Cinétique de la polymérisation d’Addition de polydiméthylsiloxane

Chemical Engineering

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Overview

Source : Kerry M. Dooley et Michael g. Benton, département de génie chimique, Louisiana State University, Baton Rouge, Louisiane

Les polymères sont constitués de plusieurs unités de monomère répétées qui sont liées chimiquement dans de longues chaînes de molécules. Ils présentent un large éventail de propriétés physiques, qui sont affectés par leur structure chimique, la masse moléculaire et le degré de polymérisation. L’industrie des polymères fabrique des milliers des matières premières utilisées dans une large variété de produits commerciaux. 1 , 2

Le but de cette vidéo est pour effectuer une réaction de polymérisation d’addition puis évalue le produit qui en résulte pour comprendre comment la viscosité peut être utilisée pour déterminer le poids moléculaire de polymères. En outre, cette expérience étudiera comment poids moléculaire peut être liée à la conversion de monomère.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Génie chimique. Cinétique de la polymérisation d’Addition de polydiméthylsiloxane. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

De nombreux polymères sont produites dans les réacteurs de réservoir agité, soit par lot ou en continu. À titre d’exemple, la polymérisation de poly(dimethylsiloxane) (PDMS) est montrée dans la Figure 1. Dans cette réaction, « Me » représente des groupes méthyles et d’hydroxyde de potassium est le catalyseur. Le [moi2SiO]5 est un 5 chaînons qui s’ouvre pour former la composante fondamentale (le « lien ») du polymère. Le deuxième produit représente fini polymère (il réagit avec ce qu’on appelle un « endblocker » pour arrêter la croissance), le premier est un polymère de croissance encore (« vivre »). Toutes les pousses se déroule alors que la chaîne est attachée au catalyseur.

Figure 1
Figure 1 : Polymérisation par ouverture de cycle du PDMS.

Il s’agit d’un type de polymérisation d’addition, dont il est question dans les nombreux cinétique3 et tous les manuels de base polymère-sciences. 4 la réaction est surtout thermiquement neutre et est généralement exécutée entre 110-140 ° C et à pression atmosphérique. Une petite quantité de poids moléculaire modificateur (« endblocker ») est utilisée pour arrêter la croissance de la chaîne, mais le catalyseur commence alors une nouvelle chaîne. Endblockers communs sont dimethylsiloxanes avec triméthylsiloxy fin-groupes. Une chaîne de « vivre » réagit avec l’endblocker, formant un produit fin diablotin de polysiloxane « mort » avec un groupe de fin de triméthyle.

Equation 1

Le moi3SiOK réagit avec une autre polysiloxane à créer un autre groupe de fin triméthylsiloxy. L’effet global n’est pas seulement le capping du polymère, mais aussi le contrôle de la longueur de la chaîne. Longueur de chaîne moyenne (m + n) entre 43-205 est typiques pour PDMS industriel dans lequel plusieurs différentes qualités de produit sont synthétisées. Parce que le taux d’addition de monomère >> Vitesse de réaction avec l’endblocker (autrement vous ne serait jamais obtenir à poids moléculaire élevé), l’endblocker n’est pas influer sur la cinétique de la réaction, seule la distribution de poids moléculaire.

Dans l’analyse cinétique de la polymérisation, l’étape la plus difficile est détermination du poids moléculaire d’une propriété physique, telles que la viscosité cinématique et calcul de la conversion de la fraction. Le poids moléculaire de viscosité moyenne, qui est mesuré dans cette démonstration, est une mesure intermédiaire avec une valeur entre le poids moléculaire moyen en nombre et poids à la moyenne du polymère. La masse moléculaire moyenne en nombre est la masse moléculaire moyenne en statistique et indique que 50 % des chaînes de polymère sont inférieures à la masse moléculaire moyenne en nombre, et dépassent les 50 %. Le poids moléculaire moyen de poids est calculé à partir les fractions de poids où 50 % du poids de l’échantillon se compose de chaînes de poids moléculaire inférieur et 50 % constitués par des chaînes de poids moléculaire plus élevé.

Si l'on divise le numéro MW moyenne par le poids de monomère, numéro degré moyen de polymérisation, ce qui est lié à la conversion de la fraction. Les conversions de fraction vs temps servent à déterminer l’ordre de la réaction comme appris dans les classes de chimie physique et de la conception du réacteur.

Procedure

Le système est contrôlé en exécutant des séquences de contrôle PS1-PS5 sur un système de contrôle distribué industriel standard qui est exploité depuis un PC. Les valves d’ouvrir/fermer/ajuster des séquences dans la bonne séquence et informent quand et comment ajouter des composants dans le réacteur.

