Polimerización

La polimerización es un proceso químico en el que moléculas más pequeñas, llamadas monómeros, se unen para formar moléculas más grandes, los polímeros. Este proceso es fundamental para la fabricación de muchos plásticos y otros materiales. Un aspecto clave de la polimerización es el grado de polimerización, que indica cuántas unidades de monómero están conectadas en una molécula de polímero. El grado de polimerización influye decisivamente en las propiedades físicas del polímero resultante, como la resistencia, la flexibilidad yresistencia a la temperatura.

LiquiSonic^® es un sistema de análisis en línea que mide directamente en el proceso sin demora la concentración en la polimerización. El dispositivo se basa en la medición de alta precisión de la velocidad del sonido absoluta y la temperatura del proceso, lo que permite el seguimiento de procesos y reacciones complejas.

La construcción del sensor de LiquiSonic^® instrumentos de medición permite una limpieza sencilla de los dispositivos, lo que significa que el proceso no tiene que ser interrumpido por complejas tareas de limpieza y puede funcionar de la manera más eficiente posible.

En el campo de la polimerización ofrece LiquiSonic^® al usuario numerosas ventajas:

1. Monitoreo en tiempo real: La tecnología permite una supervisión continua del proceso de polimerización en tiempo real. Esto permite reconocer cambios de inmediato y reaccionar, asegurando así una calidad de producto constante.
2. No se requiere toma de muestras: Dado que el sistema mide directamente en el proceso, no se requieren tomas de muestras manuales. Esto minimiza el riesgo de contaminaciones e interrupciones del proceso.
3. Tecnología robusta y de bajo mantenimiento: LiquiSonic^®instrumentos de medición están diseñados para el uso permanente en entornos industriales. Son resistentes a medios agresivos y altas temperaturas, lo que lleva a una vida útil prolongada y menores costos de mantenimiento.
4. Optimización de procesos: Mediante la supervisión precisa de la reacción de polimerización, los usuarios pueden controlar el proceso de manera más precisa, lo que lleva a un mayor rendimiento y menores costos de producción.

El LiquiSonic^® sistema puede utilizarse tanto en la determinación de concentraciones de alta precisión como en la detección de fases y el monitoreo de procesos (cristalización). Una supervisión interna de límites señala excedencias y deficiencias y envía la información en tiempo real al sistema de control de procesos.

Es posible una supervisión rápida y precisa de la polimerización, el grado de polimerización y la concentración de monómeros y macromoléculas. Esta supervisión garantiza que durante toda la polimerización de caprolactama a PA6 se alcance la calidad óptima del producto.

El conocimiento exacto del curso de la polimerización y la relación de monómeros a macromoléculas es especialmente importante para minimizar las pérdidas de producto y maximizar la eficiencia del proceso. Al determinar con precisión la concentración de monómeros y macromoléculas durante todo el proceso, el usuario puede asegurarse de que el producto final cumpla con las especificaciones deseadas.

LiquiSonic^® asegura un análisis de alta precisión de la concentración de caprolactama con registro de datos permanente. El sistema de medición también se utiliza con éxito en la separación de fases en segundos entre caprolactama y sulfato de amonio.

Construcción del sensor de LiquiSonic^®

La construcción robusta del sensor y la elección de materiales especiales, como HC2000 o PFA, aseguran largos tiempos de operación del sistema. Además, SensoTech ofrece sensores con certificación ATEX, IECEx y FM correspondiente.

Mediante LiquiSonic^® se reduce al mínimo la concentración de caprolactama residual (monómero restante) y así se optimiza la productividad de la planta.

Los LiquiSonic^® sensores de inmersión pueden instalarse fácilmente en las tuberías de entrada y transporte. Al instalar los LiquiSonic^® sensores no se requiere un bypass y se evitan los espacios muertos.

El LiquiSonic^® Controlador 30 puede conectarse con hasta 4 sensores. Así es posible monitorear varios puntos de medición simultáneamente.

Rangos de medición típicos

Rango de concentración de caprolactama: 70 a 100 m%
Rango de temperatura: 80 a 130 °C

Rango de concentración de caprolactama: 0 a 10 m%
Rango de temperatura: 20 a 70 °C

En recepción de mercancías: Rango de concentración de oleum: 0 a 30 m%
Rango de temperatura: 10 a 60 °C

Fundamentos de la polimerización

Definición de la polimerización

La polimerización es un proceso químico en el que los monómeros (moléculas individuales) se unen para formar una macromolécula (polímero).

