Multiskalen-Simulation der Emulsionspolymerisation von Styrol

In dieser Arbeit wurde eine Multiskalen-Simulation der Emulsionspolymerisation von Styrol entwickelt und erfolgreich umgesetzt. Das Monomer Styrol ist hinsichtlich der Kinetik im Bulksystem sehr gut verstanden, sodass ein valides kinetisches Modell zur Verfügung steht und für die Simulation in den Partikeln verwendet werden kann. Dies umfasst insbesondere die feststoff- und kettenlängenabhängige Terminierung. Zusätzlich ist die Kinetik in der Wasserphase für Styrol hinsichtlich der Kettenlänge des Makroradikals beim Eintritt, sowie der Eintrittswahrscheinlichkeit gut untersucht. Die Verwendung von Styrol bietet den Vorteil einer guten Basis auf der Ebene der kinetischen Modelle und der Transferprozesse. Die kinetische Simulation in der Wasserphase bzw. in den Partikeln erfolgte mittels kinetischer Monte Carlo (kMC) Simulation. Der Durchmesser eines Partikels in der Emulsionspolymerisation liegt im Nanometerbereich. Dies ermöglicht unter Anwendung der kMC Simulation die Modellierung Partikel realer Größe. Das Grundkonzept der Verknüpfung der Simulation der Reaktion in der Wasserphase und in den Partikeln wurde mittels einer Multiskalen-Simulation für die Saatpolymerisation von Styrol mit experimentellen Daten erfolgreich validiert. Die Erweiterung des Simulationsansatzes um die emulsionsspezifischen Aspekte, die den Monomertransport aus den Monomertröpfchen in die Partikel und das damit verbundene Partikelwachstum bzw. den Austausch von Monomer unter den Partikeln sowie den Radikalexit und Re-Entry umfassen, ermöglicht die MultiskalenModellierung der Emulsionspolymerisation von Styrol in Intervall II und III. Es konnten geeignete Simulationsbedingungen für die Emulsionspolymerisation von Styrol, durch die systematische Untersuchung der Simulation hinsichtlich der notwendigen Größe und der Synchronisationszeiten, herausgearbeitet werden. Unter Anwendung einer Sensitivitätsanalyse wurde der Einfluss verschiedener Reaktionsparameter auf den Verlauf und die Kinetik der Emulsionspolymerisation untersucht. Dabei konnte erfolgreich der Einfluss der initialen Initiatorkonzentration und der Partikelgrößenverteilung auf die Ergebnisse bzw. Entwicklungen der Emulsionspolymerisation gezeigt werden. Insbesondere konnte dabei der Einfluss des Radikalexits auf die Kinetik herausgearbeitet und so das Verständnis über den Radikalexit und Re-Entry verbessert werden. Der vorgestellte Multiskalen-Ansatz für eine kMC-Simulation der Emulsionspolymerisation von Styrol ermöglicht durch die effektive Parallelisierung der Simulation die Betrachtung eines großen Ensembles von bis zu 1 Mio. Partikeln in Echtzeit. Dieser bietet zudem eine erprobte und solide Plattform für Erweiterungen im Rahmen der Anwendung auf komplexere Emulsionspolymerisationen.