Emulsion polymerization of vinyl acetate by urethane based surfactant and high solid content water-based emulsion polymerization of acrylic monomers
Vinil asetatın üretan esaslı surfaktan ile emülsiyon polimerizasyonu ve akrilik monomerlerin yüksek katı içerikli su bazlı emülsiyon polimerlerinin sentezlenmesi
- Tez No: 507759
- Danışmanlar: PROF. DR. BAHİRE FİLİZ ŞENKAL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Chemistry, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 85
Özet
Yüzey aktif maddeler, hidrofilik grup ve bir ya da iki tane hidrofobik, ortalama uzunlukta, alkil zincirine sahip maddeler olarak karakterize edilip, ayrıca emülgatör ya da surfaktan olarak da adlandırılırlar. Sulu fazda misel oluşturmak için çok az miktarda yüzey aktif madde yeterlidir. Yüzey aktif maddeler endüstriyel açıdan çok önemlidirler. Boya sektöründe, emülsiyon polimerizasyonlarında, yapıştırıcı ve tekstil gibi birçok endüstride yüzey aktifler kullanılmaktadır. Anyonik, katyonik, non-iyonik ve amfoterik olmak üzere 4 çesit yüzey aktif mevcuttur. Bu çalışmada, toluen 2,4-diizosiyanat (TDI) ve poli(etilen glikol) dimetil eterin (PEG500), dibütil tin laurat katalizörü varlığında reaksiyonu ile yeni bir noniyonik yüzey aktif madde sentezlenmiştir. Bu polimerik yüzey aktif maddenin karakterizasyonu çeşitli cihazlar ve yöntemler kullanılarak yapılmıştır. Kritik misel konsantrasyonu tayini için yüzey gerilim cihazı kullanılmıştır. Bu değer 0.68x10 mg / mL olarak hesaplanmıştır. Polimerik yüzey aktif maddenin moleküler ağırlığı GPC ile tayin edilmiştir. Sayıca ortalama, ağırlıkça ortalama ve z-ortalama molekül ağırlıklıkları sırası ile 1361, 1163 ve 1524 gr / mol'dür. Tayin edilen polimerik sürfaktan farklı miktarlarda kullanılarak Vinil asetatın emülsiyon polimerizasyonu yapılmıştır. Emülgatör miktarına ek olarak reaksiyon sürelerinin de etkisi incelenmiştir. Karşılaştırma yapmak amacıyla ticari emülgatör Dowfax 2A1 ile aynı reaksiyonlar tekrarlanmıştır. Dowfax 2A1 ile yapılan emülsiyonların viskoziteleri daha düşük ve görünümleri açık mavi-beyaz renktedir. Poliüretanbazlı emülgatör ile yapılan çalışmaların viskozitesi biraz daha yüksek ve görünümü sütsü-beyaz renktedir. Dowfax 2A1 ile yapılan çalışmaların sayıca ortalama molekül ağırlıkları ve kütlece ortalama molekül ağırlıkları, sentezlenen poliüretan bazlı yüzey aktif madde ile yapılan emülsiyonların molekül ağırlıklarından oldukça yüksektir. Dowfax 2A1 ile yapılan emülsiyonların, emülgatör miktarı arttıkça yüzey gerilimi azalmıştır. Sentezlenen yüzey aktif madde ile yüksek katılı emülsiyonlar sentezlemek için bütil akrilat ve metil metakrilat monomerleri ile ön denemeler yapılmıştır. Emülgatör miktarı iki katına çıkarıldığında yeniden çekirdeklenme gözlemlenmiş ve iki farklı parçacık boyutu gözlemlenmiştir. Sayıca ve ağırlıkça ortalama molekül ağırlıkları veyüzey gerilimleri emülgatör oranı artırıldığında kayda değer bir biçimde azalmıştır. Lateksler yapıştırıcı, kaplama, tekstil, kağıt boyaları, zemin cilası ve makyaj sanayi gibi alanlarda yaygın olarak kullanılan çok yönlü malzemelerdir. Reaktör üretimini en üst düzeye çıkarmak, nakliye ve depolama maliyetlerini en aza indirmek, ürüne daha fazla esneklik kazandırmak, enerjiden ve iş yükünden tasarruf etmek ve uygulanırken yüzey kapsamının geliştirilmek ve iyileştirmek için yüksek katı oranlı lateksler birçok endüstride çalışılmaktadır. Lateksin viskozitesi, katı madde içeriğiyle birlikte keskin bir şekilde artar; bu da katılaşma derecesini, karıştırma, kütle transferi ve kararlılığı etkiler. Düşük viskoziteler ile yüksek katı içeriği elde etmenin anahtarı partikül boyutu dağılımının (PSD) kontrolüdür. Mükemmel tek dağılımlı bir lateksdeki parçacıklar yaklaşık kütlece % 64 katı içeriğinde birleşmeye başlarlar. Bu, parçacık boyut dağılımı nispeten dar olan çoğu endüstriyel prosesin genelde katı madde içeriğinin ağırlıkça % 55'inden azında çalıştığını açıklar. Bu kısıtlılığın