Su Bazlı Reçine Reaktörü Nedir: Emülsiyon ve Suyla İndirgenebilir Tasarım

Temel soruyu yanıtlamak:Su bazlı reçine reaktörü nedir?Su bazlı bir reçine reaktörü, bir reçinenin sulu bir emülsiyon, suyla indirgenebilir bir çözelti veya bir poliüretan dispersiyonu olarak yapıldığı, bir geri akış kondansatörü ve yarı-parti besleme sistemi olan, genellikle 316L paslanmaz çelikten oluşan, ceketli, karıştırmalı bir kaptır. Üç rota temel olarak farklılık gösteriyor. Emülsiyon polimerizasyonu, bir yüzey aktif madde ve suda çözünür bir başlatıcı kullanarak polimeri 60-90°C'de suda oluşturur ve esasen hiçbir ortak çözücü olmadan %40-60 katı maddede 80-500 nm'lik parçacıklar verir. Suyla indirgenebilen reçineler ilk önce 80-150°C'de solvent içinde 35-60 mg KOH/g asit değerine kadar oluşturulur, ardından bir amin ile %70-100 nötralize edilir ve suya bırakılır. Poliüretan dispersiyonları bir ön polimer olarak oluşturulur ve daha sonra 50-90°C'de suya dönüştürülür. Tasarımda kimya değil köpük kontrolü, geri akış kondansatörü aracılığıyla ısının uzaklaştırılması ve suyun solventten çok daha yüksek buharlaşma ısısına sahip olması hakimdir.

1. Üç Su Bazlı Güzergah ve Reaktör Talepleri

Her yol temelde farklı bir koloit üretir ve reaktörün sadece reaksiyon için değil, o koloit için tasarlanması gerekir:

• Emülsiyon Polimerizasyonu:Monomer, kritik misel konsantrasyonunun üzerinde bir yüzey aktif madde ile su içinde emülsifiye edilir ve suda çözünür bir başlatıcı, tipik olarak amonyum veya potasyum persülfat, misellere giren ve orada zincirleri başlatan radikaller üretir. Sonuç, yüksek molekül ağırlığında bile çok düşük viskoziteye sahip, %40-60 katı maddede 80-500 nm parçacıklardan oluşan bir latekstir, çünkü bir lateksin viskozitesi, zincir uzunluğundan ziyade parçacık paketlenmesine bağlıdır. Rotanın en önemli avantajı ve mimari kaplamalar ve yapıştırıcılar üzerindeki hakimiyetinin nedeni de budur. Reaktör, önceden emülsifiye edilmiş monomerin ve başlatıcının 2-6 saat boyunca beslendiği, ısı salınımını ceket ve geri akış kapasitesi içinde tutan ve aynı anda üreticinin, örneğin daha sonra bir çekirdek-kabuk yapısı oluşturmak için sert bir monomer besleyerek her parçacığın bileşimini tasarlamasına olanak tanıyan yarı-partili bir kaptır.
