Search

Provedena je dinamička simulacija rada šaržnog polimerizacijskog reaktora za proces homopolimerizacije stirena u otopini ksilena iniciranog uz monofunkcijski i difunkcijski peroksidni inicijator. Monofunkcijski inicijator ima široku industrijsku primjenu, dok je difunkcijski u preliminarnim istraživanjima pokazao određene prednosti kao što su proizvodnja polimera homogenije strukture uz postizanje visokih ili čak potpunih konverzija monomera. Također, vrijeme reakcije može se znatno smanjiti bez potrebe za preinakom reaktorskog sustava. Računalna simulacija provedena je primjenom programskog sustava za simuliranje procesa ChemCAD, točnije njegova modula CC-Polymer, razvijenog isključivo za analizu i projektiranje radikalskih i stupnjevitih polimerizacijskih sustava. Na temelju kompleksnih kinetičkih modela program omogućava predviđanje osnovnih strukturnih svoj-stava polimera – raspodjele (disperznosti) i prosjeka molekulskih masa, koji izravno određuju kvalitetu i primjenu gotovih proizvoda. Ovisnosti konverzije monomera i strukturnih značajki polimera o vremenu polimerizacije izračunate računalnom simulacijom uspoređene su s eksperimentalno dobivenim rezultatima. Dobivene su isto-vjetne tendencije i razmjerno dobro slaganje za završetak polimerizacije pri većini ispitanih uvjeta. Provedena je i parametarska analiza za homopolimerizacijski sustav iniciran diperoksidnim inicijatorom. Ispitan je utjecaj koncentracije monomera, koncentracije inicijatora, temperature i vremena reakcije na konverziju monomera, brojčani i maseni prosjek molarnih masa te disperznost.

Imunoglobulini za intravensku primjenu (IVIG) su najčešće korišteni lijekovi dobiveni frakcioniranjem ljudske plazme. Primjenjuju se kao nadomjesna terapija kod primarnih i sekundarnih imunodeficijencija te u raznim autoimunim bolestima i prilikom transplantacije. Svaka proizvedena serija IVIG-a podliježe posebnoj provjeri kakvoće i ne može se pustiti u promet bez OCABR certifikata („Official Control Authority Batch Release Certificate“) koji potvrđuje provedbu ispitivanja regulatornog tijela, odnosno Hrvatske agencije za lijekove i medicinske proizvode (HALMED). Ovaj rad je proveden u Službenom laboratoriju za provjeru kakvoće lijekova (OMCL), koji je obavezan provesti posebnu provjeru kakvoće ljudskog imunoglobulina prema smjernicama propisanim dokumentom OCABR za ljudski imunoglobulin kojeg izdaje Europsko ravnateljstvo za kakvoću lijekova i zdravstvenu skrb (EDQM). Budući da su istraživanja pokazala da agregati u formulacijama ovih lijekova dovode do nuspojava poput anafilaksije i dispneje, ispitivanje raspodjele molekulskih masa je uvedeno kao obavezno da bi se osigurala sigurna primjena IVIG-a. U ovom radu validirali smo kromatografiju isključenjem po veličini (SEC), koja je propisana kao službena analitička metoda za određivanje raspodjele molekulskih masa u IVIG-u. Ispitani su sljedeći validacijski parametri: provjera prikladnosti sustava, linearnost, ponovljivost pripreme standarda, intermedijarna preciznost, točnost, granica detekcije i kvantifikacije te robusnost (stabilnost mjernih otopina) te su zadovoljeni svi kriteriji prihvatljivosti. Na taj način je utvrđena primjenjivost navedene metode kao službene metode za određivanje raspodjele molekulskih masa u IVIG-u, kao gotovom lijeku.

