• No results found

Development of an Expancel Product through Optimisation of Polymer Composition and the Suspension Stabilising System

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Development of an Expancel Product through Optimisation of Polymer Composition and the Suspension Stabilising System"

Copied!
36
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

MASTER OF SCIENCE THESIS

SUNDSVALL, SWEDEN 2014

Development of an Expancel

Product through Optimisation of

Polymer Composition and the

Suspension Stabilising System

FRIDA BERGGREN

OFFICIAL REPORT

Supervisor

Dr. Magnus Jonsson

Examiner

Prof. Eva Malmström Jonsson

 

 

(2)

I  

Abstract  

Thermally  expandable  microspheres  are  spherical  particles  around  5-­‐40  µm  in  size,  consisting  of  a   polymeric  shell  in  which  a  blowing  agent  has  been  encapsulated.  The  microspheres  are  expanded   upon  heating,  resulting  in  a  particularly  low  density.  Microspheres  are  therefore  suitable  to  use  as   light  weight  filler  or  as  foaming  agent.  

AkzoNobel  is  world  leading  in  the  production  of  expandable  microspheres,  which  are  

commercialised  under  the  name  Expancel.  Sustainability  is  a  great  focus  at  AkzoNobel  and  two   issues  that  AkzoNobel  works  with  today  is  to  develop  products  free  from  chlorine  and  Me1.  The  aim   with  this  thesis  has  been  to  investigate  whether  it  is  possible  to  produce  microspheres  free  from   these  chemicals  and  to  see  if  they  can  be  a  more  sustainable  alternative  to  one  of  the  existing   Expancel  grades.  

In  this  study,  the  microspheres  have  been  produced  through  free  radical  suspension  polymerisation   and  analysed  by  measuring  mainly  the  particle  size  and  expansion  properties.  The  polymeric  shell   was  composed  of  the  monomers  acrylonitrile,  methacrylonitrile,  and  methyl  acrylate.  The  main   focus  has  been  to  evaluate  the  silica-­‐based  stabilisation  system,  which  stabilise  the  monomer   droplets  during  the  suspension  polymerisation.  The  stabilisation  is  possible  due  to  the  formation  of   silica  flocs  that  is  adsorbed  on  the  surface  of  the  droplets.  It  has  been  investigating  how  different   parameters,  e.g.  amount  of  stabiliser  or  mixing  procedure,  affects  the  formation  of  silica  flocs  and   the  stabilisation  of  monomer  droplets.  

For  the  silica-­‐based  system,  it  was  found  that  the  mixing  order,  stirring  rate,  and  amount  of   stabilisers  affect  the  formation  of  flocs.  It  was  also  seen  that  the  amount  of  stabiliser  affect  the   stabilisation  of  droplets,  and  that  some  stabilisers  is  more  significant  than  others.  

Microspheres  without  chlorine  and  Me1  have  successfully  been  produced  in  laboratory  scale  (50  mL   and  1  L).  The  expansion  and  size  of  the  microspheres  produced  in  this  study  was  relatively  similar  to   one  of  the  existing  Expancel  grades.  However,  the  reproducibility  of  polymerisations  in  1  litre  

(3)

Sammanfattning  

Termiskt  expanderbara  mikrosfärer  är  sfäriska  partiklar,  ca  5-­‐40  µm  i  diameter,  som  består  av  ett   polymerskal  som  innesluter  en  drivgas.  Mikrosfärerna  expanderar  när  de  utsätts  för  värme  och   erhåller  då  en  mycket  låg  densitet.  De  är  därför  lämpliga  att  använda  som  fyllmedel  då  låg  vikt  är   önskvärt  eller  som  skummedel.  

AkzoNobel  är  världsledande  inom  produktion  av  expanderbara  mikrosfärer,  som  marknadsförs   under  namnet  Expancel.  Hållbar  utveckling  är  en  viktig  fråga  för  AkzoNobel  och  två  problem  som  de   står  inför  idag  är  att  utveckla  produkter  fria  från  klor  och  Me1.  Målet  med  detta  examensarbete  har   varit  att  undersöka  om  det  är  möjligt  att  framställa  mikrosfärer  fria  från  dessa  kemikalier  och  om  de   framtagna  mikrosfärerna  skulle  kunna  vare  ett  hållbarare  alternativ  till  en  av  de  befintliga  Expancel-­‐ produkterna.  

I  den  här  studien  har  mikrosfärerna  framställts  genom  suspensionspolymerisation  som  initierats  av   fria  radikaler  och  de  har  analyserats  främst  genom  att  mäta  partikelstorlek  och  

expansionsegenskaper.  Polymerskalet  bestod  av  monomererna  akrylnitril,  metakrylnitril  och   metylakrylat.  I  det  här  arbetet  har  det  viktigaste  varit  att  utvärdera  det  silikabaserade  

stabiliseringssystemet  som  stabiliserar  monomerdropparna  vid  polymerisationen.  Stabiliseringen  är   möjlig  eftersom  silika  bildar  flockar  som  adsorberar  på  ytan  av  monomerdropparna.  Olika  

parametrar,  exempelvis  mängd  stabiliseringsmedel  och  satsningsförfarande,  har  därför  varierats  för   att  undersöka  vilken  effekt  det  får  på  flockningen  av  silika  och  stabiliseringen  av  monomerdroppar.   Satsningsordning  och  omrörningshastiget  för  stabiliseringssystemet  samt  mängd  stabiliseringsmedel   är  några  av  de  faktorer  som  påverkar  bildningen  av  flockar.  Det  konstaterades  även  att  mängd   stabiliseringsmedel  påverkar  stabiliseringen  utav  monomerdropparna.  

Fulländade  mikrosfärer  utan  klor  och  Me1  har  framställts  i  laboratorieskala  (50  mL  och  1  L)  och   partikelstorleken  samt  expansionsegenskaper  är  jämförbara  med  en  av  Expancels  nuvarande  

produkter.  Dock  har  reproducerbarheten  i  1  litersskala  varit  otillfredsställande.

 

(4)

III  

List  of  Abbreviations  

 

Tg       glass  transition  temperature  

LALLS       low  angle  laser  light  scattering  

Dv(0.5)       median  diameter  of  volume  distribution  

Dn(0.5)     median  diameter  of  number  distribution  

Span       particle  size  distribution  

TMA       thermomechanical  analysis  

Tstart       temperature  where  microspheres  start  to  expand  

Tmax       temperature  where  maximum  expansion  is  reached  

TMA-­‐dens     density  at  maximum  expansion  

TGA       thermogravimetric  analysis  

SEM       scanning  electron  microscopy  

TC       Tinyclave  

ACN     acrylonitrile  

MAN     methacrylonitrile  

MA     methyl  acrylate  

NaOH     sodium  hydroxide  

HAc     acetic  acid  

LX     colloidal  silica  

KO     polyelectrolyte  

Me2     Me2  salt  

IP     isopentane  

IB     isobutane  

HLKIM     LX-­‐system  mixed  in  the  order  HAc,  LX,  KO,  Initiator  1,  Me2  

LKIMH     LX-­‐system  mixed  in  the  order  LX,  KO,  Initiator  1,  Me2  HAc  

MKLIH     LX-­‐system  mixed  in  the  order  Me2,  KO,  LX,  Initiator  1,  HAc  

MLKIH     LX-­‐system  mixed  in  the  order  Me2,  LX,  KO,  Initiator  1,  HAc  

 

