Polimerización en suspensión de copolímeros de estireno por radicales libres.

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“Polimerización en suspensión de copolímeros

de estireno por radicales libres.”

Rodríguez Pizano, José Josué1; Hernández Escoto, Hector1; Contreras López, David1* Universidad de Guanajuato, División de Ciencias Naturales y Exactas, Departamento

de Ingeniería Química, Campus Guanajuato, Guanajuato, México. *david.contreras@ugto.mx

Objetivo

Encontrar las condiciones óptimas para la obtención de homopolímeros de estireno y copolímeros de estireno con monómeros polares por el proceso de suspensión.

Fundamentos del proceso de polimerización en suspensión

El poliestireno (PS) es uno de los materiales poliméricos más importantes que se tienen hoy día, aunque la producción industrial del PS ha llevado a una gran cantidad de desarrollo y crecimiento sustentable como una tecnología madura, hay todavía una enorme motivación en trabajar sobre las características de procesos de polimerización desconocidas. Los mayores procesos de manufactura que se emplean para la producción comercial de aproximadamente 80% del PS son por el proceso de la polimerización en suspensión.

La polimerización por radicales libres convencionales (FRP, ahora también calificada con el adjetivo “tradicional” o “clásica” para distinguirla de las nuevas variantes) es un proceso tolerante a impurezas, compatible con el agua, tiene una relativa facilidad para poderse implementar en planta industrial y es muy versátil con respecto a la compatibilidad de diversos tipos de monómeros, puede llevarse a cabo en cualquier tipo de proceso (ya sea en masa, suspensión, emulsión, solución , mini emulsión, extrusión reactiva, etc.).1 Como ejemplo, la obtención del copolímero estireno-anhídrido

maleico es de gran valía porque es ampliamente utilizado como agente compatibilizante en mezclas de polímeros, entre otros usos. Tal sistema copolimérico se prepara generalmente por FRP y tiene la característica de presentar distribuciones de peso molecular amplias con dispersidades (Đ)~2.2

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tricálcico o polímeros hidrosolubles como la hidroxietil celulosa o el alcohol polivinílico (PVA). En este proyecto de tesis, nos enfocaremos en el estudio de este último.

El PVA es un copolímero de alcohol vinílico y acetato de vinilo, el cual es utilizado como un estabilizador en diferentes campos industriales, tales como en los textiles, adhesivos y recubrimientos. Así mismo, se ha establecido que las propiedades estabilizantes durante el proceso de suspensión son dependientes de la concentración, grado de hidrolisis y del peso molecular del agente dispersante. Las propiedades estabilizadoras son también dependientes de la etapa de polimerización del monómero cuando el PVA es adicionado.3 Se ha encontrado que a bajos pesos

moleculares del PVA, se producen suspensiones más estables que con los de alto peso mol ecular pero generando tamaños de partículas mayores, en contraste, con el uso de un peso molecular alto de PVA, se han obtenido tamaños de partículas bien definidas.4

Hay que resaltar que el iniciador de radicales libre (soluble en el monómero) pasa a través de la interfase e inicia a descomponerse para iniciar el proceso de polimerización dentro de las gotas. La interacción entre los macrorradicales es lo suficientemente fuerte para facilitar la agregación. Adicionalmente al crecimiento de los agregados, procede también por la coalescencia, formando partículas primarias que son responsables de la porosidad de los granos formados. Diversos reportes han sido publicados acerca de los efectos de las condiciones de polimerización, tales como la velocidad de agitación,5,6 el tipo y la concentración del agente de suspensión,7 la relación

monómero/agua,8 condiciones de reflujo del monómero,9 temperatura,10 y la conversión.11 Resultados

Rendimiento Homopolimerización

Los rendimientos de la homopolimerización del poliestireno con el PVA1(13000), PVA2(30000), PVA3(89000) Y PVA4(124000) Da a distintas concentraciones con velocidades de agitación de 500 a una temperatura de 85±2°C se pueden observar en la Figura 1 y con una velocidad de 800 rpm conservando las mismas condiciones de reacción se pueden observar en la Figura 2.

