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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.3.2016.tde-22072016-162616
Document
Author
Full name
Vinícius Nobre dos Santos
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2015
Supervisor
Committee
Aguiar, Leandro Gonçalves de (President)
Giudici, Reinaldo
Lara, Dennis Chicoma
Title in Portuguese
Estudo cinético da copolimerização estireno-divinilbenzeno.
Keywords in Portuguese
Modelos matemáticos
Polimerização
Reações químicas
Abstract in Portuguese
As redes poliméricas são materiais amplamente estudados, pois suas propriedades especiais permitem que sejam aplicadas em áreas como indústria de fertilizantes, medicina, bioquímica, análises químicas dentre outras. A microestrutura de uma rede polimérica, em geral, exerce grande influência sobre as propriedades macroscópicas desses materiais e o interesse da influência dessa microestrutura nas propriedades finais são de interesse estratégico. As reações de ciclização influenciam no controle da microestrutura das redes poliméricas, é sabido que um aumento na diluição do sistema aumenta a incidência deste tipo de reações. A modelagem matemática da copolimerização do estireno-divinilbenzeno é um assunto amplamente estudado, porém poucos estudos foram realizados considerando as reações de ciclização com uma cinética definida e não um problema tipo caixa-preta. Este trabalho teve como principal objetivo o estudo da copolimerização de estireno-divinilbenzeno em solução e sua modelagem matemática com a inclusão das reações de ciclização intramoleculares. Sendo assim, reações de copolimerização de estireno-divinilbenzeno em soluções com baixas concentrações de monômeros foram realizadas em batelada em um reator de vidro, inicialmente foram utilizados dois modelos matemáticos para estudar o comportamento do sistema nestas condições, denominados: Modelo A e Modelo B. O Modelo A foi desenvolvido através do balanço de massa de todas as espécies no meio reacional e inclusão das reações de ciclização. O tamanho máximo dos polímeros mortos considerados neste modelo foi de 300 unidades monoméricas, pois devido à diluição acreditava-se que este tamanho máximo abrangesse todos os tamanhos de polímeros mortos, porém sua comparação com dados experimentais mostrou o contrário. O Modelo B foi baseado no modelo desenvolvido por Aguiar (2013) e utiliza o balanço de massa para as espécies não poliméricas e método dos momentos para as espécies poliméricas (radicais poliméricos e polímeros mortos). Este modelo utiliza também o Fracionamento Numérico para determinação das massas moleculares e ponto de gel, as reações de ciclização foram incluídas através do Método dos Caminhos. Quando comparados aos dados experimentais, o Modelo B mostrou-se mais realista com menores tempos de simulação e com menores problemas numéricos que o Modelo A, portanto este foi utilizado para o estudo do sistema em questão. Os resultados apresentados através do Modelo B indicam que o parâmetro atribuído à cinética das ligações cruzadas (Cp) foi de 0,05 e o valor do parâmetro de ciclização do menor segmento ciclizável (3 unidades monoméricas) foi de 130 s-1 para a temperatura de 90ºC, os valores para os demais tamanhos foram calculados através da equação de Rolfes e Stepto. Este trabalho é uma continuação ao trabalho de Aguiar (2013) e seus resultados mostraram que as simulações das variáveis: concentração de duplas ligações pendentes, Massa Molecular Mássica Média (Mw) e polidispersidade aproximaram-se mais dos dados experimentais quando as ciclizações são incluídas no modelo quando comparadas à abordagem sem a inclusão das reações de ciclização.
Title in English
Kinetic study of styrene-divinylbenzene copolymerization.
Keywords in English
Chemical reactions
Mathematical modeling
Polymerization
Polymerization reaction engineering
Abstract in English
Polymer networks are widely studied materials; their especial properties allow them to be applied in areas such as the fertilizer industry, medicine, biochemistry, chemical analysis among others. In general, the polymer network microstructure has influence in macroscopic properties of materials, hence the interest of such microstructure in final properties are of strategic interest. The cyclization reactions influence in the microstructure control of polymer networks. It is known that an increase in systems dilution can increase the cyclization reactions incidence. Mathematical modeling of copolymerization of styrene-divinylbenzene is a widely studied subject, but few studies have been conducted considering the cyclization reactions with a defined kinetic and not a problem black-box type. This work aimed to study the styrene-divinylbenzene copolymerization solutions and their mathematical modeling with the inclusion of intramolecular cyclization reactions. Thus, solution copolymerization of styrene and divinylbenzene was carried out at low concentration of monomers in batch reactor. Two mathematical models were initially used to analize the behavior of the system, which were called: Model A and Model B. The Model A was developed by molar balance of species in the reaction medium and includes cyclization reactions, which were considered to happen in polymer chains with 300 or less monomer units. Due the dilution was believed that this number of units covering all sizes of dead polymers, but comparison between Model A an experimental data proved otherwise. The Model B was based in model of Aguiar (2013), and uses the mass balance for non-polimerics species and moments methods for polimerics species. Model B also uses numerical fractionation for average molecular weight and gel point determination, and the method of paths to approach cyclization reactions. When compared to experimental data, Model B proved more realistic, presenting shorter simulation times and less numerical problems than Model A. Therefore Model B was chosen to represent the system. The results presented by Model B indicate that the parameter assigned to the kinetics os crosslink (Cp) was fitted at 0,05 and cyclization rate constant for paths with 3 monomer units was fitted 130 s-1 at temperature of 90°C. The cyclization rate constants for longer paths were calculated trough Rolfes and Steptos equation. This work is a follow up to Aguiars work (2013) and the results showed that the simulation of variables: concentration of pendant double bonds, average molecular weight and polidispersity better predicted when the cyclization rate constants are greater than zero.
 
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Publishing Date
2016-07-25
 
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