Las determinaciones de conversión en reacciones químicas tienen en general, y especialmente en reacciones de polimerización, una alta necesidad en términos de seguimiento del proceso, control del proceso y gestión del proceso.

Así como la medición de la concentración, la importancia de la supervisión de la polimerización en todos los sectores de la economía está aumentando enormemente en el momento actual. Son posibles grandes efectos económicos, como el ahorro de materiales y energía, así como mejoras en la calidad.

Para las mediciones de concentración y rendimiento, existe una serie de métodos de medición, como la medición de densidad, medición del índice de refracción, medición de conductividad, medición de color, turbidez y viscosidad, todos los cuales tienen sus límites de aplicación física y tecnológica.

La posibilidad de determinar concentraciones mediante la medición de la velocidad del sonido se conoce desde hace tiempo y se ha establecido como un método de medición estándar.

Fundamentos físicos de la polimerización

La velocidad de propagación v del ultrasonido en líquidos depende de su densidad y compresibilidad adiabática según la siguiente relación:

v = velocidad del sonido
ρ = densidad
βad = compresibilidad adiabática

Una magnitud determinante para la velocidad del sonido es la compresibilidad. Esto implica que, al aumentar la velocidad del sonido, la densidad y la compresibilidad pueden ser inversas. Esto tiene la consecuencia de que, en caso de diferencias de densidad pequeñas o mínimas, pueden ocurrir grandes diferencias en la velocidad del sonido. El caso inverso ocurre muy raramente.

La velocidad del sonido está determinada por la estructura de la sustancia, es decir, por grupos de átomos y moléculas, isomerías o longitudes de cadena. Esta relación ofrece la posibilidad de caracterizar sustancias mediante ultrasonido.

La velocidad del sonido v de algunos monómeros y polímeros seleccionados a 20 °C se muestra en la siguiente tabla.

La estructura del macromolécula, que se genera mediante la polimerización de monómeros, influye en la velocidad del sonido, ya que está determinada por la disposición de los grupos de átomos y moléculas, isomerías y longitudes de cadena.

Para los sistemas de monómero-polímero, en general, las diferencias de velocidad del sonido que ocurren entre el monómero y el polímero están determinadas principalmente por la longitud de la cadena y el grado de ramificaciones y entrecruzamientos. La tabla ya muestra claramente que las diferencias que ocurren entre el monómero y el polímero y, por lo tanto, entre el inicio y el final de la reacción de polimerización son en parte muy grandes.

Métodos de medición en la polimerización

Para determinar el grado de polimerización se utilizan varios métodos de medición para monitorear el progreso y la calidad del proceso. Entre los métodos comunes se incluyen las mediciones de viscosidad, mediciones de concentración, gravimetría y calorimetría.

Problemas con la medición de la viscosidad

Aunque las mediciones de viscosidad son comunes, pueden ser problemáticas. En particular, se ven afectadas por fluctuaciones de temperatura, tasas de cizallamiento y la presencia de impurezas, lo que puede alterar la viscosidad de la mezcla polimérica y proporcionar resultados de medición inexactos. Además, la viscosidad es difícil de medir a pesos moleculares muy altos o muy bajos.

La aparición de impurezas puede resultar en resultados de medición poco fiables y requiere un proceso de limpieza intensivo, lo que afecta negativamente la efectividad del proceso.

Ventajas de la medición de concentración

A diferencia de la medición de viscosidad, las mediciones de concentración son menos susceptibles a factores perturbadores. Ofrecen una medición directa de la concentración de monómeros y no dependen de las propiedades físicas de los polímeros. Esto conduce a datos más precisos y confiables sobre el progreso de la polimerización.

Procesos

La polimerización puede ocurrir a través de diversos mecanismos de reacción, donde los monómeros reaccionan para formar cadenas más largas o estructuras ramificadas, los macromoléculas. Las polimerizaciones se clasifican según el mecanismo de reacción en:

• Polimerización en solución
• Polimerización en emulsión
• Polimerización en suspensión
• Policondensación

Dependiendo del número de copolímeros y de los aditivos que alteran el producto, el cambio en la velocidad del sonido muestra un curso característico. Típicamente, la velocidad del sonido de todos los componentes involucrados se determina en función de la temperatura para compensarlo más tarde. A partir del curso temporal de la velocidad del sonido, se puede derivar el curso de la reacción y calcular la conversión de material.

En la descripción siguiente, esto se explica como ejemplo para la polimerización en emulsión de látex de estireno-butadieno. La determinación de los parámetros como concentración, grado de polimerización, etc. se realiza de manera análoga en los otros tipos de polimerización.

