شود. کارخانه ها یک مرحله پس از پلیمریزاسیون یا تعقیب با آغازگر اضافی برای کاهش مونومر باقیمانده اضافه می کنند، و سپس در صورت نیاز مشخصات، بخار زدایی تحت خلاء انجام می شود و سپس از طریق فیلتر کیسه ای یا کارتریجی فیلتر می شود تا هرگونه شن قبل از انتقال محصول به انبار حذف شود.

ماتریس مقایسه مسیرهای رزین پایه آب

سوالات متداول (FAQ)

س: تفاوت بین رزین امولسیونی و رزین قابل رقیق شدن با آب چیست؟

پ: تفاوت در محل ساخت پلیمر و نحوه پایدارسازی آن در آب است. در امولسیون، پلیمر در داخل ذرات در آب از طریق پلیمریزاسیون رادیکال آزاد ساخته می شود و ذراتی به اندازه 80-500 نانومتر تولید می کند که توسط سورفکتانت پایدار می شوند، با تقریباً بدون حلال مشترک و با ویسکوزیته ای که مستقل از وزن مولکولی است. در رزین قابل رقیق شدن با آب، پلیمر ابتدا در یک حلال مشترک ساخته می شود و سپس با خنثی کردن گروه های اسید کربوکسیلیک ساخته شده در زنجیره، قابل پراکنده می شود؛ افزودن آب سیستم را به یک پراکنده با 5-20 درصد حلال مشترک و ویسکوزیته ای که به شدت به وزن مولکولی بستگی دارد، معکوس می کند. پیامدهای عملی این است که امولسیون ها محتوای ترکیبات آلی فرار کمتر و وزن مولکولی بالاتری را در ویسکوزیته قابل کار ارائه می دهند، در حالی که رزین های قابل رقیق شدن با آب تشکیل فیلم، براقیت و جریان بهتری را ارائه می دهند، به همین دلیل آنها برای پوشش های صنعتی پخته شده ترجیح داده می شوند.

س: چرا ویسکوزیته در طول افزودن آب در برخی رزین های پایه آب افزایش می یابد؟

پ: زیرا سیستم در حال گذراندن معکوس شدن فاز است. قبل از معکوس شدن، آب به صورت قطرات در داخل یک فاز پیوسته رزین به علاوه حلال پراکنده می شود و افزودن آب بیشتر فقط حجم پراکنده را افزایش می دهد که ویسکوزیته را به طور مداوم افزایش می دهد. در نقطه معکوس شدن فازها جابجا می شوند: رزین فاز پراکنده می شود و آب پیوسته می شود. درست قبل از آن نقطه، حجم فاز پراکنده معمولاً به 60-75 درصد می رسد، در این نقطه قطرات آنقدر نزدیک به هم بسته بندی می شوند که ویسکوزیته به شدت افزایش می یابد، گاهی اوقات یک تا دو مرتبه در یک محدوده باریک از افزودن آب. بلافاصله پس از معکوس شدن، ویسکوزیته فرو می ریزد. پردازش موفقیت آمیز نیاز به افزودن آهسته آب در طول پیک و نیاز به همزن و درایو اندازه گذاری شده برای آن ویسکوزیته پیک به جای محصول نهایی دارد، زیرا درایو کوچک شده دقیقاً در لحظه ای که مخزن بیشترین نیاز به اختلاط را دارد، متوقف می شود.

س: چگونه کف در راکتور رزین پایه آب کنترل می شود؟

پ: چهار اقدام، به ترتیب افزایش مداخله. فرمولاسیون: انتخاب سیستم سورفکتانت با تمایل کم به کف و افزودن یک کف زدا، معمولاً یک سیلیکون، روغن معدنی یا نوع پلیمر غیر سیلیکونی، در 0.05-0.5 درصد. فرآیند: تغذیه زیر سطح مایع به جای روی آن، اجتناب از ریزش و پاشش، و محدود کردن شدت هم زدن در دوره هایی که نیازی به پراکنده سازی نیست. مکانیکی: فراهم کردن فضای بخار سخاوتمندانه، معمولاً 25-40 درصد حجم مخزن، و در موارد شدید یک شکننده کف مکانیکی روی شفت همزن یا یک کف زدا اولتراسونیک یا گریز از مرکز در خط بخار. و عملیاتی: اعمال آهسته خلاء در طول بخار زدایی، زیرا کاهش فشار سریع کف موجود را به شدت گسترش می دهد. دوز بیش از حد کف زدا یک خطر واقعی است، زیرا باعث ایجاد حفره، چشم ماهی و چسبندگی ضعیف بین لایه ای در فیلم نهایی می شود، بنابراین دوز با تست کشش بهینه می شود نه اینکه به سادگی تا زمانی که کف از بین برود افزایش یابد.

س: حداقل دمای تشکیل فیلم چیست و چرا اهمیت دارد؟

پ: حداقل دمای تشکیل فیلم، یا MFFT، پایین ترین دمایی است که در آن یک لاتکس می تواند به یک فیلم پیوسته و شفاف هنگام تبخیر آب تبدیل شود، که بر روی یک میله شیب دار با ترموکوپل در هر نقطه اندازه گیری می شود. زیر MFFT ذرات بسته بندی می شوند اما تغییر شکل نمی دهند و ذوب نمی شوند، بنابراین پوشش به یک فیلم پودری، ترک خورده، مات با خواص مانع و چسبندگی ضعیف خشک می شود. این مهم است زیرا پایین ترین دمای کاربرد یک پوشش را تعیین می کند و زیرا توسط دمای انتقال شیشه ای پلیمر تعیین می شود که به نوبه خود توسط ترکیب مونومر انتخاب شده در راکتور تعیین می شود. فرمولاتورها معمولاً برای MFFT 0-10 درجه سانتیگراد برای رنگ های معماری طراحی می کنند، سپس یک حلال همبسته کننده اضافه می کنند تا MFFT مؤثر را به طور موقت در طول خشک شدن کاهش دهند؛ محدودیت های ترکیبات آلی فرار بر روی همبسته کننده ها یک محرک اصلی توسعه فعلی رزین های پایه آب هستند.