(5)

Table  of  Contents  

1.  Introduction  ...  1   1.1  Background  ...  1   1.2  Objective  ...  2   2.  Theory  ...  2   2.1  Suspension  Polymerisation  ...  3   2.2  Silica  System  ...  5   2.2.1  Flocculation  ...  5   2.2.2  Colloidal  Silica  (LX)  ...  5   2.2.3  Polyelectrolyte  (KO)  ...  6   2.2.4  Me2  Salt  ...  6   3.  Experimental  Methods  ...  7   3.1  Materials  ...  7  

3.2  Flocculation  of  Silica:  Floc  Size  and  Turbidity  Measurements  ...  7  

3.3  Synthesis  of  Microspheres  in  Tinyclave  Reactor  ...  7  

3.4  Synthesis  of  Microspheres  in  1  Litre  Reactor  ...  7  

3.5  Characterization  Methods  ...  7  

3.5.1  Particle  Size  Analysis  ...  8  

3.5.2  Turbidimetry  ...  9  

3.5.3  Thermomechanical  Analysis  ...  9  

3.5.4  Thermogravimetric  Analysis  ...  9  

3.5.5  Sieve  Residue  ...  10  

3.5.6  Hot-­‐stage  Microscopy  ...  10  

3.5.7  Scanning  Electron  Microscopy  ...  10  

4.  Results  and  Discussion  ...  10  

4.1  Influence  of  Mixing  Parameters  on  Silica  Flocculation  ...  10  

4.1.1  Mixing  Order  ...  11  

4.1.2  Concentration  of  LX,  KO  and  Me2  ...  13  

4.1.3  Effect  of  Stirring  ...  15  

4.1.5  The  Initiator’s  Influence  on  Floc  Size  Measurements  ...  15  

4.2  Stabilisation  of  Toluene  Emulsions  ...  16  

4.3  Polymerisation  in  Tinyclave  ...  18  

4.3.1  Particle  Size  and  Expansion  Properties  ...  18  

(6)

V  

4.3.3  Homogenisation  Speed  ...  20  

4.3.4  Effect  of  Me2  ...  20  

4.3.5  Hydrolysis  of  KO  ...  21  

4.4  Polymerisation  in  1  Litre  Reactor  ...  21  

5.  Conclusions  ...  25   6.  Future  Work  ...  25   7.  Acknowledgements  ...  26   8.  References  ...  27   9.  Appendix  ...  30      

 

(7)

1.  Introduction  

AkzoNobel  is  world  leading  in  the  production  of  thermally  expandable  microspheres,  a  multi-­‐ purpose  additive  which  can  be  used  in  numerous  applications.  The  patent  was  originally  developed   by  Dow  Chemical  Co  in  the  1970’s  and  was  taken  on  by  AkzoNobel  and  further  improved.  The  first   order  of  microspheres  was  shipped  in  1980,  commercialised  under  the  name  Expancel.  [1]  The   microspheres  resemble  tiny  ping-­‐pong  balls  with  a  diameter  of  5-­‐40  μm,  and  consist  of  a  polymer   shell  that  encapsulates  a  blowing  agent.  [2]  When  the  microspheres  are  heated,  the  blowing  agent   will  increase  the  pressure  at  the  same  time  as  the  polymer  shell  will  become  soft  and  ductile  and  this   causes  the  microspheres  to  expand.  The  microspheres  can  expand  60  to  80  times  its  own  volume,   and  the  expanded  volume  is  retained  after  cooling.  [3]  Expanded  microspheres  have  a  particularly  

low  density  (15-­‐70  kg/m3)  and  are  therefore  suitable  for  use  as  lightweight  filler.  Microspheres  also  

offer  exciting  features  like  thermal  insulation,  sound  insulation,  increased  solar  reflection  and   increased  friction  on  surfaces.  The  thermal  expansion  makes  it  suitable  to  use  as  an  expanding  agent   or  foaming  agent,  and  it  offers  a  more  controlled  and  uniform  foam  structure  when  compared  to   other  foaming  agents.  Examples  of  applications  where  microspheres  are  used  are  artificial  leather,   plastic  foams,  paper  and  board,  wine  stoppers  and  printing  ink  for  wallpaper  and  textiles.  [4]  

1.1  Background  

Sustainability  is  a  great  focus  at  AkzoNobel  and  the  company  constantly  works  to  reduce  its   environmental  impact.  [5]  As  a  result,  AkzoNobel  was  ranked  as  number  one  in  the  Dow  Jones   Sustainability  Index  (DJSI)  in  the  Materials  Industry  Group  (previously  the  Chemicals  Supersector)  in   2013  and  has  been  top  three  for  the  last  eight  years.  [6]  It  is  thus  of  great  interest  to  continue  to   improve  the  formulations  of  AkzoNobel  products  and  replace  chemicals  which  have  a  negative   impact  on  the  environment  with  more  sustainable  alternatives.  The  demands  from  public  authorities   constantly  increases  and  it  is  important  for  AkzoNobel  to  always  strive  to  minimise  their  

environmental  footprint.  

The  polymer  that  makes  up  the  shell  in  the  microspheres  is  composed  of  a  number  of  constituents   called  monomers.  One  of  the  monomers  used  in  several  Expancel  grades  is  vinylidene  chloride  (VDC),   which  is  polymerised  into  PVDC.  The  hazardous  risk  with  PVDC  is  that  hydrochloric  acid  (g)  is  formed   when  the  plastic  is  decomposed,  e.g.  if  it  is  exposed  to  fire.  [7]  

The  metal  ion  Me1  contributes  to  the  stabilisation  of  the  monomer  droplets  during  the  formation  of  

microspheres.  [8]  Me1  is  relatively  harmless  compared  to  other  pollutants,  but  further  processing   might  generate  environmental  issues.  [9-­‐11]  

AkzoNobel  has  performed  much  research  to  evaluate  different  chlorine  free  monomers  to  replace   VDC  in  the  existing  grades  of  Expancel.  It  has  been  discovered  that  a  shell  made  from  acrylonitrile   (ACN),  methacrylonitrile  (MAN)  and  methyl  acrylate  (MA)  gives  similar  properties  as  the  shell  in  an   existing  grade  in  terms  of  expansion.  [12-­‐13]  This  monomer  combination  is  therefore  used  in  this   study.  

Attempts  to  replace  Me1  with  other  metal  ions  have  been  made  and  AkzoNobel  has  successfully   replaced  Me1  with  Me2  in  a  number  of  their  products.  The  next  step  is  to  investigate  if  Me1  can  be   replaced  in  further  grades  in  which  Me1  is  still  used.  [14-­‐15]  

(8)

1.2  Objective  

The  purpose  of  this  project  was  to  investigate  whether  it  is  possible  to  produce  microspheres  free   from  Me1  and  chlorine  and  evaluate  whether  these  microspheres  can  be  a  more  sustainable   alternative  to  one  of  the  existing  products  of  Expancel.  The  main  focus  has  been  to  study  the   stabilisation  system,  which  is  a  mixture  of  chemicals  that  ensures  the  formation  of  microspheres.   The  stabilisation  system  normally  contains  Me1,  but  it  has  in  this  study  been  replaced  by  Me2.  It  is   not  fully  understood  how  the  stabilisation  system  interacts  with  the  monomer  droplets  and  another   aim  of  this  work  has  therefore  been  to  obtain  a  deeper  understanding  of  the  stabilising  system.  This   has  been  accomplished  by  investigating  how  different  parameters  affect  the  stabilisation  and  the   formation  of  microspheres.  

