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聚合

有针对性的流程管理

聚合是一种化学过程，在此过程中，较小的分子（称为单体）结合成较大的分子（称为聚合物）。这一过程是生产许多塑料和其他材料的基础。聚合的一个重要方面是聚合度，它表示聚合物分子中有多少单体单元连接在一起。聚合度对聚合物的强度、柔韧性和耐温性等物理性质有着决定性的影响。

聚合过程中的LiquiSonic®测量系统

LiquiSonic®是一种在线分析系统，可在聚合过程中直接测量浓度，而无需延迟。该装置基于对绝对声速和过程温度的高精度测量，因此可对过程和复杂反应进行监控。

LiquiSonic®测量装置的传感器设计使装置的清洁工作变得简单，这意味着工艺流程不必因耗时的清洁工作而中断，可以尽可能高效地运行。

LiquiSonic System Total sonic velocity 40-40

在聚合领域，LiquiSonic®为用户提供了众多优势：

  1. 实时监控：该技术可对聚合过程进行连续实时监控。这样就能立即识别变化并做出反应，确保产品质量的一致性。

  2. 无需取样：由于系统直接在生产过程中进行测量，因此无需人工取样。这最大限度地降低了污染和工艺中断的风险。

  3. 坚固耐用、维护成本低的技术： LiquiSonic® 测量设备专为在工业环境中连续使用而设计。它们可抵御侵蚀性介质和高温，从而延长了使用寿命，降低了维护成本。

  4. 优化工艺：通过密切监控聚合反应，用户可以对工艺进行精细控制，从而提高产量，降低生产成本。

因此，LiquiSonic®系统可用于高精度浓度测定、相位检测和过程监控（结晶）。内部限值监测系统会在超出或未达到限值时发出信号，并将实时信息发送至过程控制系统。

因此可以对聚合、聚合度以及单体和大分子的浓度进行快速准确的监控。这种监控可确保在将己内酰胺聚合成 PA6 的整个聚合过程中实现最佳产品质量。

精确了解聚合过程以及单体和大分子的比例对于最大限度地减少产品损失和提高工艺效率尤为重要。通过在整个过程中精确测定单体和大分子的浓度，用户可以确保最终产品符合预期规格。

LiquiSonic®可确保对己内酰胺浓度进行高精度分析，并永久记录数据。该测量系统还可在数秒内成功实现己内酰胺与硫酸铵的相分离。

 

LiquiSonic®的传感器设计

坚固耐用的传感器设计和特殊材料（如 HC2000 或 PFA）的选择，确保了系统较长的工艺使用寿命。SensoTech 还提供具有相应 ATEX、IECEx 和 FM 认证的传感器。

LiquiSonic®可将回己内酰胺（残留单体）的浓度降至最低，从而优化系统生产率。

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LiquiSonic®浸入式传感器可方便地安装在进料和输送管道中。安装LiquiSonic®传感器时无需旁路，避免了死角。

LiquiSonic®控制器 30最多可连接 4 个传感器。这样就可以同时监控多个测量点。

 

典型测量范围

己内酰胺浓度范围：70 至 100 m%
温度范围：80 至 130 °C

己内酰胺浓度范围：0 至 10 m%
温度范围：20 至 70 °C

进货：发烟硫酸浓度范围：0 至 30 m%
温度范围：10 至 60 °C

聚合的基础知识

聚合的定义

聚合是单体（单个分子）结合形成大分子（聚合物）的化学过程。

测定一般化学反应，特别是聚合反应中的转化率，对于过程监控、过程控制和过程管理都非常重要。

与浓度测量一样，监测聚合反应在所有经济领域中的重要性也与日俱增，尤其是在当前。材料和能源的节约以及质量的提高都可能带来巨大的经济效益。

浓度和转换测量有许多测量方法，如密度测量、折射率测量、电导率测量、颜色、浊度和粘度测量，所有这些方法都有其物理和技术应用限制。

通过测量声速来确定浓度的可能性早已为人所知，并已成为一种标准测量方法。

 

聚合的物理原理

超声波在液体中的传播速度 v 取决于液体的密度和绝热可压缩性，关系如下：

v = 声波速度
ρ = 密度
βad = 绝热可压缩性

压缩性是声速的决定因素。这意味着随着声速的增加，密度和可压缩性的方向可能相反。其结果是，在密度差异很小或很小的情况下，声速也会出现很大的差异。相反的情况很少发生。

声速由物质的结构决定，即由原子和分子基团、同分异构体或链长决定。这种关系使得利用超声波表征物质成为可能。

下表显示了一些选定的单体和聚合物在 20 °C 时的声速 v。

单体聚合产生的大分子的结构会影响声速，因为它是由原子和分子基团的排列、异构体和链长决定的。

对于单体-聚合物体系，一般来说，单体和聚合物之间的声速差异主要取决于链长以及支化和交联程度。该表清楚地表明，单体和聚合物之间的差异，以及聚合反应开始和结束之间的差异有时非常大。

