Chemical kinetics of solution polymerization process

Abstract

The aim of this thesis was to study the factors affecting cationic polymerization of acrylamide and by performing polymerizations with alternating reaction parameters.

Polyacrylamides are widely utilized as additives and auxiliary substances in paper industry, water treatment, and other industrial processes. The diverse utility of these polymers is linked to their functionality, structure, and molecular mass. Ionic copolymers of acrylamide can be used as flocculants as they are able to agglomerate particles due to their chemical properties. Polyacrylamide is also highly soluble in aqueous solutions and this promotes its usage in various applications in chemical industry.

Although the polymerization of acrylamide has been studied extensively, a comprehensive kinetic model for predicting propagation of the reaction has not been successfully established. In this report several polymerizations of acrylamide were conducted with varying initial temperature, monomer concentration, cationicity and initiator concentration in order to study the effects of specific factors on reaction rate, standard viscosity of the product, and conversion. The results were applied in constructing a kinetic model for polymerization of acrylamide.

According to the obtained data, moderate monomer concentration and initiation temperature, low cationicity, and high initiator concentration promote rapid polymerization rate and decrease monomer residues.

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia akryyliamidin kationiseen polymerointiin vaikuttavia tekijöitä. Tutkimuksessa suoritettiin lukuisia polymerointeja eri reaktioparametrein.

Polyakryyliamideja käytetään laajasti lisä- ja apuaineina paperiteollisuudessa, veden puhdistuksessa ja monissa muissa teollisissa prosesseissa. Polyakryyliamidien laajat käyttömahdollisuudet johtuvat niiden funktionaalisuudesta, rakenteellisista ominaisuuksista ja molekyylimassasta. Akryyliamidin ionisia kopolymeerejä voidaan käyttää esimerkiksi selkeyttäjinä niiden kemiallisten, agglomeroivien ominaisuuksien vuoksi. Polyakryyliamidin monipuolista käyttöä kemianteollisuuden sovelluksissa tukee myös sen vesiliukoisuus.

Vaikka akryyliamidin polymeroitumista on tutkittu laajasti, ei laajamittaista kineettistä mallia reaktion etenemiselle ole onnistuttu kehittämään. Tässä työssä tutkittiin yksittäisten tekijöiden vaikutusta reaktionopeuteen, tuotteen viskositeettiin ja konversioon suorittamalla useita akryyliamidin polymerointia vaihdellen alkulämpötilaa, monomeerin konsentraatiota, kationisuutta ja initiaattorien konsentraatiota. Tuloksia käytettiin apuna akryyliamidin polymeroinnin kineettisen mallin muodostamiseen.

Saavutettujen tulosten mukaan maltillinen monomeerikonsentraatio ja alkulämpötila, matala kationisuus sekä korkea initiaattorien konsentraatio edistää nopeaa polymerointinopeutta ja kasvattaa konversiota.