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Figura 2. Rendimiento de Homopolimeros de estireno con una velocidad de agitación de 800rpm y PVA con distintos pesos moleculares

De acuerdo a la Figura 1 y Figura 2 , al utilizar una concentración de 0.5 g de cualquiera de los PVA se obtiene un rendimiento mayor que en los sistemas donde se tiene una concentración de 1 g, por otro lado, notamos que al utilizar el PVA con un peso molecular mayor el rendimiento se incrementaste se puede deber a la movilidad que poseen PVA con peso moleculares menores ya que por la longitud que posee aunado a su arreglo estructural, que le s permiten formar más puentes de hidrógeno con la fase continua, lo que conlleva a que se tenga una menor conversión del polímero.

Rendimiento de Copolímeros

En relación a los rendimientos de la copolimerización de estireno con acetato de vinilo a diferentes concentraciones de la parte polar y con los PVA de 30000-70000 y 89000-98000 Da con las velocidades de agitación de 500 y 800 rpm a una temperatura de 85±2°C se pueden observar en la

Figura 3.

Figura 3. Rendimiento de los copolímeros sintetizados de Estireno y Acetato de vinilo.

En la figura anterior podemos observar que para una concentración del 1% en peso del monómero polar con 1 g del PVA de 89000-98000 Da, obtenemos altos rendimientos en base a los resultados obtenidos en la homopolimerización, dado que el resto de las condiciones de reacción los rendimientos se mantienen en un mismo rango sin importar el tipo de PVA y su concentración en el

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sistema, de igual manera a concentraciones altas del monómero polar no se nota un cambio significativo de la conversión y esto puede deberse a la influencia que tiene el acetato de vinilo con el PVA debido a sus características fisicoquímicas, lo cual puede estar formando algún tipo de enlaces intermoleculares como puentes de hidrógeno evitando con lo que interfiere con la conversión del copolímero.

Así mismo, se muestran los rendimientos de los copolímeros estireno con acrilato de butilo, los cuales se pueden observar en la Figura 4. Podemos apreciar en dicha figura que al aumentar la concentración del monómero polar en el medio y la concentración de PVA, la conversión del polímero aumenta en ambos casos, esto puede deberse a las interacciones que ejerce el monómero polar en este caso el acrilato de butilo en el medio de reacción dado que se favorece la formación del copolímero cuando se encuentra en un mayor porcentaje, aunque podemos notar que utilizando el PVA de 89000-98000 wt se tiene una mayor conversión que con el de 30000-70000 wt, esto lo podemos relacionar por la configuración que puede adquirir el PVA en el medio de reacción por ser una cadena más grande llegando a tener una configuración de ovillo y gracias a esto, no le permite formar con facilidad enlaces intermoleculares con la fase continua como sería el caso del PVA de 30000-70000 ya que su cadena es considerablemente más corta puede adquirir una configuración lineal y tener una mayor movilidad y formar enlaces intermoleculares con la fase continua y el monómero polar disminuyendo así la conversión del polímero.[1]

Figura 4. Rendimiento de los copolímeros sintetizados de Estireno y

Acrilato de Butilo.

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Conclusiones

Al realizar este trabajo podemos concluir de manera general, que al disminuir el peso molecular y al aumentar la concentración del agente dispersante (PVA) se tiene una menor conversión en los homopolimeros de estireno, por otra parte, podemos decir que al disminuir la concentración del acetato de vinilo en el medio de reacción favorecerá la formación del copolímero con una concentración alta del agente dispersante, en el caso de los copolímeros de estireno y acrilato de butilo podemos decir que al aumentar la concentración del monómero polar así como la concentración y el peso molecular del agente dispersante la conversión del copolímero se v e favorecida, por lo que en base a lo anterior es una muy buena aproximación del conocimiento de las condiciones óptimas para la obtención de este tipo de polímeros, por otra parte hablando del tamaño de partícula podemos observar que al aumentar el peso molecular del agente dispersante que en nuestro caso es PVA se muestra una disminución del tamaño de partícula tanto en la homopolimerización como en la copolimerización.

Bibliografía

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(8) Etesami, N. et al. Effect of the Phase Ratio on the Particle Properties of Poly(vinyl chloride)

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Produced by Suspension Polymerization JAPS 2010, 117, 2506.

(10) Bao, Y. Z. et al. Influences of some polymerization conditions on particle properties of

suspension poly(vinyl chloride) resin JAPS 2002, 85, 1544.

(11) Bijhanmanesh, M. J. et al. Influences of initiator addition methods in suspension

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References