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 producción de muchos plásticos y otros materiales. Un aspecto clave de la polimerización es el grado de polimerización, que indica cuántas unidades de monómero están unidas en una molécula de polímero. El grado de polimerización influye significativamente en las propiedades físicas del polímero resultante, como la resistencia, la flexibilidad yresistencia a la temperatura.
LiquiSonic® Sistemas de medición en la polimerización
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 absoluta del sonido 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, por lo que el proceso no tiene que ser interrumpido por trabajos de limpieza complejos y puede llevarse a cabo de la manera más eficiente posible.
En el área de la polimerización ofrece LiquiSonic® al usuario numerosas ventajas:
- Monitoreo en tiempo real: La tecnología permite un monitoreo continuo del proceso de polimerización en tiempo real. Esto permite reconocer cambios de inmediato y reaccionar a ellos, asegurando así una calidad de producto constante.
- 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.
- Tecnología robusta y de bajo mantenimiento: LiquiSonic®instrumentos de medición están diseñados para 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.
- Optimización de procesos: Mediante la supervisión precisa de la reacción de polimerización, los usuarios pueden controlar el proceso de manera más fina, lo que lleva a un mayor rendimiento y menores costos de producción.
El LiquiSonic® sistema puede utilizarse tanto en la determinación de concentración de alta precisión como en la detección de fases y el monitoreo de procesos (cristalización). Una supervisión interna de límites señala superaciones y subpasos y envía la información en tiempo real al sistema de control de procesos.
Por lo tanto, 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 preciso sobre el 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 permanente de datos. El sistema de medición también se utiliza con éxito en la separación de fases en cuestión de 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 la correspondiente certificación ATEX, IECEx y FM.
A través de LiquiSonic® se reduce al mínimo la concentración de caprolactama residual (monómero residual) y así se optimiza la productividad de la planta.
Los LiquiSonic® sensores de inmersión se pueden instalar fácilmente en las tuberías de entrada y transporte. Al instalar los LiquiSonic® sensores no es necesario un bypass y se evitan los espacios muertos.
El LiquiSonic® Controlador 30 puede conectarse con hasta 4 sensores. Así es posible monitorear simultáneamente varios puntos de medición.
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 la entrada 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 combinan 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 cuanto a seguimiento de procesos, control de procesos y gestión de procesos.
Al igual que la medición de la concentración, en la actualidad la importancia de la supervisión de la polimerización en todos los sectores de la economía está aumentando enormemente. Son posibles grandes efectos económicos, como ahorros de material y energía, así como mejoras de calidad.
Para las mediciones de concentración y rendimiento, existe una serie de métodos de medición, como la medición de densidad, la medición del índice de refracción, la medición de conductividad, la medición de color, turbidez y viscosidad, que tienen sus límites de aplicación físicos y tecnológicos.
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 tiene como consecuencia que, al aumentar la velocidad del sonido, la densidad y la compresibilidad pueden ser opuestas. Esto tiene la consecuencia de que, en caso de diferencias de densidad pequeñas o mínimas, pueden surgir 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 tabla siguiente.
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 que surgen en la velocidad del sonido entre monómero y 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 surgen entre monómero y 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. Los métodos comunes incluyen mediciones de viscosidad, mediciones de concentración, gravimetría y calorimetría.
Problemas con la medición de viscosidad
Las mediciones de viscosidad son comunes, pero pueden ser problemáticas. En particular, se ven afectadas por fluctuaciones de temperatura, tasas de cizallamiento y la presencia de impurezas, lo que puede cambiar la viscosidad de la mezcla polimérica y, por lo tanto, 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, en los cuales 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 los aditivos que alteran el producto, el cambio en la velocidad del sonido muestra un patrón característico. Típicamente, se determina la velocidad del sonido de todos los componentes involucrados en función de la temperatura para compensarlo más tarde. A partir de la evolución temporal de la velocidad del sonido, se puede deducir el curso de la reacción y calcular la conversión de material.
En la siguiente descripción, esto se explica de manera ejemplar para la polimerización en emulsión de látex de estireno-butadieno. La determinación de 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 claramente de la de los polímeros.
La velocidad del sonido y la concentración están directamente relacionadas. Además, el grado de polimerización, que representa la proporción del 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 el laboratorio técnico de la empresa. Este conocimiento se incorpora en nuevos proyectos, siempre tratando los datos de los clientes de manera confidencial.
Durante la polimerización, no solo los macromoléculas, sino también los monómeros, se centran en 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-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 amina impedida HALS
- Metacrilamida MAA
- Composiciones personalizadas
El medidor LiquiSonic® permite la monitorización y el control de diferentes reacciones, especialmente en el proceso por lotes. Dependiendo del método y del líquido del proceso, se pueden optimizar reacciones catalíticas y enzimáticas, así como polimerizaciones, cristalizaciones e incluso procesos de mezcla, y garantizar la calidad del producto final.
Para los sistemas de monómero-polímero, en general, las diferencias de velocidad del sonido que ocurren entre monómero y polímero están determinadas principalmente por la longitud de la cadena y el grado de ramificaciones y enlaces cruzados.
La tabla muestra que las diferencias en la velocidad del sonido entre monómero y 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 refleja la proporción de polímero en el monómero, correlaciona con la concentración. Por esta razón, la concentración y el grado de polimerización pueden ser LiquiSonic® determinados por tecnología de medición.
Ejemplo de aplicación fabricación de caprolactama
Uno de los poliamidas más importantes del mundo es el PA6, conocido como Perlon, que se fabrica mediante la polimerización del monómero caprolactama (CPL). Debido a la complejidad del proceso de fabricación, se divide en 4 áreas:
- Síntesis de caprolactama cruda
- Separación y cristalización de sulfato de amonio
- Purificación y preparación de la caprolactama cruda
- Polimerización a PA6
En la fabricación de caprolactama, primero se obtiene de ciclohexanona, hidroxilamina y H2SO4 La materia prima ciclohexanonoxima se produce. Mediante la adición de oleum y amoníaco se genera caprolactama cruda, que se separa de la fase de sulfato de amonio. Luego se realiza la purificación y concentración del monómero caprolactama mediante extracción y cristalización. Después de la polimerización, el polímero se separa finalmente de los monómeros restantes y se purifica.
Macromoléculas, polímeros y plásticos son productos omnipresentes y deben cumplir con los más altos estándares. Los procesos desarrollados para su fabricación a menudo operan bajo altas presiones y temperaturas de proceso. La supervisión y control de estos procesos deben cumplir con los más altos requisitos de seguridad debido a estas condiciones generales.
