Estudo do processo de polimerização em solução da poli(n-vinil-2-pirrolidona)

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2017A poli(N-vinil-2-pirrolidona) encontra várias aplicações na indústria devido suas características físico-químicas únicas, porém para poder ser utilizado deve atingir determinados parâmetros de qualidade, com destaque para a baixa quantidade de monômero residual exigida. O cumprimento dessas especificações exige um avançado conhecimento do processo, o qual pode ser de díficil obtenção devido a influência das relações intermoleculares presentes na polimerização de monômeros solúveis em água. Para obter esse conhecimento, uma rede de instrumentos foi desenvolvida para monitorar in-line o comportamento da temperatura e da viscosidade ao longo de polimerizações aquosas da N-vinil-2-pirrolidona em conjunto com um modelo matemático desenvolvido para representar o processo em estudo. Foram conduzidas reações variando-se a concentração de monômero, iniciador e o modo de operação. Para os casos em batelada, verificou-se que o aumento da concentração de monômero causa um efeito negativo na conversão, devido a questões mecanísticas causadas pela presença de grupos polares no monômero, certa hidrofobicidade do polímero e altas viscosidades,. O modelo matemático proposto apresentou boa concordância com os dados experimentais nesse modo de operação, embora não tenha representado bem os momentos finais das reações mais viscosas, devido às limitações difusionais que o aumento da viscosidade causa no sistema reacional. Buscando a produção da poli(N- vinil-2-pirrolidona) com menores teores de monômero residual, realizaram-se reações semibatelada em relação ao iniciador, com o momento de adição definido com auxílio do perfil de viscosidade e da predição do modelo. As reações com 23% de monômero e 0,1% ou 0,05% de iniciador alcançaram os parâmetros de qualidade do grau técnico, permitindo sua utilização em processos industriais. Para a condução semibatelada o modelo apresentou maior concordância com os dados experimentais, possivelmente devido às menores viscosidades obtidas, tendo assim menor influência dos efeitos difusionais .Abstract: Poly (N-vinyl-2-pyrrolidone) has several applications in the industry due to its unique physicochemical characteristics, but in order to be used it must reach certain parameters of quality, especially the low amount of residual monomer required. The compliance with these specifications requires an advanced knowledge of the process, which may be difficult to obtain due to the influence of the intermolecular relationships present in the polymerization of water soluble monomers. To obtain this knowledge, a network of instruments was developed to in-line monitor the behavior of temperature and viscosity along aqueous polymerizations of N-vinyl-2-pyrrolidone together with a mathematical model developed to represent the process under study. Reactions were conducted by varying the concentration of monomer, initiator and mode of operation. For the batch cases, it was verified that the increase of the monomer concentration causes a negative effect on the conversion, due to mechanistic issues caused by the presence of polar groups in the monomer, some hydrophobicity of the polymer and high viscosities. The proposed mathematical model showed good agreement with the experimental data in this mode of operation, although it did not represent well the final moments of the more viscous reactions, due to the diffusion limitations that increase of viscosity causes in the reaction system. In order to obtain the poly (N-vinyl-2-pyrrolidone) with lower residual monomer contents, feed batch reactions were performed in relation to the initiator, with the addition moment defined using the viscosity profile and model prediction. Reactions with 23% of monomer and 0.1% or 0.05% of initiator reached the technical grade quality parameters, allowing their use in industrial processes. For the fed batch conduction, the model presented better agreement with the experimental data, possibly due to the lower viscosities obtained, and so a lesser influence of the diffusion effects