In- und online Partikel- und Tropfengrößenanalyse an Polymersystemen

Die in- und online Analyse disperser Systeme ist ein anspruchsvolles und für das Endprodukt in der Regel qualitätsentscheidendes Aufgabengebiet, was insbesondere im Bereich der Polymere auf verschiedenartige Hürden stößt. Im Folgenden wird aufgezeigt, wie diese Herausforderungen für die Tropfengrößenanalyse von Emulgierprozessen sowie für die Partikelgrößenanalyse von polymerisierendem Polystyrol mit Hilfe der Ultraschallextinktion bewältigt werden.

1. Einleitung

Die Innovation ständig neuer und verbesserter Produkte stellt auch auf Seiten der Rohstofflieferanten stetig wachsende Anforderungen an die Produktqualität und fordert die Einhaltung strenger Spezifikationen. Eines der wesentlichsten physikalischen Qualitätskriterien neben der Produktreinheit ist die Dispersität eines Produktes.

Da mit Hilfe der üblichen Qualitätskontrolle von Rohstoffen am Ende einer Produktionslinie der erzielte Erfolg lediglich verifiziert werden, jedoch nicht mehr beeinflusst werden kann, ist eine Analyse der entscheidenden Qualitätsmerkmale bereits bei der Herstellung im Prozess notwendig. Nur durch Echtzeitdaten aus einem Reaktor, Homogenisator, Separator, etc. ist ein gezieltes Eingreifen und somit die Ansteuerung gewünschter Qualitätsmerkmale möglich.

Bei der Herstellung polymerer Systeme wie z.B. EPS, PVC, PVA etc. stehen verschiedene Prozessabschnitte als mögliche Eingriffspunkte zur Verfügung. Diese sind unter anderem die Herstellung von Emulsionen mit definierter Tropfengrößenverteilungen, das Polymerwachstum während der Umwandlungsphase oder auch die Überwachung von Sieben während der sich anschließenden Klassierung getrockneter Produkte.

Für alle der genannten Prozessstadien haben online Systeme der Firma Sympatec bereits Einzug gehalten.

Abb. 1: Trenddiagramm der Partikelgrößenwerte x16, x50, x84, sowie der Tropfenkonzentration über die Dauer der Emulgierung von Chlorbutan-Wasser. An zwei Stellen wurde in den Emulgierprozess eingegriffen (Zugabe Stabilisatoren).

2. Tropfengrößenanalye in Emulsionen

Ein zentrales Problem bei der online Analyse von Emulsionen ist die scheinbare Notwendigkeit zur Verdünnung der, dem Messgerät zugeführten Probe. Dies gilt für die meisten optischen Analysenverfahren. Auf Lichtrückstreuung basierende Methoden benötigen zwar keine transparente Emulsion, warten im Gegenzug aber mit einer sehr eingeschränkten Informationstiefe auf.

Die Ultraschallextinktion (USE) hingegen orientiert sich nicht an optischen, sondern an akustischen Eigenschaften und deckt eine deutlich höhere Produktkonzentration im Vergleich zu optischen Systemen ab. Diese liegt typischer Weise im Bereich von 1 – 70 %vol. Die daraus resultierende Fähigkeit Substanzen unverdünnt in ihrer Originalkonzentration zu analysieren, prädestiniert die USE-Methode für die online Überwachung von Emulgierprozessen. Die Anpassung an das jeweilige Stoffsystem erfolgt über die Wahl geeigneter Frequenzen und Messzonenbreiten.

Abbildung 1 zeigt ein klassisches Beispiel für eine online Tropfengrößenanalyse an einem batch-weise emulgierten Chlorbutan-Wasser-Gemisch. Der verwendete USE-Sensor „OPUS“ der Firma Sympatec wird hierbei im Durchflussbetrieb genutzt.

3. Inline Partikelgrößenanalyse während der Polymerisation

Polymere sind dafür bekannt, während ihrer Entstehung/Reifung instabil und für eine Probennahme und anschließender Laboranalyse nur bedingt oder gar nicht geeignet zu sein. Eine Bypass-Führung von Probenmaterial aus einem Reaktor schließt sich in der Regel ebenfalls aus. Auch hier konnte die OPUS-Sonde ihre Eignung für die in-line Analyse von Polymerkugeln unter Beweis stellen.

Abbildung 2 zeigt den Verlauf des Polymerwachstums einer EPS (expandierbares Polystyrol) Polymerisation. OPUS wurde hierzu von unten durch den Reaktorboden in den ca. 10m hohen Reaktor eingeflanscht. Die Messzone ragt ca. 15 cm in den Reaktor hinein und wird aufgrund der Rührbewegungen im Reaktor von der Polymersuspension durchströmt. Während des gesamten Batches werden Analysen (ca. 20-30 Messungen/h) durchgeführt.

Abb. 2: Trenddiagramm der Partikelgrößenwerte x16, x50, x84, der Temperatur, sowie Einzelverteilungen für drei unterschiedliche Zeitpunkte der Wachstumskurve (kleines Bild oben) und eine Gegenüberstellung der Messergebnisse OPUS vs. Bildanalyse (kleines Bild unten) für zwei verschiedene Chargen..

Nach Erreichen der gewünschten Partikelgröße, die nunmehr von OPUS genau verfolgt und erkannt wird, wird das Partikelwachstum durch Zugabe von Inhibitoren zum richtigen Zeitpunkt gestoppt und die gesamte Suspension weiter aufgeheizt, was zur Aushärtung der Polymerkugeln führt.

Abbildung 2 zeigt die Übereinstimmung zwischen der USE- und Bildanalyse (Abbildung 2 kleines Bild unten). Parallel wurden im Rahmen der Installation Laserbeugungsanalysen der Polymersuspension im Scheitelpunkt der Wachstumskurve durchgeführt. Auch diese bestätigen die USE-Analysen.

Die Reinigung des Sensors erfolgt in regelmäßigen Abständen durch Eintauchen des Sensors in Lösungsmittel.

4. Zusammenfassung

Die vorgestellten Applikationsbeispiele zeigen, wie modernste Analysensysteme und eine stetige Weiterentwicklung bewährter Methoden zu neuen, leistungsfähigen Lösungen spezifischer Anwendungsbereiche eingesetzt werden können bzw. bereits eingesetzt werden. Durch gezielte Nutzung prinzipbedingter Stärken der Ultraschallextinktion gelingt es, die vorhandenen Lücken in der Prozesskontrolle sicher zu schließen und somit zum einen ein wirkungsvolles Frühwarnsystem für Prozessstörungen, zum anderen eine Regelgröße zur geschlossenen Prozesskontrolle zu installieren. Dies führt in der Konsequenz nicht nur zur effizienteren Prozesssteuerung, sondern in jedem Fall zur Qualitätssteigerung der Produkte, was wiederum ihre Werthaltigkeit signifikant anhebt.