U ovom radu istražena je kinetika radikalske homopolimerizacije i kopolimerizacije metil-metakrilata (MMA) i 2-etoksietil-metakrilata (EEMA) uz dvije vrste inicijatora, 2, 2'-azo-bis(izobutironitril) - AIBN te tert-butil-peroksi-2-etilhaksanoat - Trigonox 21, a reakcije su vođene do niskih (X < 10 %) i visokih konverzija (X~ 100 %). Sastav kopolimera (E90M10, E80M20, E70M30, E60M40, E50M50, E40M60, E30M70, E20M80 i E10M90) određen je metodom magnetske rezonancije jezgre (1H-NMR) i Fourier-transformacijskom infracrvenom spektroskopijom (FTIR-ATR). Značajni strukturni parametri (raspodjela molekulskih masa, brojčani i maseni prosjeci molekulskih masa kao i disperznost) određeni su metodom kromatografije isključenja po veličini (GPC / SEC), a toplinska svojstva i fazni prijelazi sintetiziranih homopolimera i kopolimera ispitani su metodom diferencijalne pretražne kalorimetrije (DSC). Za binarni sustav MMA/EEMA do niskih konverzija eksperimentalno su određeni kinetički parametri, omjeri kopolimerizacijskih reaktivnosti (r1, r2) čije je poznavanje važno za optimiranje procesa u svrhu dobivanja polimera željenih fizikalno – kemijskih svojstava za određenu primjenu. Dobivene vrijednosti omjera kopolimerizacijskih reaktivnosti za ispitani kopolimerni sustav MMA/EEMA su međusobno jednaki, te približno jednaki jedinici (r1 = 0, 8617 i r2 = 0, 8865) što ukazuje da se radi o tzv. idealnoj azeotropnoj kopolimerizaciji. Metodom kromatografije isključenja po veličini (GPC / SEC) dobiveno je da su vrijednosti prosjeka molekulskih masa kopolimera manje od vrijednosti prosjeka molekulskih masa homopolimera, a vrijednosti disperznosti kreću se od 1, 75 do 2, 38. Sintetiziranim kopolimerima određene su vrijednosti temperatura staklastog prijelaza (Tg) koje se nalaze između vrijednosti odgovarajućih homopolimera. Staklište metil-metakrilata iznosi 87 °C a staklište 2-etoksietil-metakrilata iznosi 2, 85 °C. Kod reakcija homopolimerizacije i kopolimerizacije vođenih do visokih konverzija, sintetizirani homopolimeri (EEMA i MMA) i kopolimer (E50M50) uz inicijator Trigonox 21, pokazuju veće vrijednosti molekulskih masa (Mw, Mn), ali i nešto širu raspodijelu (veće vrijednosti disperznosti) u usporedbi sa sustavima iniciranim AIBN.

U sklopu ovoga rada detaljno je istražena kinetika reakcija binarnih i ternarnih slobodno-radikalskih kopolimerizacija u sustavima dugolančanih (dodecil-metakrilat, DDMA ; oktadecilmetakrilat, ODMA) i funkcionalnih metakrilata (N, N-dimetilaminoetil-metakrilat, DMAEM) uz stiren (ST) i metil-metakrilat (MMA), provedenih u otopini toluena uz peroksidni inicijator, do niskih konverzija (X < 10 %) i u širokom području sastava. Za sve binarne parove, DMAEM/MMA, DMAEM/ST, DMAEM/DDMA, DDMA/MMA i DDMA/ST eksperimentalno su određeni kinetički parametri tzv. omjeri kopolimerizacijskih reaktivnosti (r1, r2). Upotrebom Alfrey-Goldfingerove jednadžbe, izračunati su teorijski sastavi terpolimera te su određene krivulje pojedinačne i binarne azeotropije za ispitane ternarne sustave, DMAEM/MMA/DDMA i DMAEM/ST/DDMA. Provedeni su odabrani procesi homopolimerizacije, kopolimerizacije i terpolimerizacije, do visokih konverzija u otopini ksilena i mineralnom baznom ulju SN-150 uz monofunkcionalni i difunkcionalni peroksidni inicijator. Razvijen je i kinetički model homopolimerizacije stirena u otopini, a upotrebom programskog sustava za simuliranje procesa ChemCAD, odnosno njegovog integriranog modula CCPolymer, provedena je dinamička simulacija rada šaržnog polimernog reaktora i parametarska analiza (sensitivity study) za ispitivane polimerizacijske sustave. Istražena su također i primjensko-reološka svojstva terpolimerizacijskih sustava sintetiziranih u mineralnom baznom ulju uz monofunkcionalni i difunkcionalni peroksidni inicijator, izotermno i do visokih