|
ผสมผสาน โพลีเมอร์ คือ อะไร? หลักการ ประเภท และ การใช้งานในอุตสาหกรรม
การใช้งานในอุตสาหกรรมของปฏิกิริยาพอลิเมอร์
,ประเภทเครื่องปฏิกรณ์เคมี
,หลักการของปฏิกิริยาพอลิเมอร์
ผสมผสาน โพลีเมอร์ คือ อะไร? หลักการ ประเภท และ การใช้งานในอุตสาหกรรม
ตอบคําถามหลัก:ผังปฏิกิริยาพอลิเมอร์คืออะไร และการออกแบบปฏิกิริยาควบคุมการกระจายน้ําหนักโมเลกุลในกระบวนการพอลิเมอเรชั่นอย่างไร?A polymer reactor is a pressure vessel engineered to carry out polymerization reactions—the chemical process of linking monomer molecules into long-chain polymer products—under conditions that control the molecular weight distribution (MWD)การออกแบบตัวปฏิกิริยาต้องรองรับความท้าทายพิเศษของการพอลิเมอเรชั่น:ความแน่นเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อโมโนเมอร์แปลงเป็นพอลิมเมอร์ (จาก 1 cP สําหรับโมโนเมอร์เหลว,000-1,000,000 cP สําหรับพอลิมเลอร์แปลงสูง) ความร้อน exothermic ของการพอลิมเลอร์ (โดยทั่วไป 50-100 kJ/mol)และการเร่งตัวเอง (ผลของเจล หรือผลของทรอมส์ดอร์ฟ-นอริช) โดยที่ความแน่นลดอัตราการสิ้นสุดและเพิ่มอัตราการปฏิกิริยาปริมาตรการออกแบบที่สําคัญประกอบด้วยวิธีการพอลิเมอเรซิส (หลอด, โซลูชั่น, สงสแปนเซชั่น, หรือเอมูลชั่น) ระบบการกระตุ้น (การตัดสูงสําหรับเอมูลชั่น, ความใกล้ชิดสําหรับหลอด),และความสามารถในการกําจัดความร้อน, ทั้งหมดถูกปรับปรุงเพื่อบรรลุมวลโมเลกุลเฉลี่ยจํานวนเป้าหมาย (Mn) และดัชนีโพลีดิสเปอร์สิตี้ (PDI) ในขนาดอุตสาหกรรม 1,000-100,000 ลิตร
1หลักการหลักของการออกแบบปฏิกิริยาพอลิเมอร์
- พอลิเมอเรเซชั่น คีเนติกส์และ MWD การควบคุม:สําหรับการพอลิเมอเรชั่นเชือกการเติบโตของรังสีอิสระ ความยาวของเชือกเคลื่อนไหว (nu = Rp/Rt โดยที่ Rp และ Rt เป็นอัตราการขยายตัวและการสิ้นสุด) กําหนดน้ําหนักโมเลกุลMn ถูกควบคุมโดยปริมาณการเริ่มต้น ([I] ^ 0.5), ความถี่ของโมโนเมอร์ ([M]) และอุณหภูมิ (ผ่านอาร์เรเนียส) ระบบปฏิกิริยาต้องรักษาปริมาตรเหล่านี้ให้คงที่สําหรับชุด หรือโปรไฟล์มันสําหรับครึ่งชุดเพื่อบรรลุเป้าหมาย Mn และ PDI ของ 1.5-3.0 สําหรับพอลิมเลอร์ทางการค้า.
- การจัดการความแน่นและการถ่ายทอดความร้อนเมื่อการพอลิเมอเรเซชั่นดําเนินการ viscosity เพิ่มขึ้นอย่างมาก poly ((methyl methacrylate) ที่ 80% การแปลงในส่วนใหญ่มี viscosity กว่า 100,000 cP000 W/m2*K) ในการแปลงต่ําเป็น 100-200 W/m2*K; โพลีเมอเรชั่นของสารละลายหรือสปันเซนชั่น ทําให้ระบบละลายเพื่อรักษาความแน่นที่สามารถควบคุมได้ ในขณะที่เรอคเตอร์หลากหลายต้องการตัวปั่นที่มีความช่างใกล้ชิดเฉพาะเจาะจงโครงการแบบ twin-screw) และการออกแบบที่มีความสัมพันธ์สูงของพื้นที่กับปริมาตร.
- การรักษาอาการเจล (Trommsdorff-Norrish):ในการพอลิมิเรซซั่นแบบหลากหลายและเรียงเรียง มากกว่าการแปลงที่สําคัญ (20-40% สําหรับเมธีลเมธาครีเลต) ความแน่นที่เพิ่มขึ้นจํากัดการกระจายของโซ่พอลิมิเรอร์ยาวลดอัตราการสิ้นสุดระหว่างโมเลกุลโมโนเมอร์สั้นยังคงแพร่หลาย; นี้ทําให้การเร่งอัตโนมัติ ภาวะปฏิกิริยาและอุณหภูมิเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ต้องการความสามารถในการเย็นฉุกเฉิน, การเพิ่มสารละลาย, หรือการควบคุมอุณหภูมิกระบวนการเพื่อป้องกันการหลุดร้อน.
2. ประเภทหลักของปฏิกิริยาพอลิเมอร์
- ระบบปฏิกิริยาพอลิมิเรซชั่นแบบหลากหลาย:การประมวลผลโมโนเมอร์บริสุทธิ์ด้วยสารละลายอย่างน้อย เพื่อผลิตพอลิเมอร์ความบริสุทธิ์สูง; ใช้สําหรับโพลิสไตเรน (PS), โพลีเมธีลเมธาครีเลต (PMMA) และไนลอน-6;มีตัวประกอบหอประกอบไฟฟ้าหรือตัวประกอบไฟฟ้าแบบท่อที่มีอัตราส่วนพื้นที่ต่อปริมาตรสูง และตัวปั่นที่มีความใกล้ชิด, ใช้งานในอุณหภูมิ 150-300 องศาเซลเซียส ด้วยการแปลงต่อการผ่าน 70-98% และการกําจัดความร้อนผ่านวงจรระบายภายนอก
- เครื่องปฏิกิริยาพอลิเมอเรชั่นเอมูลชั่น:โมโนเมอร์กระจายเป็นไมเซล (10-100 nm) ในน้ําด้วยสารกระจายผิวและสารเริ่มที่ละลายในน้ํา; ผลิตอนุภาคลาเท็กซ์ขนาด 50-500 nm สําหรับสี, สารติดและยางสังกะสี (SBR, ยางไนทรีล);ระบบปฏิกิริยาชุดหรือครึ่งชุดที่กระตุ้นในอุณหภูมิ 50-90 องศาเซลเซียส ด้วยเครื่องปั่นแบบตัดสูง (N = 200-500 รอบต่อนาที) และเสื้อเย็นขนาดสําหรับภารกิจความร้อน 50-150 kW/m^3
- ระบบปฏิกิริยาพอลิเมอเรชั่นระยง:น้ําตกลง monomer (0.1-5 มม.) สะพานในน้ําด้วยตัวทําให้มั่นคง; ผลิตพอลิเมอร์ beads สําหรับ PVC, polystyrene expandable (EPS) และยอน-exchange resins;เครื่องปฏิกิริยาชุดกระตุ้นที่ 50-90 องศาเซลเซียสด้วยหมุนหมุนระบายแกนที่มีความเร็วที่รักษาการแขวนตัวของน้ําตกลง (Njs) โดยไม่ใช้การตัดที่เกินขั้นที่ทําให้น้ําตกลงแตก, ส่งผลให้มีลูกกลมที่มีขนาดแคบกระจาย
ประเภทของปฏิกิริยาพอลิเมอร์ แมตริกซ์การเปรียบเทียบ
| ประเภทของปฏิกิริยา | วิธีการพอลิเมอเรชั่น | สภาพการทํางาน | ผลิตภัณฑ์หลัก |
|---|---|---|---|
| ระบบปฏิกิริยาส่วนใหญ่ | โมโนเมอร์บริสุทธิ์ มีสารละลายน้อย | 150-300 C, 0.1-5 MPa | PS, PMMA, ไนลอน-6 |
| เครื่องปฏิกิริยาเอมูลชั่น | การกระจายตัวของไมเซลล่าในน้ํา | 50-90 C, บรรยากาศ | SBR ยางไนทรีล สีลาเท็กซ์ |
| ระบบปฏิกิริยาแขวน | การกระจายกระป๋องในน้ํา | 50-90 C, บรรยากาศ | PVC, EPS, ธ อร์แลกเปลี่ยนยอน |
คําถามที่พบบ่อย (FAQ)
คําถาม: ปฏิบัติหน้าที่หลักของปฏิกิริยาพอลิเมอร์คืออะไร?
A: เครื่องปฏิกิริยาพอลิมเมอร์ดําเนินการปฏิกิริยาพอลิมเมอเรชั่น ผูกโมเลกุลโมโนเมอร์เป็นโซ่พอลิมเมอร์ ภายใต้เงื่อนไขที่ควบคุมการกระจายน้ําหนักโมเลกุล การแปลงและมอร์โฟโลยีพอลิมเมอร์,ขณะที่จัดการกับโจทย์ที่พิเศษของการเพิ่มความแน่น, การผลิตความร้อน exothermic, และการเร่งตัวเองที่เป็นไปได้ (ผลของเจล)
คําถาม: ผลของเจลคืออะไร และทําไมมันอันตราย?
A: ผลของเจล (Trommsdorff-Norrish) เกิดขึ้นเมื่อความแน่นของพอลิมิเรซชั่นจํากัดการสิ้นสุดของโซ่พอลิมิเรสยาวในขณะที่โมเลกุลโมโนเมอร์สั้นยังคงแพร่กระจาย;ถ้าไม่มีการเย็นที่เหมาะสม อุณหภูมิอาจเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้เกิดการหลุดร้อน, monomer เต้ม, และความดันเกินของตัวประกอบไฟฟ้า
คําถาม: การพอลิเมอเรชั่นเอมูลชั่นแตกต่างจากการพอลิเมอเรชั่นหลากหลายอย่างไร
A: โพลิเมอเรชั่นเอมูลชั่นกระจาย monomer ในรูปของ 10-100 nm micelles ในน้ํา, การรักษา viscosity ต่ําและการถ่ายทอดความร้อนที่ดี, ทําให้มีน้ําหนักโมเลกุลสูงในอัตราปฏิกิริยาสูง;กระบวนการพอลิเมอเรชั่นหลากหลาย โมโนเมอร์บริสุทธิ์, ผลิตพอลิมเลอร์ความบริสุทธิ์สูง แต่ต้องการเครื่องปั่นความแน่นสูงและพื้นผิวการถ่ายทอดความร้อนที่เชี่ยวชาญเมื่อการแปลงเพิ่มความแน่น
ถาม: น้ําหนักโมเลกุลถูกควบคุมอย่างไรในปฏิกิริยาพอลิมเลอร์?
A: น้ําหนักโมเลกุลเฉลี่ยจํานวน (Mn) ถูกควบคุมโดยการปรับปริมาณสารเริ่มต้น (สูงกว่า [I] = น้อยกว่า Mn) ปริมาณสารนําโซ่ (CTA ปิดโซ่, ลด Mn)อุณหภูมิปฏิกิริยา (T ที่สูงกว่า = Mn ที่ต่ํากว่าผ่านอัตราการสิ้นสุดที่เพิ่มขึ้น), และสัดส่วน monomer-to-solvent ในการพอลิเมอเรชั่นของสารละลาย โดยบรรลุเป้าหมาย PDI ของ 1.5-3.0 สําหรับพอลิเมอร์ทางการค้า