In  this  study,  the  microspheres  have  a  polymer  shell  of  ACN,  MAN  and  MA,  which  has  been  proven   to  give  expansion  properties  similar  to  the  existing  grade.  One  challenge  has  been  to  tailor  the   stabilisation  system  so  to  suit  the  selected  monomer  composition.  

2.  Theory  

Microspheres  consist  of  a  thermoplastic  polymeric  shell,  which  surrounds  a  core  with  a  volatile   hydrocarbon.  When  the  microspheres  are  heated,  the  hydrocarbon  vaporises  and  the  internal   pressure  is  increased  in  the  microsphere.  At  the  same  time,  the  polymeric  shell  becomes  soft  and  

ductile  as  it  reaches  its  glass  transition  temperature  (Tg).  The  microspheres  start  to  expand  when  the  

internal  pressure  of  the  hydrocarbon  gas  exceeds  the  yield  strength  of  the  polymer  and  the  decrease   in  density  is  substantial  since  the  mass  remains  the  same  while  the  volume  increases  tremendously,   see  Figure  1.  The  hydrocarbon  works  as  a  blowing  agent,  and  the  expansion  is  controlled  by  the  type  

and  amount  of  encapsulated  blowing  agent  and  the  Tg  of  the  polymer.  The  expansion  continues  as  

long  as  the  internal  pressure  exceeds  the  yield  strength  of  the  polymer  shell,  or  until  the  shell  breaks,   or  becomes  so  thin  that  the  hydrocarbon  diffuses  through  the  shell,  causing  the  microspheres  to   decrease  in  volume.  [3]  

  Figure  1.  Schematic  illustration  of  expandable  microspheres  prior  to  and  after  expansion.  The  size  of  Expancel   microspheres  varies  between  5-­‐40  μm  (unexpanded)  and  20-­‐120  μm  (expanded),  depending  on  the  grade.  

The  glass  transition  temperature  (Tg)  is  a  property  that  is  unique  for  polymers  and  it  is  fundamental  

in  polymer  technology,  since  the  polymers’  properties  are  dependent  on  it.  It  is  defined  as  the   temperature  where  large  scale  segments  (20-­‐50  atoms  long)  in  the  polymer  backbone  start  to  move   co-­‐ordinately.  The  mobility  of  the  polymer  chains  is  very  restricted  at  low  temperatures,  and  the  

polymer  will  be  stiff  and  brittle  below  its  Tg,  almost  like  glass.  This  state  is  therefore  called  glassy  

  Unexpanded   Density  ~  1000  kg/m3   Expanded Density ~ 30 kg/m3 Ø40  μm   0,1  μm   2  µm   Ø12  μm   Heat  

(9)

state.  When  the  temperature  is  elevated,  the  chains  are  able  to  move  around  more  freely.  This  will   make  the  polymer  soft  and  flexible  and  it  also  loses  its  shape  stability.  The  polymer  is  therefore  said  

to  be  in  its  rubbery  state  when  the  temperature  is  over  the  Tg.  The  stiffness  (E-­‐modulus  or  Young’s  

modulus)  is  decreased  by  a  factor  of  1000  when  the  polymer  is  heated  from  the  glassy  state  to  the   rubbery  state.  [16]  

Some  of  the  properties  related  to  the  composition  of  the  polymeric  shell  are  Tg,  chemical  resistance  

and  barrier  properties.  The  microspheres  synthesised  in  this  study  have  a  shell  that  consists  of  a  co-­‐ polymer  of  acrylonitrile  (ACN),  methacrylonitrile  (MAN)  and  methyl  acrylate  (MA).  ACN  is  the  major   component  and  is  used  because  of  its  excellent  barrier  properties  and  chemical  resistance,  which  is   due  to  its  semicrystalline  structure  and  high  cohesive  strength.  [3]  The  barrier  properties  are  very   important  for  the  expansion  of  the  microspheres  since  they  determine  how  much  of  the  blowing   agent  that  is  lost  through  diffusion  through  the  polymer  shell  which  is  detrimental  for  the  expansion.  

MA  is  added  to  lower  the  Tg  and  as  a  result  making  the  shell  more  ductile.  Another  way  to  alter  the  

properties  of  the  polymer  shell  is  to  introduce  a  cross-­‐linker,  which  decreases  the  mobility  of  the  

polymer  chain  and  increases  the  Tg.  The  structure  becomes  denser  and  this  will  increase  the  shell’s  

chemical  resistance.  Cross-­‐linking  of  the  shell  is  known  to  have  a  large  effect  of  the  expansion  

properties,  especially  on  Tmax,  the  temperature  when  maximum  expansion  occurs.  [17-­‐18]  

The  expansion  properties  of  the  microspheres  can  be  altered  by  using  different  hydrocarbons  as   blowing  agents.  The  temperature  at  which  the  microspheres  start  to  expand  is  related  to  the  boiling   point  of  the  hydrocarbon;  a  lower  boiling  point  will  give  a  lower  expansion  temperature  and  vice   versa.  Figure  2  illustrates  some  common  blowing  agents,  their  boiling  points,  and  vapour  pressure.  

  isobutane   b.p.  -­‐11.7  °C   v.p.  20  bar  (100  °C)     isopentane   b.p.  27.7  °C   v.p.  7  bar  (100  °C)  

Figure  2.  Chemical  structure,  vapour  pressure  (v.p),  and  boiling  point  (b.p)  of  common  blowing  agents  used  in   microspheres.  

The  amount  of  encapsulated  hydrocarbon  has  been  shown  to  affect  the  expansion.  A  too  low   amount  of  hydrocarbon  does  not  give  a  sufficient  internal  pressure,  although  a  too  high  amount  of   hydrocarbon  is  not  good  either.  A  too  high  internal  pressure  will  make  microspheres  pop  like   balloons,  or  make  the  polymeric  shell  too  thin,  causing  the  hydrocarbon  to  diffuse  through  the  shell.   Branched  hydrocarbons,  as  the  two  examples  above,  are  often  used  since  they  are  more  prone  to   remain  in  the  polymeric  shell  because  of  steric  hindrance.  [3]  

2.1  Suspension  Polymerisation  

The  microspheres  are  produced  via  free  radical  suspension  polymerisation.  The  system  is  composed   of  two  immiscible  phases,  where  the  monomers,  cross-­‐linker,  volatile  hydrocarbon,  and  radical   initiator  compose  the  organic  phase,  and  water  together  with  stabilising  agents  compose  the  water   phase.  The  phases  are  mixed  and  the  organic  phase  is  broken  into  droplets  by  vigorous  stirring,  see   Figure  3.  For  safety  reasons,  the  initiator  is  added  to  the  water  phase  but  migrates  to  the  organic   phase  upon  mixing,  where  it  starts  the  radical  polymerisation.  When  the  emulsion  is  heated,  the   initiator  forms  radicals  that  initiate  the  polymerisation.  Each  droplet  behaves  as  a  miniature  reactor,  

(10)

and  the  reaction  can  therefore  be  considered  as  a  bulk  polymerisation  in  terms  of  kinetics.   Compared  to  bulk  polymerisation,  the  viscosity  is  generally  lower  since  70%  of  the  total  volume  is   water.    The  water  allows  for  good  heat  transfer  so  that  the  excess  heat  generated  from  the   exothermic  polymerisation  can  be  removed  easily,  which  reduces  the  risk  of  Trommsdorff  effect   (auto-­‐acceleration).  A  good  temperature  control  during  the  reaction  is  important  to  ensure  a  safe   process  and  stable  product  properties.  [3,  19-­‐20]  

  Figure  3.  Schematic  illustration  of  suspension  polymerisation.  Figure  adopted  from  [21].  

 

  Figure  4.  In  situ  encapsulation  of  the  volatile  hydrocarbon.  The  organic  phase  (1),  containing  monomers,  cross-­‐linker  and  

the  volatile  hydrocarbon,  forms  drops  which  is  stabilised  by  the  stabilising  system  (2).  The  radical  initiator  (I•)  starts  the  

polymerisation  and  the  monomers  are  converted  into  polymers  (3).  A  core/shell  structure  starts  to  form,  with  the   volatile  hydrocarbon  (4)  in  the  centre.  The  polymers  fuse  into  a  polymer  shell  (5),  encapsulating  the  volatile   hydrocarbon  (6).  

The  encapsulation  of  the  volatile  hydrocarbon  is  done  in  situ  during  the  polymerisation,  see  Figure  4.   As  long  as  the  reaction  is  thermodynamically  controlled,  the  interfacial  tensions  between  different   phases  will  determine  the  morphology  of  the  polymer  particles.  The  driving  force  of  the  system  is  to   minimize  the  interfacial  energy,  and  for  a  core/shell  structure,  the  interfacial  energy  is  minimized   when  

𝛾!" > (𝛾!"+   𝛾!")    

where  γwo,  γwp  and  γop  are  the  interfacial  tensions  of  the  water/oil  interface,  water/polymer  interface  

and  oil/polymer  interface,  respectively.  [22]  Ultimately,  this  means  that  water  and  oil  is  less  prone  to   be  in  contact  with  each  other  at  the  same  time  as  the  newly  formed  polymer  is  able  to  be  in  contact   with  both  water  and  oil.  

The  initial  size  of  the  monomer  droplets  is  an  important  quantity  since  it  controls  the  size  of  the  final   microspheres.  The  size  of  the  droplets  is  controlled  by  stirring  speed,  volume  fraction  of  organic   phase,  and  amount  and  type  of  stabiliser.  The  sizes  of  the  droplets  are  dependent  on  the  balance  of  

  1 2                 3 4   5 6 I•  

(11)

droplet  break-­‐up  and  droplet  coalescence.  [23]  The  monomer  droplets  will  increase  in  viscosity   during  polymerisation  and  since  coalescence  still  occurs  during  this  stage,  there  is  a  risk  that  the   microspheres  will  agglomerate.  In  Expancel  microspheres,  the  particle  size  is  controlled  by  inorganic   particles,  which  adsorbs  to  the  monomer/water  interface  and  prevents  the  droplets  from  

coalescence.  One  of  the  stabilising  systems  consists  of  colloidal  silica  and  it  is  further  discussed  

below,  whereas  another  system  uses  Mg(OH)2.  [3]  Depending  on  the  composition  of  the  

microspheres  and  the  intended  application,  either  the  acidic  silica  system  or  the  alkaline    

Mg(OH)2-­‐system  is  used.  

2.2  Silica  System  

Colloidal  silica  is  the  main  component  in  the  silica  system.  Previous  studies  [24-­‐25]  show  that  in   order  for  the  silica  to  stabilise  the  monomer  droplets  adequately,  the  silica  particles  needs  to  be   bundled  together  into  flocs.  The  process  is  called  flocculation  and  it  is  widely  used  in  the  water   treatment  industry  to  remove  fine  particles  from  water.  [26]  

2.2.1  Flocculation  

The  flocculation  takes  place  due  to  ionic  interactions  between  colloidal  silica  (further  in  this  report   called  LX)  and  a  polyelectrolyte  (KO).  The  pH  is  set  to  approximately  4.5  in  the  experiments   conducted  in  this  work,  which  means  that  KO  is  positively  charged  while  LX  is  negatively  charged.   Ionic  species  in  solution  with  opposite  charges  attract  each  other  [27],  hence  KO  adsorbs  on  the   surface  of  LX.  This  will  cause  a  neutralisation  of  the  surface  charge,  which  lowers  the  ionic  repulsion   between  LX  particles,  allowing  them  to  come  closer  to  each  other  and  flocculate.  If  KO  is  oriented  so   that  hydrophobic  areas  are  produced,  these  areas  can  form  micelles  with  hydrophobic  areas  on   other  particles.  [28]  The  particles  are  held  together  by  so  called  hydrophobic-­‐hydrophobic   interactions,  which  form  due  to  strong  surface  tension  forces.  If  the  KO  chain  is  long  enough,   another  possible  flocculation  mechanism  is  formation  of  bridges  between  adjacent  LX  particles.  [33]   However,  most  of  the  KO  chains  are  probably  too  short  to  form  bridges  and  the  flocculation  is   believed  to  be  mainly  due  to  charge  neutralisation  and  hydrophobic-­‐hydrophobic  interactions.   2.2.2  Colloidal  Silica  (LX)  

Colloidal  silica  consists  of  solid  spherical  silica  particles,  which  are  approximately  12  nm  in  diameter.     [29]  The  solution  is  stable  against  settling  since  the  particles  are  small  enough  not  to  be  dragged  to   the  bottom  by  gravity.  The  surfaces  of  the  particles  are  covered  with  silanol  groups,  which  make  the   particles  hydrophilic,  see  Figure  5.  Depending  on  the  pH,  the  silica  particles  can  either  be  neutral  or   negatively  charged.  The  net  surface  charge  of  silica  is  zero  at  pH  2  and  this  is  defined  as  the  

isoelectric  point.  The  silanol  groups  become  deprotonated  at  pH  higher  than  2,  which  gives  a   negative  surface  charge.  The  negative  charge  will  affect  the  distribution  of  ions  in  the  solution  and   an  electrical  double  layer  will  form.  Positive  ions  in  the  solution  are  attracted  to  the  negative  charge   and  form  a  mono-­‐layer  on  the  silica  surface  that  partially  compensates  the  surface  charge.  This  layer   is  referred  to  as  the  Stern  layer.  A  diffuse  region  is  formed  around  the  Stern  layer,  where  the  ions  are   distributed  according  to  the  influence  of  electrical  forces  and  random  thermal  motion.  This  layer  is   referred  to  as  the  diffuse  layer.  [27]  

(12)

  Figure  5.  Illustration  of  the  surface  of  colloidal  silica.  