konverzija. Za sve ispitane sustave, utvrđen je utjecaj procesnih i reakcijskih uvjeta na brzinu reakcije, sastav dobivenih polimera, toplinska svojstva, molekulsku masu i raspodjelu molekulskih masa. Sastav sintetiziranih polimera određen je upotrebom protonske nuklearne magnetske rezonancije (1H-NMR) i elementarne analize (EA), strukturna svojstva metodom kromatografije isključenja po veličini (SEC/GPC), a toplinska svojstva metodom diferencijalne pretražne kalorimetrije (DSC). Primjensko-reološka svojstva otopina priređenih polimernih aditiva u baznom mineralnom ulju SN-150, kao što su viskoznost, pad viskoznosti, indeks viskoznosti, točka tečenja, određena su propisanim normiranim metodama. Na temelju dobivenih rezultata provedenih kinetičkih istraživanja u području niskih konverzija (X < 10 %) za navedene kopolimerizacijske i terpolimerizacijske sustave, utvrđeno je da se brzine reakcija ko- i terpolimerizacije nalaze između vrijednosti koje odgovaraju brzinama pojedinih homopolimerizacija. Vrijednosti brzina homopolimerizacije nalaze se u sljedećem nizu: Rp (DDMA) > Rp (DMAEM) > Rp (MMA) >> Rp (ST). Također, iz dobivenih rezultata može se vidjeti da je u metakrilatnim sustavima ukupna brzina reakcije znatno veća nego u onima sa stirenom. U potpuno metakrilatnim kopolimerizacijskim i terpolimerizacijskim sustavima može se vidjeti da je sastav kopolimera približno jednak sastavu smjese monomera i to u cijelom području sastava. Također, vrijednosti koeficijenata kopolimerizacijske reaktivnosti za ispitane binarne parove približno su jednaki jedan drugom i približno jednaki jedan (r1 ≈ r2 ≈ 1), što ukazuje da se u tom slučaju radi o tzv. idealnoj kopolimerizaciji te da je konverzijska heterogenost zanemariva (deltaF ≤ 5 mol. %). U ko- i terpolimerizacijskim sustavima sa stirenom (ST), vidi se da je udio ST u kopolimeru uvijek veći nego u početnoj smjesi. Iz vrijednosti omjera kopolimerizacijske reaktivnosti (rMET < 0, 5, a rST > 1, 7 odnosno 2) za te sustave, može se zaključiti da se tu radi o neidealnoj, neazeotropnoj kopolimerizaciji. To ukazuje da se u ovom sustavu javlja tzv. pomak sastava (engl. compositional drift) te da je konverzijska heterogenost sustava znatnije izražena (delta F ≥ 10 mol. %). Numeričkim integriranjem diferencijalnog oblika Alfrey-Goldfingerove jednadžbe određene su krivulje pojedinačne i binarne azeotropije za ispitane ternarne sustave. Utvrđeno je da teorijski dobivene krivulje pojedinačne azeotropije za ternarni sustav DMAEM/MMA/DDMA imaju zajedničko sjecište, što ukazuje na postojanje prave azeotropne točke pri sljedećem sastavu monomerne smjese: fDMAEM = 56, 3 ± 0, 2, fMMA = 40, 4 ± 0, 3 i fDDMA = 3, 3 ± 0, 1 mol. %, dok je za ternarni sustav DMAEM/ST/DDMA, vidljivo da krivulje nemaju zajedničko sjecište niti postoji prava azeotropna točka. Iz rezultata dobivenih za procese homopolimerizacije stirena i kopolimerizacije stirena i dodecil-metakrilata, provedene do visokih konverzija i uz dvije vrste peroksidnih inicijatora, utvrđeno je da se upotrebom difunkcionalnog peroksidnog inicijatora postižu veće brzine reakcija uz zadržavanje visokih vrijednosti molekulskih masa i razmjerno niskih indeksa polidisperznosti. Međutim, diperoksidni inicijator pokazuje navedene prednosti za procese homopolimerizacije stirena i kopolimerizacije s molnim udjelom dodecil-metakrilata od 25 i 50 %, dok za procese kopolimerizacije s molnim udjelom dodecil-metakrilata od 75 i 100 %, nisu postignuta znatna poboljšanja u odnosu na tradicionalni monofunkcionalni inicijator s obzirom da su postignute brzine reakcija kao i konverzije gotovo jednake u oba slučaja. Dobiveni rezultati provedenih kinetičkih istraživanja za terpolimerizacijske sustave na temelju stirena (ST), smjese dugolančanih metakrilata (DDMA i ODMA) i N, N-dimetilaminoetil-metakrilata (DMAEM) sintetiziranih u mineralnom baznom ulju SN-150 uz dvije vrste peroksidnih inicijatora, potvrdili su praktičnu prednost upotrebe difunkcionalnog peroksidnog inicijatora u odnosu na monoperoksidni u procesu proizvodnje polimernih aditiva mazivih ulja, s obzirom da su postignute potpune konverzije monomera (X ~ 100 %) i to provedbom procesa potpuno šaržnim postupkom. Također, postignute su i veće vrijednosti molekulskih masa (Mn, Mw), ali i nešto šira raspodjela (veći DP). Sintetiziranim kopolimera određene su vrijednosti temperatura staklastog prijelaza (Tg) koje se nalaze između vrijednosti odgovarajućih homopolimera. Staklišta homopolimera iznose -66, 0, 16, 6, 68, 4 i 71, 4 oC za poli(dodecil-metakrilat), poli(N, N-dimetilaminoetil-metakrilat), poli(metilmetakrilat) i polistiren. Također, utvrđeno je da sastav smjese monomera ima i znatan utjecaj na fazne prijelaze i strukturu sintetiziranih kopolimera jer s porastom udjela MMA i ST, a smanjenjem DDMA temperatura staklastog prijelaza raste, dok se entalpija taljenja, odnosno udio kristalne faze u terpolimeru smanjuje. Ispitana primjensko-reološka svojstva disperzantnih polimetakrilatnih aditiva sintetiziranih u mineralnom baznom ulju SN-150 pokazala su da je razvijeni novi tip PAMA aditiva u potpunosti usporediv s komercijalno dostupnim primjerima, ali i da nudi niz drugih prednosti, kao što su veća kinematička viskoznost, niže vrijednosti temperature tečenja, neznatno smanjenje indeksa viskoznosti nakon testa smične stabilnosti (TSS) i zadovoljavajuće vrijednosti kinematičkih viskoznosti pri 100 oC nakon TSS koje se kreću iznad (sustav 2) i oko (sustav 1) granične vrijednosti od 12, 5 mm2 s-1 propisane prema međunarodnim specifikacijama motornih ulja (ACEA i API). Uz navedene prednosti takvi polimerni aditivi, ugradnjom monomera s funkcionalnom skupinom na temelju dušika, imaju poboljšana disprezantno-detergentna svojstva, što je potvrđeno u nekoliko znanstvenih studija i patentnoj literaturi. Iz tog razloga, dobiveni rezultati pružaju temelj za uspostavu funkcionalnih međuovisnosti između sastava, strukture i primjensko-reoloških svojstava, s ciljem dobivanja proizvoda koji bi tehnologijski, gospodarski i ekološki bio usklađen sa sve većim zahtjevima tržišta.

Statistički kopolimeri stirena i metilmetakrilata različitih sastava i molekulskih masa pripravljeni su radikalskom kopolimerizacijom u šaržnom izotermnom reaktoru, uz toluen kao otapalo i azobisizobutironitril kao incijator, pri čemu je pokriveno cijelo područje sastava kopolimera. Kopolimeri su karakterizirani metodama kromatografije isključenjem po veličini, elementarne analize i viskozimetrije razrijeđenih polimernih otopina u toluenu kao otapalu. Eksperimentalno određeni granični viskozni brojevi opisani su Mark-Houwink-Kuhn-Sakurada korelacijom kao funkcija molekulske mase, te Mendelsonovom korelacijom kao funkcija molekulske mase i sastava kopolimera. Na temelju teorijskih postavki razvijena je nova korelacija graničnog viskoznog broja, molekulske mase i sastava kopolimera, koja eksplicitno uključuje sve efekte koji utječu na dimenzije kopolimernog klupka u otopini i znatno bolje opisuje granični viskozni broj kao funkciju molekulske mase i sastava kopolimera od Mendelsonove korelacije za vlastiti skup eksperimentalnih podataka. Raspodjele molekulskih masa pripravljenih statističkih kopolimera stirena i metilmetakrilata opisane su različitim teorijskim funkcijama. Najbolje slaganje eksperimentalnih i računskih podataka dobiveno je Schulzovom raspodjelom. Parametar alpha Schulzove funkcije povezuje se s prosječnom molekulskom masom i pokazuje maksimum pri srednjem sastavu kopolimera. Parametar b praktički je konstantan za sve istraživane kopolimere i povezuje se s konstantnom vrijednošću indeksa polidisperznosti.