• Suyla İndirgenebilen Reçineler:Burada polimer, 80-150°C'de glikol eter veya alkol gibi suyla karışabilen bir yardımcı solvent içerisinde geleneksel polikondensasyon veya serbest radikal polimerizasyonu yoluyla oluşturulur. Karboksil grupları, 35-60 mg KOH/g asit değerine kadar bilinçli olarak zincire eklenir ve bitmiş polimer, teorik gereksinimin %70-100'üne kadar bir amin, tipik olarak dimetiletanolamin veya trietilamin ile nötralize edilir. Nötrleştirilmiş karboksil grupları, polimeri dağılabilir hale getirir ve sistem, solvent içinde reçine çözeltisinden su içinde reçine dispersiyonuna dönüşene kadar çalkalama altında su eklenir. Ters çevirme noktası görünür ve kritiktir: fazlar ters çevrildikçe viskozite belirgin bir maksimumdan geçer, dolayısıyla reaktör ve karıştırıcının nihai düşük viskoziteli ürün için değil, bu zirveye göre boyutlandırılması gerekir. Yardımcı solvent içeriği tipik olarak %5-20'dir, bu nedenle düzenlemelerin en sıkı olduğu yerlerde bu rotanın yerini gerçek emülsiyonlar almaktadır.
• Poliüretan Dispersiyonları:Bir PUD, ilk önce bir diizosiyanat, bir poliol ve iyonik grubu taşıyan bir dimetilolpropiyonik asit zincir genişleticiden izosiyanatla sonlanan bir prepolimerin, viskoziteyi kontrol etmek için genellikle az miktarda solventle veya hiç solvent olmadan 50-90°C'de oluşturulmasıyla yapılır. Prepolimer daha sonra nötralize edilir ve bir diamin ile zincirin uzatıldığı suya dağıtılır. Dispersiyon adımı, iki reaksiyon arasındaki bir yarıştır: hızlı olan diamin ile istenen zincir uzantısı ve karbon dioksit üreten ve köpüklenmeye ve basınca neden olan izosiyanatın suyla istenmeyen reaksiyonu. Bu nedenle reaktörün ters çevirme sırasında ani bir viskozite artışını karşılaması, yüksek kesmeyle hızla dağılması ve karbondioksiti havalandırması veya yönetmesi gerekir. İzosiyanat işleme aynı zamanda su bir reaktan olduğundan kuru ham maddeler ve reaksiyonlar ekzotermik olduğundan sıkı sıcaklık kontrolü gerektirir.
• Köpük, Kirlenme ve Uçucu Madde Kontrolü:Su bazlı reaktörler, solvent bazlı tankların büyük ölçüde önlediği üç sorunu paylaşıyor. Köpük, çünkü yüzey aktif maddeler ve stabilize edilmiş lateks, buhar alanını doldurabilen ve yoğunlaştırıcıya taşınabilen kalıcı bir köpük oluşturur; tasarımın tepkisi cömert bir buhar alanı, mekanik bir köpük giderici veya ciddi durumlar için bir köpük kesici ve aşırı doz filmde yüzey kusurlarına neden olduğundan dikkatli bir şekilde kontrol edilen köpük önleyici dozajdır. Kirlenme, çünkü buhar-sıvı arayüzünde ve duvarda polimer film tabakasının bitmiş kaplamada lekeler halinde ortaya çıkan tanecikler üretmesi; yanıt, elektro-parlatılmış veya cam kaplı yüzeyler, sıvı seviyesinin üzerindeki ceket kaplaması ve tanımlanmış bir temizleme döngüsüdür. Ve uçucular, çünkü artık monomer ve yardımcı solventin buharla sıyırma yoluyla veya bir vakum sistemi ve bir havalandırma temizleyicisi gerektiren ilave başlatıcılı bir kimyasal takip yoluyla 100-1.000 ppm'nin altına kadar soyulması gerekir.

