Verknüpfung von Prozessbedingungen mit den rheologischen Eigenschaften für die radikalische Polymerisationen von Acrylat-Co-Polymeren in Lösung, Emulsion und unter Druck

• Antragstellerin: Dr. Kristina Zentel
• Fachliche Zuordnung: Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren ; Technische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 537707035

Im Bereich der Polymerisationstechnik gilt "polymers are products by process": der Herstellungs-prozess beeinflusst nicht nur Selektivität und Ausbeute, sondern bestimmt auch direkt die Polymereigenschaften. Um dies effektiv zu nutzen, müssen die Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen bekannt und in Simulationsmodellen implementiert sein. Dies gelang der Antragstellerin für die Hochdruckpolymerisation von Ethen zu LDPE (Low Density Polyethylene) in einer dreistufigen Multi-Skalen-Modelllierung. Durch die detaillierte Beschreibung der Bildung von Langketten-verzweigungen, die essentiell für die lineare und nichtlineare Rheologie sind, konnten die mechanischen Eigenschaften der Polymere direkt aus dem Prozessbedingungen vorhergesagt und eingestellt werden. Aufbauend darauf sollen in diesem Projekt drei Themen bearbeitet werden: (I) Die dreistufige Modellierungsstrategie soll auf die technisch relevanten Acrylate übertragen werden, wobei n-Butylacrylat als Modellmonomer gewählt wird. Sie weisen eine ähnliche radikalische Polymerisa-tionschemie (mit Lang- und Kurzkettenverzweigungen) auf, aber für sie existiert noch kein Modell zur direkten Verknüpfung von Polymerisationsbedingungen mit Fließeigenschaften. (II) Durch die rigorose Kombination von kinetischer und thermodynamischer Modellierung sollen auch Emulsionspoly-merisationen modelliert werden. Dies überprüft nicht nur die Allgemeingültigkeit der Modellfamilie in einem sehr großen Parameterraum, sondern erweitert die Anwendbarkeit auf technisch sehr weit verbreitete Prozesse. Ein herausforderndes, bisher wenig untersuchtes System ist die Emulsions-Copolymerisation mit einem gasförmigen Monomer und somit vier Phasen. Als Comonomer wird Ethen eingesetzt, welches auf industrieller Skala in überkritischem Ethen zu LDPE, aber auch zu PE-Acrylat-Copolymeren umgesetzt wird. Eine Copolymerisation in Emulsion bietet somit eine mögliche Prozessalternative bei milderen Reaktionsbedingungen und unter Einsatz von Wasser als grünem Lösemittel. (III) Das vorgeschlagene Projekt zielt zudem auf ein erweitertes Verständnis zur Optimierung von Prozessführung und Materialeigenschaften unter dem Gedanken der Nachhaltigkeit ab. Effektive Ansätze sind die Verbesserung von Energie- und Materialeffizienz, sowie die Verringerung von Abfalloder Nebenprodukten. Diese Effekte werden über Massen- und Energie-bilanzen im Miniplant-Maßstab abgeschätzt und erlauben es, eine Reduktion des CO2-Fußabdrucks einzuschätzen. Die Besonderheit des Projekts liegt darin, das komplexe Thema simultan von experimenteller und modellbasierter Seite zu untersuchen, um das Verständnis der verknüpften kinetischen, thermodynamischen und polymerdynamischen Prozesse synergetisch zu verbessern. Dadurch wird eine Modellfamilie aufgebaut, welche die Polymerisationprozesse, die gebildeten Polymere und deren Viskosität vorhersagen und für eine nachhaltige Prozess- und Produktentwicklung eingesetzt werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen