6.4 Suspensiepolymerisatie
Schematische weergave suspensie ofwel "micro-bulk polymerisatie" (Engels: suspension or bead polymerisation)
Figure 1. Suspension polymerisatie, schematische weergave[3].
Uitvergroting van en rond de monomeerbolletjes die parels worden
Figure 2. Suspension polymerisation. Schematic view.
Bij de suspensiepolymerisatie is het monomeer als fijne druppeltjes aanwezig in een continue fase, veelal water. Het polymeer ontstaat als een gedispergeerde vaste fase.
Karakteristiek voor dit systeem zijn twee factoren:
1. De initiator is opgelost in de monomeerdruppeltjes.
2. De kinetiek is binnen elk monomeerdruppeltje dezelfde als voor "bulkpolymerisatie".
Men zou dus kunnen zeggen dat suspensiepolymerisatie een watergekoelde "microbulk"- polymerisatie is.
De diameter van de monomeerdruppels is 0.01-0.5 cm. Dit wordt bereikt door roeren. Indien door roeren voldoende turbulentie heerst óm de druppeltjes en de druppeltjes voldoende groot zijn, ontstaan er in ieder druppeltje twee wervels, zodat er als het ware een groot aantal geroerde reactortjes aanwezig zijn (zie fig. 6.2).
Fig. 6.2. Wervels in een druppel die zich in een geroerd vat bevindt.
Het grote belang van de roersnelheid wordt duidelijk gemaakt in fig. 6.3. De afschuifkrachten in de geroerde vloeistof verlengen de relatief grote druppels en breken hen uiteindelijk op in vele kleine druppeltjes.
Figuur 6.3 Druppelvorming in een geroerde suspensie.
Een kritiek stadium breekt aan wanneer de polymerisatie zover is dat het mengsel van monomeer en polymeer in de druppeltjes kleverig wordt. Als de druppels visceus en kleverig worden tijdens de polymerisatie, vertonen zij veel meer neiging tot coalescentie (samenklontering) dan in het begin van de polymerisatie, als het nog laagvisceuze druppeltjes zijn, of aan het eind van da polymerisatie wanneer het harde deeltjes zijn geworden. Het is duidelijk dat het volstrekt noodzakelijk is tijdens te polymerisatie voortdurend met constante snelheid te roeren om te voorkomen dat er een grote klomp polymeer ontstaat.
Dit wordt bereikt door roeren in combinatie met stabilisatoren. Er zijn drie typen stabilisatoren te onderscheiden:
- organische of anorganische materialen, die de agglomeratie mechanisch onmogelijk maken (de zogenaamde schutcolloïden).
- electrolyten, die de oppervlaktespanning verhogen, waardoor de bolletjes betere bestaanskansen hebben.
- Wateroplosbare polymeren, die de viscositeit van de waterfase opvoeren, waardoor agglomeratie ten gevolge van precipitatie wordt tegengegaan.
Door het gebruik van water als dispersiemedium in plaats van organisch oplosmiddel is suspensiepolymerisatie aantrekkelijker dan oplossingspolymerisatie. Bovendien zorgt water voor een nog snellere warmte afvoer. Een bezwaar is de moeilijke verwijdering van emulgatorresten uit het polymeer. De suspensiepolymerisatie wordt vooral gebruikt voor sterk exotherme radicaalpolymerisaties zoals bij de bereiding van PVC, PS en PMMA.
Figuur 6.4a “Polymeerparels van PS”, mm schaal staat ernaast.
Figuur 6.4.b EPS Polystyreen (piepschuim) wordt gemaakt via een suspensiepolymerisatie met pentaan als schuimmiddel in de polystyreen. Door verwarmen met stoom, zetten de suspensiebolletjes met polymeer uit en vormen piepschuim. De oorspronkelijke parel is nog te zien als groffe korrel.
Bij deze polymerisatietechniek bestaat de mogelijkheid om "polymeerparels" (zie foto hiernaast) te verkrijgen van iedere gewenste diameter, variërend van enkele micrometers tot verscheidene millimeters. Juist de vorming van deze bolletjesvis een unieke eigenschap van de suspensiepolymerisatie.
Een goede presentatie over suspensiepolymerisatie vind je hier [1]:
https://www.slideshare.net/VEDPRAKASH203/suspension-polymerization
References
[3] http://www2.ias.tuwien.ac.at/susppoly_sk_e.html
[2] https://sites.google.com/site/polymeerchemie/polymeerchemie-1/h6-polymerisatietechnieken/6-4-suspensiepolymerisatie
[1] https://www.slideshare.net/VEDPRAKASH203/suspension-polymerization