2.2.3  Polyelectrolyte  (KO)  

Polyelectrolytes  are  polymers  carrying  either  positively  or  negatively  charged  groups.  [30]  In  this   study,  the  silica  particles  are  flocculated  by  addition  of  a  polyelectrolyte  (KO)  made  through   polycondensation  of  adipic  acid  and  diethanolamine,  see  Figure  6.  Branched  products  are  possible,   since  diethanolamine  has  three  functional  groups  and  is  able  to  form  both  ester  bonds  and  amide   bonds.  [31]  These  bonds  are  sensitive  to  hydrolysis  and  KO  will  over  time  decrease  in  molecular   weight.  However,  the  hydrolysis  reaction  is  slow  enough  why  the  shelf  life  of  KO  is  sufficient  under   normal  conditions.  [32]  KO  is  mores  sensitive  towards  alkaline  conditions  compared  to  acidic   conditions  since  the  hydrolysis  is  catalysed  by  high  pH.  [39]  

  Figure  6.  The  polyelectrolyte  KO  consists  of  adipic  acid  and  diethanolamine  and  the  chain  can  have  various  length  and   structure.  This  structure  is  just  an  example  which  illustrates  that  both  ester  bonds  and  amide  bonds  are  possible.   The  charge  of  KO  is  very  important  for  the  flocculation  process.  The  charge  will  be  positive  at  acidic   conditions  due  to  protonation  of  the  hydroxide  groups  and  negative  at  alkaline  conditions  due  to   deprotonation.  The  net  charge  is  also  dependent  on  addition  of  salt,  since  ions  with  opposite  charge   will  have  a  screening  effect  on  the  charges  on  KO.    

2.2.4  Me2  Salt  

Me2  salt  is  added  to  the  LX-­‐system  since  it  subsidies  the  flocculation  of  LX,  it  is,  however,  not  clear  in   what  way.  One  theory  is  that  Me2  reduces  the  electrical  double  layer,  which  makes  KO  adsorb  more   effectively  to  LX.  [33]  From  empirical  studies,  Me2  is  known  to  reduce  the  sieve  residue  and  the  risk   of  agglomeration  during  polymerisation.  Previous  work  has  shown  that  Me2  flocculates  faster  than   Me1.  [33-­‐34]  

(13)

3.  Experimental  Methods  

The  LX-­‐system  has  been  evaluated  by  monitoring  the  floc  size  and  turbidity  over  time.  The  LX  system   has  also  been  evaluated  by  polymerising  in  small  reactor  vessels  called  Tinyclave  (TC)  and  1  litre   reactors.  

3.1  Materials  

Acrylonitrile,  methacrylonitrile,  methyl  acrylate,  isopentane,  isobutane,  cross-­‐linking  agent  (XA),   sodium  hydroxide  (1  M,  aq),  acetic  acid  (10  wt  %,  aq),  silica  (40  wt  %,  aq),  polyelectrolyte  (KO)  (34   wt  %,  aq),  Me2  solution  (15.1  wt  %,  aq),  Me2  solution  (1.51  wt  %,  aq),  sodium  bisulfite  (20  wt  %,  aq),   initiator  1  (25  wt  %,  aq),  initiator  2  (40  wt  %,  aq).  

All  chemicals  were  provided  by  AkzoNobel  and  used  as  received.  

3.2  Flocculation  of  Silica:  Floc  Size  and  Turbidity  Measurements  

The  stabilisation  system  was  prepared  by  mixing  deionized  water  (120.0  g),  NaOH  (4.7  g),  1.51  wt%   Me2  solution  (0.4  g),  KO  (1.2  g),  LX  (7.1  g),  initiator  1  (1.1  g)  and  HAc  (7.6  g).  The  solution  was  stirred   with  magnetic  stirrer  (IKAMAG  REO)  at  500  rpm  for  40  min.  Floc  size  analysis  was  performed  after  5,   10,  20,  30,  40  min  of  stirring  and  the  turbidity  was  measured  after  15,  25,  and  45  min  of  stirring.  

3.3  Synthesis  of  Microspheres  in  Tinyclave  Reactor  

In  a  typical  experiment,  the  organic  phase  was  prepared  by  mixing  XA,  ACN,  MAN,  MA  and  IP  in  a  50   ml  flask  with  lid  and  put  into  a  refrigerator.  The  stabilisation  system  was  prepared  by  mixing  

deionized  water  (17.0  g),  NaOH  (0.9  g),  Me2  solution  (0.8  g,  1.51  wt  %),  KO  (0.2  g),  LX  (1.4  g),  initiator   1  (0.2  g)  and  HAc  (1.5  g)  into  a  glass  E-­‐flask  followed  by  stirring  for  30  min.  The  stabilisation  system   was  mixed  with  the  organic  phase  (10.9  g)  and  emulsified  using  a  Silverson  high  shear  mixer  for  45  s   at  11500  rpm.  Polymerisation  was  performed  in  a  50  ml  glass  reactor  (Tinyclave  from  Büchi)  in  a   shaking  water  bath  at  56  °C  for  20  h.  

3.4  Synthesis  of  Microspheres  in  1  Litre  Reactor  

In  a  typical  experiment,  the  organic  phase  was  prepared  by  mixing  XA,  ACN,  MAN,  and  MA  in  a  1000   ml  flask  with  lid  and  put  into  a  refrigerator.  The  stabilisation  system  was  prepared  by  mixing  

deionized  water  (419  g),  NaOH  (16.9  g),  Me2  solution  (1.4  g,  15.1  wt  %),  KO  (4.3  g),  LX  (25.4  g),   initiator  1  (4.0  g)  and  HAc  (27.4  g)  into  a  1000  ml  flask  followed  by  stirring  for  30  min.  Thereafter,  the   stabilisation  system,  IB  (52  g)  and  the  organic  phase  (157.2  g)  were  emulsified  with  an  Ultra  Turrax®   IKA  T18  at  6500  rpm  for  30  s.  The  speed  was  ramped  to  21500  rpm  during  30  s  and  mixed  at  that   speed  for  45  s.  The  suspension  was  added  to  the  reaction  vessel  and  the  stirring  speed  was  set  to   500  rpm,  after  which  polymerisations  was  performed  as  in  Tinyclave  reactor.  

To  remove  monomer  residues,  sodium  bisulphite  (20  w%)  (60  g)  was  added  to  the  slurry  after  the   polymerisation.  

3.5  Characterization  Methods  

The  flocs  have  been  evaluated  by  particle  size  analysis  and  turbidity.  The  microspheres  have  been   evaluated  by  particle  size  analysis,  TMA,  TGA,  hot-­‐stage  microscopy  and  SEM.  

(14)

3.5.1  Particle  Size  Analysis  

The  size  of  the  microspheres  and  the  silica  flocs  are  measured  by  a  Malvern  Mastersizer  2000   equipped  with  a  dispersion  unit  Hydro  2000SM.  The  instrument  analyses  the  particle  shape  and  size   by  means  of  light  scattering  (LALLS)  from  a  He-­‐Ne  laser.  The  instrument  has  a  light  sensitive  detector,   which  consists  of  many  elements  to  be  able  to  detect  the  light  scattering  from  many  different  angles.   The  light  scattering  pattern  is  recalculated  into  volume  by  means  of  density  and  refractive  index  for   the  sample  and  the  solution  it  is  dispersed  in.  Based  on  this,  the  diameter  of  a  sphere  with  

equivalent  volume  can  be  calculated.  By  this  action,  the  particle  size  is  described  with  only  one   number  (the  diameter)  even  though  they  have  an  irregularly  shape,  see  Figure  7.  [35]  

             

Figure  8.  A  typical  size  distribution  curve,  which  defines  the  parameters  Dv,n(0.1),  Dv,n(0.5),  Dv,n(0.9),  and  the  span.  