1. montage du réacteur

  1. Ouvrir la bouteille de2 N connecté dans la cuve de réaction.
  2. Exécuter la séquence de contrôle PS1 pour tester l’équipement.
  3. Puis, fermez la vanne manuelle de la pompe à vide pour vérifier que le système est étanche.
  4. Attendre 5 min et vérifier que la pression ne dépasse pas 600 mm Hg.
  5. Remplir le système avec N2. Azote est nécessaire pour des raisons de sécurité et cinétique. O2 inhibe beaucoup polymérisations et peut conduire à des explosions.
  6. Exécuter la séquence de contrôle PS3 ajouter monomère dans le réacteur.
  7. Lorsque vous êtes invité par la suite, ajouter la solution de catalyseur et de l’endblocker. au moyen d’un petit entonnoir appelé le « réservoir d’adder ».

2. Fabrication de polymère

  1. Lance la séquence de PS4 et surveiller la température de réaction.
  2. Lorsque la température atteint > 105 ° C, fréquemment collecte d’échantillons liquide (au moins toutes les 8 minutes) depuis le point de tirage d’échantillon (attention : chaud, porter des gants thermiques).
  3. Permettre la réaction de polymérisation jusqu’au quasi-équilibre. Surveillez l’utilisation de la puissance de l’agitateur pour confirmer que la réaction a atteint un équilibre. Une fois que le pouvoir a cessé d’augmenter, alors que la réaction est proche de l’équilibre.
  4. Assurez-vous de recueillir des échantillons d’au moins 7.
  5. Une fois terminé, ouvrir le robinet du réservoir CO2 et appuyez sur « RXN COMPLETE » pour neutraliser le catalyseur en CO2. Cela se produira dans le cadre de la séquence de la PS4.
  6. Commencer la séquence de décapage PS5.
    1. Ouvrez la vanne manuelle de la pompe à vide et laissez décapage exécuter pendant 15 min.
    2. Sélectionnez « Décapage complet ».
  7. Recueillir les chaudières basses de la réaction dans une fiole.
  8. Refroidir le réacteur en utilisant le processus de récupération automatique. Pumpout se fera beaucoup plus tard.
  9. Suivante aux instructions du fabricant, mesurer les échantillons collectés avec un viscosimètre rotatif (coupe et bob).
    1. Si la vitesse de rotation est réglée trop haute, ne vous obtiendrez aucune indication de viscosité et une vitesse inférieure est choisie. Ces valeurs de viscosité serviront à déterminer la répartition de la masse moléculaire du polymère.

Les polymères sont une classe omniprésente de composés présents dans toutes les facettes de l’industrie et de fabrication. Deux de leurs principales caractéristiques, poids moléculaire et degré de polymérisation, doit provenir d’autres propriétés en vrac. Contrairement aux autres substances, dont les caractéristiques physiques sont définies uniquement par leur structure chimique, les polymères sont également touchées par leur degré de polymérisation et poids moléculaire. Polymères chimiquement identiques peuvent varier de liquides aux caoutchoucs sur les matières dures et cassantes, tous basés sur ces propriétés physiques. Puisque les attributs microscopiques, telles que le poids moléculaire, sont difficiles à mesurer directement, les propriétés globales, telles que la viscosité, la densité et la diffusion de la lumière, peuvent servir à déduire de ces caractéristiques importantes. Cette vidéo va illustrer une polymérisation batch de polydiméthylsiloxane, ou PDMS et déterminer son poids moléculaire et le degré de polymérisation de sa viscosité.

Pour commencer, concentrons-nous sur la fabrication en masse de polydiméthylsiloxane, ou PDMS. Réactions de polymérisation sont classées par leurs mécanismes, types de réacteurs, caractéristiques du produit et plus. Dans le cas de PDMS, initiateur réagit avec le monomère pour produire la chaîne de polymère, qui à son tour, peut être prolongée à travers d’autres réactions avec le monomère. Le mécanisme de cette réaction est appelé polymérisation d’addition et se caractérise par l’absence de sous-produits. Le choix du réacteur dépend des propriétés de réactif et influe sur les caractéristiques du produit. Réacteurs biologiques séquentiels, qui comprennent généralement un réservoir, agitateur et système de chauffage ou de climatisation, fonctionnent comme des systèmes fermés où les réactifs sont ajoutés dans un temps discret et laisse ensuite réagir au fil du temps. Réacteurs biologiques séquentiels sont préférés pour des réactions à petite échelle lors de faibles quantités de réactifs sont utilisées ou un nouveau processus est en cours d’élaboration ou de synthétiser plusieurs qualités de produit. Ils sont fréquemment utilisés pour les polymérisations. PDMS est synthétisée à partir de monomère, initiateur et un bloqueur de fin sans aucun solvant, une affection appelée polymérisation en masse. L’absence de solvants simplifie le traitement de polymère, car les sous-produits et le catalyseur sont facilement séparées du polymère. Toutefois, la température doit être soigneusement contrôlée, comme avec une veste, pour éviter l’emballement exothermique pouvant entraîner une explosion de refroidissement par l’eau. Indépendamment des conditions de réaction, les propriétés physiques mesurées du produit, telles que la viscosité, sont utilisées pour estimer la masse moléculaire moyenne en nombre et la masse moléculaire moyenne en poids. En divisant la masse moléculaire moyenne en nombre par la masse molaire du monomère on obtient la longueur de la chaîne moyenne ou le degré de polymérisation, ce qui est liée à l’ordre de conversion et de la réaction. Maintenant que vous connaissez les bases de la polymérisation, nous allons voir comment faire fonctionner une réaction de petits lots de PDMS et déterminer la cinétique de la réaction.

Pour commencer la procédure, ouvrez la bouteille d’azote reliée à la cuve de réaction. Exécutez la première séquence, qui vérifie que l’équipement est opérationnel et en bon état de fonctionnement. Ensuite, testez le système d’étanchéité en fermant la vanne manuelle de la pompe à vide. Attendez cinq minutes et vérifier que la montée en pression ne dépasse pas 600 millimètres de mercure. Rouvrez le robinet pour enlever toute atmosphère restante. Enfin, fermez la vanne manuelle et remplir le système avec de l’azote. Le troisième module du programme ajoute le monomère cyclique dans le réacteur. Les ingrédients de quantité inférieures, le bloqueur de catalyseur et de fin, sont ajoutés à travers un petit entonnoir appelé le réservoir de l’additionneur. Le réacteur est maintenant complet et prêt pour la polymérisation. Démarrer le processus de quatrième et de surveiller la température. Une fois qu’il dépasse 105 degrés, commencer la collecte des échantillons liquides depuis le point de tirage d’échantillon. Recueillir des aliquotes à intervalles d’au moins toutes les huit minutes. Pour savoir quand la polymérisation atteint l’équilibre, surveillez l’utilisation de la puissance de l’agitateur. Une fois que le pouvoir a cessé d’augmenter, la réaction est terminée. À ce stade, ouvrir le réservoir de dioxyde de carbone et de la vanne et appuyez sur le bouton-poussoir complet de réaction pour neutraliser le catalyseur. Pour commencer la séquence de décapage, ouvrez la vanne manuelle de la pompe à vide et laissez-le tourner pendant 15 minutes à une température plus élevée. À ce stade, sélectionnez décapage complet et recueillir les chaudières basses de la réaction dans une fiole. Permettre la refroidissement automatisée le processus s’exécute. En utilisant les instructions du fabricant, mesurer les échantillons collectés avec un viscosimètre. Si la vitesse est trop élevée, une vitesse inférieure est choisie et ne vous obtiendrez aucune indication. Ces valeurs serviront à déterminer la distribution de poids moléculaire du polymère.

Beaucoup d’informations peut être obtenue de la mesure de la viscosité relativement simple. En divisant la viscosité de l’échantillon PDMS par sa densité on obtient sa viscosité cinématique. Équations empiriques, telles que les relations de Barrie, rapportent à une viscosité cinématique à la masse moléculaire moyenne viscosité. Divisant le poids moléculaire de viscosité moyenne de 1.6, un autre coefficient empirique pour PDMS, donne le poids moléculaire moyen en nombre, le poids moyen par chaîne de polymère. En divisant par le poids du monomère donne la longueur de la chaîne moyenne ou le degré de polymérisation, le nombre d’unités monomères dans le polymère. Toutefois, étant donné que la longueur de la chaîne calculée comprend le monomère non réagi, il sera artificiellement bas. Une correction qui tient compte de la conversion des fractionnée doit être appliquée. Voici les résultats typiques pour la masse moléculaire moyenne viscosité et le degré de polymérisation de PDMS avec temps de réaction. Dans cette réaction, une grande quantité de bloqueur de fin, qui arrête la croissance de la chaîne et forme un groupe de fin de triméthyle, on a utilisé, pour un final faible degré de polymérisation. La conversion fractionnaire peut aussi être déterminée en fonction du temps. En supposant une cinétique irréversible et que le polymère a été dressée à une longueur de chaîne constante, l’ordre de la réaction à l’égard de monomère tenait à être de premier ordre, tel que confirmé par l’ajustement raisonnable. Une constante de vitesse de 0,054 minutes inverses a été calculée, ce qui concorde avec d’autres études qui signalent une constante de taux de premier ordre de 0,06 minutes inverses pour ce monomère dans les mêmes conditions.

