Polimerizzazione

La polimerizzazione è un processo chimico in cui molecole più piccole chiamate monomeri si combinano per formare molecole più grandi chiamate polimeri. Questo processo è fondamentale per la produzione di molte plastiche e altri materiali. Un aspetto chiave della polimerizzazione è il grado di polimerizzazione, che indica quante unità monomeriche sono legate insieme in una molecola polimerica. Il grado di polimerizzazione influenza in modo critico le proprietà fisiche del polimero risultante, come resistenza, flessibilità e resistenza alla temperatura.

LiquiSonic^® è un sistema di analisi in linea che misura la concentrazione nella polimerizzazione direttamente nel processo senza alcun ritardo. Il dispositivo si basa sulla misurazione ad alta precisione della velocità assoluta del suono e della temperatura di processo e consente quindi il monitoraggio di processi e reazioni complesse.

La costruzione del sensore del LiquiSonic^® Dispositivi di misurazione consente una pulizia semplice dei dispositivi, il che significa che il processo non deve essere interrotto da complessi lavori di pulizia e può svolgersi nel modo più efficiente possibile.

Nel campo delle offerte di polimerizzazione LiquiSonic^® numerosi vantaggi per l’utente:

1. Monitoraggio in tempo reale: La tecnologia consente il monitoraggio continuo del processo di polimerizzazione in tempo reale. Ciò consente di riconoscere e rispondere immediatamente alle modifiche, garantendo una qualità del prodotto costante.
2. Nessun campionamento richiesto: Poiché il sistema misura direttamente nel processo, non è necessario il campionamento manuale. Ciò riduce al minimo il rischio di contaminazione e interruzioni del processo.
3. Tecnologia robusta e a bassa manutenzione: LiquiSonic^®-dispositivi di misurazione sono progettati per l'uso permanente in ambienti industriali. Sono resistenti ai fluidi aggressivi e alle alte temperature, con conseguente durata operativa prolungata e costi di manutenzione inferiori.
4. Ottimizzazione dei processi: Monitorando attentamente la reazione di polimerizzazione, gli utenti possono controllare il processo in modo più preciso, con conseguente resa più elevata e costi di produzione inferiori.

IL LiquiSonic^® sistema può quindi essere utilizzato sia nella determinazione della concentrazione ad alta precisione che nel rilevamento di fase e nel monitoraggio del processo (cristallizzazione). Il monitoraggio interno del valore limite segnala il superamento e il superamento del limite e invia informazioni in tempo reale al sistema di controllo del processo.

È quindi possibile un monitoraggio rapido e accurato della polimerizzazione, del grado di polimerizzazione e della concentrazione di monomeri e macromolecole. Questo monitoraggio garantisce il raggiungimento di una qualità ottimale del prodotto durante l'intera polimerizzazione del caprolattame in PA6.

La conoscenza accurata del processo di polimerizzazione e del rapporto tra monomeri e macromolecole è particolarmente importante per ridurre al minimo le perdite di prodotto e massimizzare l'efficienza del processo. Determinando con precisione la concentrazione di monomeri e macromolecole durante tutto il processo, l'utente può garantire che il prodotto finale soddisfi le specifiche desiderate.

LiquiSonic^® garantisce un'analisi ad alta precisione della concentrazione di caprolattame con registrazione permanente dei dati. Il sistema di misurazione viene utilizzato con successo anche per la separazione di fase tra caprolattame e solfato di ammonio in pochi secondi.

Costruzione del sensore di LiquiSonic^®

La robusta struttura del sensore e la scelta di materiali speciali, come HC2000 o PFA, garantiscono una lunga durata del sistema. SensoTech offre anche sensori con adeguata certificazione ATEX, IECEx e FM.

Attraverso LiquiSonic^® La concentrazione del caprolattame di ritorno (monomero residuo) è ridotta al minimo, ottimizzando così la produttività del sistema.

IL LiquiSonic^® Sensori di immersione può essere facilmente installato nelle linee di ingresso e di trasporto. Durante l'installazione di LiquiSonic^® Sensori non è necessario alcun bypass e si evitano spazi morti.

IL LiquiSonic^® Controllori 30 può essere collegato fino a 4 sensori. Ciò consente di monitorare più punti di misura contemporaneamente.

Campi di misura tipici

Intervallo di concentrazione di caprolattame: da 70 a 100 m%
Intervallo di temperatura: da 80 a 130°C

Intervallo di concentrazione di caprolattame: da 0 a 10 m%
Intervallo di temperatura: da 20 a 70°C

In entrata merci: Intervallo di concentrazione dell'oleum: da 0 a 30 m%
Intervallo di temperatura: da 10 a 60°C

Nozioni di base sulla polimerizzazione

Definizione di polimerizzazione

La polimerizzazione è un processo chimico in cui i monomeri (singole molecole) vengono combinati per formare una macromolecola (polimero).

