Qué es un reactor de silicona: química del siloxano, configuraciones y ampliación

Respondiendo a la pregunta central:¿Qué es un reactor de silicona?Un reactor de silicona es un recipiente o máquina que convierte clorosilanos o siloxanos cíclicos en polydimethylsiloxane y sus copolímeros, a través de la hidrólisis, la polimerización de equilibrio de apertura de anillos,neutralización del catalizador y desvolatilización del vacíoLa hidrólisis es rápida, es fuertemente exotérmica y libera cloruro de hidrógeno, por lo que exige resistencia a la corrosión y manejo de gases.La polimerización de equilibrio se controla termodinámicamente y se realiza a 140-180 °C con 10-100 ppm de catalizador silanolato de potasio, y es reversible, por lo que en el equilibrio el contenido del reactor todavía contiene 10-18% de siloxanos cíclicos que deben ser despojados a 150-200 °C bajo 1-10 mbar hasta 100-1,000 ppm.La extensión de ingeniería que define es la viscosidad: la misma familia de productos va desde un fluido de 10 cSt a un fluido de 1 cSt,000,000 cSt de goma, correspondiente a un grado de polimerización de aproximadamente 10 a más de 10,000, por lo que ningún tipo de agitador o reactor individual sirve a toda la gama.

1Química del siloxano que determina el trabajo del reactor

Cuatro características químicas distinguen el procesamiento de silicona de otras polimerizaciones:

• Hidrólisis y condensación del silanol:La vía industrial comienza con la reacción del dimetildiclorosilano con agua para obtener una mezcla de oligómeros lineales terminados en silanol y especies cíclicas,liberación de dos moles de cloruro de hidrógeno por mol de clorosilanoLa reacción es rápida y fuertemente exotérmica, y el cloruro de hidrógeno forma ácido clorhídrico en contacto con cualquier humedad, por lo que esta etapa requiere una construcción resistente a la corrosión.acero revestido típicamente de vidrio, Hastelloy o un revestimiento de fluoropolímero, además de un sistema de absorción y depuración para el gas de ventilación.La temperatura se mantiene por debajo de unos 40-60°C, ya que controla la distribución entre productos lineales y cíclicos y, por lo tanto, el rendimiento de los productos intermedios utilizables.La condensación posterior de los silanolos para formar una longitud de cadena es catalizada tanto por ácido como por base y se produce incluso a temperatura ambiente.lo que significa que el hidrolizado es reactivo y no puede almacenarse indefinidamente sin que su peso molecular se desplace.
• Polimerización de equilibrio de apertura de anillos:La polimerización comercial abre siloxanos cíclicos como el octametilciclotetrasiloxano y el decametilciclopentasiloxano con un catalizador básico, generalmente silanolato de potasio a 10-100 ppm, a 140-180 °C.El mecanismo no es un simple crecimiento de la cadena hasta su finalización sino una redistribución,en el que los enlaces de siloxano se rompen y se reforman continuamente hasta que el sistema alcanza el equilibrio termodinámico entre el polímero lineal y las especies cíclicasLas consecuencias prácticas son significativas: el peso molecular no se determina por la conversión, sino por la cantidad de tapón de cadena, típicamente un líquido corto terminado con trimetilsilóxi o hexametildisiloxano,Así que la receta más que el tiempo de reacción determina el productoLa temperatura debe ser uniforme dentro de aproximadamente 1°C porque el equilibrio depende de la temperatura y los puntos calientes cambian tanto el peso molecular como el contenido cíclico.Y en el equilibrio 10-18% de la masa sigue siendo cíclica y debe ser despojada.
• Neutralización del catalizador y estabilidad del producto:Debido a que el equilibrio es reversible y catalizado, cualquier catalizador activo que permanezca en el producto continuará redistribuyendo las cadenas durante el almacenamiento, causando la deriva de viscosidad, la reversión a los cíclicos,y en el peor de los casos, gelificación.La neutralización es, por lo tanto, un paso discreto y crítico: una cantidad estequiométrica de ácido fosfórico, fosfato de sililo,o se añade dióxido de carbono más agua para convertir el silanolato de potasio en una sal inactivaLos cristales de sal generalmente se dejan en el producto para obtener fluidos o se filtran para obtener grados de alta claridad.La verificación se realiza mediante un ensayo acelerado de edad térmica., en el que una muestra se mantiene a 200-250 °C durante 24 horas y se mide el cambio de viscosidad; un producto estable cambia en menos de un porcentaje,mientras que una neutralizada incompletamente se espesa o adelgaza notablemente.
• Desvolatilización y eliminación cíclica:La mezcla de equilibrio debe reducirse del 10-18% cíclico a menos de 100-1000 ppm,dependiendo del grado y de los límites reglamentarios para determinados siloxanos cíclicosDebido a que el polímero es viscoso, el paso limitante no es la presión de vapor de los cíclicos, sino su difusión a través de la fusión a una superficie libre.por lo que el equipo debe generar y renovar una gran superficie en un vacío de 1-10 mbar a 150-200°CLos evaporadores de película limpia y de película delgada son los más eficaces, logrando los residuos más bajos con un tiempo de residencia corto que limita la degradación térmica.La extracción en el reactor con un agitador de cinta de alta superficie y el nitrógeno es más barato, pero más lento y alcanza un residuo más alto.Los volátiles se condensan y se recuperan para su reciclaje, lo que es tanto un requisito económico como de cumplimiento.

