Eine unkontrollierte Polymerisation ist eine potenziell gefährliche Reaktion, bei der sich chemische Produkte mit zu hoher Geschwindigkeit bilden und dabei Hitze erzeugen, die zu einer Explosion oder anderen Gefahren führen kann. Da die Polymerisation ein wesentlicher Prozess für die Herstellung vieler synthetischer Materialien ist, verfolgen Chemiker Strategien, um sichere Reaktionen aufrechtzuerhalten und eine unkontrollierte Polymerisation zu vermeiden.
Monomere und Polymere
Die meisten Kunststoffe und viele biologische Moleküle gehören zu einer Klasse chemischer Verbindungen, die Polymere genannt werden – lange Ketten derselben chemischen Einheiten, die sich ständig wiederholen. Jede Einheit in der Kette ist ein Molekül, das als Monomer bezeichnet wird. Polystyrol ist beispielsweise ein Polymer, das aus vielen miteinander verbundenen Styrolmolekülen besteht. In diesem Fall ist Styrol das Monomer.
Polymerisation
Zu Plastik herstellen, nimmt ein chemischer Prozess einen Behälter mit einer Monomersubstanz und kombiniert ihn mit anderen Chemikalien, die den Polymerisationsprozess initiieren. Während der Reaktion verbinden sich die normalerweise für sich stabilen Monomere miteinander. Die Monomermoleküle kleben in sich wiederholenden Ketten zusammen, bilden Polymere und dauern an, bis dem Behälter die Initiatorchemikalien oder verfügbaren Monomere ausgehen. Das resultierende Polymer erhält Eigenschaften wie Festigkeit und Elastizität, die dem ursprünglichen Monomer fehlen.
Durchgehende Polymerisation
Einige Polymerisationsreaktionen sind exotherm – das heißt, sie geben Wärme ab. Idealerweise ist die entstehende Gesamtwärme gering und entweicht unschädlich in den Reaktionsbehälter. Wenn jedoch eine große Menge an Monomer beteiligt ist und die Reaktion stark exotherm ist, können sich die Monomere zu schnell verbinden. Als Folge bauen sich im Reaktionsgefäß übermäßige Hitze und Druck auf, wodurch die Ausrüstung schmilzt oder eine Explosion verursacht wird.
Vorbeugende Maßnahmen
Chemieingenieure wenden eine Vielzahl von Methoden an, um eine unkontrollierte Polymerisation zu verhindern. Die Ausrüstung kann Rührvorrichtungen enthalten, die helfen, Bereiche aufzubrechen, in denen die Reaktionsgeschwindigkeit zu groß ist, und Wärme durch die Mischung abzuführen. Ein Chemiker kann Verbindungen, sogenannte Inhibitoren, hinzufügen, um die Reaktion absichtlich zu verlangsamen und die Geschwindigkeit unter dem Punkt zu halten, an dem sie abläuft. Sie fügen auch Noteinrichtungen hinzu, die sich automatisch öffnen, wenn der Reaktionsdruck einen sicheren Wert überschreitet. Diese Komponenten verhindern, dass das Reaktionsgefäß mit heftiger Kraft explodiert.