Kontrollierte Polymerisation: Vom Monomer zum Kunststoff

Die Dichte, Steifigkeit und andere Eigenschaften von Kunststoffen hängen davon ab, wie sich die einzelnen Bausteine, die Monomere, verknüpfen. Bilden sie geradlinige oder verzweigte, kurze oder lange Ketten? Vernetzen sich die Ketten? Wann ist die Polymerisation abgeschlossen? Spektroskopische Methoden und Sensorsysteme sorgen dafür, dass während der Polymerproduktion alles nach Plan läuft.

Die Kunststoffherstellung läuft häufig bei hohen Temperaturen und Drücken ab. Das Monitoring der Prozessparameter geschieht daher zum einen aus sicherheitstechnischen Gründen, zum anderen im Sinne der Polymerqualität. Für die Verfolgung der Polymerisation wird dort gemessen, wo die Reaktion abläuft. Spektroskopische Methoden liefern hier Ergebnisse in Echtzeit. So erfasst die Nahinfrarot-Spektroskopie funktionelle Gruppen wie Hydroxylgruppen, die beispielsweise den Reaktionsverlauf der Polyurethan-Herstellung spiegeln, oder Carboxylgruppen, die bei der Produktion von Polymilchsäure als Kenngröße dienen. Auch der Endpunkt einer Polymerisation lässt sich spektroskopisch bestimmen.

In der Inline-Polymerisationsüberwachung haben sich zudem Ultraschallsensoren als robuste, wartungsarme und langzeitstabile Messinstrumente erwiesen. Sie basieren darauf, dass die Schallgeschwindigkeit im Laufe der Polymerisation deutlich ansteigt. In Polyvinylchlorid (PVC) beispielsweise breitet sich Schall mehr als doppelt so schnell aus wie in seinem Monomer Vinylchlorid.

Methoden der Partikelanalytik tragen ebenfalls zum Prozessverständnis bei. In der weit verbreiteten Suspensionspolymerisation, mit der unter anderem PVC und Polystyrol hergestellt werden, liegt das Monomer dispergiert in einer Flüssigkeit vor, in der es sich nicht löst. Die Partikelanalyse misst die Größenverteilung und Form der Monomertropfen sowie der gebildeten Feststoffpartikel und liefert so wichtige Informationen zur Steuerung des Prozesses.

Aufgrund der jahrzehntelangen Erfahrung mit Polymerisationsprozessen gilt deren Überwachung zwar generell als ausgereift. Der Trend zu effizienteren und nachhaltigeren Verfahren – von der lösemittelfreien Gasphasenpolymerisation über biotechnische Verfahren bis zur Kunststoffproduktion in Mikroreaktoren – geht aber einher mit neuen Monitoring-Techniken. Ausgereizt ist das Gebiet noch lange nicht.