2Configuraciones de los reactores de serie a continua

La configuración se elige según el rango de viscosidad, el rendimiento y la lista de productos que la planta debe servir:

• Reactor de agitación por lotes:La configuración estándar para el fluido y el rango de viscosidad moderada, y para las plantas que hacen muchos grados.con una capa de medio tubo o con hoyuelo, yLos reactores de serie son flexibles y permiten el cambio de grado entre las campañas.y son la opción práctica para productos especialesLas limitaciones son la transferencia de calor, ya que el coeficiente de pared cae por debajo de 100 W/m2K a alta viscosidad, el tiempo de ciclo, ya que el calentamiento, la reacción, laLa neutralización y la eliminación ocurren secuencialmente en un mismo recipiente., y la variabilidad de lote a lote, que debe controlarse mediante la disciplina de la receta y la uniformidad de la temperatura en lugar de mediante el propio equipo.
• Reactores de ciclo continuo y reactores de mezclador estático:Para los fluidos estándar de gran volumen, la polimerización continua elimina por completo el ciclo de lote.con una capacidad de transmisión superior a 300 W,, donde la mezcla se calienta a 140-180 °C y se mantiene durante 10 a 60 minutos para alcanzar el equilibrio, luego pasa a través de un mezclador de neutralización y a un desvolatilisador continuo.Los reactores de mezcladores estáticos son particularmente adecuados porque el equilibrio requiere una buena mezcla radial y un tiempo de residencia definido en lugar de un corte intenso., y un mezclador estático proporciona tanto sin piezas móviles como sin sellado en la zona caliente.La restricción es que los cambios de grado producen material de transición, por lo que los trenes continuos están dedicados a una lista de productos estrecha.
• Reactor de extrusión de doble tornillo:Para el extremo superior del rango de viscosidad, y cada vez más para el procesamiento continuo libre de disolventes, una extrusora de doble tornillo de co-rotación sirve como reactor.Maneja las viscosidades que ningún recipiente puede mezclar., proporciona un corte intenso y controlable, una excelente renovación de la superficie y una desvolatilización integral a través de múltiples respiraderos de vacío a lo largo del cañón, con un tiempo de residencia de solo 1-5 minutos.Los elementos de tornillo están configurados en zonas de fusión o alimentaciónLas ventajas son espectaculares para las gomas de alto peso molecular y para los compuestos de alta viscosidad.y los límites de tiempo de residencia cortos degradación térmicaLas limitaciones son el coste de capital, la habilidad requerida para diseñar y operar el perfil de tornillo y la dificultad de limpieza entre grados incompatibles.
• Reglas de ampliación y requisitos piloto:La escala de silicona se rige por tres cantidades que no se escalan linealmente con el volumen.Así que un lote que se enfría en una hora en un reactor piloto de 100 litros puede tardar cuatro horas en un reactor de 10 m3Por lo tanto, el piloto debe ajustarse a la geometría de transferencia de calor de producción, no sólo al volumen.y en el régimen laminar el número de revoluciones requeridas para la homogeneidad es aproximadamente constante, por lo que un recipiente grande necesita un impulsor geométricamente similar a una velocidad proporcional, que rápidamente entra en los límites de par y eje.la distancia que una molécula volátil debe difundir antes de alcanzar una superficie libre aumentaLos proyectos exitosos prueban el paso de desvolatilización por separado en el vacío de producción y el grosor de la película,En lugar de inferirlo de los ensayos del reactor.

Configuración de los reactores de silicona Matriz de comparación

Preguntas frecuentes (FAQ)