Particle  size  can  be  presented  in  several  different  medians  and  means.  In  this  report,  the  particle  size  

is  mainly  analysed  using  volume  median  (Dv(0.5))  and  number  median  (Dn(0.5)).  Volume  and  number  

distributions  can  be  very  different  so  it  is  important  to  study  both  quantities.  Dn(0.5)  can  in  some  

cases  give  a  better  value  of  what  size  that  is  the  most  common,  especially  if  the  sizes  are  very   different.  This  is  because  if  all  the  particles  where  lined  up  according  to  size,  the  size  on  the  one  in  

the  middle  would  be  Dn(0.5).  Dv(0.5)  gives  a  better  picture  of  where  the  volume  of  the  particles  are.  

This  means  that  Dv(0.5)  is  sensitive  to  larger  particles  while  small  particles  will  only  have  a  small  

impact  on  the  result.  The  particle  size  distribution  is  determined  by  the  span,  which  is  defined  as   Equation  1.  Hence,  a  narrow  peak  is  corresponds  to  a  low  particle  size  distribution.  A  typical  size   distribution  curve  in  which  the  parameters  are  defined  can  be  seen  in  Figure  8.  

 

Figure  7.    Schematic  illustration  showing  how  the  size  of  an  irregularly  shaped  particle  is  calculated.  The  size  and   shape  of  the  particle  is  measured  by  means  on  light  scattering  and  the  light  scattering  pattern  is  recalculated  into   volume.  The  size  of  the  irregularly  shaped  particle  is  reported  as  the  diameter  of  a  sphere  with  equal  volume.  By   this  method,  the  size  can  be  represented  with  only  one  number,  even  though  the  particle  has  an  irregular  shape.

     span  

Dv,n(0.5)  

(15)

𝑠𝑝𝑎𝑛 =𝐷!,! 0.9 − 𝐷!,!(0.1)

𝐷!,!(0.5)  

Equation  1  

This  equipment  is  developed  for  solid  particles,  hence  measurements  on  the  silica  flocs  is  

problematic.  In  this  study,  refractive  index  and  density  for  solid  silica  has  been  used  since  the  data   for  flocculated  silica  is  unknown.  The  floc  size  has  in  this  study  been  reported  as  6-­‐24  μm  which  is   too  high,  since  the  flocs  are  believe  to  be  in  nano  size.  The  equipment  has  still  been  used  with  the   motivation  that  the  floc  sizes  can  be  relatively  compared.  

3.5.2  Turbidimetry  

Turbidimetry  determines  the  amount  of  cloudiness  in  a  solution  by  means  of  measuring  the  

transmission  of  light  through  the  sample.  When  a  light  beam  enters  the  cuvette  with  the  sample,  the   light  can  either  be  transmitted  through  the  cuvette  or  scattered  in  various  directions.  The  amount  of   scattered  light  depends  on  the  number  of  particles  and  the  size  of  the  particles.  Small  particles   scatter  the  light  more  compared  to  large  particles.  The  amount  of  scattered  light,  or  turbidity,  is   measured  in  Nephelometric  Turbidity  Units  (NTU).  

3.5.3  Thermomechanical  Analysis    

Thermomechanical  Analysis  (TMA)  determines  the  expansion  properties  of  the  microspheres.  A   small  sample  of  microspheres  is  placed  in  an  oven  and  heated  according  to  a  temperature  program.   A  sensitive  probe  is  in  contact  with  the  sample  and  the  probe  measures  the  height  difference  of  the  

sample  as  it  is  heated.  Tstart  is  defined  as  the  temperature  where  expansion  starts  and  Tmax  is  defined  

as  the  temperature  where  the  maximum  probe  displacement  is  measured,  see  Figure  9.  TMA-­‐

density  is  the  density  of  the  microspheres  at  Tmax  as  calculated  from  the  volume  change  of  the  

sample.  

 

Figure  9.  A  typical  TMA  thermogram  defining  the  parameters  Tstart,  Tmax,  and  maximum  probe  displacement.  [18]  

3.5.4  Thermogravimetric  Analysis  

TGA  evaluates  the  thermal  stability  of  the  microspheres  and  is  used  to  determine  the  amount  of   encapsulated  blowing  agent.  The  analysis  is  performed  by  placing  a  small  sample  on  a  sensitive   balance  and  the  change  of  sample  weight  is  recorded  when  the  temperature  is  increased.  The  first   weight  change  will  be  when  the  blowing  agent  is  diffusing  through  the  collapsing  microspheres.   Further  heating  of  the  sample  causes  thermal  degradation  of  the  polymer.  Finally,  the  sample  is   oxidatively  combusted  when  air  is  let  into  the  system,  leaving  only  ash  as  residue.  

(16)

  Figure  10.  Typical  TGA-­‐curve  of  a  microsphere.  The  first  slope  corresponds  to  the  vaporisation  of  blowing  agent,  the   second  slope  is  where  the  polymer  decomposes  and  the  third  slope  is  the  combustion  of  the  sample,  leaving  only  ash.   3.5.5  Sieve  Residue  

After  polymerisation,  the  microsphere  slurrys  were  filtered  through  a  63  μm  sieve  and  rinsed  with   water.  The  amount  of  sieve  residue  was  determined  by  visually  evaluating  how  much  of  the  slurry   that  was  captured  by  the  sieve.  The  sieve  residues  are  relative  and  graded  from  1-­‐5,  where  1   represent  no  sieve  residue  and  5  the  highest  amount.  A  large  sieve  residue  indicates  that  the  slurry   contain  a  lot  of  large  particles,  agglomerated  or  in  other  ways  defect  microspheres.  The  aim  is   therefore  to  obtain  as  low  sieve  residue  as  possible.  

3.5.6  Hot-­‐stage  Microscopy  

Optical  hot-­‐stage  microscopy  was  used  to  study  the  expansion  behaviour,  using  a  Zeiss  optical   microscope  at  100x  magnification  equipped  with  a  hot-­‐stage  equipment  from  Leitz  Wetzlar   (Germany).  The  temperature  was  controlled  by  manually  regulating  the  power  supply,  while   monitored  by  a  thermometer  attached  to  the  hot-­‐stage  set  up.  

3.5.7  Scanning  Electron  Microscopy  

Field-­‐emission  scanning  electron  microscope  (FE-­‐SEM)  images  were  recorded  on  a  Hitachi  S-­‐4800     FE-­‐SEM.  The  samples  were  mounted  on  a  substrate  with  carbon  tape  and  sputtered  for  150  s  at  40   mA  with  gold/palladium  (Cressington  208HR).  

4.  Results  and  Discussion  

The  stabilisation  system  is  crucial  in  suspension  polymerisation,  because  it  is  a  prerequisite  for   formation  of  individual  particles  and  a  stable  emulsion.  Both  the  size  and  the  shape  of  the   microspheres  are  dependent  on  the  stabilisation.  In  this  work,  experiments  have  been  conducted   with  the  LX-­‐system  to  better  understand  the  flocculation  of  silica  and  how  different  experimental   parameters  affect  the  floc  size.  Different  types  of  stabilisation  systems  have  been  evaluated  by   polymerising  in  Tinyclaves  (TC)  and  1  litre  reactors.  