Polymères synthétiques sont retrouvent dans une vaste gamme de produits, tant à l’échelle industrielle et commerciale. Regardons quelques exemples courants. Polymères de siloxane, comme le PDMS, peuvent être formés industriellement par l’intermédiaire de plusieurs techniques, comme le moulage par injection. Ils sont adaptés pour des applications diverses, y compris les lubrifiants, produits d’étanchéité, détergents, isolation électrique, peintures et dispositifs médicaux. Implants médicaux et sondes, comme ce prototype, sont mention particulière, tout comme les PDMS est inoffensif, a des effets toxicologiques minimes et résiste modérément concentré d’acides et bases. Pour ces raisons, la FDA a approuvé l’utilisation du PDMS dans le domaine médical. Synthèse PDMS est un exemple de polymérisation par ouverture, une forme courante de polymérisation en chaîne. En ouverture du cycle polymérisations, la chaîne ouvre itérativement monomères cycliques pour former des centres réactifs successives sur le polymère. Selon le système, le centre réactif peut être radical, anioniques ou cationiques. Ce procédé permet un contrôle strict de la distribution des masses moléculaires, même si cela peut, à son tour, provoquer des problèmes avec l’extrusion. Il a été démontré qu’avoir quelques polymère de poids moléculaire plus élevé dans le mélange fournit un extrudat plus uniforme.

Vous avez juste regardé introduction de Jupiter à la polymérisation d’addition. Vous devez maintenant comprendre les notions de polymérisation et comment la viscosité peut déterminer cinétique et conversion de monomère. Merci de regarder.

Results

La masse moléculaire peut être déterminée par les relations empiriques, telles que les relations de Barry pour polydiméthylsiloxanes avec des poids moléculaires au-dessus de ~ 2 500. 5

Equation 2

Cela donne la masse moléculaire moyenne viscosité. De poids moléculaire prédictions < 2,500, interpoler les données expérimentales trouvées dans Kuo,6 à l’aide de la viscosité cinématique du monomère DC-245 pour la longueur de la chaîne 1. Divisez la viscosité (cP) par la densité de polymère (g/cm3) pour obtenir la viscosité cinématique en cSt. Diviser la moyenne viscosité MWs par 1,6 (coefficient empirique pour PDMS) pour obtenir la masse moléculaire moyenne en nombre et diviser cette valeur par le poids moléculaire de monomère pour obtenir la longueur de la chaîne moyenne, (P,N)avg, qui comprend le monomère inaltéré.

Pour obtenir la conversion de la fraction f (m), commencer par le bilan massique pour la moyenne des nN (polymère uniquement) :

Equation 3(1)

Le côté gauche est la moyenne des nN (polymère uniquement) jusqu’au moment t, où f = fm. Mais la moyenne nN qui se mesure comprend le monomère. Pour tenir compte de monomère dans (P,N)avg, rappelons que, par définition :3-4

Equation 4

et donc :

Equation 5(2)

Le polymère moyens Equation 6 et (P,N)avg pour l’ensemble du lot sont presque égal au dernier lot, où fm approches 1. Calculer fm pour ce dernier point à l’aide d’un bilan de masse et la quantité de chaudières basses qui ont été recueillie. Résoudre pour Equation 6 . Pour beaucoup des polymérisations plus, Equation 6 est constante pour l’ensemble du lot, qui permet de fm doit être calculée à tous les autres moments de l’équation 2. En outre, calculer la constante d’équilibre K (modèle cinétique du premier ordre réversible) pour la réaction de bilan massique.

Fm a été déterminée en fonction du temps, assumer la cinétique irréversible et déterminer l’ordre de réaction à l’égard de monomère. Utiliser l’analyse statistique pour déterminer la qualité de l’ajustement et la limite de confiance sur le taux constant de kp. Déterminer l’ajustement pour la cinétique de premier ordre (attendue de la théorie),3-4 et test si les deux s’inscrit en fait diffèrent.

À des conditions similaires, d’autres ont rapporté une constante de vitesse de premier ordre de 10-3 s-1 pour le monomère DC-245 et une K > 60.

Figure 2
Figure 2. Résultats de polymérisation typique. » DOP » = degré de polymérisation. Le MW ont été calculé à partir des données disponibles (voir référence 6) ou équation de Barry (> 2500). 5

Le bilan des données brutes représentante est illustré à la Figure 2. Ces données sont pour la polymérisation des monomères de Dow Corning DC-245. Les conditions de réaction étaient : solution de catalyseur de 0,04 wt %, 12 wt % endblocker (modificateur), 130 ° C et pression de 1 atm. Avec une quantité relativement importante d’endblocker utilisé, le dernier degré de polymérisation (DOP) était assez faible.

