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Fouling in der Emulsionspolymerisation
Als „Fouling” bezeichnet man in der Reaktionstechnik die (meist unerwünschte) Bildung von Belägen an Oberflächen. Beispiele sind Kalkablagerungen in Rohrleitungen oder auch die auch aus dem Alltag gut bekannten Biofilme. Polymerfouling ist ein großes Problem bei der Herstellung von Latex-Dispersion, also von kolloidalen Partikel in Wasser. Es bilden sich stets dünne Polymer-Schichten an den Wänden des Reaktors. Solange diese Schichten dünn bleiben, sind sie kein Problem. Das Problem entsteht, wenn die Schichten so dick werden, dass sie den Wärmetransport durch die Wand behindern und im schlimmsten Fall sogar die Leitungen verstopfen. Die Fouling-Problematik verhindert derzeit die Herstellung von Latex-Dispersionen im kontinuierlichen Fluss in Rohr-Reaktoren. Man benutzt große Kessel und arbeitet im batch-Betrieb.
Die Arbeitsgruppe hat kürzlich ein Verfahren etabliert, um die Bildung von Fouling-Schichten in der Emulsionspolymerisation in-situ zu verfolgen. Es kommt die Schwingquarz-Mikrowaage (quartz crystal microbalance, QCM) zu Anwendung.[1] Es zeigt sich – nicht ganz unerwartet – dass die Fouling-Schicht bisweilen in ihrem Wachstum selbstbegrenzend ist, dass sie aber in anderen Fällen das eben nicht sind. Welche Bedingungen zu dem katastrophalen Anwachsen der Schicht führen, ist derzeit schlecht verstanden. Die QCM erlaubt, das Wachstum während der Reaktion zu verfolgen. Insbesondere gibt es Anzeichen für eine Kompaktifizierung während die Bildung der Schicht.[2] Eine solche Kompaktifizierung kann man im Kontext von Partikelfouling besser verstehen als im Kontext von Reaktionsfouling. Gemäß dieser Vorstellung bilden sich in den bisher untersuchten Fällen zunächst Polymer-Partikel in der Flüssigkeit, welche sich später an die Oberfläche anlagern. Polymerisation direkt an der Oberfläche spielt eine untergeordnete Rolle.
Wir verfolgen diese Arbeiten weiter im Rahmen des DFG-Projekts JO 278/25-1 (gemeinsam mit AK Scholl, TU Braunschweig).
Literatur
- Böttcher, A.; Petri, J.; Langhoff, A.; Scholl, S.; Augustin, W.; Hohlen, A.; Johannsmann, D.
Fouling Pathways in Emulsion Polymerization Differentiated with a Quartz Crystal Microbalance (QCM) Integrated into the Reactor Wall.
Macromolecular Reaction Engineering 2022, 16, (2).
- Johannsmann, D.; Petri, J.; Leppin, C.; Langhoff, A.; Ibrahim, H.
Particle Fouling at Hot Reactor Walls Monitored In-Situ with a QCM-D and Modeled with the Frequency-Domain Lattice Boltzmann Method.
Results in Physics 2023, 45, 106219.