4.1  Influence  of  Mixing  Parameters  on  Silica  Flocculation  

The  flocculation  of  silica  is  a  complex  process  and  it  is  not  fully  understood  how  KO  and  Me2  interact   with  LX  to  form  flocs.  The  flocculation  depends  on  many  parameters  e.g.  pH,  concentration  of   flocculants,  stirring  rate,  and  mixing  order.  [24,  36]  It  is  therefore  desirable  to  develop  a  better   understanding  of  how  these  parameters  effect  the  flocculation.  In  this  part  of  the  study,  the  effect  of   various  changes  in  the  LX-­‐system  has  been  evaluated  by  measuring  the  floc  size  and  the  turbidity  of   the  dispersion  over  time.  

Sa m p le w e ig h t

(17)

4.1.1  Mixing  Order  

A  prerequisite  for  flocculation  is  adsorption  of  KO  and  Me2  on  to  the  silica  particles  due  to  ionic   interactions.  The  surface  charges  of  LX,  KO  and  Me2  are  pH  dependent  and  it  is  therefore  interesting   to  see  if  the  flocculation  will  be  different  if  NaOH  and  HAc  are  added  to  the  suspension  in  different   orders.  Different  addition  orders  of  LX,  KO  and  Me2  have  also  been  tested.  The  conducted  

experiments  and  the  addition  order  of  the  chemicals  can  be  seen  in  Table  1.  

Table  1.  The  components  in  the  stabilising  system  were  added  in  different  orders  to  investigate  if  the  addition  order  has   an  effect  on  the  floc  size.  The  stabilising  system  were  named  HLKIM,  LKIMH,  MLKIH  and  MKLIH.  

Addidtion  

order   HLKIM   LKIMH   MLKIH   MKLIH  

1   Water   Water   Water   Water  

2   NaOH   NaOH   NaOH   NaOH  

3   HAc   LX   Me2   Me2  

4   LX   KO   LX   KO  

5   KO   Initiator   KO   LX  

6   Initiator   Me2   Initiator   Initiator  

7   Me2   HAc   HAc   HAc  

 

As  can  be  seen  in  Figure  11,  the  size  distribution  of  silica  flocs  is  very  dependent  on  the  addition   order.  In  HLKIM,  HAc  is  added  before  LX,  KO  and  Me2  adjusting  the  pH  to  4.4.  The  flocculation  then   starts  immediately  after  addition  of  KO,  and  since  the  flocculation  is  so  fast,  it  is  not  obvious  how  the   addition  of  Me2  contributes  to  the  flocculation.  Me2  forms  small  cationic  hydroxide  particles  at  pH   4.4,  and  ionic  interaction  with  the  negatively  charged  silica  is  therefore  one  possible  explanation.  [37]  

 

Figure  11.  Differences  in  size  distribution  of  silica  flocs  depending  on  the  addition  order  of  components  in  the  system.  (―)  

HLKIM,  (―)  LKIMH,  (―)  MLKIH  and  (―)  MKLIH  after  20  min  of  flocculation.  

In  LKIMH,  the  pH  is  12.4  prior  to  the  addition  of  LX,  KO  and  Me2.  A  pH  this  high  will  result  in   negatively  charged  LX  since  a  majority  of  the  silanol  groups  will  be  deprotonated.  KO  will  also  be   negatively  charged  due  to  deprotonated  functional  groups.  Me2  is  believed  to  form  uncharged  

(18)

hydrated  oxides  [37]  that  can  be  observed  in  the  suspension  as  small  particles.  These  particles  are   probably  the  reason  to  why  the  colour  of  LKIMH  is  darker  compared  to  HLKIM,  see  Figure  12.  Due  to   the  charges  of  LX,  KO  and  Me2,  the  flocculation  does  not  start  until  addition  of  HAc.  This  seems  to   have  an  effect  on  the  size  distribution,  since  the  size  span  is  more  narrow  for  LKIMH  compared  to   HLKIM.  This  may  be  due  to  better  dispersion  of  LX,  KO,  and  Me2  since  the  chemicals  have  time  to   mix  before  flocculation.  It  can  be  that  KO  and  Me2  more  easily  can  interact  with  LX  since  they  are   close  to  each  other  when  HAc  is  added,  resulting  in  smaller,  denser  flocs.  

 

Figure  12.  Silica  suspensions  after  30  minutes  of  flocculation.  LKIMH  (to  the  left)  where  HAc  is  added  after  LX,  KO  and   Me2  has  a  darker  colour  compared  to  HLKIM  (to  the  right)  where  HAc  is  added  before  LX,  KO  and  Me2.  

What  appears  to  be  even  more  significant  is  when  Me2  is  added,  since  LKIMH  and  MLKIH  have   completely  different  size  distributions  and  the  only  difference  between  them  is  when  Me2  is  added.   This  difference  in  size  distribution  is  unexpected.  It  seems  unlikely  that  LX,  KO  and  Me2  are  able  to   interact  with  each  other  due  to  their  charges,  so  it  is  strange  that  the  order  of  LX,  KO  and  Me2  have   such  a  large  impact  on  the  size  distribution.  This  suggests  that  the  interactions  between  LX,  KO  and   Me2  are  not  only  dependent  on  ionic  interactions.  Even  small  changes  in  the  addition  order  seem  to   have  an  effect  on  the  floc  size,  which  can  be  seen  by  comparing  MLKIH  and  MKLIH  where  the  only   difference  is  the  order  of  LX  and  KO.    

                     

(19)

4.1.2  Concentration  of  LX,  KO  and  Me2  

The  amount  of  LX,  KO  and  Me2  affects  the  flocculation  and  the  following  experiments  aim  to  

elucidate  how  these  factors  affect  the  floc  size  by  a  23  fractional  design  in  the  experimental  setup.  

Two  levels  and  a  centre  point  were  chosen  for  each  factor,  giving  a  total  of  nine  measure  points.  The   experimental  design  can  be  seen  in  Table  2  and  Figure  13.    

Table  2.  The  effect  of  LX,  KO  

and  Me2  on  flocculation  was  examined  using  a    

23  factorial  design.  The  weights  are  stated  in    

amounts  per  TC  and  are  referred  to  as  Low  (L),     medium  (M),  or  high  (H).  

Trial  

Factor  

  LX  [g]   KO  [g]   Me2*  [g]   LLL   0.7   0.1   0.2   LHL   0.7   0.4   0.2   LHH   0.7   0.4   1.4   LLH   0.7   0.1   1.4   HHH   2.1   0.4   1.4   HLH   2.1   0.1   1.4   HLL   2.1   0.1   0.2   HHL   2.1   0.4   0.2   MMM   1.4   0.2   0.8   *15.1  wt%  Me2-­‐solution  

The  floc  sizes  of  the  conducted  stabilising  systems  are  summarised  in  Figure  14.  Except  from  HLL  and   HLH,  the  differences  in  floc  sizes  are  small.  HLL  and  HLH  have  a  considerable  larger  floc  size  as   compared  to  the  other  samples  and  both  samples  have  a  high  level  of  LX  and  KO.  It  is  interesting  to   see  that  by  increasing  the  KO  level,  the  floc  size  decrease  drastically  (compare  HLH  with  HHL  and   HLH  with  HHH).  This  is  unexpected  since  previous  work  [33]  state  that  higher  levels  of  KO  will   flocculate  LX  more.  Another  trend  is  that  high  levels  of  Me2  result  in  larger  flocs,  which  can  be  seen   when  comparing  LHL  with  LHH  and  HLL  with  HLH.    