聚合过程中的测量方法

为了监控聚合过程的进度和质量，可使用各种测量方法来确定聚合程度。常用的方法包括粘度测量法、浓度测量法、重量测量法和热量测量法。

 

粘度测量的问题

粘度测量很常见，但也可能存在问题。尤其是，粘度测量会受到温度波动、剪切速率和杂质存在的影响，这些因素都会改变聚合物混合物的粘度，从而导致测量结果不准确。此外，在分子量很高或很低的情况下也很难测量粘度。

杂质的存在会导致测量结果不可靠，然后需要进行密集的清洁过程，从而对过程的有效性产生负面影响。

 

浓度测量的优势

与粘度测量相比，浓度测量不易受干扰因素的影响。它可以直接测量单体浓度，而不依赖于聚合物的物理特性。因此，聚合过程的数据更加准确可靠。

聚合过程

聚合反应可通过多种反应机制进行，单体通过反应形成较长的链或支链结构，即大分子。根据反应机理的不同，聚合反应可分为

  • 溶液聚合

  • 乳液聚合

  • 悬浮聚合

  • 缩聚

根据共聚物和改变产品的添加剂的数量，声速的变化呈现出特征曲线。通常情况下，所有相关成分的声速都会被确定为温度的函数，以便在以后进行补偿。然后就可以根据声速随时间的变化推导出反应的过程，并计算出材料的转化率。

下面将以丁苯胶乳的乳液聚合为例进行说明。浓度、聚合度等参数的确定方法与其他聚合类型相同。

丁苯胶乳的乳液聚合 反应体系

对丁二烯-苯乙烯乳液聚合反应体系的各个组分和胶乳进行了研究。

下图显示，单体的声速与聚合物的声速差别很大。

声速与浓度直接相关。此外，反映聚合物在单体中所占比例的聚合度也与浓度相关。因此，利用超声波测量技术可以确定浓度和聚合度。下图说明了丁二烯苯乙烯聚合过程中的这种关系。

在丁二烯和苯乙烯乳液聚合的情况下，聚合度的测定精度可达 0.1%。

应用

20 多年的经验使我们在聚合领域积累了丰富的知识，这些知识是通过在客户处所和公司自己的技术中心进行应用而获得的。我们将这些知识运用到新项目中，并始终对客户数据保密。

Vats Tubes

在聚合过程中，不仅大分子，单体也是监控的重点，以确保反应的准确过程和产品质量。

SensoTech 可提供以下有关各种生产工艺的二手文献：

  • 聚酰胺生产优化

  • 优化聚氨酯生产

  • 安全高效的丁苯胶乳 (SBR) 生产

目前已分析的应用包括

  • 己内酰胺聚合

  • 丁苯胶乳

  • 酚醛树脂

  • 聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA

  • 聚醋酸乙烯酯 PVA

  • 聚氯乙烯 PVC

  • 聚酰胺 PA

  • 聚偏二氯乙烯 PVdC

  • 环氧树脂

  • 聚苯乙烯 PS

  • 聚碳酸酯 PC

  • 聚酯 PE

  • 聚乙烯

  • 甲醛脲树脂

  • 氨纶

  • 乙醛中的醛醇

  • 聚氨酯 PU

  • 聚硅氧烷

  • 异戊二烯橡胶 IR

  • 甲基硅树脂

  • 丙烯酸硅酯

  • 甲基硅树脂钾

  • 硅树脂

  • 聚硫聚合物

  • 对苯二甲酰对苯二甲酰胺 PPTA

  • 受阻胺光稳定剂 HALS

  • 甲基丙烯酰胺 MAA

  • 定制组合物

LiquiSonic®测量装置可监测和控制不同的反应，尤其是间歇工艺中的反应。根据工艺和工艺液体的不同，可对催化反应、酶反应以及聚合、结晶和混合过程进行优化，并保证最终产品的质量。

单体-聚合物体系的一般规则是，单体和聚合物之间的声速差异主要取决于链长和支化及交联程度。

从表中可以看出，单体和聚合物之间的声速差异很大，因此聚合反应开始和结束时的声速差异也很大。

声速与浓度直接相关。此外，反映聚合物在单体中所占比例的聚合度也与浓度相关。因此，LiquiSonic®测量技术可以测定浓度和聚合度。

 

己内酰胺生产应用实例

世界上最重要的聚酰胺之一是 PA6，即 Perlon，它是通过聚合单体己内酰胺 (CPL) 生产出来的。由于生产工艺的复杂性，它被分为 4 个领域：

  • 合成粗己内酰胺

  • 硫酸铵的分离和结晶

  • 粗己内酰胺的净化和制备

  • 聚合成 PA6

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在己内酰胺生产过程中，首先要从环己酮、羟胺和H2SO4中生产出基础材料环己酮肟。加入发烟硫酸和氨水后生产出粗己内酰胺，再从硫酸铵相中分离出来。然后通过萃取和结晶提纯和浓缩单体己内酰胺。聚合后，聚合物最终与残留单体分离并提纯。