Combinaison des mesures de rhéologie et de spectroscopie pour améliorer la production discontinue de polymères de polyuréthane

Dans la production de polymères, le degré de polymérisation dépend strictement de la conversion. Celle-ci est très sensible aux impuretés et au déséquilibre molaire, surtout lorsque la conversion est élevée.

Le déséquilibre des monomères peut empêcher la formation de longues chaînes de polymères, (entraînant une stagnation du poids moléculaire) et favoriser l’apparition de réactions secondaires indésirables (entraînant la ramification des chaînes, la gélification et/ou la dégradation des chaînes).

Le développement et la mise en œuvre de procédures de surveillance et de contrôle en ligne de la conversion et de la masse moléculaire moyenne en poids (Mw) sont hautement souhaitables. Cela évitera la formation de gel, la stagnation précoce de la Mw et la dégradation de la chaîne polymère.

Les outils de mesure de processus en ligne tels que la spectroscopie de processus dans le proche infrarouge (NIRS) et la rhéologie qui comprend les mesures de la viscosité; sont tous deux des candidats idéaux pour déterminer les propriétés physiques des polymères.

Guided Wave et Sofraser s’associes pour mettre au point un système de mesure double. Capable d’être installé sur une seule bride partagée.

Ce système s’installe directement sur le côté d’un réacteur pour le contrôle en temps réel de la production de polymères.

En disposant d’une mesure NIRS et d’une mesure de viscosité dynamique les ingénieurs de procédés peuvent prendre des décisions éclairées basées sur les tendances en temps réel de la construction du polymère de la réduction des monomères et de la masse moléculaire moyenne en poids. De plus, la configuration à double sonde permet aux deux mesures de se produire dans les mêmes conditions d’écoulement et d’échantillon localisées.

En d’autres termes, si les sondes du viscosimètre et du NIRS étaient installées sur des brides distinctes, à des endroits différents du réacteur, l’écoulement transitoire dans le réacteur pourrait introduire un biais entre les deux techniques.

Aperçu de la production de polyuréthane et du rôle de la PAT

Les polyuréthanes, comme d’autres polymérisations similaires à croissance par étapes, sont généralement produits dans des procédés en deux étapes.

La première étape de la polymérisation

Les matériaux polymères de faible poids moléculaire moyen (prépolymère) sont produits par la réaction d’un polyol et d’un grand excès de diisocyanate, généralement avec un rapport molaire d’alimentation de 2:1. La spectroscopie NIR permet de mesurer le nombre de groupes hydroxyles réactifs (OH) sur le polyol.

L’indice OH a un impact direct sur le nombre de liaisons uréthanes, ce qui influence grandement les propriétés physiques du produit polyuréthane final. L’indice OH est donc un paramètre important à surveiller et à contrôler pendant la production de polyols.

En outre, la méthode de laboratoire couramment utilisée pour déterminer l’indice d’hydroxyle prend du temps et implique l’utilisation de matériaux dangereux. Une sonde de transmission NIR in situ a un débit plus rapide et réduit l’exposition professionnelle aux matériaux dangereux requis pour les tests hors ligne.

La deuxième étape de la polymérisation

La chaîne du polymère est allongée par la réaction du prépolymère avec un diol ou un polyol de faible poids moléculaire (extenseur de chaîne). Normalement, l’objectif principal est la production de résines polymères de grands poids moléculaires à la fin de la deuxième réaction stp. Pour atteindre cet objectif, certains objectifs secondaires doivent être poursuivis.

Premièrement, la conversion et la composition des monomères doivent être rigoureusement contrôlées au cours de la première étape de réaction. Deuxièmement, la quantité de polyol introduite dans le récipient de réaction au cours de la deuxième étape doit être rigoureusement contrôlée.

Ces objectifs de contrôle secondaires sont nécessaires pour éviter le déséquilibre des monomères, qui peut conduire à la production de polymères de faible poids moléculaire et finalement causer la perte du produit du lot.