2. Su Bazlı Hizmet için Reaktör Tasarım Özellikleri

Su bazlı reçine reaktörünü solvent bazlı bir reaktörden ayıran dört özellik vardır:

• Reflü Kondenser Boyutlandırması:Solvent bazlı bir reaktörde geri akış kondansatörü, en yüksek hızda solvent buharı yüküne göre boyutlandırılır ve bu da basittir. Su bazlı bir reaktörde aynı görev çok daha zordur çünkü suyun, tipik solventler için 300-600 kJ/kg'a karşılık 2.257 kJ/kg'lık bir gizli buharlaşma ısısı vardır; bu nedenle belirli bir miktardaki ısının suyu kaynatarak uzaklaştırılması çok daha az kütle gerektirir ancak düşük basınçta hacimsel buhar yükü çok büyüktür. Çözücü deneyimine göre boyutlandırılan bir kondansatör, su hizmeti için çok küçük boyutlara sahip olacaktır. Bu nedenle tasarımcılar, çalışma basıncındaki gerçek su buharı özgül hacmini kullanarak, yoğunlaştırıcıyı en yüksek ısı salınım oranından boyutlandırır ve herhangi bir geri basınç kaynama noktasını ve dolayısıyla reaksiyon sıcaklığını yükselttiğinden genellikle daha büyük bir buhar hattı ve sezginin önerdiğinden daha düşük bir basınç düşüşü belirlerler.
• İnversiyon ve Yüksek Viskozite Zirveleri için Karıştırma:Karıştırıcı, solvent sisteminden çok farklı bir viskozite profiliyle başa çıkmalıdır. Lateks baştan sona ince kaldığı için emülsiyon polimerizasyonu kolaydır ve basit eğimli kanatlı veya saptırma plakalı hidrofoil pervane iyi çalışır. Suyla indirgenebilen bir işlem veya PUD işlemi değildir, çünkü viskozite, faz tersinme noktasında keskin bir maksimumdan geçer ve nihai ürünü 1 Pa.s'nin altında olan bir kapta bazen kısa bir süre için 10-100 Pa.s'ye ulaşır. Karıştırıcı ve tahrikin, tipik olarak bir ankraj veya sarmal şeritle veya ters çevirme için yüksek kesmeli bir dağıtıcı ve toplu harmanlama için yavaş bir ankrajın eş eksenli düzenlemesi ile bu zirveye göre boyutlandırılması gerekir. Bu noktada sürücünün gereğinden küçük boyutlandırılması, su bazlı bir tesisin tasarım katılarına ulaşamamasının en yaygın nedenidir.
• Malzemeler ve Yüzey Kaplaması:316L paslanmaz çelik standarttır ve birçok su bazlı ürün için yüzey kalitesi alaşımdan daha önemlidir. Tipik olarak 0,8 mikrometre Ra'nın altındaki mekanik olarak parlatılmış veya elektro-parlatılmış bir yüzey, polimer filmin yapışmasını azaltır ve temizliği çok daha kolaylaştırır; bu da önemlidir, çünkü çok ürünlü bir tesiste temizleme döngüsü mevcut zamanın %20-40'ını tüketebilir. Formülasyonun asidik olduğu veya demir kirliliğinin renk veya stabilite sorunlarına neden olacağı durumlarda cam kaplı çelik kullanılır. Her durumda tasarım çatlakları ortadan kaldırmalıdır: girintili olanlar yerine gömme montajlı alt valfler, cıvatalı iç destekler yerine kaynaklı ve besleme veya çıkış hatlarında ölü bacaklar olmamalıdır, çünkü ürünün durabileceği herhangi bir cep, sonunda bir sonraki partiyi kirleten bir jel partikülü üretecektir.
• Sıcaklık Kontrolü ve Besleme Stratejisi:Su bazlı reaksiyonlar, emülsiyon sistemleri için 60-90°C'de gerçekleştirilir ve 1-2°C dahilindeki kontrol, tutarlı parçacık boyutu, moleküler ağırlık ve minimum film oluşturma sıcaklığı sağlayan şeydir. Strateji yarı-topludur: monomer veya prepolimer, anlık ısı salınımının ceket ve geri akış kapasitesine uyması için 2-6 saat boyunca beslenir ve başlatıcı, radikal akışının monomerden bağımsız olarak ayarlanabileceği şekilde ayrı olarak beslenir. Polimer özellikleri ilk birkaç dakikadaki parçacık çekirdeklenmesine bağlı olduğundan, ilk şarjın doğru şekilde ısıtılması ve besleme başlamadan önce tohum aşamasının tam olarak tutulması gerekir. Tesisler, artık monomerin aşağıya doğru itilmesi için ek bir başlatıcı içeren bir polimerizasyon sonrası veya takip aşaması ekler, ardından spesifikasyonun gerektirdiği yerde vakum altında buharla sıyırma yapılır ve ardından ürün depoya gönderilmeden önce her türlü kumu çıkarmak için bir torba veya kartuş filtreden filtreleme yapılır.

Su Bazlı Reçine Rotaları Karşılaştırma Matrisi

Sıkça Sorulan Sorular (SSS)

S: Emülsiyon reçinesi ile suyla indirgenebilen reçine arasındaki fark nedir?

C: Fark, polimerin nerede yapıldığı ve suda nasıl stabilize edildiğidir. Bir emülsiyonda polimer, serbest radikal polimerizasyonu yoluyla sudaki parçacıkların içinde oluşturulur ve yüzey aktif madde ile stabilize edilmiş, esasen hiçbir ortak çözücü içermeyen ve moleküler ağırlıktan bağımsız bir viskoziteye sahip 80-500 nm'lik parçacıklar verir. Suyla indirgenebilen bir reçinede, polimer ilk önce bir ortak çözücü içinde oluşturulur ve daha sonra zincirde yerleşik karboksilik asit gruplarının nötrleştirilmesiyle dağılabilir hale getirilir; su eklenmesi, sistemi %5-20 ortak solvent ve moleküler ağırlığa güçlü bir şekilde bağlı olan bir viskozite içeren bir dispersiyona dönüştürür. Bunun pratik sonuçları, emülsiyonların işlenebilir viskozitede daha düşük uçucu organik bileşik içeriği ve daha yüksek moleküler ağırlık vermesi, suyla indirgenebilen reçinelerin ise daha iyi film oluşumu, parlaklık ve akış sağlamasıdır; bu nedenle endüstriyel fırınlanmış yüzeyler için tercih edilmeye devam etmektedirler.

