Иерархические уровни процессов синтеза полимеров

МАКРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ СИНТЕЗА ПОЛИМЕРОВ

При изучении нашего курса мы записывали достаточно большое количество уравнений химических реакций синтеза полимеров и по механизму полимеризации и по механизму поликонденсации. При этом мы предполагаем взаимодействие молекул, хотя, безусловно, видеть их не можем. Это описание процессов синтеза полимеров является идеализированным, оно представляет собой молекулярный уровень. С другой стороны, осуществляя взаимодействие мономера или мономеров, мы можем видеть, как меняется реакционная система. Например, из жидкости с малой вязкостью образуется студнеобразная масса, или может выделяться твёрдая фаза, может выделяться тепло, фиксируемое приборами и т.д. Происходящие при этом изменения мы объясняем с позиций превращения молекул. Этот уровень является граничным с другой стороны. Очевидно, что есть и некоторые промежуточные между этими двумя уровни рассмотрения и изучения системы.

Виктор Вячеславович Кафаров впервые сформулировал сиссистемный подход рассмотрения процессов синтеза полимеров на пяти иерархических уровнях.

Итак, первый уровень – молекулярный или атомно-молекулярный.

Второй после него – это надмолекулярные структуры - глобулы, т.е. агрегаты близко расположенных макромолекул. Этот уровень ответственен за сегрегацию, т.е. разделение потоков реагентов и т.д.

На третьем уровне учитываются явления, имеющие место при взаимодействии глобул со средой, в которой они существуют. Здесь рассматриваются процессы переноса массы, энергии и импульса через границы раздела сегрегированных фаз и т.п.

На четвёртом уровне рассматриваются гидродинамические и др. явления в микрообъёме реактора, содержащем некоторый статистический ансамбль частиц (глобул). Например, для процессов суспензионной полимеризации появляется необходимость учёта явлений коалесценции-редиспергирования полимерно-мономерных частиц.

И, наконец, на последнем пятом уровне становится возможным учёт макроявлений, сопровождающих процесс образования полимеров в конкретном химическом реакторе с присущими ему геометрическими и гидродинамическими особенностями.

Иерархичность означает, что описание процессов на более низком уровне входит составной частью в описание более высокого и корректируется в нём.

Суммарная количественная характеристика химического процесса с учётом сопровождающих его физических явлений представляет собой предмет изучения особого раздела химической кинетики – макроскопической кинетики или макрокинетики. Последняя чисто химические процессы рассматривает во взаимосвязи и взаимозависимости с сопровождающими их процессами физического плана: массо- и теплопередачи, смешения и т.п., в том числе и с учётом особенностей реакционных аппаратов, в которых они осуществляются. Для синтеза полимеров такое описание является особенно важным из-за специфических свойств этих макромолекулярных соединений.

В некоторых курсах (физическая химия, химия ВМС, органическая химия) вы рассматривали процессы на молекулярном уровне, в других курсах (ПиА, ОХТ, физика ВМС) вы рассматривали их на более высоких уровнях.

В данном разделе курса мы остановимся на тех физических процессах, которые сопровождают образование полимеров: выделение тепла и связанное с этим явление тепло-массоообмена, изменение гидродинамической ситуации, повышение вязкости системы, т.е мы отметим возможную степень использования данных по термодинамике, кинетике химических процессов, тепло- и массопереносу при разработке и обслуживании реальных технологических процессов синтеза полимеров.