Влияние гидродинамической обстановки и температуры на кинетику процессов переэтерификации и полиэтерификации при получении органического пленкообразующего вещества

В статье приведено исследование кинетики процессов переэтерификации и полиэтерификации при использовании в качестве катализатора ультрадисперсного оксида никеля (II), ингибированного хромом. Определены лимитирующие стадии процессов.

Лакокрасочный материал представляет собой композицию, которая после нанесения на поверхность окрашиваемого изделия формирует в результате сложных физических и химических превращений сплошное полимерное покрытие с определенными свойствами (защитными, декоративными, специальными) [1]. Основным компонентом любого лакокрасочного материала, определяющим свойства получаемого покрытия, является пленкообразующее вещество [2].

В химической промышленности тонкого органического синтеза перспективным направлением является разработка новых методов производства пленкообразующих веществ. Большинство пленкообразующих веществ, применяемых в лакокрасочной промышленности, представляют собой высокомолекулярные полимерные соединения [3]. Основными процессами при получении пленкообразующего вещества являются переэтерификация и полиэтерификация [4].

При применении катализаторов в ультрадисперсной форме [5] процессы переэтерификации и полиэтерификации относятся к процессам гетерогенного типа. Для определения области протекания проводились исследования влияния температуры и гидродинамического режима в аппарате на скорость процессов пере- и полиэтерификации. Экспериментальные исследования проводились на примере лака ПФ-060, представляющего собой сополимер фталевого ангидрида и смешанных эфиров линолевой, олеиновой кислоты и пентаэритрита.

Экспериментальные исследования процессов переэтерификации и полиэтерификации проводились при варьировании температуры процесса в пределах от 250 до 265°С при фиксированных значениях силы тока на приводе, что позволяло варьировать гидродинамический режим в аппарате.

Схема экспериментальной установки для проведения процессов синтеза пленкообразующего вещества представляла собой модель реактора – пятигорлая колба (5) с перемешивающим устройством, электроприводом (1), обратным холодильником (8) для конденсации паров воды, ловушкой (7) для улавливания паров воды, глицеринового затвора (3) для для поддержания герметичности в колбе, трубки для подачи инертного газа, термометра (4) для контроля температуры среды и электрообогревателя (6) для обеспечения температурного режима процесса синтеза. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.

Рис. 1. Экспериментальная установка для получения органического пленкообразующего вещества
1- привод, 2-штатив, 3-глицериновый затвор, 4-термометр, 5- пятигорлая колба, 6-электрообогреватель, 7- ловушка Дина-Старка, 8-обратный холодильник.

Нормы расхода исходных компонентов для производства лака ПФ-060 представлены в таблице 1

Таблица 1 Нормы расхода исходных реагентов для проведения процесса синтеза лака ПФ-060

Скорость процесса переэтерификации рассчитывали по изменению концентрации пентаэритрита в предположении его полного расхода во время процесса:

(1)

Скорость процесса полиэтерификации находилась исходя из начальной и конечной концентрации карбоксильных групп в реакционной массе:

(2)

Начальная концентрация пентаэритрита рассчитывается по загрузкам на стадию:

(3)

где – масса пентаэритрита, кг;

– объем смеси, м³;

– молярная масса пентаэритрита, кг/моль;

– количество пентаэритрита, моль;

– плотность пентаэритрита, кг/м³;

– масса подсолнечного масла, кг;

– плотность подсолнечного масла, кг/м^3.

Концентрация карбоксильных групп определяли по кислотному числу. Формула перевода кислотного числа в концентрацию карбоксильных групп имеет вид:

(4)

кислотное число в начале процесса полиэтерификации – ;

– плотность растительного масла, 989 кг/м³.

Тогда концентрация карбоксильных групп в начале процесса полиэтерификации равна:

(5)

Для визуализации влияния температуры и гидродинамической обстановки в аппарате на скорость процесса приводим графики зависимостей скорости процесса от температуры процесса и от частоты вращения мешалки в начальный момент времени.

Анализируя данные графиков 1-4 можно сделать вывод, что для процесса переэтерификации наблюдается зависимость скорости процесса от температуры, при отсутствии зависимости от гидродинамической обстановки в аппарате (рис. 1 и 3), что говорит о протекании данного процесса в кинетической области.

Для процесса полиэтерификации наблюдается корреляция скорости реакции и показания шкалы реостата на всем исследуемом интервале (рис 4). Графические зависимости при различных температурах, за исключением 250˚С, практически идентичны, что говорит о малом влиянии температуры при ее значениях выше 255˚С. Из этого следует, что при температурах 255÷265˚С процесс протекает при лимитирующей стадии диффузионного переноса молекул реагента к поверхности катализатора, при температурах ниже 255˚С скорости химической реакции и диффузии примерно равны.

Литература:

1. Лакокрасочные материалы и покрытия. Теория и практика / пер. с англ., ред. Р. Ламбурн. – СПб.: Хиимя, 1991. – 512 с.

2. Дринберг С.А. Растворители для лакокрасочных материалов. Л.: Химия, 1980. – 160 с.

3. Орлова О.В., Фомичева Т.Н., Окунчиков А.З. Технология лаков и красок. Учебное пособие. – М.: Химия, 1990 г. – 384 с.

4. Сорокин М.Ф. Химия и технология пленкообразующих веществ. – М.: Химия, 1989. – 477 с.

5. Леонтьева А.И. Формирование качественных показателей органического пленкообразующего вещества на стадии переэтерификации / А.И. Леонтьева, Т.О. Деева // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. – 2011. – № 1(32). – С. 377-381.