Dans cette expérience, 11,36 L du monomère ont réagi et seul chaudières basse 15 mL ont été retrouvés, ce qui indique que les données devraient suivre la cinétique irréversible. L’ajustement de la cinétique du premier ordre (en monomère) est montré dans la Figure 3 ci-dessous. Les conversions de fraction (f) ont été déterminées en utilisant les équations 1 et 2 en supposant que le polymère produit est à la longueur de la chaîne constante (P,N). L’ajustement qui en résulte est raisonnable, mais pas parfait. Légères déviations par rapport à la cinétique du premier ordre théoriquement attendue peuvent survenir pour plusieurs raisons telles que les effets de diffusionnelles, qui correspond à la viscosité augmente et les diffusivités diminuent considérablement. Deux autres raisons pour les déviations sont suggérés par les données de température de réaction brute (oscillations de température affectent la constante de vitesse) et de petites fuites qui peuvent être présents dans les pompes, réacteur et des échangeurs de chaleur. S’il y a des fuites, certains O2 pourrait entrer dans le système et progressivement inhiber la réaction.

Figure 3
La figure 3. Analyse cinétique. « F » est la fonction d’ordre 1st , la solution du bilan massique réacteur batch pour une réaction irréversible d’ordre 1 dest .

Applications and Summary

Science des polymères fournit de nombreux exemples des principes fondamentaux de la cinétique chimique et de la conception du réacteur. Les expressions simples taux peuvent décrire des procédés chimiques assez complexes, comme dans cette expérience. Conception de système de réacteur doit trouver le type de réacteur optimale (lot, réservoir agité, écoulement piston ou hybride) compte tenu des cinétiques, coûts en capital et la distribution de poids moléculaire. En particulier, le dernier facteur est habituellement la plus importante, car elle définit en grande partie le produit. Selon ce facteur seul le produit peut souvent varier de dur solide cassant à un caoutchouc à un liquide. Une polymérisation en vrac (sans solvant), tel que celle effectuée dans cette expérience, a l’avantage que le traitement ultérieur d’obtenir un polymère pur est simple - peu la bande sur les chaudières basses et filtrer le catalyseur neutralisé. Toutefois, l’inconvénient de la polymérisation en masse est que si on perd le contrôle de la température (trop élevée), même dans une polymérisation de thermoneutralité, autres réactions vont dominer et conduire à « runaway », qui est une réaction exothermique incontrôlée pouvant entraîner explosion. Polymérisations avec des Chaleurs supérieures de réaction sont a réagi en solution, suspension (une phase continue de l’eau est présente, et le monomère est sous forme de gouttelettes), ou en phase gazeuse.

Les principaux plats à emporter de l’expérience sont comment on peut traiter les données brutes d’une propriété physique facilement mesurable (viscosité) afin de déterminer les conversions de fraction de monomère et la cinétique de la réaction. Plusieurs autres propriétés physiques, par exemple, la densité et particules lumière scattering, sont utilisés à cet effet dans les autres polymérisations.

Polymères constitués par ouverture de cycle polymérisations incluent Nylon-6 de caprolactame, copolymères d’acétal avec l’oxyde d’éthylène et dioxolane, qui sont utilisés dans toutes sortes de réservoirs de carburant d’arroseurs, poly(ethyleneimines), qui sont utilisés dans les détergents et cosmétiques, et de nombreux autres polymères de silicone-épine dorsale. À l’exception du Nylon-6, la plupart de ces polymères est fabriquée industriellement par des polymérisations anioniques ou cationiques. Autres polymères qui sont faites de même incluent des copolymères de styrène (surtout avec l’isoprène), isobutène-isoprène (butyl) et ses variantes halogénés et poly (éthers de vinyle alkyliques), qui sont généralement utilisés dans les peintures et les colles. Pour certains des polymérisations, les extrémités de la chaîne sont donc contrôlées qu’une répartition presque homogène de la masse moléculaire est possible. À l’exception de certaines catégories de spécialité, il a été constaté que ces distributions étroites présentent des autres problèmes, tels que les difficultés de l’extrusion.

De nombreux polymères sont vide-dépouillé comme la première partie de leur purification à un produit commercial. Parmi ceux-ci sont les copolymères de poly(vinylidene chloride), poly(chloroprene) et beaucoup de catégories de poly(styrene) et de ses copolymères tels que SAN (styrène-acrylonitrile).

Polymères de silicone sont utilisés dans de nombreux produits, y compris les lubrifiants, produits de soins personnels, dispositifs médicaux, anti-mousse, mastics, enduits imperméables et en tant que composants des détergents, isolation électrique et peintures. 8 dispositifs médicaux composées de très haut poids moléculaire réticulé silicone peuvent être approuvés par la FDA pour l’implantation. Utilisations médicales plus courantes sont les consommables tels que les cathéters, tubes, sacs gastriques et drains de l’incision chirurgicale. PDMS commercial est non dangereux avec un point d’éclair supérieur à 300 ° C, un minimum d’effets toxicologique et bonne résistance aux acides et alcalis aqueux modérément concentré. 8 , 9 il ne corrode-t-il pas de matériaux les plus communs. Mais comme beaucoup de polymères il peut par oxydation se décomposer, dans ce cas supérieure à ~ 150 ° C.

