توصيفگر ها :
پلي(وينيل كلرايد) , تعليقي ميكروني , هموژنايزر دو مرحله اي با فشار بالا , مدل موازنه جمعيت , توزيع اندازه قطرات
چكيده فارسي :
محصول يكنواخت پلي(وينيل كلرايد) به روش پليمريزاسيون تعليقي ميكروني با استفاده از دستگاه هموژنايزر با فشار بالا بهمراه دو عدد شير همگن كننده در مقياس آزمايشگاهي توليد شده است. فرآيند توليد به روش مرسوم و شامل دو مرحله ي همگن سازي سوسپانسيون و راكتور پليمريزاسيون مي باشد. با توجه به مستقل بودن مرحله همگن سازي از مرحله راكتور، مطالعات با ثابت در نظر گرفتن كليه شرايط موجود در راكتور انجام شده است. جهت بررسي متوسط اندازه و توزيع اندازه ذرات، شكل و ساختار، ميزان تخلخل ذرات و همچنين پايداري و تثبيت متوسط اندازه و توزيع اندازه ذرات با زمان، از دو فاكتور فشار هموژنايزر و مدت زمان (يا تعداد دور) همگن سازي استفاده شده است. براي توليد سوسپانسيون با قطرات پايدار، مقدار عامل فعال سطحي آنيوني سديم دو دسيل سولفات ثابت و مابين 0.8 - 0.4 درصد وزني از كل مواد اوليه مصرفي در نظر گرفته شده است. با افزايش فشار هموژنايزر و مدت زمان همگن سازي، متوسط اندازه و توزيع اندازه ذرات كاهش يافته است. با وجود مقدار كم عامل فعال سطحي، در نمونه هايي با فشار و زمان همگن سازي بالاتر (40 مگاپاسكال و 45 دقيقه يا 3 دور)، با شكست بيشتر قطرات و تشكيل سطوح جديد و عدم پوشش كليه سطوح توسط عامل فعال سطحي، تجمع به ميزان ناچيز در بين قطرات وجود داشته است، لذا با افزايش زمان ماندگاري توزيع اندازه ذرات افزايش و پتانسيل زتا كاهش يافته و سوسپانسيون داراي پايداري كمتر مي باشد. مطابق نتايج نمونه با پايين ترين فشار برابر 20 مگاپاسكال و 15 دقيقه زمان (يا 1 دور) همگن سازي داراي بهترين پايداري و تثبيت در متوسط اندازه و توزيع اندازه ذرات با افزايش زمان ماندگاري بوده است. پتانسيل زتا براي محصول لاتكس برابر 21- ميلي ولت در 3.5 = pH معياري از پايداري و تثبيت بالايي در متوسط اندازه و توزيع اندازه ذرات است. همچنين فرآيند خشك و آسياب كردن تاثيري بر روي متوسط اندازه و توزيع اندازه ذرات نداشته است. ذرات تعليقي ميكروني از ذرات ريز كروي با قطر متوسط در محدوده 0.22 - 0.18 ميكرومتر و توزيع اندازه ذرات تك قله اي مابين 1 - 0.1 ميكرومتر تشكيل شده است. تصاوير ميكروسكوپي و تست تخلخل سنجي عدم وجود تجمع، سطوحي كاملاً يكنواخت و عدم حضور تخلخل در اين ذرات را تاييد مي نمايد. براي درك بهتر مكانيسم شكست قطره و بدست آوردن نرخ اتلاف انرژي متوسط و زمان اقامت سوسپانسيون، رژيم جريان در شيار شيرهاي دستگاه هموژنايزر شبيه سازي شده است. متوسط اندازه و توزيع اندازه قطرات پيش بيني شده با استفاده از مدل موازنه جمعيت، با نتايج تجربي مقايسه و تطابق بسيار خوبي مشاهده شده است. در فرآيند شكست قطرات با دو تابع متمايز نرخ شكست ناشي از نيروهاي اينرسي و لزجت آشفته، نرخ شكست به سبب نيروهاي اينرسي غالب بوده است. كاهش فشار و تعداد دور همگن سازي، و افزايش كسر حجمي فاز پراكنده و ميانگين توزيع اندازه پيش مخلوط، باعث افزايش توزيع اندازه قطره پيش بيني شده (D90، D10 و D90/D10) گرديده است. با افزايش غلظت عامل فعال سطحي، توزيع اندازه قطره (D90/D10) به دليل كاهش بيشتر در متوسط اندازه قطره D10 نسبت به D90 با وجود مقدار كم عامل فعال سطحي، افزايش يافته است. همچنين نرخ شكست ناشي از نيروهاي لزجت در كمترين غلظت (C_s = 5 mmol/l)، توزيع اندازه قطره پيش بيني شده (D90 و D90/D10) را افزايش داده است. با وجود سهم مهم نيروهاي لزجت در كسرهاي حجمي فاز پراكنده بزرگتر (0.622 = ϕ) به ويژه با افزايش تعداد دور همگن سازي، قطر متوسط قطره پيش بيني شده، d_3,2، كاهش و عليرغم عدم افزايش در متوسط اندازه قطره D10، توزيع اندازه قطره افزايش يافته است. در حاليكه قطر متوسط قطره پيش بيني شده، d_3,2، در مقادير كمتر (0.443 = ϕ) افزايش داشته است. قطرات پايدار با توزيع تك قله اي (2.8 = D90/D10) در بيش از 1 دور همگن سازي و 13.5 مگاپاسكال تحت فشار شير دوم 3 مگاپاسكال با حداقل اثر تغييرات در كسر حجمي فاز پراكنده، غلظت عامل فعال سطحي و توزيع سوسپانسيون پيش مخلوط به دست آمده است.
