InnoREX – Подобрена чрез ултразвук екструзия на PLA

Ултразвуковото смесване, диспергиране и емулгиране подобряват екструзията на полимлечни киселини (PLA). Внедряването на ултразвукова обработка в екструзионните линии увеличава добива и качеството на произведения PLA.

Синтез на полилактид

Полимлечната киселина, или полилактидът (PLA), е термопластичен алифатен полиестер, който се синтезира от млечна киселина и лактидни мономери. Лактидът е цикличен диестер, който се получава от ферментирало растително нишесте (напр. царевично нишесте, захарна тръстика) и се използва като заместител на пластмасите на растителна основа. Така синтезът на PLA се вписва напълно в обхвата на зелената химия. PLA бързо привлича голям интерес, тъй като е биоразградим заместител на биологична основа на конвенционалните пластмаси на нефтохимична основа.
Факти за PLA: PLA (C₃H₄O₂)n има плътност 1210–1430 kg/m³, не се разтваря във вода, по-твърд е от PTFE и се топи при температури между 150degC и 220degC.

InnoREX – Иновативен процес на полимеризация

Настоящият производствен процес за PLA изисква металосъдържащи катализатори за повишаване на скоростта на полимеризация на лактоните, като тези катализатори са опасни за здравето и околната среда. Предвид проблемите, свързани с използването на катализатори, и нарастващото търсене на полимери на биологична основа, проектът InnoREX се съсредоточава върху разработването на процес на полимеризация, при който конвенционалните металосъдържащи катализатори се заменят с органичен катализатор, а процесът се подпомага от алтернативните енергийни източници – ултразвук с висока мощност, микровълни и лазер.

Доказано е, че органичните катализатори ефективно контролират полимеризацията на лактида, но активността им все още трябва да се повиши, за да отговаря на промишлените стандарти. Това ще бъде постигнато чрез въвеждането на алтернативната енергия на ултразвука, микровълните и лазерната светлина, тъй като те повишават активността на катализатора и позволяват прецизен контрол на реакцията чрез възбуждане само на малки части от реакционната смес без забавяне на реакцията.
Затова проектът съчетава нова реакторна система, в която алтернативните енергийни източници се въвеждат в средата, с органичен катализатор, за да се получи PLA без метали чрез процес на реактивна екструзия. (вж. фиг. 1)
По този начин проектът InnoREX използва краткото време за реакция на микровълните, ултразвука и лазерната светлина, за да постигне прецизно контролирана и ефективна непрекъсната полимеризация на PLA с висока молекулна маса в двушнеков екструдер. Освен това ще бъдат постигнати значителни икономии на енергия чрез съчетаване на полимеризацията, компаундирането и формоването в една производствена стъпка.

Ултразвук с висока мощност

Три алтернативни енергийни източника – ултразвук, микровълново и лазерно облъчване – се съчетават, за да предизвикат полимеризация с отваряне на пръстена и да осигурят полимеризация с получаване на висока молекулна маса. През ограниченото време на престой в реакторната камера алтернативните енергийни източници въвеждат необходимото за протичане на реакцията въздействие в проточна клетка, вградена в технологичната линия (вж. фиг. 2), по силно целенасочен начин. Така може да се избегне използването на металосъдържащи катализатори като tin (II) 2-ethylhexanoate, който при конвенционалните екструзионни процеси е необходим за повишаване на скоростта на полимеризация на лактоните до приемливо ефективно ниво.
В пилотната инсталация на InnoREX е интегриран ултразвуковият процесор с висока мощност UIP1000hd, който може да осигури ултразвукова мощност от 1kW. Ултразвукът с висока мощност е добре известен с положителното си въздействие върху химичните реакции – явление, известно като сонохимия. Когато ултразвукови вълни с висока мощност се въвеждат в течна среда, те създават цикли на високо налягане (свиване) и ниско налягане (разреждане), които водят до ултразвукова кавитация. Кавитацията описва „образуването, растежа и имплозивното свиване на мехурчета в течност. Кавитационният колапс предизвиква интензивно локално нагряване (~5000K), високи налягания (~1000 atm) и огромни скорости на нагряване и охлаждане (>109 K/sec)“, както и движение на течността със струи със скорост ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Кавитационните сили, генерирани чрез ултразвук, осигуряват кинетична енергия, диспергират частиците и създават радикали, които подпомагат химичната реакция на полимеризация.
Общите положителни ефекти на ултразвуковата обработка по време на реакция на полимеризация са:

• иницииране на полимеризацията вследствие на сонохимично образувани радикали (кинетика на полимеризацията)
• повишаване на скоростта на полимеризация
• по-ниска полидисперсност, но по-висока молекулна маса на полимерите
• по-хомогенна реакция и съответно по-тясно разпределение на дължините на веригите

Литература/Източници

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