Liste du matériel

Nom Compagnie Numéro de catalogue Commentaires
Matériel
Viscosimètre rotatif (coupe et bob) Brookfield Permet de mesurer la viscosité des échantillons de polymère
Réacteur agité de réservoir personnalisé 20 L
Réacteur agitateur

McMaster-Carr 46-460 TR/MIN ; type de turbine 6 pales, plat (Rushton), diamètre 4 ~" .
Réactifs
Dimethlysiloxane monomère Dow Corning DC-245 densité = 0,956 à 25 °C ; viscosité = 4.2 cSt ; m = nombre moyen de dimethylsiloxanes = 5
Endblock A Dow Corning 10082-147 densité = 0,88 à 25°C ; m = 4.5 (sans compter les groupes de deux terminaux)
Catalyseur KOH VWR 470302-140 45 wt % solution dans l’eau
Azote Airgas Grade de l’UHP Utilisé pour la couverture du système
Dioxyde de carbone Airgas Grade de Tech. Utilisé pour neutraliser le catalyseur

Viscosité et la densité de données à faible poids moléculaire

Données originaire de : Dow Corning. 10

MW, g/mol 162 410 1250 28000
Viscosité, cs, 25 °C 0,65 2.0 10 1000
Gravité spécifique, 25 °C 0,760 0,872 0.935 0,970

References

  1. http://www.essentialchemicalindustry.org/polymers/polymers-an-overview.html and http://www.pslc.ws/mactest/maindir.htm (both accessed 8/22/16).
  2. MatWeb, Material Property Data, http://www.matweb.com/ and Plastics General Polymers Brand Name Listing, http://www.plasticsgeneral.com/BRAND-NAMES-LIST1.htm (both accessed 8/25/16).
  3. Fogler, F.S., Elements of Chemical Reaction Engineering, 3rd Ed., Prentice-Hall, 2001, pp. 354-382 (sections 7.1.2-7.1.5).
  4. Odian, G., Principles of Polymerization, 4th Ed., Wiley-VCH, 2004 (ch. 3), or Rodriguez, F., Principles of Polymers Systems, 2nd Ed., McGraw-Hill, 1982 (ch. 4); Fried, J.R., Polymer Science and Technology, Prentice-Hall, 1995 (ch. 2).
  5. Barry, A.J., Viscometric Investigation of Dimethylsiloxane Polymers, J. Appl. Phys., 1946, 17, 1020-1024.
  6. Kuo, A.C.M. Poly(dimethylsiloxane), in Polymer Data Handbook, Oxford University Press, 1999, 411.
  7. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, 2012 or the Encyclopedia of Polymer Science and Technology, 3rd Ed., Wiley-Interscience, Hoboken, 2003-04.
  8. http://www.dowcorning.com/content/discover/discoverchem/properties.aspx (accessed 8/25/16)
  9. Shin-Etsu Silicone Fluid Technical Data, Shin-Etsu Silicones of America, Akron, 2005.
  10. Dow Corning, Product Information, Silicon Fluids, http://www.dowcorning.com/applications/Product_Finder/Products.aspx  (accessed 9/23/16).

Le système est contrôlé en exécutant des séquences de contrôle PS1-PS5 sur un système de contrôle distribué industriel standard qui est exploité depuis un PC. Les valves d’ouvrir/fermer/ajuster des séquences dans la bonne séquence et informent quand et comment ajouter des composants dans le réacteur.

1. montage du réacteur

  1. Ouvrir la bouteille de2 N connecté dans la cuve de réaction.
  2. Exécuter la séquence de contrôle PS1 pour tester l’équipement.
  3. Puis, fermez la vanne manuelle de la pompe à vide pour vérifier que le système est étanche.
  4. Attendre 5 min et vérifier que la pression ne dépasse pas 600 mm Hg.
  5. Remplir le système avec N2. Azote est nécessaire pour des raisons de sécurité et cinétique. O2 inhibe beaucoup polymérisations et peut conduire à des explosions.
  6. Exécuter la séquence de contrôle PS3 ajouter monomère dans le réacteur.
  7. Lorsque vous êtes invité par la suite, ajouter la solution de catalyseur et de l’endblocker. au moyen d’un petit entonnoir appelé le « réservoir d’adder ».