چكيده انگليسي :
The synthesis of uniform poly(vinyl chloride) latex product by microsuspension polymerization was achieved in a pilot scale double-stage high-pressure homogenizer. The conventional production process including two steps, suspension homogenization and polymerization reactor, was used. Due to the independence of homogenization from polymerization, study has been carried out by taking into account all reactor conditions as constant. In order to investigate the mean size and size distribution, shape and structure, and porosity, as well as stability of mean size and size distribution of the particles in the periods of time, two affecting factors of homogenizer pressure and time (or number of passes) of homogenization were used. In order to produce a suspension with stable droplets, the amount of sodium dodecyl sulfate as anionic emulsifier was considered constant in the range of 0.4-0.8 wt% of the initial feed. After raising the homogenizer pressure and homogenization time, the mean size and size distribution of the particles decreased. Despite, the low emulsifier content, the samples at the highest pressure (40 MPa) and time (45 min or 3 passes), due to the further breakage of drops and the formation of new surfaces and no coverage of all surfaces by the emulsifier, there was a little aggregation between the droplets. Consequently, the mean size and size distribution of the particles expanded and zeta potential declined by enhancing the settle time for a little instability in the suspension. According to the results, the sample at the lowest pressure 20 MPa and 15 min of homogenization time (or 1 pass) has the best stability in the mean size and size distribution of the particles with increasing the settle time. Additionally, the zeta potential -21 mV at pH=3.5 for the latex product indicates the high stability in the mean particle size and size distribution. Furthermore, the drying and grinding process did not affect the mean size and size distribution of the particles. Microsuspension particles are microspheres with the mean diameter 0.18-0.22 µm and the unimodal size distribution 0.1-1 µm. Further, microscope images and porosity analysis confirm no aggregation between the particles, nonporous and uniform surfaces particles. To better understand the mechanism of drop breakage and to obtain the mean energy dissipation rate and suspension residence time, the simulation of the flow regime in the gap of the homogenizer valves has been done. The prediction of the measured drop size distributions using a population balance model was satisfactory in terms of incorporating both breakage rate functions due to turbulent inertial and viscous forces with the dominance of breakage rate for inertial forces. A reduction in the pressure and the number of passes, and a rise in the dispersed phase volume fraction and premix size distribution, resulted in enhancing the anticipated drop size distribution (D10, D90 and D90/D10). As the emulsifier concentration improved, the distribution (D90/D10) increased due to the further decrease in mean D10 drop size than D90, despite the low emulsifier content. The breakage rate caused by viscous forces at the lowest concentration (C_s=5 mmol/l) enhanced the predicted distribution (D90 and D90/D10). Due to the important contribution of viscous forces at larger dispersed phase volume fractions (ϕ=0.622), especially when raising the number of passes, the estimated Sauter mean diameter, d_3,2, declined and the distribution was further augmented, despite no increase in the mean D10 drop size. At the same time, the anticipated Sauter mean diameter, d_3,2, improved at lower fractions (ϕ=0.443). The stable droplets with unimodal size distribution (D90/D10=2.8) were achieved at above 1 recycling pass and 13.5 MPa under second-valve pressure equal to 3 MPa with the minimum effect of changes in the dispersed phase volume fraction, emulsifier concentration, and suspension premix distribution.
