NMR、EPR 和TD-NMR 工业应用解决方案

ESR作为控制和优化苯乙烯单体生产的监测工具

全球每年苯乙烯的产量达到约1,500万吨以上,主要由其众多应用的需求来决定。西欧和东欧以及北美的苯乙烯年产能位居前列。苯乙烯单体合成过程中的一个主要问题是“不合需要的”聚合反应。ESR为制造商控制单体生产和防止失控的聚合反应提供了一套快速、有效的监测系统。

制造商在苯乙烯合成、加工和储存过程中使用“聚合抑制剂”(TEMPO)

乙烯基单体(如苯乙烯)在其被合成和纯化的工业过程中,可能发生不合需要的聚合反应。为了避免这一现象,需要向单体反应体系中加入聚合抑制剂2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基(TEMPO)及其类似物。TEMPO(图1)是一种自由基化合物,它通过阻止自由基链式反应来抑制聚合反应(图2)。典型工业单体,如丙烯酸酯、氯乙烯、丁二烯和苯乙烯,在加工及安全运输和储存过程中都需要聚合抑制剂。许多单体在工业上通过蒸馏法提纯,因而可能发生热聚合反应。例如,苯乙烯在100℃以上的温度下进行蒸馏时,会以每小时约2%的速度发生热聚合反应。抑制聚合反应非常重要,不仅因为聚合产物会污染分馏塔,也因为聚合反应通常是放热反应,如果不加以控制,可能造成失控反应和潜在的爆炸。一旦启动,聚合反应本质上就是自由基链式反应,因此许多聚合抑制剂都是充当自由基清除剂(Kuldeep Wadhwa et. al J Polym Res (2017) 24:201)。

 

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TEMPO自由基聚合抑制剂的结构
TEMPO 抑制剂

布鲁克推出的便携式台式ESR系统,可有效监测苯乙烯合成、加工和储存过程中的TEMPO抑制剂水平

电子自旋共振(ESR)——也称“电子顺磁共振” (EPR)——技术的推出,使得可以直接测量苯乙烯中的TEMPO。该技术可提供高度灵敏的定量数据,以及关于苯乙烯生产容器中TEMPO水平的可操作信息。布鲁克最先进的台式电子自旋共振波谱仪(命名:“microESR”),为监测苯乙烯生产设施中的TEMPO,提供了一款快速、定量和紧凑的仪器。当前TEMPO水平在生产过程中的不同位置被定量监测,一旦被发现降至设定阈值以下,即可采取适当的措施。相比添加过量的TEMPO,该技术显著节省了成本,同时提高了生产过程的整体安全性。

系统包装中提供有详细SOP,用户只需进行非常简单的样品制备。只需要将苯乙烯样品加到样品管中,然后利用microESR进行测量。

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示例:microESR在苯乙烯合成过程中监测的TEMPO ESR信号
Magnettech ESR5000 台式系统

布鲁克Magnettech ESR5000台式ESR系统通过简单快速的监测来实现苯乙烯单体控制

ESR单体控制系统的特点:

  • 5分钟测出TEMPO水平,浓度低至0.5 ppm
  • 包含简单样品制备和测量工作流的SOP
  • 紧凑、轻型、小尺寸
  • 集成自动化软件,帮助实现高通量监测

microESR单体控制法的优势

  • 提高工厂效率和产品产量
  • 提高工厂经济效益:降低聚合抑制剂成本(TEMPO)和单体损失
  • 降低实验室运营成本:简单的监测系统快速提供可操作的信息
  • 提高工厂安全性:降低“失控”聚合反应及后续停工的风险
  • 提高生产能力和加强设备保护

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