مدلسازی ریاضی سینتیک هسته گذاری و رشد نانو ذرات پلیمری در فرایند پلیمریزاسیون امولسیونی با استفاده از نتایج هدایت سنجی

توضیحات

فصل اول مروری بر فرایندهای پلیمریزاسیون

۱-۱- مقدمه

۱-۲- تقسیم بندی پلیمرها بر اساس مکانیسم پلیمریزاسیون

پلیمریزاسیونهای زنجیرهای

پلیمریزاسیونهای مرحلهای

فقط مونومرهایی وارد واکنش میشوند که دارای مراکز فعّال (مانند رادیکال آزاد و یا یون) باشند.

هردو مونومری که دارای دو عامل فعّال مختلف در دو سرخود باشند قابلیت وارد شدن در واکنش را دارند.

غلظت مونومر به طور یکنواخت در طول واکنش کاهش مییابد.

مونومرها بسرعت در مراحل اولیّۀ واکنش از بین میروند.

پلیمرهایی با وزن مولکولی بالا به سرعت به وجود میآیند.

وزن مولکولی زنجیرههای پلیمری همگی با هم به آهستگی در طول زمان افزایش مییابد.

سرعت واکنش بسیار زیاد میباشد.

سرعت واکنش آهسته و کند است.

از ابتدای واکنش، زنجیرههایی با درجه تبدیل بالا بدست میآیند.

برای بهدست آوردن زنجیرههایی با درجه تبدیل بالا میبایستی واکنش را تا بیش از۹۰% ادامه داد.

واکنش در چند مرحله، شروع، انتشار و اختتام انجام میپذیرد.

واکنش فقط در یک مرحله صورت میپذیرد.

فقط پلیمرهای خطی یا مولکولهایی با انشعابات کم را تولید میکند.

مولکولهایی با ساختار متفاوت، از مولکولهای خطی سادۀ بدون شاخه تا شبکههای حجیم با اتصالات عرضی زیاد به دست میدهد.

۱-۲-۱- واکنشهای پلیمریزاسیون رادیکال آزاد

۱-۲-۱-۱- آغاز

۱-۲-۱-۲- رشد (انتشار)

۱-۲-۱-۳- پایان

۱-۲-۱-۴- انتقال زنجیر

۱-۲-۲- طبقه بندی روشها و یا سیستمهای پلیمریزاسیون بر اساس محیط واکنش

۱-۲-۲-۱- پلیمریزاسیون همگن

۱-۲-۲-۱-۱- روش پلیمریزاسیون تودهای (جرمی) (Bulk Polymerization)

۱-۲-۲-۱-۲- روش پلیمریزاسیون محلولی (Solution Polymerization)

۱-۲-۲-۲- پلیمریزاسیون ناهمگن

۱-۲-۲-۲-۱- روش پلیمریزاسیون تعلیقی (Suspension Polymerization)

۱-۲-۲-۲-۲- روش پلیمریزاسیون امولسیونی (Emulsion Polymerization)

روش پلیمریزاسیون

مزایا

معایب

پلیمریزاسیون

تودهای

فرآیند ناپیوسته

سادگی فرآیند، انعطاف پذیری، هزینۀ پایین جداسازی

حرارت زایی واکنش، توزیع وزن مولکولی پهن، افزایش شدید ویسکوزیته و در نتیجه مشکل اختلاط و انتقال حرارت در حین واکنش

فرآیند پیوسته

قابل کنترل بودن واکنش توسط درجه حرارت، قابل کنترل بودن وزن مولکولی، خواص محصولات و در نتیجه هزینه جداسازی پایین

درجه تبدیل پایین، جدایی مونومر از پلیمر، نیاز به درجه حرارت بالا و در برخی مواقع نیاز به فشار بالا، چسبندگی پلیمربه دیواره راکتور

پلیمریزاسیون محلولی

نسبت به سیستم تودهای ویسکوزیتۀ کمتر و در نتیجه اختلاط و انتقال حرارت بهتر، قابل کنترل بودن واکنش توسط کنترل دما، قابل مصرف بودن مستقیم محلول واکنش، چسبندگی کم پلیمر به بدنه راکتور

هزینۀ استفاده از حلّال، آلودگی محیط به علت وجود حلّال، هزینۀ خشکسازی و جدا سازی، مشکل وجود پدیده انتقال رادیکال

پلیمریزاسیون تعلیقی

قابل کنترل بودن کیفیت محصول و واکنش توسط کنترل دما، قابل مصرف بودن مستقیم دانههای خشک جامد و در نتیجه هزینه پایین جداسازی، ویسکوزیته کم و درنتیجه انتقال حرارت مناسب

عدم امکان استفاده از فرآیندهای پیوسته، نیاز به وجود همزن و افزودنیهای خاص، چسبندگی ذرات پلیمری به بدنه راکتور

پلیمریزاسیون امولسیونی

قابل کنترل بودن واکنش توسط دما، سرعت بالای واکنش، ویسکوزیته کمتر (نسبت به سیستم های محلولی و تودهای)، انتقال حرارت مناسب، قابل مصرف بودن لانکس تولیدی

نیاز به غلظت بالای امولسیفایر، نیاز به پایدارسازی ذرات، چسبندگی ذرات به بدنه راکتور

