Química de polímeros industriais

Polimerização em etapa de crescimento

A polimerização por etapa de crescimento ocorre tipicamente entre monômeros contendo grupos funcionais que reagem com alto rendimento para formar novas funcionalidades. Exemplos de tais grupos funcionais são ácidos carboxílicos, que reagem com álcoois para formar ésteres e com aminas para formar amidas:

Aqui R e R 'representam dois grupos moleculares orgânicos diferentes.

Quando monômeros contendo dois de um tipo de grupo funcional reagem com monômeros contendo dois de outro, polímeros lineares são formados. Um exemplo comercialmente importante é a reação do ácido tereftálico do ácido dicarboxílico (contendo dois grupos CO-OH) com o dialcohol etileno glicol (contendo dois grupos OH) para formar tereftalato de polietileno (PET), um poliéster:

Outra reacção importante é a de ácido adípico (contendo dois grupos CO-OH) com 1,6-hexametilenodiamina (contendo duas NH ₂ grupos) para a forma de adipamida de polihexametileno, também chamado de nylon 6,6:

Todas as reações de crescimento por etapas descritas acima produzem um subproduto, a água. Outras reações não mostradas produzem subprodutos diferentes - por exemplo, ácido clorídrico. Devido a essa perda de compostos durante o processo de polimerização, reações desse tipo são freqüentemente chamadas de reações de condensação. Nem todas as reações de crescimento em etapas são reações de condensação; alguns não produzem nenhum subproduto. Um exemplo é a reação entre benzeno-1,4-diisocianato e etileno glicol para formar um poliuretano:

Monômeros contendo mais de dois grupos funcionais produzem polímeros de rede. Um exemplo é o glíptico, um poliéster formado a partir de uma reação de anidrido ftálico com o glicerol de álcool de teste:

Métodos de polimerização industrial

As reações de polimerização por adição descritas acima são geralmente exotérmicas - isto é, elas geram calor. A geração de calor raramente é um problema nas reações de laboratório em pequena escala, mas em grande escala industrial pode ser perigosa, pois o calor causa um aumento na taxa de reação e as reações mais rápidas, por sua vez, produzem ainda mais calor. Esse fenômeno, chamado de aceleração automática, pode fazer com que as reações de polimerização se acelerem a taxas explosivas, a menos que meios eficientes de dissipação de calor sejam incluídos no projeto do reator.

A polimerização por condensação, por outro lado, é endotérmica - isto é, a reação requer uma entrada de calor de uma fonte externa. Nestes casos, o reator deve fornecer calor para manter uma taxa de reação prática.

O design do reator também deve levar em consideração a remoção ou reciclagem de solventes e catalisadores. No caso de reações de condensação, os reatores devem permitir a remoção eficiente de subprodutos voláteis.

A polimerização em escala industrial é realizada usando cinco métodos básicos: massa, solução, suspensão, emulsão e fase gasosa.

Polimerização a granel

A polimerização a granel é realizada na ausência de qualquer solvente ou dispersante e, portanto, é a mais simples em termos de formulação. É usado para a maioria dos polímeros de crescimento gradual e muitos tipos de polímeros de crescimento de cadeia. No caso de reações de crescimento em cadeia, que geralmente são exotérmicas, o calor evoluído pode fazer com que a reação se torne muito vigorosa e difícil de controlar, a menos que bobinas de resfriamento eficientes sejam instaladas no vaso de reação. As polimerizações a granel também são difíceis de agitar devido à alta viscosidade associada aos polímeros de alto peso molecular.

Polimerização em solução

A condução de reações de polimerização em um solvente é uma maneira eficaz de dispersar o calor; além disso, as soluções são muito mais fáceis de mexer do que as polimerizações em massa. Os solventes devem ser cuidadosamente escolhidos, no entanto, para que não sofram reações de transferência em cadeia com o polímero. Como pode ser difícil remover o solvente do polímero viscoso acabado, a polimerização em solução se presta melhor aos polímeros que são utilizados comercialmente em forma de solução, como certos tipos de adesivos e revestimentos de superfície. A polimerização de monômeros gasosos também é realizada com o uso de solventes, como na produção de polietileno ilustrada na Figura 6.