Enfin, l’évolution des masses moléculaires moyennes en poids doit être surveillée avec précision par viscométrie et spectroscopie de procédé. Les résultats de ces outils de surveillance du procédé peuvent ensuite être utilisés pour contrôler les masses moléculaires moyennes en poids et d’autres paramètres pendant l’étape d’extension de la chaîne de la synthèse du polyuréthane.

Schéma de contrôle de la viscosimétrie et de la spectroscopie dans le processus de synthèse des polyuréthanes

La logique de commande présentée ci-dessous est adaptée selon les besoins pour répondre aux exigences spécifiques du produit. Au cours de la première étape; la spectroscopie de processus s’utilise pour surveiller la conversion des monomères et la masse moléculaire moyenne en poids.

D’autres paramètres tels que la concentration ou le rapport des diisocyanates, la concentration d’eau en excès ou le rapport des produits de réaction du glycol peuvent également être mesurés par spectroscopie de processus.

Au cours de la deuxième étape de la réaction; le poids moléculaire moyen du polymère est surveillé à la fois par spectroscopie de procédé et par viscométrie.

En fonction de la tendance du poids moléculaire; le taux d’alimentation en réactifs est ajusté ou dosé sur la base des données NIR et MIVI en temps réel.

La double mesure est un moyen optimal pour contrôler le taux de polymérisation vers un point final conforme aux spécifications.

Il convient également de noter que la précision avec laquelle un analyseur NIR, tel que l’analyseur à spectre complet NIRO, peut mesurer la masse moléculaire moyenne. Et commence à diminuer lorsque la conversion des monomères augmente.

Une solution adaptée

Un viscosimètre de procédé tel que le MIVI s’utilise pour mesurer plus précisément le poids moléculaire; moyen pendant les étapes finales de réticulation et d’extension de la chaîne.

Le début de la gélification se détermine à la fois par la spectroscopie de procédé et la viscosimétrie. Le NIR détermine que la conversion des monomères se produit sans changement du poids moléculaire moyen. Alors le début de la gélification a probablement eu lieu.

La viscosimétrie s’utilise comme confirmation secondaire de la gélification. Si la gélification se produit, le viscosimètre mesurera une perturbation soudaine due à l’agglomération ou à la ramification des polymères.

L’approche à double sonde permet à l’ingénieur des procédés de réagir rapidement à la gélification. Et donc de commencer à ajouter des inhibiteurs pour ralentir le taux de réticulation. La concentration des inhibiteurs, tels que l’acide chlorhydrique, peut être mesurée par spectroscopie de procédé.

Une fois que la tendance de la réaction est revenue à la normale, la quantité d’inhibiteur réduit le taux d’alimentation du réactif; tel que les 1,4 Butane Diols, augmenté. Le schéma de contrôle du procédé permet à l’ingénieur de procédé de guider la réaction vers les trajectoires de poids moléculaire souhaitées et garantir la production d’un produit conforme aux spécifications.

Une fois le poids moléculaire cible atteint, l’ingénieur des procédés peut transférer le polyuréthane conforme aux spécifications pour tout traitement de post-formation tel que l’extrusion.

Conclusion

La production de polymères en vrac est en soi un processus chimique assez routinier. Par ailleurs, la volonté d’optimiser la production et de réduire les coûts de fabrication rend nécessaire l’analyse des processus en temps réel.

La spectroscopie de procédé dans le proche infrarouge et la viscosimétrie, qui comprend la mesure de la viscosité; sont toutes deux des candidates idéales pour déterminer les propriétés physiques des polymères.

Le développement d’outils modernes de surveillance des processus permet de mesurer directement et en temps réel les réactions chimiques. On y retrouve la conversion des monomères, le poids moléculaire, l’indice d’acide, ou même les informations sur les ramifications latérales et les gels.

La double sonde et le schéma de contrôle du processus s’utilisés pour améliorer le rendement de la copolymérisation par lots.

Conçue par Elementale (Texas, USA), cette sonde a été développée en collaboration avec Guided Wave et Sofraser.

Ces informations sont sourcées, revues et adaptées à partir de documents fournis par Guided Wave.

Pour plus d’informations sur cette source, veuillez visiter Guided Wave

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