2. Fabrication de polymère

  1. Lance la séquence de PS4 et surveiller la température de réaction.
  2. Lorsque la température atteint > 105 ° C, fréquemment collecte d’échantillons liquide (au moins toutes les 8 minutes) depuis le point de tirage d’échantillon (attention : chaud, porter des gants thermiques).
  3. Permettre la réaction de polymérisation jusqu’au quasi-équilibre. Surveillez l’utilisation de la puissance de l’agitateur pour confirmer que la réaction a atteint un équilibre. Une fois que le pouvoir a cessé d’augmenter, alors que la réaction est proche de l’équilibre.
  4. Assurez-vous de recueillir des échantillons d’au moins 7.
  5. Une fois terminé, ouvrir le robinet du réservoir CO2 et appuyez sur « RXN COMPLETE » pour neutraliser le catalyseur en CO2. Cela se produira dans le cadre de la séquence de la PS4.
  6. Commencer la séquence de décapage PS5.
    1. Ouvrez la vanne manuelle de la pompe à vide et laissez décapage exécuter pendant 15 min.
    2. Sélectionnez « Décapage complet ».
  7. Recueillir les chaudières basses de la réaction dans une fiole.
  8. Refroidir le réacteur en utilisant le processus de récupération automatique. Pumpout se fera beaucoup plus tard.
  9. Suivante aux instructions du fabricant, mesurer les échantillons collectés avec un viscosimètre rotatif (coupe et bob).
    1. Si la vitesse de rotation est réglée trop haute, ne vous obtiendrez aucune indication de viscosité et une vitesse inférieure est choisie. Ces valeurs de viscosité serviront à déterminer la répartition de la masse moléculaire du polymère.

Les polymères sont une classe omniprésente de composés présents dans toutes les facettes de l’industrie et de fabrication. Deux de leurs principales caractéristiques, poids moléculaire et degré de polymérisation, doit provenir d’autres propriétés en vrac. Contrairement aux autres substances, dont les caractéristiques physiques sont définies uniquement par leur structure chimique, les polymères sont également touchées par leur degré de polymérisation et poids moléculaire. Polymères chimiquement identiques peuvent varier de liquides aux caoutchoucs sur les matières dures et cassantes, tous basés sur ces propriétés physiques. Puisque les attributs microscopiques, telles que le poids moléculaire, sont difficiles à mesurer directement, les propriétés globales, telles que la viscosité, la densité et la diffusion de la lumière, peuvent servir à déduire de ces caractéristiques importantes. Cette vidéo va illustrer une polymérisation batch de polydiméthylsiloxane, ou PDMS et déterminer son poids moléculaire et le degré de polymérisation de sa viscosité.

Pour commencer, concentrons-nous sur la fabrication en masse de polydiméthylsiloxane, ou PDMS. Réactions de polymérisation sont classées par leurs mécanismes, types de réacteurs, caractéristiques du produit et plus. Dans le cas de PDMS, initiateur réagit avec le monomère pour produire la chaîne de polymère, qui à son tour, peut être prolongée à travers d’autres réactions avec le monomère. Le mécanisme de cette réaction est appelé polymérisation d’addition et se caractérise par l’absence de sous-produits. Le choix du réacteur dépend des propriétés de réactif et influe sur les caractéristiques du produit. Réacteurs biologiques séquentiels, qui comprennent généralement un réservoir, agitateur et système de chauffage ou de climatisation, fonctionnent comme des systèmes fermés où les réactifs sont ajoutés dans un temps discret et laisse ensuite réagir au fil du temps. Réacteurs biologiques séquentiels sont préférés pour des réactions à petite échelle lors de faibles quantités de réactifs sont utilisées ou un nouveau processus est en cours d’élaboration ou de synthétiser plusieurs qualités de produit. Ils sont fréquemment utilisés pour les polymérisations. PDMS est synthétisée à partir de monomère, initiateur et un bloqueur de fin sans aucun solvant, une affection appelée polymérisation en masse. L’absence de solvants simplifie le traitement de polymère, car les sous-produits et le catalyseur sont facilement séparées du polymère. Toutefois, la température doit être soigneusement contrôlée, comme avec une veste, pour éviter l’emballement exothermique pouvant entraîner une explosion de refroidissement par l’eau. Indépendamment des conditions de réaction, les propriétés physiques mesurées du produit, telles que la viscosité, sont utilisées pour estimer la masse moléculaire moyenne en nombre et la masse moléculaire moyenne en poids. En divisant la masse moléculaire moyenne en nombre par la masse molaire du monomère on obtient la longueur de la chaîne moyenne ou le degré de polymérisation, ce qui est liée à l’ordre de conversion et de la réaction. Maintenant que vous connaissez les bases de la polymérisation, nous allons voir comment faire fonctionner une réaction de petits lots de PDMS et déterminer la cinétique de la réaction.