۱-۲-۳- اهمیت پلیمریزاسیون امولسیونی

۱-۲-۴- مکانیسم پلیمریزاسیون امولسیونی

۱-۲-۵- مراحل پلیمریزاسیون امولسیونی

۱-۲-۶- مکانیسم ایجاد ذرّه

۱-۲-۶-۱- هسته‌زایی مایسلی

۱-۲-۶-۲- هسته‌زایی همگن

۱-۲-۶-۳- هسته‌زایی قطرهای

۱-۲-۷- پلیمریزاسیون امولسیونی بوتادین

۱-۲-۸- معرفی مونومر بوتادین

۱-۲-۹- مواد مورد استفاده در پلیمریزاسیون امولسیونی بوتادین

۱-۲-۹-۱- امولسیفایر

۱-۲-۹-۲- شروع کننده

۱-۲-۹-۳- بافر

۱-۲-۱۰- مروری بر کارهای انجام شده در زمینۀ شبیه سازی وکنترل توزیع اندازه ذرّات

فصل دوم سینتیک پلیمریزاسیون امولسیونی

۲-۱- مقدمه

۲-۲- رخدادهای فاز پیوسته

۲-۳- رخدادهای فاز قطرات مونومری

۲-۴- رخدادهای فاز ذرات پلیمری

۲-۵- مایسلهای متورّم شده با مونومر

۲-۶- مدلسازی

۲- ۶-۱- واکنشهای آغازین

۲-۶-۲- الیگومرهای فاز آبی

۲-۶-۳- هسته‌زایی

۲-۶-۴- موازنۀ منومرها

۲-۶-۵- موازنه ماده فعال سطحی

۲-۶-۵-۱- مدل صفر – یک

۲-۶-۵-۲- مدل شبه توده

۲- ۶-۶- معادلات مدل شبه توده برای موازنه جمعیتی ذرات پلیمری

۲-۶-۶-۱- تعداد متوسط رادیکالها در ذّرات

۲-۶-۶-۲- رشد ذرات پلیمری

۲-۶-۶-۳- ورود الیگومرها به ذرّات

۲-۶-۶-۴- دفع الیگومرها از ذرّات

۲-۶-۶-۵- اختتام در داخل ذرّات

۲-۶-۷- معادلات مدل صفر-یک برای موازنۀ جمعیتی ذرّات پلیمری

۲-۶-۸- حل عددی معادلات موازنه جمعیتی

۲-۶-۸-۱- المان محدود (Finite Elements)

۲-۶-۸-۲- حجم/تفاضل محدود

فصل سوم محاسبۀ CMC با استفاده از نتایج هدایت سنجی

۳-۱- مقدمه

۳-۲- آزمایش

۳-۳- تأثیرات الکترولیتها بر روی CMC در دمای ۲۵ºC

۳-۴-۱- تأثیر تک تک الکترولیتها بر روی CMC در دمای ۶۰ºC

۳-۴-۲- تأثیر تلفیق الکترولیتها بر روی CMC

فصل چهارم شبیه سازی امولسیونی پلیبوتادین و مقایسه با داد ه های تجربی

۴-۱- مقدمه

۴-۲- مدلسازی

۴-۲-۱- مقیاس مدلسازی

۴-۲-۲- مراحل مدلسازی در واکنشها و فرآیندهای پلیمریزاسیون

۴-۲-۳- روشهای انتخاب مدل در واکنشها و فرآیندهای پلیمریزاسیون

۴-۳- مدلسازی سینتیکی پلیمریزاسیون امولسیونی بوتادین

۴-۴- فرضیّات در نظر گرفته شده در طرح سینتیکی ارائه شده برای پلیمریزاسیون امولسیونی بوتادین

۴-۵- حل معادلات حاصل شده در مدلسازی سینتیکی پلیمریزاسیون امولسیونی بوتادین

۴-۵-۱- گسسته سازی معادلات دیفرانسیلی جزیی موازنه جمعیتی

۴-۶- پارامترهای استفاده شده در مدلسازی سینتیکی پلیمریزاسیون امولسیونی بوتادین

۴-۷- مقایسۀ نتایج حاصل از مدلسازی سینتیکی با دادههای آزمایشگاهی

۴-۷-۱- شرح دستگاه و تجهیزات

۴-۷-۲- روش آزمایش

۴-۷-۳- خوراک هر آزمایش

۴-۷-۴- پلیمریزاسیون با سدیم دودسیل سولفات

فصل پنجم پیشبینی هدایت در طول فرایند پلیمریزاسیون

۵-۱- مقدمه

۵-۲- آزمایش

۵-۳- پیشبینی هدایت الکتریکی محلولها بدون واکنش شیمیایی

۵-۳-۱ پیشبینی هدایت الکتریکی محلولهای SDS در غلظتهای مختلفی از الکترولیتهای Na2CO3 و KPS در دمای ۲۵ºC و ۶۰ºC

۵-۳-۲ پیشبینی هدایت الکتریکی محلولهای SDS در غلظتهای مختلفی از تلفیق الکترولیتهای Na2CO3 و KPS در دمای ۶۰ºC

۵-۴- پیشبینی هدایت الکتریکی واکنش پلیمریزاسیون امولسیونی نانو ذرّات پلیبوتادین (به صورت Online)

فصل ششم نتیجه گیری و پیشنهادات

۶-۱ نتیجهگیری

۶-۲- پیشنهادات