üstesinden gelmek ve yüksek katı içeriği ve düşük viskozite hedeflerini başarmak için bimodal partikül dağılımlı emülsiyonların üretimi düşünülmüştür. İki farklı yöntem kullanılarak on iki adet yüksek katılı emülsiyon polimerleri elde edilmiştir. Öncelikle 42 nm boyutlu tohum emülsiyonu hazırlanmıştır. İlk yöntemde belirli bir miktarda tohum emülsiyonu reaktöre alınıp preemülsiyon (monomer, emülgatör, amonyak ve su) ve başlatıcı ile dengeli bir şekilde üç saat boyunca beslenmiştir. Beslemenin ikinci saatinde ortama başta eklenen tohumun 5,10 ve 15 katı oranında ortama hızlı bir biçimde 42 nm boyutlu tohum tekrardan eklenmiştir ve dengeli beslemeye devam edilmiştir. Bu şekilde %60 ve %65 katılı emülsiyonlardan altı tanesi hazırlanmıştır. İkinci yöntemde ortama tohum eklenmeden polimerizasyona başlanmış ve dengeli ilavenin ikinci saatinde ortama üç farklı oranda 42 nm boyutlu tohum eklenmiştir ve dengeli beslemeye devam edilmiştir. Bu şekilde de %60 ve %65 katılı emülsiyonlardan geriye kalan altı tanesi hazırlanmıştır. İlk yöntemle yapılan ürünlerde (ön tohum ilaveli) monomodal partikül dağılımı, ikinci yöntemle yapılan ürünlerde (ön tohum ilavesi olmayan) bimodal partikül dağılımı elde edilmiştir. %60 katı maddeli, ön tohumlu emülsiyon polimerlerinin partikül boyutları yaklaşık 200 nm civarlarında ve monomodaldir. Partikül dağılımı ile viskozite değerleri birbirlerine uyumlu sonuçlar vermiştir. %65 katı maddeli, ön tohumlu emülsiyon polimerlerinin partikül boyutları yaklaşık 220 nm civarlarında ve monomodaldir. %65 katı maddeli latekslerin viskoziteleri oldukça yüksek çıkmıştır. Bunun sebebi 100 ila 200 nm arasında bir lateks partikül büyüklüğünün, ağırlıkça 50 katı ila ağırlıkça% 55'e kadar akışkanlıklarını koruduğu şeklinde literatürlerde açıklanmaktadır. Latekslerin yüzey gerilimleri katı madde miktarı arttıkça artış göstermiştir. Ön tohum ilavesi olmayan latekslerin viskoziteleri oldukça düşük çıkmıştır. Bu durum partikül boyut dağılımının bimodal olmasından ve partikül büyüklüğünün fazla olmasından kaynaklanmaktadır. Latekslerin yüzey gerilimleri yaklaşık olarak tüm örneklerde eşittir. Bu da surfaktan oranlarının benzer olmasından kaynaklanmaktadır . Sonuç olarak; bimodal ve monomodal parçacık boyut dağılımına sahip, düşük viskositeli lateksler elde edilmiştir. Bu sayede; reaktör üretimini üst düzeye çıkarılmış, enerjiden ve iş yükünden tasarruf edilmiştir. Büyük boyutta üretimlere geçildiğinde; reaktör üretimini üst düzeye çıkarmak, nakliye ve depolama maliyetlerini en aza indirmek, ürüne daha fazla esneklik kazandırmak, enerjiden ve iş yükünden tasarruf etmek mümkün olacaktır. Sonuç olarak; bu tezde iki farklı konu çalışılmıştır. İlk olarak, yeni noniyonik poliüretan esaslı yüzey aktif madde (PU), metoksi PEG-500 ve TDI'dan başlayarak sentezlendi. PU, vinil asetat (VAc) ve Metil metakrilat (MMA) -Butil akrilat (BA) kopolimerizasyonunun emülsiyon polimerizasyonunda kullanıldı. Elde edilen lateksler 3 ay boyunca stabil kaldı. Emülsiyon polimerizasyon deneyleri, süreye ve sürfaktan miktarına bağlı olarak çalışıldı. Aynı zamanda, bu deneyler anyonik yüzey aktif madde (Dowfax 2A1) kullanılarak tekrarlandı. Farklı sürfaktanları kullanarak elde edilen lateksler, viskozite, yüzey gerilimi, parçacık boyutu ve moleküler ağırlık ölçümleriyle karakterize edildi. Tezin ikinci bölümünde, akrilik monomerlerin yüksek katı içerikli su bazlı emülsiyon polimerizasyonları yapıldı. Reaksiyonların sonunda %60-65 katı içerikli lateks elde edildi ve partikül büyüklükleri belirlendi ve bimodal sistem başarıyla elde edildi. Latekslerin partikül büyüklüklerinin belirlenmesinin yanı sıra, viskozite, yüzey gerilimi ve moleküler ağırlık ölçümleri gibi diğer özellikler araştırıldı. Ayrıca sentezlenmiş olan poliüretan bazlı yüzey aktif madde ile anyonik yüzey aktif madde, yüksek katılı emülsiyon polimerleri daha sonraki çalışmalarda denenecek ve sinerjik etkilerinin olup olmadığı araştırılacaktır.