S: Bazı su bazlı reçinelere su ilavesi sırasında viskozite neden artıyor?

C: Çünkü sistem faz dönüşümünden geçiyor. Ters çevirmeden önce su, sürekli bir reçine artı solvent fazı içinde damlacıklar halinde dağıtılır ve daha fazla su eklemek yalnızca dağılan hacmi arttırır, bu da viskoziteyi istikrarlı bir şekilde artırır. Tersine dönme noktasında fazlar yer değiştirir: reçine dağılmış faz haline gelir ve su sürekli hale gelir. Bu noktadan hemen önce dağılmış faz hacmi tipik olarak %60-75'e ulaşır; bu noktada damlacıklar o kadar yakın paketlenir ki viskozite dik bir şekilde, bazen dar bir su ilavesi aralığında bir ila iki büyüklük düzeyinde artar. İnversiyondan hemen sonra viskozite çöker. Başarılı bir işleme, suyun tepe noktasından yavaşça eklenmesini gerektirir ve küçük boyutlu bir sürücü tam olarak kabın karıştırılmaya en çok ihtiyaç duyduğu anda duracağından, nihai ürün yerine bu tepe viskozitesi için boyutlandırılmış bir karıştırıcı ve sürücü gerektirir.

S: Su bazlı reçine reaktöründe köpüklenme nasıl kontrol edilir?

C: Müdahaleyi artırma sırasına göre uygulanan dört önlem. Formülasyon: Düşük köpük eğilimine sahip bir yüzey aktif madde sisteminin seçilmesi ve %0,05-0,5 oranında tipik olarak silikon, mineral yağ veya silikon olmayan polimer tipinde bir köpük gidericinin eklenmesi. Proses: sıvı yüzeyinin üzerine değil altına besleme yapılması, basamaklanma ve sıçramanın önlenmesi ve dispersiyonun gerekli olmadığı dönemlerde çalkalama yoğunluğunun sınırlandırılması. Mekanik: Tipik olarak kap hacminin %25-40'ı kadar cömert bir buhar alanı sağlar ve ciddi durumlarda karıştırıcı şaftında mekanik bir köpük kırıcı veya buhar hattında bir ultrasonik veya santrifüjlü köpük giderici bulunur. Ve çalışır durumda: Hızlı basınç düşüşü mevcut köpüğü önemli ölçüde genişlettiğinden, sıyırma sırasında vakumun yavaşça uygulanması. Köpük gidericinin aşırı dozda kullanılması gerçek bir risktir, çünkü bitmiş filmde kraterlere, balık gözlerine ve zayıf ara kat yapışmasına neden olur; bu nedenle doz, köpük kaybolana kadar basitçe artırmak yerine bir çekme testiyle optimize edilir.

S: Minimum film oluşturma sıcaklığı nedir ve neden önemlidir?

C: Minimum film oluşturma sıcaklığı veya MFFT, her noktada bir termokupl bulunan bir gradyan çubuğu üzerinde ölçülen, su buharlaştıkça lateksin sürekli, berrak bir film halinde birleşeceği en düşük sıcaklıktır. MFFT'nin altında parçacıklar toplanır ancak deforme olmaz ve kaynaşmaz, böylece kaplama kuruyarak tozlu, çatlak, opak, bariyer özellikleri ve yapışma özellikleri zayıf bir film haline gelir. Bu önemlidir çünkü bir kaplama için en düşük uygulama sıcaklığını belirler ve polimerin cam geçiş sıcaklığı tarafından belirlenir, bu da reaktörde seçilen monomer bileşimi tarafından belirlenir. Formül hazırlayıcılar tipik olarak mimari boya için 0-10°C'lik bir MFFT için tasarım yapar, ardından kuruma sırasında etkili MFFT'yi geçici olarak azaltmak için birleştirici bir solvent ekler; Birleşenler üzerindeki uçucu organik bileşik sınırları, mevcut su bazlı reçine gelişiminin önemli bir nedenidir.