Суспензионная полимеризация
Суспензионная (микроблочная, гранульная) полимеризация является наиболее распространенным способом получения полимеров. Благодаря малому характеристическому линейному размеру реакционной зоны (капля мономера) она позволяет очень точно регулировать важнейший для цепной полимеризации фактор, а именно - температуру. Кроме того, данный вид полимеризации отличается простотой отделения полимера (фильтрование) и получения товарной формы ( сушка гранул). Невелико также и загрязнение полимера применяющимися вспомогательными веществами - стабилизаторами.
Обычно суспензионная полимеризация осуществляется в водных дисперсиях, создаваемых интенсивным смешением жидкого мономера, также обычно нерастворимого в воде, и воды в соотношении 1 : (1-1.2). Необходимо присутствие инициаторов, растворимых в мономере. Такие дисперсии являются термодинамически неустойчивыми, и их динамическая метастабильность при перемешивании в ходе процесса полимеризации обеспечивается введением стабилизаторов - веществ, затрудняющих коалесценцию отдельных капель мономера. В качестве стабилизаторов – используются растворимые в воде гидрофильные полимеры типа поливинилового спирта (ПВС), соли карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), сополимеры метакриловой кислоты и ее эфиров, а также нерастворимые в воде соли типа три- или полифосфата кальция с модифицированной поверхностью и т.п.
Реакция полимеризации протекает в каплях мономера, где происходит зарождение (т.е. распад инициатора и образование активного центра), рост и обрыв цепи. Таким образом, каждая отдельная капля представляет собой как бы периодический микрореактор смешения. Реально, однако, эти микрореакторы не являются полностью изолированными друг от друга. В начале реакции их состав по всему реактору в целом усредняется за счет динамического равновесия конкурирующих процессов коалесценции (слипания, слияния) и редиспергирования (дробления, разрушения) отдельных капель.
По мере роста степени превращения мономера, сопровождающегося значительным увеличением вязкости внутри капли, процесс редиспергирования все более затрудняется и начинает превалировать процесс коалесценции капель. Наступает так называемая «липкая» стадия суспензионной полимеризации, в которой собственно и формируется распределение по размерам (гранулометрический состав) конечного продукта - полимерного бисера.
Наконец, дальнейший рост степени превращения мономера в капле приводит к ее «затвердеванию», соударение отдельных полимерно-мономерных капель становятся упругими, и коалесценция их друг с другом прекращается.
Таким образом, процесс суспензионной полимеризации даже в случае образования полимера, растворимого в своем мономере, оказывается сложным, состоящим, из трех существенно различающихся между собой стадий. Очевидно, что для его проведения пригодны только реакторы с принудительным перемешиванием, которое обеспечивает образование метастабильной дисперсии мономера в воде, т.е. периодические или непрерывные микросегрегрующие реакторы.
Кинетическое описание процесса в реакторе является переменным по времени реакции. В начальные моменты процесса (в первой его стадии) при небольших степенях превращения мономера, в условиях интенсивного перемешивания, он должен описываться как реактор полного смешения (микроРС), а после достижения «липкой» стадии уже как микросегрегирующий реактор смешения (макроРС).
Определяющей является именно эта вторая стадия процесса, характерной особенностью которой является высокая и неньютоновская вязкость каждой капли (микрореактора). Высокая вязкость внутри капли может привести к столь значительному ухудшению условий теплообмена, что станет возможным проявление теплового взрыва. Очевидно, что тепловой взрыв может развиться во всех каплях, диаметр которых будет превышать допускаемый. Для полимеров, растворимых в своем мономере (полистирол, полиметилметакрилат и др.), тепловой взрыв не оказывает существенного влияния на качество получаемого полимера. Совсем иное наблюдается при полимеризации мономеров, не растворяющих свой полимер (поливинилхлорид, полиакрилонитрил и др.). Перепады температуры внутри капель увеличиваются с ростом диаметра капель, что оказывает влияние на конечный продукт - порошок полимера.
Электронные фотографии частиц суспензионного ПВХ и его сополимера с винилацетатом обнаруживают чрезвычайное многообразие морфологии частиц полимера. Среди них наблюдаются сферы с вмятинами, лопнувшие сферы, грибо- и «хвостатые» частицы. Качественно происхождение их вполне объяснимо. По-видимому, твердый полимер образуется преимущественно на поверхности капель жидкого мономера и создает твердую оболочку вследствие нерастворимости полимера в своем мономере. Ее появление резко нарушает тепловой режим внутри капель вследствие ухудшения условий теплопередачи из капли к дисперсионной среде. В результате в капле развивается режим неконтролируемого повышения температуры (теплового взрыва). В пределе часть мономера внутри капли может перейти в газовую фазу. Если давление внутри капли достигает критической величины, происходит разрыв твердой оболочки частицы с выбросом газообразного мономера в виде струи. Это является причиной появления «хвостатых» и «грибоподобных» частиц. Если большая часть мономера внутри капли уже прореагировала, то оболочка просто разрывается (разорванные сферы). Наконец, в случае, когда оболочка выдерживает давление, но под его действием раздувается, то после охлаждения образуются сферы с вмятинами.
Имеются широкие возможности регулирования хода суспензионной полимеризации и качества получаемого полимера. Наибольшее значение имеют тип и концентрация стабилизатора и интенсивность перемешивания. За счет этого обеспечивается желательный масштаб сегрегации, определяющий свойства конечного продукта, в том числе, конечно, и заданные требования к гранулометрическому его составу. Кроме того, для предотвращения вредного влияния последствий теплового взрыва на ММР продукта рекомендуется не допускать высоких скоростей выделения тепла в каплях и резких изменений температуры процесса. Это возможно при проведение процесса при пониженных температурах, за счет применения легко распадающихся инициаторов, плавного постепенного повышения температуры в ходе процесса (особенно вблизи гель-точки) и другие технологические приемы. Все это позволяет регулировать показатели качества получаемого полимера в широких пределах.