Özet (Çeviri)
Emulsifiers, another name are surfactants, are characterized by a chemical structure comprising a hydrophilic group having one and/or two hydrophobic flexible alkyl chains of a certain length. In small quantities dispersed in the aqueous phase, the surfactant is adequate for self-assembly into the micelle micro aggregates. Surfactants are used in several areas for different purpose such as painting, emulsion polymerizations, adhesives, textile industry, etc. Surfactants are divided into four main categories. They are anionic, cationic, non-ionic and zwitterionic. In this study, a new nonionic polymeric surfactant (PU) has been synthesized with the reaction between Poly(ethylene glycol) dimethyl ether (PEG500) and Toluene 2,4-diisocyanate (TDI). The polymeric surfactant was characterized by using FT-IR spectroscopy, GPC, critical micelle measurements via tensiometer. Critical micelle concentration of PU was determined by surface tension measurements. This value was calculated as 0.68x10 mg / mL. Molecular weight of the PU was determined by gel permeation chromotography (GPC). Mw, Mn and Mz molecular weight was measured as respectively 1361, 1163 and 1524 g / moles. Polydispersity index was obtained as 1.171 . PU was used emulsion polymerization of vinyl acetate and copolymerization of metyl methacrylate and butyl acrylate depending on surfactant quantity and time. Obtained latexes was characterized by particle size measurements, viscosity and surface tension measurements. In addition, molecular weight of the polymers were determined by GPC. High solid content water-based emulsion polymerization studies were performed in the another part of the thesis. Latexes produced by emulsion polymerization are versatile materials. It extensively used in very different industry such as adhesives, coatings, textiles, paper paints, floor polish and makeup. The solids content of the latexes produced in the industry is between 50-55%. High solids content (HSC) brings many advantages, such as maximizing reactor production, minimizing transportation and storage costs, providing greater flexibility in product formulation and improving surface coverage when applied. The increase in solids content negatively affects the latex viscosity. This also affects the heat removal rate, mixing ability, mass transfer and product stability. The way to obtain low viscosity (HSC / LV) high solids content is achieved by controlling the particle size distribution (PSD). Particles in a perfect monodisperse latex will contact the solids content of about 64% theorically. This explains that most industrial processes with relatively narrow particle size distribution generally operate at less than 55% by weight of solids content. Bimodal particle size distribution production is considered to come from above this limitation and to achieve the goals of high solids content and low viscosity. In this thesis, two different methods were used to produce twelve different high solid content emulsion polymerization. Firstly 42 nm seed emulsion was prepared by semi-continuous polymerization. Seed emulsion was grown with pre-emulsion via feeding. After the firstly added seed is required to grow, a precise amount of seed was introduced into the reactor shot wise, keeping the feeding of monomers, surfactant and ammonia to reach the desired solids content. Secondly, primary seed was not used in second method. The rest of experiment conditions are same with first method. 65% solid content latexes are obtained. The latexes were characterized by using, Brookfield viscometer, tansiometer, Zetasizer Nanaoseries NS. Unimodal particle size distributions were obtained at the final product that is produced with first method. Viscosities of these products are quite high, compared with other method. The surface tension of these products raise with increasing solid content. Another products which are produced second method, has bimodal particle size distribution. Viscosities of these products are quite low, due to bimodality. The surface tension of these products has nearly same values because of surfactant amount. To sum up, high solid content low viscosity bimodal and unimodal particle size distribution emulsion polymers were synthesized.
Benzer Tezler
- Farklı HLB değerlerinin vinil asetat-ko-butil akrilat emülsiyon polimerizasyonu üzerine etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of HLB values on the emulsion polymerization of vinyl acetate-co-butyl acrylate
ÜLFET AKGÜN
- Vinil asetat-2 etil hekzil akrilat monomerlerinin boru (loop) reaktörde emülsiyon kopolimerlerinin sentezlenmesi ve fizikokimyasal özelliklerinin incelenmesi
Synthesis of emulsion copolymers in loop reactor using by vinyl acetate-2 ethyl acrylate and investigation of physicochemical properties
ÖZGÜR YILDIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2001
KimyaYıldız Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN YILDIRIM
- Synthesis of polymeric cationic surfactant for emulsion polymerization of methyl methacrylate and vinyl acetate
Metil metakrilat ve vinil asetatın emülsiyon polimerizasyonu için polimerik katyonik yüzey aktif maddenin sentezlenmesi
MURAT YILDIRIM
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BAHİRE FİLİZ ŞENKAL
- Emülsiyon polimerlerinin bazı özelliklerinin matematiksel modellenmesi
Mathematical modeling of some properties of emulsion polymers
MUSTAFA SAVAŞ ELLİDOKUZOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
KimyaYıldız Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DOLUNAY ŞAKAR DAŞDAN
- Farklı değerlikli tuzların vinil asetat-bütil akrilat kopolimerlerinin özellikleri üzerine etkileri
The effects of different charged salts on properties of vinyl acetate-butyl acrylate co-polymers
REYHAN GENÇOĞLU KOÇ