Polimerización en emulsión de látex de estireno-butadieno para el sistema de reacción

En la polimerización en emulsión de butadieno-estireno se investigaron los componentes individuales y los látex.

En la siguiente figura se muestra que la velocidad del sonido de los monómeros difiere significativamente de la de los polímeros.

La velocidad del sonido y la concentración están directamente relacionadas. Además, el grado de polimerización, que representa la proporción de polímero en el monómero, correlaciona con la concentración. Por lo tanto, es posible determinar la concentración y el grado de polimerización con la técnica de medición por ultrasonido. La siguiente figura ilustra esta relación en una polimerización de butadieno-estireno.

En el caso de la polimerización en emulsión de butadieno y estireno, el grado de polimerización se puede determinar con una precisión del 0,1%.

Aplicaciones

Gracias a nuestra experiencia de más de 20 años, se ha acumulado mucho conocimiento en el campo de la polimerización, que se ha adquirido a través de aplicaciones en clientes y en nuestro propio laboratorio técnico. Este conocimiento se incorpora a nuevos proyectos, siempre tratando los datos de los clientes de manera confidencial.

Durante la polimerización, no solo los macromoléculas, sino también los monómeros se convierten en el foco de la monitorización para asegurar el curso exacto de la reacción y la calidad del producto.

Para diferentes procesos de fabricación, la siguiente literatura secundaria está disponible en SensoTech:

• Optimización de la producción de poliamida
• Optimización de la producción de poliuretano
• Producción de látex de estireno-butadieno (SBR) segura y eficiente

Las aplicaciones investigadas hasta ahora incluyen:

• Polimerización de caprolactama
• Látex de estireno-butadieno
• Resina de fenol-formaldehído
• Polimetilmetacrilato PMMA
• Polivinilacetato PVA
• Policloruro de vinilo PVC
• Poliamida PA
• Policloruro de vinilideno PVdC
• Resina epoxi
• Poliestireno PS
• Policarbonato PC
• Poliéster PE
• Polietileno
• Resina de formaldehído y urea
• Elastano
• Aldol en acetaldehído
• Poliuretano PU
• Polisiloxano
• Caucho de isopreno IR
• Resina de metilsilicona
• Acrilato de silicona
• Metilsiliconato de potasio
• Resina de silicona
• Polímero de polisulfuro
• Tereftalamida de parafenileno PPTA
• Estabilizadores de luz de aminas impedidas HALS
• Metacrilamida MAA
• Composiciones personalizadas

El medidor LiquiSonic^® permite la supervisión y control de diferentes reacciones, especialmente en el proceso por lotes. Dependiendo del método y del líquido de proceso, se pueden optimizar reacciones catalíticas y enzimáticas, así como polimerizaciones, cristalizaciones y también procesos de mezcla, asegurando la calidad del producto final.

Para los sistemas monómero-polímero, en general, las diferencias en la velocidad del sonido entre el monómero y el polímero están determinadas principalmente por la longitud de la cadena y el grado de ramificaciones y entrecruzamientos.

La tabla muestra que las diferencias en la velocidad del sonido entre el monómero y el polímero, y por lo tanto entre el inicio y el final de la reacción de polimerización, son muy grandes.

La velocidad del sonido y la concentración están directamente relacionadas. Además, el grado de polimerización, que representa el contenido de polímero en el monómero, se correlaciona con la concentración. Por esta razón, la concentración y el grado de polimerización pueden ser LiquiSonic^® determinados mediante tecnología de medición.

Ejemplo de aplicación en la producción de caprolactama

Uno de los poliamidas más importantes a nivel mundial es el PA6 conocido como Perlon, que se produce mediante la polimerización del monómero caprolactama (CPL). Debido a la complejidad del proceso de producción, este se divide en 4 áreas:

• Síntesis de caprolactama cruda
• Separación y cristalización de sulfato de amonio
• Limpieza y preparación de la caprolactama cruda
• Polimerización a PA6

En la producción de caprolactama, primero se obtiene a partir de ciclohexanona, hidroxilamina y H₂ES₄ Se produce el compuesto base ciclohexanonoxima. Mediante la adición de oleum y amoníaco se produce caprolactama cruda, que se separa de la fase de sulfato de amonio. Luego, el monómero caprolactama se purifica y concentra mediante extracción y cristalización. Después de la polimerización, el polímero se separa finalmente de los monómeros restantes y se purifica.