Vlastnosti, aplikace a charakteristiky polyesterových pryskyřic
Polyesterové pryskyřice se získávají polykondenzací polykarboxylových kyselin a polyalkoholů. K získání polyesterových pryskyřic lze jako výchozí monomery použít velké množství vícesytných kyselin a vícesytných alkoholů.
Nasycený polyester je kondenzační produkt glykolu a kyseliny tereftalové a používá se při výrobě polyesterových plastů, jako je terylenová vlákna.
Každý elementární akt polykondenzace v procesu tvorby pryskyřic je způsoben esterifikační reakcí, na které je založena výroba esterů.
Neměli bychom zapomínat na polyesterifikační reakci, protože kopolyesterové pryskyřice jsou deriváty více než dvou monomerů. Esterifikace a polyesterifikace mohou být urychleny přidáním sušidel na bázi kovu.
Pro průmysl jsou zajímavé tři hlavní způsoby provádění polykondenzace: v tavenině, na rozhraní dvou fází a v roztoku. Většina polyesterových pryskyřic se vyrábí tavnou polykondenzací. Lineární a rozvětvené nasycené polyesterové pryskyřice s nízkou molekulovou hmotností se získávají jako výsledek jednostupňového procesu při zvýšené teplotě pod atmosférou inertního plynu, aby se zabránilo nežádoucím reakcím rozkladu a oxidace. Pro posunutí rovnováhy směrem k tvorbě polykondenzační pryskyřice (odstranění vedlejšího produktu) se kromě zahřívání aplikuje snížený tlak.
Esterifikační reakce probíhá v dusíkové atmosféře při teplotě 180-260 ºС. Přidávají se katalyzátory (dibutylcínoxid, chlorid cíničitý, butylchlorthinhydroxid nebo tetrabutyloxytitanát) a inhibitory oxidace (kyselina fosforitá, trinonylfenylfosfit nebo trifenylfosfit). Voda uvolněná během reakce se odstraní destilací. Požadovaného stupně esterifikace se dosáhne použitím azeotropické nebo vakuové destilace v posledním stupni reakce.
Proces je řízen číslem kyselosti, které ukazuje, kolik kyseliny zreagovalo. Během reakce se snižuje číslo kyselosti a zvyšuje se viskozita.
Reakcí vzniká polyesterová pryskyřice, která se rozpouští v organických rozpouštědlech nebo ve směsi organických rozpouštědel. Polyesterová pryskyřice může být přidána do rozpouštědla ihned po syntéze, ale často se rozpouštědlo z ekonomických důvodů přidává během výroby barvy.
Přesné parametry procesu se volí na základě reaktantů, na jejichž základě se ta či ona pryskyřice získává.
Syntéza většiny polyesterů probíhá na univerzální lince (s výjimkou PET a řady dalších izolovaných produktů). V závislosti na složení surovin použitých pro výrobu konkrétní pryskyřice se upravují technologické režimy, volí se chemické přísady (reagencie) a dávkovače.
Technologický proces výroby polyesterových pryskyřic se skládá z následujících fází:
• příprava a plnění suroviny do reaktoru;
• polykondenzace za atmosférického tlaku;
• polykondenzace ve vakuu;
• rozpouštění polyesteru v rozpouštědlovém reaktoru;
• chlazení a odvodnění hotového výrobku.
Reaktor na výrobu polyesterů je vertikální válcová aparatura vyrobená z nerezové oceli nebo bimetalu s eliptickým dnem a víkem, vybavená konvenčním míchadlem typu rám-kotva a pláštěm. Víkem je do reaktoru zavedena bublinková trubka, kterou se přivádí dusík k vytěsnění vzduchu.
Glykolové páry kondenzují ve zpětném chladiči a kondenzát proudí do reaktoru, zatímco vodní pára a dusík jsou odváděny přes přímý chladič. Vodní kondenzát se shromažďuje ve sběrači. Proces je řízen číslem kyselosti. Hotový polyester se nalije do mixéru, kde se rozpustí v rozpouštědle. Po ochlazení se výsledný roztok zfiltruje a nalije do nádoby.
Doba výrobního cyklu v moderních závodech je 14-16 hodin pro nasycené polyestery na bázi anhydridu kyseliny ftalové a 18-25 hodin pro polyestery na bázi kyseliny isoftalové. V závislosti na receptuře a podmínkách procesu se doba výrobního cyklu v továrnách liší.
Na rozdíl od výroby běžných alkydů není proces výroby polyesterů komplikovaný přítomností mastných kyselin nebo olejů. Jednou z hlavních obtíží procesu syntézy je přenos glykolů vodou. Aby nedocházelo ke ztrátám glykolů, používá se speciální vertikální systém chladniček (kondenzátorů). Samotný reaktor je přitom podobný tomu, který se používá při výrobě alkydů. To vysvětluje skutečnost, že závody na výrobu polyesterových pryskyřic jsou často kombinovány s výrobou alkydových pryskyřic.
Tyto vlastnosti procesu a přítomnost významného počtu reakčních složek určují požadavky na návrh a řízení procesu. V moderních výrobních procesech je procesní regulace zajištěna automatizačním systémem, který zahrnuje:
• automatické dávkování komponentů v širokém rozsahu hmotností komponentů (od několika kilogramů až po několik tun v jednom zařízení);
• udržování teploty s přesností ±1°С od nastavené;
• udržení dané rychlosti chemické reakce;
• automatický výpočet okamžiku přechodu do vakuové fáze procesu;
• ukládání programů syntézy pro různé značky pryskyřic.
Je možné identifikovat řadu znaků, které odlišují moderní produkci od produkce dřívějšího období. Za prvé, nezbytným faktorem při optimalizaci procesu je použití energeticky úsporných technologií. Za druhé, doba výrobního cyklu v moderních továrnách je o 20–50 % kratší než v továrnách na konci 20. století. To znamená vyšší výkon na stejném hardwaru.
Vyšší produktivity lze dosáhnout provedením některých změn ve výrobním cyklu. Zejména lze zkrátit doby nakládání surovin/vykládání produktů zvýšením velikosti přidruženého zařízení a stupněm automatizace.
Obtížnějším úkolem modernizace je zvýšení rychlosti přenosu tepla a chlazení, protože tyto parametry závisí na konstrukci reaktoru. Rychlost přenosu tepla v reaktoru lze zvýšit zejména zlepšením konstrukce mísiče, dosažením lepšího horizontálního a vertikálního míšení.
Dalším parametrem, který určuje efektivitu výroby, je kontrola nad parametry procesu, jako je viskozita produktu, kyselost a hydroxylové číslo. Většina závodů používá zastaralou metodu odběru vzorku z reaktoru a jeho testování v laboratoři. Tento proces trvá 15-30 minut, během kterých pokračuje chemická reakce a mění se vlastnosti produktu. Viskozimetry zabudované v reaktoru tento problém neřeší. V moderních reaktorech jsou pro tyto účely instalovány speciální měřicí systémy, které všechny tyto parametry procesu zjišťují v reálném čase.