InnoREX – تحسين بثق PLA بالموجات فوق الصوتية

يُحسّن الخلط والتشتيت والاستحلاب بالموجات فوق الصوتية بثق أحماض البولي لاكتيك (PLA). ويؤدي إدماج المعالجة بالموجات فوق الصوتية في خطوط البثق إلى زيادة مردود PLA المُنتَج وجودته.

تخليق البولي لاكتيد

أحماض البولي لاكتيك أو البولي لاكتيد (PLA) هي بوليستر أليفاتي لدن حراريًا، يُخلَّق من حمض اللاكتيك ومونومرات اللاكتيد. واللاكتيد هو إستر ثنائي حلقي مشتق من النشا النباتي المُخمَّر (مثل نشا الذرة وقصب السكر)، ويُستخدم بديلًا نباتي المصدر للمواد البلاستيكية. وبذلك، يندرج تخليق PLA تمامًا ضمن نطاق الكيمياء الخضراء. وقد حظي PLA سريعًا باهتمام كبير لكونه بديلًا حيوي المصدر وقابلًا للتحلل الحيوي للمواد البلاستيكية التقليدية ذات الأساس البتروكيميائي.
حقائق عن PLA: تبلغ كثافة PLA (C₃H₄O₂)n مقدار 1210-1430 kg/m³، وهو غير قابل للذوبان في الماء، وأكثر صلادة من PTFE، وينصهر عند درجات حرارة تتراوح بين 150degC و220degC.

InnoREX – عملية بلمرة مبتكرة

تتطلب عملية إنتاج PLA الحالية محفزات تحتوي على معادن لتحسين معدل بلمرة اللاكتونات، وهذه المحفزات ضارة بالصحة والبيئة. ونظرًا إلى المشكلات المرتبطة باستخدام المحفزات والطلب المتزايد على البوليمرات حيوية المصدر، يركز مشروع InnoREX على تطوير عملية بلمرة تُستبدل فيها المحفزات التقليدية المحتوية على معادن بمحفز عضوي، وتُدعَم بمصادر طاقة بديلة تشمل الموجات فوق الصوتية عالية القدرة والموجات الدقيقة والليزر.

ثبت أن المحفزات العضوية تتحكم بكفاءة في بلمرة اللاكتيد، لكن لا يزال من الضروري تحسين نشاطها لتلبية المعايير الصناعية. وسيتحقق ذلك بإدخال طاقات بديلة تتمثل في الموجات فوق الصوتية، والموجات الدقيقة وضوء الليزر، إذ تزيد نشاط المحفز وتتيح التحكم الدقيق في التفاعل بإثارة أجزاء صغيرة فقط من مزيج التفاعل دون تأخر في الاستجابة.
لذلك يجمع المشروع بين نظام مفاعل مبتكر تُدخَل فيه مصادر الطاقة البديلة إلى الوسط، ومحفز عضوي للحصول على PLA خالٍ من المعادن في عملية بثق تفاعلي. (انظر الصورة 1)
وبناءً على ذلك، يستفيد مشروع InnoREX من زمن الاستجابة السريع للموجات الدقيقة والموجات فوق الصوتية وضوء الليزر لتحقيق بلمرة مستمرة فعالة ومضبوطة بدقة لإنتاج PLA ذي وزن جزيئي مرتفع في آلة بثق ثنائية اللولب. إضافةً إلى ذلك، سيتحقق توفير كبير في الطاقة بدمج البلمرة وتركيب الخلطات والتشكيل في خطوة إنتاج واحدة.

الموجات فوق الصوتية عالية القدرة

تُدمَج ثلاثة مصادر طاقة بديلة – الموجات فوق الصوتية والموجات الدقيقة والتشعيع بالليزر – لتحفيز بلمرة فتح الحلقة وضمان بلمرة تُنتج وزنًا جزيئيًا مرتفعًا. وخلال زمن المكوث المحدود في حجرة المفاعل، تُحدِث مصادر الطاقة البديلة التأثير اللازم لدفع التفاعل داخل خلية التدفق المدمجة في الخط (انظر الصورة 2) بصورة شديدة الاستهداف. وبذلك يمكن تجنب المحفزات المحتوية على معادن، مثل tin (II) 2-ethylhexanoate، التي تتطلبها عمليات البثق التقليدية لرفع معدل بلمرة اللاكتونات إلى مستوى مقبول من الكفاءة.
وقد أُدمج في نظام المنشأة التجريبية لمشروع InnoREX المعالج بالموجات فوق الصوتية عالي القدرة UIP1000hd، القادر على توفير قدرة موجات فوق صوتية تبلغ 1kW. وتُعرف الموجات فوق الصوتية عالية القدرة بتأثيراتها الإيجابية في التفاعلات الكيميائية، وهي ظاهرة الكيمياء الصوتية. وعند إدخال موجات فوق صوتية عالية القدرة إلى وسط سائل، تُنشئ هذه الموجات دورات من الضغط المرتفع (الانضغاط) والضغط المنخفض (التخلخل)، مما يؤدي إلى حدوث ظاهرة التجويف بالموجات فوق الصوتية، أي التجويف. ويصف التجويف «تكوّن الفقاعات في سائل ونموها وانهيارها الانفجاري نحو الداخل. ويُنتج الانهيار التجويفي تسخينًا موضعيًا شديدًا (~5000K)، وضغوطًا مرتفعة (~1000 atm)، ومعدلات هائلة للتسخين والتبريد (>109 K/sec)»، وكذلك تدفقًا للسائل مع نفاثات سائلة بسرعة ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
توفر قوى التجويف المتولدة بالموجات فوق الصوتية طاقة حركية، وتُشتّت الجسيمات، وتُنشئ جذورًا حرة تدعم تفاعل البلمرة الكيميائي.
تشمل التأثيرات الإيجابية العامة للمعالجة بالموجات فوق الصوتية أثناء تفاعل البلمرة ما يلي:

• بدء البلمرة بفعل الجذور الحرة المتولدة بالكيمياء الصوتية (حركية البلمرة)
• تسريع معدل البلمرة
• توزيعات أضيق للأوزان الجزيئية، مع وزن جزيئي أعلى للبوليمرات
• تفاعل أكثر تجانسًا، وبالتالي توزيع أضيق لأطوال السلاسل

المصادر والمراجع

• K.S. Suslick (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.