Le determinazioni di conversione nelle reazioni chimiche sono generalmente, e soprattutto nel caso delle reazioni di polimerizzazione, una grande necessità in termini di tracciabilità del processo, controllo di processo e controllo di processo.

Proprio come la misurazione della concentrazione, l’importanza del monitoraggio della polimerizzazione sta aumentando enormemente in tutti i settori dell’economia, soprattutto oggi. Sono possibili notevoli effetti economici, come il risparmio di materiali ed energia, nonché il miglioramento della qualità.

Esistono numerosi metodi di misurazione per la misurazione della concentrazione e della conversione, come la misurazione della densità, la misurazione dell'indice di rifrazione, la misurazione della conducibilità, la misurazione del colore, della torbidità e della viscosità, tutti con limiti di applicazione fisici e tecnologici.

La possibilità di determinare le concentrazioni misurando la velocità del suono è nota da molto tempo e si è affermata come metodo di misurazione standard.

Principi fisici della polimerizzazione

La velocità di propagazione v degli ultrasuoni nei liquidi dipende dalla loro densità e comprimibilità adiabatica attraverso la seguente relazione:

v = velocità del suono
ρ = densità
βad = comprimibilità adiabatica

Un fattore determinante per la velocità del suono è la comprimibilità. Ciò significa che all’aumentare della velocità del suono, la densità e la comprimibilità possono andare in direzioni opposte. Ciò ha la conseguenza che, in determinate circostanze, possono verificarsi grandi differenze nella velocità del suono con differenze piccole o piccole nella densità. Il caso opposto si verifica molto raramente.

La velocità del suono è determinata dalla struttura della sostanza, cioè da gruppi di atomi e molecole, isomeri o lunghezze di catena. Questa connessione offre la possibilità di caratterizzare le sostanze utilizzando gli ultrasuoni.

La velocità del suono v di alcuni monomeri e polimeri selezionati a 20 °C è mostrata nella tabella seguente.

La struttura della macromolecola, creata dalla polimerizzazione dei monomeri, influenza la velocità del suono poiché è determinata dalla disposizione dei gruppi atomici e molecolari, dagli isomeri e dalle lunghezze delle catene.

Per i sistemi monomero-polimero è generalmente vero che le differenze nella velocità del suono tra monomero e polimero sono determinate principalmente dalla lunghezza della catena e dal grado di ramificazione e reticolazione. La tabella mostra già chiaramente che le differenze che si verificano tra monomero e polimero e quindi tra l'inizio e la fine della reazione di polimerizzazione sono talvolta molto grandi.

Metodi di misura nella polimerizzazione

Per determinare il grado di polimerizzazione vengono utilizzati diversi metodi di misurazione per monitorare l'avanzamento e la qualità del processo. I metodi comuni includono misurazioni della viscosità, misurazioni della concentrazione, gravimetria e calorimetria.

Problemi con la misurazione della viscosità

Sebbene le misurazioni della viscosità siano comuni, possono essere problematiche. In particolare, sono influenzati dalle fluttuazioni di temperatura, dalle velocità di taglio e dalla presenza di impurità, che possono modificare la viscosità della miscela polimerica e quindi fornire risultati di misurazione imprecisi. Inoltre, la viscosità è difficile da misurare a pesi molecolari molto alti o molto bassi.

Il verificarsi di contaminazione può comportare risultati di misurazione inaffidabili e quindi richiedere un processo di pulizia intensivo, che influenza negativamente l'efficacia del processo.

Vantaggi della misura della concentrazione

A differenza della misurazione della viscosità, le misurazioni della concentrazione sono meno suscettibili ai fattori di disturbo. Offrono una misurazione diretta della concentrazione del monomero e non dipendono dalle proprietà fisiche dei polimeri. Ciò porta a dati più accurati e affidabili sull'avanzamento della polimerizzazione.

Processi

La polimerizzazione può avvenire attraverso una varietà di meccanismi di reazione, con i monomeri che reagiscono per formare catene più lunghe o strutture ramificate, le macromolecole. A seconda del meccanismo di reazione, le polimerizzazioni si dividono in:

• Polimerizzazione della soluzione
• Polimerizzazione in emulsione
• Polimerizzazione in sospensione
• Policondensazione

A seconda del numero di copolimeri e degli additivi che modificano il prodotto, la variazione della velocità del suono mostra un andamento caratteristico. Normalmente la velocità del suono di tutti i componenti coinvolti viene determinata in base alla temperatura per poi compensarla successivamente. Dall'andamento temporale della velocità del suono è quindi possibile ricavare l'andamento della reazione e calcolare la rotazione del materiale.

