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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.3.2013.tde-30072013-235521
Document
Author
Full name
Leandro Gonçalves de Aguiar
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2013
Supervisor
Committee
Giudici, Reinaldo (President)
Costa, Mário Rui Pinto Ferreira Nunes da
Dias, Rolando Carlos Pereira Simões
Lona, Liliane Maria Ferrareso
Pinto, José Carlos Costa da Silva
Title in Portuguese
Síntese de copolímeros de estireno-divinilbenzeno por polimerização radicalar convencional e mediada por nitróxido: experimentos e modelagem matemática.
Keywords in Portuguese
Ciclização
Copolimerização
Divinilbenzeno
Estireno
Modelagem matemática
Abstract in Portuguese
Foram realizados experimentos de homopolimerização de estireno e copolimerização de estireno-divinilbenzeno em solução e suspensão aquosa pelos métodos convencional (FRP) e mediado por nitróxido (NMRP). Objetivou-se atingir um maior grau de entendimento sobre estes sistemas em relação ao que se tem na literatura. Para isto, três modelos matemáticos foram avaliados através de validação com os dados obtidos nos experimentos. Os experimentos foram conduzidos em reator de batelada isotérmico. As principais variáveis exploradas neste trabalho foram: temperatura de reação, concentração inicial de divinilbenzeno, diluição inicial da mistura de monômeros e técnicas de polimerização (FRP e NMRP). Os modelos matemáticos foram intitulados: Modelo A, Modelo B e Modelo C. O Modelo A consiste de um balanço de espécies não poliméricas e grupos poliméricos. A determinação das massas moleculares médias e da fração de gel foi feita através de balanços populacionais em termos de função geradora em conjunto com o método das características. Os modelos B e C consistiram de balanços de massa para espécies não poliméricas e método dos momentos para radicais ativos, radicais dormentes e polímero morto. A obtenção das massas moleculares médias e da fração de gel foi feita através do método do fracionamento numérico. Nestes dois modelos, foram consideradas as reações de ciclização através do método dos caminhos. Este método consiste num balanço de segmentos de cadeia que conectam grupos poliméricos. O número máximo de unidades monoméricas, considerado para estes segmentos foi 100 e o valor da constante cinética de ciclização do menor segmento ciclizável (3 unidades monoméricas) foi 450 s-1 para a temperatura de 90°C. O Modelo C leva em conta a redução da reatividade das ligações cruzadas em função do tamanho médio das cadeias em cada geração. Os resultados mostraram que, quando comparado com a FRP, a polimerização NMRP permite somente um controle limitado sobre o processo de reticulação, produzindo distribuições largas de tamanhos de cadeia. Micro e nanoestruturas foram identificadas em produtos obtidos por FRP e NMRP lineares e não lineares. Estas estruturas parecem ser consequência do processo de síntese (ex.: operação em temperatura de reação acima da temperatura de transição vítrea) e do tratamento dos produtos. Massa molecular média mássica e fração de gel foram afetadas consideravelmente pelas reações de ciclização em copolimerizações FRP, porém apresentaram pouca sensibilidade a estas reações em copolimerizações NMRP. A inclusão do mecanismo de ciclização, por si só (no Modelo B), não foi suficiente para produzir bons ajustes modelo/experimentos em termos de massa molecular média mássica (Mw) e fração de gel (Wg). No entanto, o Modelo C é capaz de fornecer boas previsões de Mw e Wg simultaneamente para os experimentos realizados a 90°C. O presente estudo mostrou uma análise na qual os modelos podem se complementar e fornecer subsídios para o desenvolvimento de um modelo unificado.
Title in English
Synthesis of copolymers of styrene-divinylbenzene by conventional and nitroxide-mediated free radical polymerization: experiments and mathematical modeling.
Keywords in English
Copolymerization
Cyclization
Divinylbenzene
Mathematical modeling
Styrene
Abstract in English
Homopolymerizations of styrene and copolymerizations of styrene-divinylbenzene were carried out in solution and aqueous suspension through conventional (FRP) and nitroxide-mediated (NMRP) techniques. The aim of the work was to reach a higher level of understanding in comparison to what is found in literature. In order to reach this goal, three mathematical models were assessed through validation using experimental data. The experiments were conducted in isothermal batch reactor. The main variables explored in this work were: reaction temperature, divinylbenzene initial concentration, initial dilution of monomers and polymerization techniques (FRP and NMRP). The mathematical models were named: Model A, Model B and Model C. The Model A consists of a balance of non-polymeric species and polymer groups. The average molecular weights and gel fraction were calculated through population balances in terms of generation function together with the method of characteristics. The models B and C were built using mass balance for non-polymeric species and the method of moments for active radicals, dormant radicals and dead polymer. The average molecular weights and gel fraction were calculated through the numerical fractionation technique. In these two models, cyclization reactions were considered through the method of paths. This method consists of a balance of chain segments which connect polymer groups. The maximum number of monomeric units considered for these segments was 100 and the value of the kinetic constant of cyclization for the smaller cyclizable path (3 monomeric units) was 450 s-1 at 90°C. The Model C takes into account the reduction of reactivity of the crosslink reactions in function of the average size of the chains in each generation. The results showed that, when compared with FRP, NMRP allows only a limited control over the crosslinking process, producing broad chain length distributions. Micro and nanostructures were identified in products obtained by linear and non-linear FRP and NMRP. These structures seem to be consequence of the synthesis process (e.g.: operation in reaction temperatures above the glass transition temperature) and of the products treatment. Weight average molecular weight and gel fraction were affected considerably by the cyclization reactions in FRP, however they presented few sensibility to these reactions in NMRP. The inclusion of the mechanism of cyclization, itself (in Model B), was not enough to obtain good model/experiments fittings in terms of weight average molecular weight (Mw) and weight fraction of gel (Wg). Although, the Model C is capable of providing good predictions of Mw and Wg simultaneously for the experiments carried out at 90°C. The present study showed an analysis in which the models can complement each other, providing subsidies for the development of a unified model.
 
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Publishing Date
2013-08-01
 
WARNING: The material described below relates to works resulting from this thesis or dissertation. The contents of these works are the author's responsibility.
  • Aguiar, Leandro G., et al. Development of Cyclic Propagation Kinetics for Modeling the Nitroxide-Mediated Radical Copolymerization of Styrene-Divinylbenzene. Macromolecular Reaction Engineering , 2013.
  • GONÇALVES, MIGUEL A. D., et al. Gel Formation in Aqueous Suspension Nitroxide-Mediated Radical Co-Polymerization of Styrene/Divinylbenzene [doi:10.1002/mren.201200058]. Macromolecular Reaction Engineering [online], 2013, vol. 7, p. 155-175.
  • AGUIAR, L. G., et al. Mathematical modeling of styrene/divinylbenzene copolymerization comprising diffusional effects and cyclization kinetics. In Polymer Reaction Engineering VIII, Cancun, 2012. Program., 2012. Abstract.
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