Fouling während der Emulsionspolymerisation

• Antragsteller: Professor Dr. Diethelm Johannsmann; Professor Dr.-Ing. Stephan Scholl
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504119618

Das Forschungsprojekt zielt auf ein vertieftes Verständnis der Vorgänge, welche während der Emulsionspolymerisation zu einer Belagbildung auf den Reaktor- und allg. wärmeübertragenden Wänden führen. Dazu soll insbesondere die initiale Phase des Ablagerungsprozesses durch zwei komplementäre Messverfahren in-situ verfolgt werden: erstens durch eine in die Gefäßwand integrierte Schwingquarz-Mikrowaage (quartz crystal microbalance, QCM) und zweitens durch einen schrittweise vertikal aus dem Reaktor herausziehbarer Heizfinger, welcher die Ablagerung zu definierten Zeitpunkten konserviert und nach Abschluss der Reaktion ablesbar macht. Eine umfassende zeitaufgelöste Charakterisierung der Vorgänge im Bulk und an der Oberfläche sowie die Korrelation dieser Vorgänge miteinander eröffnet das Gesamtbild der zu dem Ablagerungsprozess beitragenden Mechanismen. Die Charakterisierung soll sowohl chemische Parameter, wie z.B. die Zusammensetzung des Foulingmaterials, als auch physikalische Parameter, wie z.B. die Partikelgröße, die Rauheit und die Festigkeit der abgelagerten Schicht umfassen. Diese Charakterisierung soll es insbesondere erlauben, zwischen Partikelfouling und Reaktionsfouling zu unterscheiden, wobei ersteres auch in nicht-reaktiven Dispersionen auftritt. Voruntersuchungen haben gezeigt, dass sich unter bestimmten Bedingungen eine dünne Polymerschicht (Dicke < 1 µm) auf der Wand bildet, welche die Oberfläche gegen die Bildung von weiteren, dickeren Foulingschichten stabilisiert. Ursachen, Bedingungen und Mechanismen einer solchen Passivierung sind derzeit nicht verstanden und sollen vertieft untersucht werden. Als Materialien werden Polyacrylate und Polyvinylacetat (pVAc) betrachtet. pVAc neigt zur Vernetzung und hat eine Glastemperatur unterhalb der Reaktionstemperatur. Es wird in der Regel mit angepfropften Ketten aus Polyvinylalkohol (PVOH) stabilisiert. Eine mit steigender Temperatur abnehmende Löslichkeit von PVOH in Wasser könnte Fouling begünstigen. Acrylate gibt es mit verschiedenen Glastemperaturen. Harte und weiche Partikel unterscheiden sich in dem Ausmaß der Verformung der Kugeln zu Polyedern noch während der Belagbildung („wet sintering“). Die QCM bietet besondere Chancen in der Analyse. Insbesondere kann das Wachstum einer planaren Schicht von einem Cluster-Wachstum unterschieden werden. Gemäß einer der Arbeitshypothesen tendieren planare Schichten eher zur Passivierung als adsorbierte Cluster. Weiterhin kann die QCM den effektiven Schermodul abschätzen und so Hinweise auf das Fortschreiten einer Strukturveränderung/Kompaktierung der Beläge geben. Das Projekt soll sowohl im Hinblick auf ein Verständnis der Mechanismen als auch hinsichtlich einer quantitativen Modellierung neue Wege beschreiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen