Моделирование процессов синтеза полимеров с целью оценки молекулярно-массового распределения

Аннотация

Представлен имитационный подход к моделированию процессов синтеза полимеров для исследования структурных свойств и оценки молекулярно-массового распределения образуемых продуктов. В основе подхода лежит рассмотрение каждой макромолекулы как результата нескольких элементарных реакций, вероятность осуществления которых рассчитывается исходя из концентрации участвующих реагентов. Предложен пошаговый алгоритм моделирования процесса и определения всех производных макромолекул путем итерационного моделирования элементарных реакций на основе известного кинетического механизма. В целях построения дифференциальной кривой молекулярно-массового распределения представлен алгоритм цифрового фракционирования образуемых макромолекул, который с использованием ЭВМ позволяет прогнозировать молекулярно-массовое распределение, образуемое на каждом типе активных центров катализатора, общее молекулярно-массовое распределение полимера, получаемое в результате суперпозиций распределений, характерных для каждого активного центра. В целях апробации представленных алгоритмов проведены вычислительные эксперименты для процессов получения полиизопрена в присутствии титан- и неодимсодержащего катализатора. Рассчитанное в результате вычислительных экспериментов молекулярно-массовое распределение достаточно хорошо согласуется с результатами модельного построения и с результатами лабораторного эксперимента. Разработанный подход по оценке молекулярных свойств продукта не ограничен масштабом лабораторного реактора и позволяет проводить оценку молекулярно-массового распределения конечного продукта, получаемого непрерывным способом, путем суперпозиции распределений, которые формируются в каждом реакторе за счет изменения кинетических параметров элементарных стадий

Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России (код научной темы FZWU-2023-0002)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Мифтахов Э.Н., Михайлова Т.А., Мустафина С.А. Моделирование процессов синтеза полимеров с целью оценки молекулярно-массового распределения. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2024, № 5 (116), с. 110--126. EDN: EAWNJN

Литература

[1] Берлин А.А., Вольфсон С.А. Кинетический метод в химии полимеров. М., Химия, 1973.

[2] Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Дранишников Л.В. Системный анализ процессов химической технологии. М., Наука, 2018.

[3] Nelson A., Keener J., Fogelson A. Kinetic model of two-monomer polymerization. Phys. Rev. E, 2020, vol. 101, iss. 2, art. 022501. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevE.101.022501

[4] Greene J.P. Automotive plastics and composites. William Andrew, 2021.

[5] Yigit Y., Kilislioglu A., Karakus S., et al. Determination of the intrinsic viscosity and molecular weight of poly(methyl methacrylate) blends. Journal of Investigations on Engineering & Technology, 2019, vol. 2, no. 2, pp. 34--39.

[6] Мифтахов Э.Н., Мустафина С.А., Спивак С.И. Моделирование и численное исследование физико-химических закономерностей 1,4-цис-полиизопрена, полученного в присутствии модифицированных каталитических систем. Вычислительные технологии, 2020, т. 25, № 3, с. 7--17. DOI: https://doi.org/10.25743/ICT.2020.25.3.002

[7] Мифтахов Э.Н., Насыров И.Ш., Мустафина С.А. и др. Исследование кинетики процесса полимеризации изопрена в присутствии неодимсодержащих каталитических систем, модифицированных в турбулентных потоках. Журнал прикладной химии, 2021, т. 94, № 1, с. 81--87. EDN: GUKIPO. DOI: https://doi.org/10.31857/S0044461821010114

[8] Янборисов В.М., Султанова А.А., Колесов С.В. Инверсный алгоритм моделирования радикальной полимеризации методом Монте-Карло. Математическое моделирование, 2016, т. 28, № 4, с. 3--15. EDN: WGAPGP

[9] Tsourtou F., Peroukidis S., Peristeras L., et al. Monte Carlo algorithm based on internal bridging moves for the atomistic simulation of thiophene oligomers and polymers. Macromolecules, 2018, vol. 51, iss. 21, pp. 8406--8423. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.macromol.8b01344

[10] Михайлова Т.А., Мифтахов Э.Н., Мустафина С.А. Компьютерное моделирование производства бутадиен-стирольного каучука в каскаде реакторов методом Монте-Карло. Системы управления и информационные технологии, 2016, № 4, с. 64--69. EDN: XAEQXX

[11] Усманов Т.С., Спивак С.И., Усманов С.М. Обратные задачи формирования молекулярно-массовых распределений. М., Химия, 2004.

[12] Янборисов В.М., Козлов В.Г. Моделирование полимеризации изопрена в присутствии каталитической системы TiCl₄--TBuCl методом Монте-Карло. Вестник Башкирского университета, 2021, т. 26, № 1, с. 52--57. EDN: EWISKP

[13] Trigilio A., Marien Y., Van Steenberge P., et al. Gillespie-driven kinetic Monte Carlo algorithms to model events for bulk or solution (bio)chemical systems containing elemental and distributed species. Ind. Eng. Chem. Res., 2020, vol. 59, iss. 41, pp. 18357--18386. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.iecr.0c03888

[14] Подвальный С.Л., Барабанов А.В. Структурно-молекулярное моделирование непрерывных технологических процессов многоцентровой полимеризации. Воронеж, Научная книга, 2011.

[15] IsopreneMonoMCM для моделирования периодического процесса полимеризации изопрена в присутствии моноцентровой каталитической системы методом Монте-Карло. Свид-во о гос. рег. прог. для ЭВМ RU 2021610304. Заявл. 23.12.2020, опубл. 12.01.2021.

[16] IsoprenePolyMCM для моделирования периодического процесса полимеризации изопрена в присутствии полицентровой каталитической системы методом Монте-Карло. Свид-во о гос. рег. прог. для ЭВМ RU 2021612334. Заявл. 23.12.2020, опубл. 16.02.2021.

[17] Захаров В.П., Мингалеев В.З., Захарова Е.М. и др. Совершенствование стадии приготовления неодимового катализатора в производстве изопренового каучука. Журнал прикладной химии, 2013, т. 86, № 6, с. 967--971. EDN: QIEOVE

[18] Мифтахов Э.Н., Мустафина С.А., Жаворонков Д.А. и др. Моделирование процесса получения 1,4-цис-полиизопрена в присутствии неодимового катализатора. Каучук и резина, 2023, т. 82, № 4, с. 194--198. EDN: IJKCNT

[19] Баженов Ю.П., Жаворонков Д.А., Насыров И.Ш. и др. Способ получения цис-1,4-полиизопрена. Патент РФ 2013135569. Заявл. 29.07.2013, опубл. 10.02.2015

[20] Захаров В.П., Мингалеев В.З., Берлин А.А. и др. Кинетическая неоднородность титановых и неодимовых катализаторов производства 1,4-цис-полиизопрена. Химическая физика, 2015, т. 34, № 3, с. 69--75. EDN: TLOVHR. DOI: https://doi.org/10.7868/S0207401X15030139