Phase equilibria and modelling of polymer systems

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2016-08-23
Department
Major/Subject
Prosessit ja tuotteet
Mcode
KE3003
Degree programme
KEM - Kemian tekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
82+32
Series
Abstract
The production of linear low density polyethylene is carried out typically by solution polymerization. In solution polymerization it is important to keep the solution in a desired phase. Polymer systems go through a liquid-liquid split at certain conditions. The liquid-liquid split, also called as cloud point and lower critical solution temperature, is unfavorable in solution polymerization due to inefficient polymerization and mass transfer difficulties. Therefore in this study the aim was to found the phase boundaries for the polymer solutions which are processed in industry. In this study the lower critical solution temperature of several polymer systems were studied. The lower critical solution temperature indicates that the cloud point is found by heating at high temperatures. In this work also some bubble points (vapor-liquid and vapor-liquid-liquid splits) of the polymer systems were measured. The cloud and bubble points were measured for five different polymers in a multicomponent solutions. The polymer systems in this work consisted of polymer, ethylene monomer, 1-octene co-monomer and a four component solvent mixture. In this study it was studied the effect of nitrogen and component compositions to the cloud and bubble points. Moreover a simple polynomial model was created for modeling the polymer composition effect to the cloud points. The cloud and bubble points were measured with small variable volume cell, and the points were measured at constant temperature and composition by varying the pressure in the cell. The detection of the phase transitions were done by visually. It was found In this work that nitrogen acts as a strong antisolvent in the polymer system. The nitrogen addition shifted the cloud point line significantly to higher pressures and lower temperatures, and therefore lowered the solubility of the polymer. Moreover, when nitrogen was added, a clear shift of the bubble points was detected to higher pressures. Also the polymer, monomer and co-monomer amounts in the system effected to the cloud points. The cloud point line shifted to lower pressures and higher temperatures when more polymer, monomer and co-monomer were added. The polymer, monomer and co-monomer amounts though did not influenced significantly to the location of the bubble point lines.

Lineaarisen pienitiheyspolymeerin valmistus toteutetaan tyypillisesti liuospolymerisoinnilla. Liuospolymeroinnissa on tärkeää pitää liuos halutussa faasissa. Polymeeri systeemit tekevät neste-neste erotuksen tietyissä olosuhteissa. Neste-neste erotus, tai toiselta nimeltään samepiste tai alempi kriittinen lämpötila, on epätoivottu liuospolymerisoinnissa tehottoman polymerisoinnin ja liuoksen aineensiirto vaikeuksien takia. Tämän työn tarkoituksena täten oli löytää faasirajat polymeeri systeemeille, joita prosessoidaan teollisuudessa. Tässä työssä alemmat kriittiset liuoslämpötilat mitattiin useille eri polymeerisysteemeille. Alempi kriittinen liuoslämpötila tarkoittaa sitä, että samepiste on havaittavissa lämmittäessä korkeissa lämpötiloissa. Tässä työssä mitattiin lisäksi joitakin polymeeri systeemien kuplapisteitä (höyry-neste, höyry-neste-neste erotuksia). Polymeerisysteemit tässä työssä koostuivat polyeteenistä, etyleenimonomeeristä, 1-octeeni co-monomeeristä sekä neljä komponenttisesta liuotin seoksesta. Työssä tutkittiin typen ja komponenttimäärien vaikutusta same- ja kuplapisteisiin. Tässä työssä luotiin myös yksinkertainen polynomimalli, jotta voitiin arvioida samepisteiden riippuvuus systeemin komponentti määristä. Same- ja kuplapisteet mitattiin pienellä muuttuva tilavuuksisella kennolla, ja pisteet mitattiin vakio lämpötilassa ja koostumuksessa muuttamalla kennon painetta. Faasimuutokset havaittiin visuaalisesti. Tässä työssä havaittiin, että typpi toimii vahvana anti-liuottimena polymeerisysteemeissä. Typpi siirsi samepisteitä selkeästi korkeampaan paineeseen ja alempaan lämpötilaan, ja täten heikensi polymeerin liukoisuutta. Lisäksi typpilisäys siirsi myös kuplapisteitä korkeampaan paineeseen. Lisäksi komponenttimäärät systeemissä vaikuttivat samepisteisiin. Kasvattaessa polymeerin, monomeerin ja co-monomeerin määrää systeemissä samepisteet siirtyivät alempaan paineeseen ja korkeampaan lämpötilaan. Polymeeri, monomeeri ja co-monomeeri määrät tosin eivät vaikuttaneet merkittävästi kuplapisteiden sijaintiin.
Description
Supervisor
Alopaeus, Ville
Thesis advisor
Uusi-Kyyny, Petri
Al-Haj Ali, Mohammad
Keywords
linear low density polyethylene, solution polymerization, cloud point, lower critical solution temperature, liquid-liquid split, bubble point
Other note
Citation