4.2.7 Hoge conversie bulkpolymerisatie

In veel polymerisatiesystemen is een duidelijke toename in de snelheid waarneembaar aan het eind van de reactie in plaats van de verwachte geleidelijke afname als gevolg van tekorten aan monomeer en initiator. Deze autoacceleratie is een direct gevolg van de toename van de viscositeit van het medium en het effect is het meest dramatisch wanneer de polymerisaties worden uitgevoerd als bulkpolymerisaties of in sterk geconcentreerde oplossingen. Dit fenomeen, bekend als het Trommsdorff-Norrish of gel-effect, wordt veroorzaakt door het verlies van de stationaire toestand in de polymerisatiekinetiek.

Als de viscositeit van een reactiemedium toeneemt worden de verschillende stappen in de polymerisatiereactie diffusiegecontroleerd, bij situaties die afhangen van de activeringsenergie voor die stap. De initiatie en propagatiereacties hebben relatief een veel hogere activeringsenergie dan de terminatiestap, dus deze reacties worden pas laat diffusiegecontroleerd. De terminatiestap heeft de laagste activeringsenergie en wordt hierdoor eerder diffusiegecontroleerd bij lagere viscositeiten, dus op een eerder moment in de polymerisatiereactie. Het is bovendien een bimoleculair proces dat een succesvolle botsing vereist russen twee radicaaluiteinden die zijn verbonden aan lange, (sterk vertakte) polymeerketens.

Met de toename van de viscositeit van het medium zal deze ketenbeweging in toenemende mate verder worden gehinderd. Met als resultaat dat twee actieve ketenuiteinden grotere moeite krijgen om elkaar te vinden. Dit leidt tot een significante afname in de terminatiesnelheid en aangezien dit het hoofdproces is voor het verwijderen van radicalen tijdens de polymerisatie, zal de gemiddelde radicaalconcentratie geleidelijk toenemen.

Een consequentie hiervan is een toename in het aantal propagatiestappen waardoor ook meer warmte vrijkomt. Dit versneld het uiteenvallen van de initiator, waardoor er nog meer radicalen worden gevormd. Resultaat: een auto-acceleratie¬.

Een belangrijk gevaar van deze opeenvolging van gebeurtenissen is dat indien er zodanig veel energie vrijkomt dat deze niet meer snel en efficiënt gedissipeerd kan worden, er explosiegevaar ontstaat.

De simpele klassieke kinetische analyse die is behandeld in de vorige paragraaf is een overgesimplificeerd model gebaseerd op de aannames dat:

I een stationaire toestand blijft behouden in de reactie bij elke conversiegraad

II radicaalreactiviteit onafhankelijk is van de ketenlengte

III geen ketenoverdracht plaatsvindt

IV geen auto-acceleratie of gel-effect plaatsvindt.

Figuur 4.7 Reactiesnelheid als functie van de conversiegraad voor een bulkreactie.

In figuur 4.7 is de snelheid van een bulkpolymerisatie als functie van de log(conversiegraad) uitgezet. De snelheid neemt in het begin toe totdat de stationaire toestand wordt bereikt bij ongeveer 0,1% conversie en volgt de regels van de stationaire toestand ongeveer tot 10% conversie. Dan valt de snelheid terug tot een minimum totdat het gel-effect zichzelf begint te manifesteren door een snelle toename in de reactiesnelheid. Uiteindelijk neemt de polymerisatiesnelheid weer af. Dit wordt verklaard doordat de hoeveelheid monomeer dan zodanig is afgenomen dat het polymeer in een glasachtige toestand terecht komt te liggen en dus uiteindelijk boven de polymerisatietemperatuur komt te liggen.