Pour commencer la procédure, ouvrez la bouteille d’azote reliée à la cuve de réaction. Exécutez la première séquence, qui vérifie que l’équipement est opérationnel et en bon état de fonctionnement. Ensuite, testez le système d’étanchéité en fermant la vanne manuelle de la pompe à vide. Attendez cinq minutes et vérifier que la montée en pression ne dépasse pas 600 millimètres de mercure. Rouvrez le robinet pour enlever toute atmosphère restante. Enfin, fermez la vanne manuelle et remplir le système avec de l’azote. Le troisième module du programme ajoute le monomère cyclique dans le réacteur. Les ingrédients de quantité inférieures, le bloqueur de catalyseur et de fin, sont ajoutés à travers un petit entonnoir appelé le réservoir de l’additionneur. Le réacteur est maintenant complet et prêt pour la polymérisation. Démarrer le processus de quatrième et de surveiller la température. Une fois qu’il dépasse 105 degrés, commencer la collecte des échantillons liquides depuis le point de tirage d’échantillon. Recueillir des aliquotes à intervalles d’au moins toutes les huit minutes. Pour savoir quand la polymérisation atteint l’équilibre, surveillez l’utilisation de la puissance de l’agitateur. Une fois que le pouvoir a cessé d’augmenter, la réaction est terminée. À ce stade, ouvrir le réservoir de dioxyde de carbone et de la vanne et appuyez sur le bouton-poussoir complet de réaction pour neutraliser le catalyseur. Pour commencer la séquence de décapage, ouvrez la vanne manuelle de la pompe à vide et laissez-le tourner pendant 15 minutes à une température plus élevée. À ce stade, sélectionnez décapage complet et recueillir les chaudières basses de la réaction dans une fiole. Permettre la refroidissement automatisée le processus s’exécute. En utilisant les instructions du fabricant, mesurer les échantillons collectés avec un viscosimètre. Si la vitesse est trop élevée, une vitesse inférieure est choisie et ne vous obtiendrez aucune indication. Ces valeurs serviront à déterminer la distribution de poids moléculaire du polymère.

Beaucoup d’informations peut être obtenue de la mesure de la viscosité relativement simple. En divisant la viscosité de l’échantillon PDMS par sa densité on obtient sa viscosité cinématique. Équations empiriques, telles que les relations de Barrie, rapportent à une viscosité cinématique à la masse moléculaire moyenne viscosité. Divisant le poids moléculaire de viscosité moyenne de 1.6, un autre coefficient empirique pour PDMS, donne le poids moléculaire moyen en nombre, le poids moyen par chaîne de polymère. En divisant par le poids du monomère donne la longueur de la chaîne moyenne ou le degré de polymérisation, le nombre d’unités monomères dans le polymère. Toutefois, étant donné que la longueur de la chaîne calculée comprend le monomère non réagi, il sera artificiellement bas. Une correction qui tient compte de la conversion des fractionnée doit être appliquée. Voici les résultats typiques pour la masse moléculaire moyenne viscosité et le degré de polymérisation de PDMS avec temps de réaction. Dans cette réaction, une grande quantité de bloqueur de fin, qui arrête la croissance de la chaîne et forme un groupe de fin de triméthyle, on a utilisé, pour un final faible degré de polymérisation. La conversion fractionnaire peut aussi être déterminée en fonction du temps. En supposant une cinétique irréversible et que le polymère a été dressée à une longueur de chaîne constante, l’ordre de la réaction à l’égard de monomère tenait à être de premier ordre, tel que confirmé par l’ajustement raisonnable. Une constante de vitesse de 0,054 minutes inverses a été calculée, ce qui concorde avec d’autres études qui signalent une constante de taux de premier ordre de 0,06 minutes inverses pour ce monomère dans les mêmes conditions.

Polymères synthétiques sont retrouvent dans une vaste gamme de produits, tant à l’échelle industrielle et commerciale. Regardons quelques exemples courants. Polymères de siloxane, comme le PDMS, peuvent être formés industriellement par l’intermédiaire de plusieurs techniques, comme le moulage par injection. Ils sont adaptés pour des applications diverses, y compris les lubrifiants, produits d’étanchéité, détergents, isolation électrique, peintures et dispositifs médicaux. Implants médicaux et sondes, comme ce prototype, sont mention particulière, tout comme les PDMS est inoffensif, a des effets toxicologiques minimes et résiste modérément concentré d’acides et bases. Pour ces raisons, la FDA a approuvé l’utilisation du PDMS dans le domaine médical. Synthèse PDMS est un exemple de polymérisation par ouverture, une forme courante de polymérisation en chaîne. En ouverture du cycle polymérisations, la chaîne ouvre itérativement monomères cycliques pour former des centres réactifs successives sur le polymère. Selon le système, le centre réactif peut être radical, anioniques ou cationiques. Ce procédé permet un contrôle strict de la distribution des masses moléculaires, même si cela peut, à son tour, provoquer des problèmes avec l’extrusion. Il a été démontré qu’avoir quelques polymère de poids moléculaire plus élevé dans le mélange fournit un extrudat plus uniforme.

Vous avez juste regardé introduction de Jupiter à la polymérisation d’addition. Vous devez maintenant comprendre les notions de polymérisation et comment la viscosité peut déterminer cinétique et conversion de monomère. Merci de regarder.

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