Figure  15  and  Figure  16  illustrates  flocculation  experiments  where  KO  and  Me2,  respectively,  have   been  varied  while  the  other  parameters  were  kept  constant.  These  diagrams  give  a  better  picture  of   how  the  floc  size  changes  when  one  parameter  is  varied.  It  seems  like  a  higher  amount  of  KO  results   in  an  increase  of  smaller  flocs  (~  4-­‐10  μm),  the  same  trend  that  was  seen  in  Figure  14.  

A  change  in  the  size  distribution  can  also  be  seen  in  Figure  16,  when  Me2  is  varied.  Higher  levels  of   Me2  seem  to  result  in  an  increase  of  larger  flocs  (~  40  μm)  and  a  decrease  in  smaller  flocs  (~  10  μm).   The  same  trend  was  also  seen  in  Figure  14.  

  Me2 LX KO +  High +  High +  High -­‐  Low -­‐  Low -­‐  Low

Figure  13.  The  flocculation  experiments  were  conducted  according  

to  a  23  fractional  design.  The  factors  are  the  amounts  of  LX,  KO  and  

Me2.  Two  levels  and  a  centre  point  were  chosen  for  each  factor.  

(20)

  Figure  14.  Floc  sizes  for  different  compositions  of  the  stabilising  system  measured  after  20  minutes  of  flocculation.   Components  were  added  in  following  order:  HAc,  LX,  KO,  initiator,  Me2.  

 

Figure  15.  Differences  in  size  distribution  of  silica  flocs  with  various  amounts  of  polyelectrolyte  (KO),  (―)  0.1  g,  (―)  0.2  g  

and  (―)  and  0.4  g.  Other  components  were  added  in  amounts  according  to  the  recipe  described  in  section  3.2.  

 

Figure  16.  Differences  in  size  distribution  of  silica  flocs  with  various  amounts  of  Me2,  (―)  0  g  (―)  0.02  g  (―)  0.08  g  and  

(―)  0.14  g.  Other  components  were  added  in  amounts  according  to  the  recipe  described  in  section  3.2.    

Figure 12. Floc sizes for different compositions of the stabilising system measured after 20 minutes of flocculation. Components were added in following order: HAc, LX, KO, initiator, Me2.

Figure 13. Differences in size distribution of silica flocs with various amounts of polyelectrolyte (KO). Other components

were added in amounts according to the recipe described in section 3.2. (―) 0.1 g, (―) 0.2 g and (―) and 0.4 g.

Figure 14. Differences in size distribution of silica flocs with various amounts of Me2. Other components were added in

amounts according to the recipe described in section 3.2. (―) 0 g (―) 0.02 g (―) 0.08 g and (―) 0.14 g.

0 5 10 15 20 25 HHL HHH MMM LLH LLL LHL LHH HLL HLH Dv(0.5) 5.9 6.2 6.4 6.7 7.0 7.2 8.1 13.2 24.4 Dn(0.5) 1.8 2.1 2.6 2.6 2.5 2.6 3.0 3.1 2.4 Fl o c Si ze [ μ m]

(21)

4.1.3  Effect  of  Stirring  

Previous  research  [33]  has  shown  that  the  floc  size  is  time  dependent  and  that  the  floc  size  increases   over  time,  since  the  silica  flocs  continue  to  grow  as  long  as  there  are  adjacent  silica  particles  and   flocculating  agents  nearby.  The  growth  of  flocs  has  also  been  studied  in  this  work  but  the  

experiments  showed  quite  surprising  results,  since  the  flocs  tend  to  decrease  in  size  over  time,  see   Figure  17.  The  same  trend  is  seen  for  the  number  mean  floc  size.  One  theory  that  can  explain  this  is   that  the  flocs  are  broken  by  shear  forces  during  stirring.  

 

Figure  17.  Floc  size  (Dv(0.5))  as  a  function  of  stirring  time  for  a  selection  of  samples.  Components  were  added  in  

following  order:  HAc,  LX,  KO,  initiator,  Me2.  

Considering  that  floc  breakage  is  a  possible  explanation  for  the  results  discussed  above,  it  was   motivated  to  further  study  how  the  stirring  rate  affects  the  flocculation.  It  can  be  seen  in  Figure  18,   that  the  stirring  rate  has  a  remarkable  effect  on  the  floc  size.  Higher  stirring  rates  results  in  lower   floc  sizes,  which  confirm  that  the  flocs  are  sensitive  to  shear  forces.  The  floc  size  fluctuates  at  150   rpm,  which  might  indicate  that  flocs  are  able  to  break  and  reform.  

  Figure  18.  MLKIH  flocculated  at  different  stirring  rates  (i.e.  shear  forces)  as  a  function  of  stirring  rate.  

4.1.5  The  Initiator’s  Influence  on  Floc  Size  Measurements  

The  initiator  contains  emulsifiers  that  might  have  an  effect  on  the  flocculation.  In  previous  studies  on   the  flocculation,  the  initiator  has  been  left  out.  [34]  The  idea  of  adding  the  initiator  was  that  it  would   generate  a  more  true  value  of  the  floc  sizes,  which  would  better  correspond  to  the  floc  sizes  during   polymerisation.  Figure  19  illustrates  how  the  floc  size  will  change  if  the  initiator  is  left  out  of  HLKIM.     It  can  also  be  seen  that  the  initiator  itself  can  be  detected  by  the  Malvern  instrument.  

5   6   7   0   10   20   30   40   50   Dv (0. 5)   [um ]  

Sarring  ame  [min]  

LLL   MMM   HHH   0   5   10   15   20   25   0   10   20   30   40   Dv (0. 5)   m]  

Sarring  ame  [min]  

500  rpm   150  rpm  

References

Related documents

För att uppskatta den totala effekten av reformerna måste dock hänsyn tas till såväl samt- liga priseffekter som sammansättningseffekter, till följd av ökad försäljningsandel

Inom ramen för uppdraget att utforma ett utvärderingsupplägg har Tillväxtanalys också gett HUI Research i uppdrag att genomföra en kartläggning av vilka

Tillväxtanalys har haft i uppdrag av rege- ringen att under år 2013 göra en fortsatt och fördjupad analys av följande index: Ekono- miskt frihetsindex (EFW), som

Syftet eller förväntan med denna rapport är inte heller att kunna ”mäta” effekter kvantita- tivt, utan att med huvudsakligt fokus på output och resultat i eller från

Generella styrmedel kan ha varit mindre verksamma än man har trott De generella styrmedlen, till skillnad från de specifika styrmedlen, har kommit att användas i större

I regleringsbrevet för 2014 uppdrog Regeringen åt Tillväxtanalys att ”föreslå mätmetoder och indikatorer som kan användas vid utvärdering av de samhällsekonomiska effekterna av

a) Inom den regionala utvecklingen betonas allt oftare betydelsen av de kvalitativa faktorerna och kunnandet. En kvalitativ faktor är samarbetet mellan de olika

Närmare 90 procent av de statliga medlen (intäkter och utgifter) för näringslivets klimatomställning går till generella styrmedel, det vill säga styrmedel som påverkar