Nella seguente descrizione ciò viene spiegato come esempio per la polimerizzazione in emulsione del lattice stirene-butadiene. Negli altri tipi di polimerizzazione la determinazione di parametri come concentrazione, grado di polimerizzazione ecc. avviene in modo analogo.

Polimerizzazione in emulsione del lattice stirene-butadiene Per il sistema di reazione

Sono stati esaminati la polimerizzazione in emulsione butadiene-stirene, i singoli componenti ed i lattici.

La figura seguente mostra che la velocità del suono dei monomeri differisce notevolmente da quella dei polimeri.

La velocità del suono e la concentrazione sono direttamente correlate. Inoltre, il grado di polimerizzazione, che riflette la proporzione del polimero nel monomero, è correlato alla concentrazione. È quindi possibile determinare la concentrazione e il grado di polimerizzazione utilizzando la tecnologia di misurazione a ultrasuoni. La figura seguente illustra questo collegamento durante la polimerizzazione del butadiene-stirene.

Nella polimerizzazione in emulsione di butadiene e stirene il grado di polimerizzazione può essere determinato con una precisione dello 0,1%.

Applicazioni

Sulla base della nostra esperienza di oltre 20 anni, abbiamo accumulato molte conoscenze nel campo della polimerizzazione, acquisite attraverso applicazioni presso le sedi dei clienti e nel centro tecnico dell'azienda. Questa conoscenza confluisce in nuovi progetti e i dati dei clienti vengono sempre trattati in modo confidenziale.

Durante la polimerizzazione, non solo le macromolecole ma anche i monomeri diventano il centro del monitoraggio per garantire l'esatto andamento della reazione e la qualità del prodotto.

SensoTech mette a disposizione la seguente letteratura secondaria sui diversi processi di produzione:

• Ottimizzazione della produzione di poliammide
• Ottimizzazione della produzione del poliuretano
• Produzione sicura ed efficiente di lattice stirene butadiene (SBR).

Le applicazioni finora esaminate includono:

• Polimerizzazione del caprolattame
• Lattice di stirene butadiene
• Resina fenolo-formaldeide
• Polimetilmetaacrilato PMMA
• Acetato di polivinile PVA
• PVC cloruro di polivinile
• PoliammidePA
• Cloruro di polivinilidene PVdC
• Resina epossidica
• Polistirolo PS
• PC in policarbonato
• Poliestere PE
• Polietilene
• Resina formaldeide-urea
• Elastan
• Aldolo in acetaldeide
• Poliuretano PU
• Polisilossano
• Gomma isoprenica IR
• Resina metilsilicone
• acrilato di silicone
• Siliconato di metile di potassio
• resina siliconica
• Polimero polisolfuro
• Parafenilene tereftalammidi PPTA
• Stabilizzatori di luce con ammine ostacolate COLLO
• Metacrilammide MAA
• composizioni personalizzate

Il dispositivo di misurazione LiquiSonic^® consente il monitoraggio e il controllo di diverse reazioni, soprattutto nei processi batch. A seconda del processo e del processo, è possibile ottimizzare le reazioni liquide, catalitiche ed enzimatiche, nonché i processi di polimerizzazione, cristallizzazione e anche di miscelazione e garantire la qualità del prodotto finale.

Per i sistemi monomero-polimero è generalmente vero che le differenze nella velocità del suono tra monomero e polimero sono determinate principalmente dalla lunghezza della catena e dal grado di ramificazione e reticolazione.

La tabella mostra che le differenze nella velocità del suono tra monomero e polimero e quindi tra l'inizio e la fine della reazione di polimerizzazione sono molto grandi.

La velocità del suono e la concentrazione sono direttamente correlate. Inoltre, il grado di polimerizzazione, che riflette il contenuto di polimero nel monomero, è correlato alla concentrazione. Per questo motivo è possibile regolare la concentrazione e il grado di polimerizzazione con il LiquiSonic^® è possibile determinare la tecnologia di misurazione.

Esempio applicativo produzione di caprolattame

Una delle poliammidi più importanti al mondo è la PA6, nota come Perlon, che viene prodotta polimerizzando il monomero caprolattame (CPL). A causa della complessità del processo produttivo, esso è suddiviso in 4 aree:

• Sintesi del caprolattame grezzo
• Separazione e cristallizzazione del solfato di ammonio
• Purificazione e preparazione del caprolattame grezzo
• Polimerizzazione a PA6

Quando si producono caprolattame, cicloesanone, idrossilammina e H₂COSÌ₄ viene prodotto il materiale di base cicloesanone ossima. Aggiungendo oleum e ammoniaca si produce il caprolattame grezzo, che viene separato dalla fase di solfato di ammonio. Il caprolattame monomero viene quindi purificato e concentrato mediante estrazione e cristallizzazione. Dopo la polimerizzazione il polimero viene infine separato dal monomero residuo e purificato.