Définition et mise au point d'une méthodologie pour l'extrapolation de procédés de copolymérisation en émulsion
Résumé
The aim of this work is the definition and the improvement of a method for the industrial scale up of emulsion polymerization. These materials are prepared by a semi-batch process in different stages in order to obtain a Core/Shell morphology. According to the process parameters used, the obtained products can reach different end-use properties. After a detailed review of the literature available on emulsion polymerization mechanisms and polymer behavior in paint formulation, the first part of the work deals with the kinetic study of two semi-batch industrial polymerizations and the analysis of the influence of the main process key parameters (reaction temperature and feedings rate) on the end use properties of the latex. The second part is dedicated to the development of an industrial recipe. First, a chemical formulation and a type of process are chosen. Then, the concemed process is modeled. The model predicts satisfactorily conversion, average molecular weights, particles sizes and concentrations as a function of operating conditions (emulsifier, initiator and monomer concentrations). Key parameters of the model are identified on the basis of batch experimental data in order to describe the overall kinetic sketch of emulsion polymerization. The model is then used as a simulator and is integrated in a multicriteria optimization procedure in order to master the quality of the product. The decision aid problem consists in obtaining the best tradeoff as possible from ali fixed objectives. The multicriteria optimization technique is elaborated from a haploid genetic algorithm. In fact, the final results will be a multivariable trajectory, optimized in a multicriteria sense, which will be later used for the predictive control of the process
aCette thèse a pour objet la définition et la mise au point d'une méthodologie pour l'extrapolation industrielle de la synthèse de polymères en émulsion. Ces matériaux sont synthétisés selon un procédé semi-continu, en deux étapes d'addition séparées par un temps de cuisson intermédiaire dans le but d'obtenir des particules ayant une structure coeur-écorce. Selon les voies et les conditions de synthèse envisagées, les produits obtenus peuvent présenter des propriétés différentes. Après une approche bibliographique nécessaire à la compréhension des phénomènes physicochimiques mis en jeu lors d'une polymérisation en émulsion et à l'utilisation de ces produits dans la formulation de peintures, la première partie de ce manuscrit est consacrée à l'étude cinétique de deux formulations industrielles et à l'analyse de l'influence de la modification de paramètres procédé sur leurs propriétés applicatives. Les paramètres procédés testés sont principalement : la température réactionnelle et le temps d'ajout. La seconde partie est consacrée au développement d'une nouvelle recette industrielle. Dans un premier temps, une formulation chimique et un type de procédé adapté ont été choisis. Ensuite, le procédé concerné a été modélisé. La modélisation réalisée concerne la prédiction des conversions, des masses molaires moyennes, des tailles et des concentrations des particules en fonction des conditions opératoires (concentration en émulsifiant, en amorceur, en monomères, température de réaction et débits d'alimentation). L'identification des paramètres du modèle est alors effectuée par rapport à des mesures expérimentales réalisées en réacteur discontinu pour décrire parfaitement le schéma complet d'une polymérisation en émulsion. Le modèle ainsi défini est alors utilisé, dans un premier temps comme simulateur puis est ensuite intégré dans une procédure d'optimisation multicritère afin de pouvoir maîtriser finement les propriétés applicatives du latex. n s' agit d'obtenir le meilleur compromis possible parmi l'ensemble des objectifs que l'on peut se fixer en termes de productivité et de propriétés du polymère. Enfin, les trajectoires optimales, définies ultérieurement, seront utilisées lors de la commande prédictive des procédés concernés pour assurer une reproductibilité et une sécurité maximales pendant leur mise en oeuvre