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Substanzpolymerisation

Substanzpolymerisation

Die Substanzpolymerisation eines reinen Monomers stellt theoretisch den einfachsten Prozess mit der geringsten Kontaminierung des Produkts dar. Es handelt sich hierbei um eine Polymerisation des Monomers mit einem Initiator ohne Lösemittel. Die Substanzpolymerisation wird auch als Blockpolymerisation (engl. bulk polymerization) bezeichnet.

Infolge der stark exothermen Natur vieler Polymerisationsreaktionen, der hohen Aktivierungsenergien und der Tendenz zum Geleffekt ist die Durchführung einer Substanzpolymerisation mit vielen Schwierigkeiten verbunden. Sie benötigt eine sorgfältige Temperaturkontrolle. Zudem wird wegen der schnell steigenden Viskosität die Durchmischung immer schwieriger.

Substanzpolymerisation wird bei Ethen, Styrol und Methylmethacrylat angewendet. Die durch die Wärmeentwicklung und Viskositätszunahme entstehenden Probleme werden durch niedrige Umsätze mit Abtrennung und Rückführung des Monomers überwunden.

Man unterscheidet zwei verschiedene Arten der Substanzpolymerisation. In einem Fall ist das Polymer im Monomer löslich, und es handelt sich um eine homogene Reaktion. Man spricht deshalb von der Substanzlösungspolymerisation. Im anderen Fall ist das Polymer im Monomer unlöslich und fällt während der Reaktion aus. Es handelt sich hierbei um eine heterogene Reaktion und diese wird Substanzfällungspolymerisation genannt.

Bei der Substanzlösungspolymerisation wirkt das Monomer als Lösemittel des Polymers. Da mit zunehmendem Umsatz die Viskosität zunimmt, wird der Kettenabbruch behindert und es tritt Selbstbeschleunigung in Form des Geleffektes auf. Bedingt durch die hohe Polymerkonzentration kommt es zu Übertragungsreaktionen und damit zu Verzweigungen.

Die Abfuhr der beträchtlichen Reaktionswärme wird u.a. durch die Zweistufenpolymerisation gelöst. In der ersten Stufe wird ein großer Teil der entstehenden Wärme abgeführt und in der zweiten Stufe wird in dünnen Schichten weiterpolymerisiert. Bei beiden Stufen muss die Temperatur sorgfältig kontrolliert werden. Die Turmpolymerisation bzw. im HCSTR (ideal rückvermischter Durchflusskessel = Homogenous Continuous Stirred Tank Reactor) durchgeführte Polymerisation von Styrol ist ein Beispiel für eine Zweistufensubstanzpolymerisation. Mit der Substanzpolymerisation im HCSTR erhält man bei der radikalischen Polymerisation von Styrol die engstmögliche Molmassenverteilung und kann die Reaktionswärme durch Siedekühlung abführen. Mittlerweile wird die radikalische Styrolpolymerisation in Turmkaskaden bei ansteigender Temperatur durchgeführt.

Ein Beispiel für die Substanzfällungspolymerisation ist die Herstellung von Polyvinylchlorid.

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