InnoREX – Ultralydsforbedret PLA-ekstrudering

Blanding, dispergering og emulgering med ultralyd forbedrer ekstruderingen af polymælkesyrer (PLA). Integration af sonikering i ekstruderingslinjer øger udbyttet og kvaliteten af den fremstillede PLA.

Syntese af polylaktid

Polymælkesyre eller polylaktid (PLA) er en termoplastisk alifatisk polyester, som syntetiseres af mælkesyre- og laktidmonomerer. Laktid er en cyklisk diester, som fremstilles af fermenteret plantestivelse (f.eks. majsstivelse, sukkerrør) og anvendes som plantebaseret erstatning for plast. Dermed passer PLA-syntese perfekt ind i området grøn kemi. PLA vakte hurtigt stor interesse, da det er en biobaseret, bionedbrydelig erstatning for konventionel petrokemisk baseret plast.
Fakta om PLA: PLA (C₃H₄O₂)n har en densitet på 1210–1430 kg/m³, er uopløseligt i vand, hårdere end PTFE og smelter ved temperaturer mellem 150degC og 220degC.

InnoREX – Innovativ polymerisationsproces

Den nuværende produktionsproces for PLA kræver metalholdige katalysatorer, som er skadelige for sundheden og miljøet, for at øge laktonernes polymerisationshastighed. På grund af problemerne ved anvendelse af katalysatorer og den voksende efterspørgsel efter biobaserede polymerer fokuserer InnoREX-projektet på at udvikle en polymerisationsproces, hvor de konventionelle metalholdige katalysatorer erstattes af en organisk katalysator, og processen understøttes af de alternative energikilder ultralyd med høj effekt, mikrobølger og laser.

Organiske katalysatorer har vist sig effektivt at kunne styre polymerisationen af laktid, men deres aktivitet skal stadig forbedres for at opfylde industrielle standarder. Dette vil blive opnået ved at tilføre alternative energiformer i form af ultralyd, mikrobølger og laserlys, da de øger katalysatoraktiviteten og muliggør præcis styring af reaktionen ved kun at excitere små dele af reaktionsblandingen uden responstid.
Projektet kombinerer derfor et nyt reaktorsystem, hvor de alternative energikilder tilføres mediet, med en organisk katalysator for at opnå en metalfri PLA i en reaktiv ekstruderingsproces. (se billede 1)
InnoREX-projektet udnytter derfor den hurtige responstid for mikrobølger, ultralyd og laserlys til at opnå en præcist styret og effektiv kontinuerlig polymerisation af PLA med høj molekylvægt i en dobbeltskrueekstruder. Derudover vil der blive opnået betydelige energibesparelser ved at kombinere polymerisation, kompoundering og formgivning i ét produktionstrin.

Ultralyd med høj effekt

Tre alternative energikilder – ultralyd, mikrobølger og laserbestråling – kombineres for at inducere ringåbningspolymerisationen og sikre polymerisation med høj molekylvægt. Under den begrænsede opholdstid i reaktorkammeret tilfører de alternative energikilder den nødvendige reaktionsdrivende påvirkning meget målrettet i en inline-flowcelle (se billede 2). Dermed kan metalholdige katalysatorer såsom tin (II) 2-ethylhexanoat undgås, selv om de i konventionelle ekstruderingsprocesser er nødvendige for at øge laktonernes polymerisationshastighed til et acceptabelt effektivt niveau.
I InnoREX-pilotanlægget er ultralydsprocessoren med høj effekt UIP1000hd, som kan levere 1kW ultralydseffekt, blevet integreret. Ultralyd med høj effekt er velkendt for sine positive virkninger på kemiske reaktioner, et fænomen, der kaldes sonokemi. Når ultralydsbølger med høj effekt tilføres et flydende medium, skaber bølgerne cyklusser med højt tryk (kompression) og lavt tryk (fortynding), som resulterer i ultralydskavitation. Kavitation beskriver “dannelsen, væksten og det implosive kollaps af bobler i en væske. Kavitationskollaps frembringer intens lokal opvarmning (~5000K), høje tryk (~1000 atm) og enorme opvarmnings- og afkølingshastigheder (>109 K/sec)” samt væskestrømning med væskestråler på ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
De ultralydsgenererede kavitationskræfter tilfører kinetisk energi, dispergerer partiklerne og danner radikaler, som understøtter den kemiske polymerisationsreaktion.
Generelle positive virkninger af sonikering under en polymerisationsreaktion er:

• initiering af polymerisation som følge af sonokemisk dannede radikaler (polymerisationskinetik)
• øgning af polymerisationshastigheden
• snævrere polydispersiteter, men højere molekylvægt for polymererne
• mere homogen reaktion og dermed mindre spredning i kædelængderne

Litteratur/referencer

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