بررسی مشکلات فرایند پلیمریزاسیون
مشکلات تولید صنعتی پلیمرها با تولید ترکیبات آلی با وزن ملکولی کم بسیار متفاوت است. در اینجا برخی از مهمترین ویژگی‌هاي واکنش‌هاي پلیمریزاسیون مورد بحث قرار میگیرند.
افزایش ویسکوزیته
یکی از مهمترین مشکلات واکنش‌هاي پلیمریزاسیون، افزایش شدید ویسکوزیته با پیشرفت واکنش است. در حقیقت بخش عمده مشکلات در مهندسی فرایندهاي پلیمریزاسیون بازتابی از افزایش ویسکوزیته است و علم نوبنیاد “مهندسی واکنش‌هاي پلیمریزاسیون“ نیز چیزي جز چگونگی خنثی نمودن اثـر افـزایش ویسکوزیته در چارچوب مهندسی شیمی نیست.
در پلیمریزاسیون زنجیري به محض شروع واکنش، پلیمرهاي با وزن ملکولی بالا تولیـد میشـود. تغییرات وزن ملکولی با درجه تبدیل نسبتاً کم است. از ایـن رو افزایش ویسکوزیته به واسطه افزایش میـزان پلیمـر در مخلوط واکنش صورت میگیرد. در پلیمریزاسیون مرحله‌اي تنها الیگومرها تا درجات تبدیل بالا وجود دارند و تنها بعد از آن وزن مولکولی پلیمر به طور ناگهانی و به شدت افزایش مـییابد. ویسکوزیته محلول در حال واکنش نیز تا مراحل پایانی واکنش نسبتاً کم است و سپس به طور ناگهانی افزایش مییابد. بنابراین عامل افزایش ویسکوزیته تا مراحل پایانی واکنش، میزان پلیمر در مخلوط واکنش است. در حالیکه در مراحل پایـانی افـزایش درجه پلیمریزاسیون یا به عبارت دیگر وزن ملکولی پلیمر سبب افـزایش ویسکوزیته مـیشـود که اثرات آن بـه مراتب شدیدتر است.
افزایش ویسکوزیته در سیستم هاي همگن بـه مراتب شدیدتر از ناهمگن است. افزایش ویسکوزیته در پلیمریزاسیون‌هاي جرمی و محلول تا ۱۰۶ برابر نیز تخمین زده میشود. در حالیکه در پلیمریزاسیون امولسیونی که به واسطه امولسیفایرهایی با وزن ملکولی کم تثبیت میشود، ویسکوزیته به طور متوسط تا ۱۰۳ برابر افزایش نشان میدهد. افزایش ویسکوزیته در پلیمریزاسیون تعلیقی مشهود نیست و ویسکوزیته آن به وسیله فاز آب دیکته میشود.
از مهمترین اثرات افزایش ویسکوزیته کاهش ضریب نفـوذ ملکولی و ضریب انتقال جرم است. کاهش ضریب نفـوذ ملکولی باعـث کاهش تحرك ماکرورادیکـال‌هـاي در حال واکـنش شده و در نتیجه از وقوع واکنش پایان جلوگیري به عمل می‌آورد که این امر پدیده اثر ژل را بـه دنبال دارد. بروز اثر ژل باعث افزایش ناگهانی و شدید سرعت واکنش میگردد. به موازات افزایش سرعت واکنش، از یک طرف شدت آزادسازي حرارت آهنگ صعودي پیدا میکند و از طرف دیگر توان مکانیکی همزن افزایش مییابـد.در نتیجه کاهش توان سرمایشی راکتور کـاهش مـییابد .این موضـوع منجر به بـروز مـشکلاتی در کنترل و پایداري راکتور پلیمریزاسیون میگردد. در ناحیه‌اي که تولید ژل زیاد میشود، انرژي آزاد شده بـه انـدازه‌اي اسـت که حالت انفجاري به سیستم میدهد. در بسیاري از واحدهاي صنعتی وقایع مصیبت‌بـاري بـه واسطه خارج شدن کنترل واکنش پلیمریزاسیون به دلیل عدم موفقیت در جذب حرارت آزاد شده گـزارش شده است. به همین دلیل طراحی دقیق راکتور و سیستم کنترل آن در فرایندهاي پلیمریزاسیون از اهمیت خاص برخوردار است.
حرارت زایی
بسیاري از واکنش‌هاي پلیمریزاسیون با پیشرفت واکنش مقدار قابل تـوجهی انرژي از خود آزاد میکنند. علاوه بر این، انرژي مکانیکی لازم براي اختلاط نیز در ویسکوزیته بالا تبدیل به انرژي گرمایی مـیشود. جذب انرژي آزاد شده در پلیمریزاسیون‌هاي با درجه خلوص بالا بـه واسـطه افزایش ویسکوزیته، چسبندگی پلیمر به سطوح انتقال حرارت و تغییرات فاز در طی واکنش، از مهمترین دشواري‌هاي مهندسی واکنش‌هاي پلیمریزاسون است.
طراحی راکتور
واکنش‌هاي پلیمریزاسیون به میزان قابل توجهی انرژي آزاد می کنند. در واکنش‌هاي مواد با وزن مولکولی کم بالاترین شدت حرارت در ابتداي واکنش که در آن غلظت مواد واکنش کننده حداکثر است رخ می دهد. در حالیکه در واکنش‌هاي پلیمریزاسیون به ویژه نوع جرمی آن به علت وقـوع اثر ژل و افزایش ناگهانی سرعت واکنش نقطـه اوج آزادسازي حرارت در اواسط واکـنش رخ مـی دهد. متوسط مقدار حرارت آزاد شده و همچنین حداکثر مقدار آن همسو با درجه حرارت و مقدار شروع کننده تغییر میکند. مقادیرحرارت و بـه ویـژه حرارت ماکزیمم در پلیمریزاسیون متیل متاکریلات به مراتب بیشتر از پلیمریزاسیون اسـتیرن است. این اختلاف ریشه در وجوذ اثرژل قوي در پلیمریزاسون متیل متاکریلات نسبت به استیرن دارد. در مورد متیل متاکریلات اثـر ژل در اوایل واکنش رخ میدهد. از این رو حرارت آزاد شده داراي یک نقطه اوج کاملاً متمایز است. در حالیکه اثر ژل در مورداستیرن در اواسط واکنش به وقوع میپیوندد یعنی در جایی کـه سـرعت واکـنش پلیمریزاسیون به واسطه مصرف مونومر و شروع کننده بسیار کم شده است. بنـابراین ممکن است کـه حتی اثـر ژل نیز قادر به افزایش سرعت واکنش تا مرز مقادیر اولیه آن نباشد.
تهیه کننده: محمد بهزادی
