Ugrás a tartalomhoz

A polimertechnika alapjai

Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János (2007)

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ

2.3 A polikondenzáció technikája

2.3 A polikondenzáció technikája

A polikondenzáció tehát melléktermék kilépésével járó kondenzációs reakciók lépésenként, egyesével megvalósított ismétlésével építi fel a makromolekulát. A melléktermék tipikusan vízmolekula, de lehet más is. A polikondenzációra olyan monomerek alkalmasak, amelyeken a kondenzációra képes csoportból legalább kettő van: bifunkciósak. Ha elágazást (térhálót) akarunk létrehozni, akkor legalábbis trifunkciós monomer láncszemekre van szükség.

Polikondenzációval épül fel pl. az a lineáris (hőre lágyuló) típusú poliészter, a poli(etilén-tereftalát) PET), amelyből kitűnő műszál, vagy nyomásálló üdítőitalos palack készül:

PET felépülése

Hasonló elven épül fel a poliamid (PA) is, amelyet a 4.1.1.3 fejezet mutat be. (63. old.)

2.3.1 A polikondenzáció folyamatszabályozása

A polikondenzáció tehát nem viharos gyorsaságú láncreakció, hanem viszonylag békés, lassú reakciólépések egymás utáni sora. A reakció lefolytatásához tipikusan energia befektetésre van szükség, amely a melléktermékként keletkező kismolekulás anyag – tipikusan vízmolekula – eltávolításához további hőmennyiség ráfordítását igényli. A folyamatszabályozásnak itt más típusú nehézséget kell leküzdenie, mint a polimerizációs láncreakcióban. Ennek megértéséhez nézzük át a polikondenzáció időbeni lefutásának, kinetikájának alapegyenleteit.

A polikondenzáció kinetikáját a poliamid (NYLON) feltalálója W. H. Carothers- (1896–1937, USA) írta le a kitűnő műszál technológiai kidolgozásával egyidejűleg az 1930-as években.

Ha N0 számú kiindulási molekulából N a keletkező makromolekulák száma, akkor a DP polimerizációs fokra egyszerű összefüggés érvényes:

2.21. egyenlet -


ahol: C0: a funkciós csoportok kezdeti koncentrációja,

C: a funkciós csoportok végső koncentrációja (a polikondenzációs folyamat végén)

Ha ξ-vel („kszi”) jelöljük az átalakulást, a 0 1 felé tartó konverziót, akkor a

2.22. egyenlet -


összefüggésből adódik, hogy

2.23. egyenlet -


és

2.24. egyenlet -


A 2.28 és a 2.31 egyenlet összevetéséből adódik, hogy

2.25. egyenlet -


Ezt a 2.32 egyenletet hívjuk Carothers egyenletnek, amiből ξ és DP összefüggésére a következő számsor adódik (2.6 táblázat):

2.6. táblázat - Polimerizációs fok (DP) a Carothers egyenletből különböző ξ értékeknél

ξ0,500,800,900,950,990,9980,999
DP2510201005001000

A Carothers egyenlet tehát azt fejezi ki, hogy igen magas konverziót, a 100 %-os átalakulást 0,1 %-nál is pontosabban megközelítő „beépítést” kell elérnünk ahhoz, hogy valóban polimer jellegű, 103- lánctagból álló szerkezeti anyagot hozzunk létre.

Ebben áll a polikondenzáció folyamatszabályozásának nehézsége: csak a gyakorlatilag teljes átalakulás ad műszakilag hasznosítható polimer anyagot, és ennek a teljes átalakulásnak eléréséhez igen pontos mólarányok kialakítására, kézbentartására van szükség. Ebben a technológiában is – mint annyi minden másban – csak a teljes minőségbiztosítás (total quality management, TQM) ad elfogadható eredményt.

A polimerizációs fok és a konverzió összefüggése a polimerizáció során

2.2 ábra: A polimerizációs fok és a konverzió összefüggése a polimerizáció során; tt: a „teljes” konverzióhoz szükséges idő

A 2.2 és a 2.3 ábrák összehasonlítják a polimerizáció és a polikondenzáció konverziójához () kapcsolódó polimerlánc-hosszúságot (DP).

Amint az a 2.2 ábrán látható, a polimerizációs láncreakcióban már a legkisebb, konverzió során is a kívánt végleges lánchosszúság és DP alakul ki, – amelyet a lánczárás mechanizmusával ill. a láncátadó szerekkel szabályozhatunk. Ezzel szemben a polikondenzációban (2.2 ábra) a kívánt DP csak a konverzió legvégén jelenik meg.

A polimerizációs fok és a konverzió összefüggése a polimerizáció során

2.3 ábra: A polimerizációs fok és a konverzió összefüggése a polikondenzáció során; tt: a „teljes” konverzióhoz szükséges idő

2.3.2 A polikondenzáció gépészeti berendezései

A polikondenzáció folyamatirányítása tehát abból a szempontból egyszerűbb, hogy ez lassúbb, gyakorlatilag mindvégig fűtést igénylő vegyipari folyamat. A gépészeti megvalósítás alapegysége itt is a kettősfalú nyomásálló, kevert állóhenger: a duplikátor. Ez látható a példaként bemutatott 2.4 ábra közepén is.

A tipikusan 1–3 m3-es duplikátor kétszintes elrendezés felső szintjén foglal helyet. Efölött van a bemérő tank, alatta pedig a készterméket befogadó, azt szükség esetén higító tank. A fűtést erre a célra gyártott, magas hőmérsékletet (pl. 250 °C) tűrő fűtőolaj-keringtető rendszer biztosítja (Dowtherm).

A melléktermék folytonos eltávolítása – és mérése – mellett nyomon kell követni a készülő gyanta bizonyos kémiai jellemzőit is (pl. a poliésztergyanta „savszámát”) amiből a kialakuló móltömegre lehet következtetni.

Ilyen típusú gépészeti berendezésben készülnek például az alkid gyanták, a telítetlen poliészter gyanták, nemcsak a festékipar számára, hanem a nagyszilárdságú üvegszállal erősített polimer kompozitok matrixanyagának céljára is.

Polikondenzációs reakció gépészeti megvalósítása poliészter típusú festékalapanyag gyártására

2.4 ábra: Polikondenzációs reakció gépészeti megvalósítása poliészter típusú festékalapanyag gyártására [2.5]