InnoREX – Ултразвуково подобрена PLA екструзия

Ултразвуковото смесване, диспергиране и емулгиране подобрява екструзията на полимлечни киселини (PLA). Внедряването на ултразвук в екструзионни линии увеличава добива и качеството на произведения PLA.

Синтез на полилактид

Полилактидните киселини или полилактид (PLA) са термопластичен алифатен полиестер, който се синтезира от лактидна киселина и лактидни мономери. Лактидът е цикличен диестер, който се извлича от ферментирало растително нишесте (напр. царевично нишесте, захарна тръстика) и се използва като растителен заместител на пластмасите. По този начин PLA синтезът се вписва идеално в гамата на зелената химия. PLA бързо придоби голям интерес, тъй като е биоразградим, биоразградим заместител на конвенционалните пластмаси на нефтохимическа основа.
Факти за PLA: PLA (C₃H₄O₂)n има плътност 1210-1430 kg/m³, е неразтворим във вода, по-твърд от PTFE и се топи при температури между 150°C и 220°C.

InnoREX – Иновативен процес на полимеризация

Настоящият производствен процес на PLA изисква металосъдържащи катализатори за подобряване на скоростта на полимеризация на лактоните, които са опасни за здравето и околната среда. По отношение на проблематичния характер на използването на катализатори и нарастващото търсене на полимери на биологична основа, проектът InnoREX се фокусира върху разработването на процес на полимеризация, при който конвенционалните металсъдържащи катализатори се заменят с органичен катализатор и се подпомагат от алтернативни енергийни източници на ултразвук с висока мощност, микровълнова печка и лазер.

Доказано е, че органичните катализатори ефективно контролират полимеризацията на лактид, но тяхната активност все още трябва да бъде подобрена, за да отговори на индустриалните стандарти. Това ще бъде постигнато чрез въвеждането на алтернативни енергии на ултразвук, микровълни и лазерна светлина, тъй като те увеличават активността на катализатора и позволяват прецизен контрол на реакцията, като възбуждат само малки части от реакционната смес без време за реакция.
Следователно проектът съчетава нова реакторна система, при която алтернативните източници на енергия се въвеждат в средата, с органичен катализатор за получаване на PLA без метали в процес на реактивна екструзия. (виж снимка 1)
Ето защо проектът InnoREX използва бързото време за реакция на микровълни, ултразвук и лазерна светлина, за да постигне прецизно контролирана и ефективна непрекъсната полимеризация на PLA с високо молекулно тегло в двушнеков екструдер. Освен това значителни икономии на енергия ще бъдат постигнати чрез комбиниране на полимеризация, смесване и оформяне в една производствена стъпка.

Ултразвук с висока мощност

Три алтернативни източника на енергия – ултразвук, микровълново и лазерно облъчване – се комбинират, за да индуцират полимеризацията с отваряне на пръстена, за да се осигури полимеризация с високо молекулно тегло. По време на ограниченото време на престой в камерата на реактора алтернативните енергийни източници въвеждат необходимото въздействие на реакцията във вградена поточна клетка (вж. фиг. 2) на високо насочено ниво. По този начин могат да бъдат избегнати металосъдържащи катализатори като калай (II) 2-етилхексаноат, който е в конвенционалните процеси на екструзия, необходим за повишаване на скоростта на полимеризация на лактоните до приемливо ефективно ниво.
За пилотната система InnoREX ултразвуковият процесор с висока мощност UIP1000hd, който е в състояние да осигури 1kW ултразвукова мощност, е интегриран. Ултразвукът с висока мощност е добре известен с положителните си ефекти върху химичните реакции, което е феноменът на сонохимията. Когато ултразвуковите вълни с висока мощност се въвеждат в течна среда, вълните създават цикли с високо налягане (компресия) и ниско налягане (разреждане), което води до ултразвук Кавитация. Кавитацията описва "образуването, растежа и имплозивното колапс на мехурчета в течност. Кавитационният колапс води до интензивно локално нагряване (~5000K), високо налягане (~1000 атм) и огромни скорости на нагряване и охлаждане (>109 K/sec)" такова течение на течност с течни струи от ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Ултразвуково генерираните кавитационни сили осигуряват кинетична енергия, разпръскват частиците и създават радикали, поддържащи химическата реакция на полимеризация.
Общите положителни ефекти от ултразвука по време на реакция на полимеризация са:

• иницииране на полимеризация поради сонохимично създадени радикали (кинетика на полимеризацията)
• ускоряване на скоростта на полимеризация
• по-тесни полидисперсии, но по-високо молекулно тегло на полимерите
• по-хомогенна реакция и следователно по-ниско разпределение на дължините на веригата

Литература/Препратки

• К.С. Суслик (1998): Енциклопедия по химическа технология на Кърк-Отмър; 4-то издание Дж. & Синове: Ню Йорк, 1998, том 26, 517-541.