InnoREX – Ultraschallgestützte Verbesserung der PLA-Extrusion

Mischen, Dispergieren und Emulgieren mit Ultraschall verbessern die Extrusion von Polymilchsäuren (PLA). Die Integration der Ultraschallbehandlung in Extrusionslinien erhöht die Ausbeute und die Qualität des erzeugten PLA.

Polylactid-Synthese

Polymilchsäure oder Polylactid (PLA) ist ein thermoplastischer aliphatischer Polyester, der aus Milchsäure und Lactidmonomeren synthetisiert wird. Lactid ist ein zyklischer Diester, der aus fermentierter Pflanzenstärke (z. B. Maisstärke, Zuckerrohr) gewonnen und als pflanzenbasierter Ersatz für Kunststoffe verwendet wird. Damit passt die PLA-Synthese hervorragend in den Bereich der grünen Chemie. PLA stieß schnell auf großes Interesse, da es eine biobasierte, biologisch abbaubare Alternative zu herkömmlichen Kunststoffen auf petrochemischer Basis ist.
Fakten zu PLA: PLA (C₃H₄O₂)n hat eine Dichte von 1210–1430 kg/m³, ist wasserunlöslich, härter als PTFE und schmilzt bei Temperaturen zwischen 150degC und 220degC.

InnoREX – Innovatives Polymerisationsverfahren

Das derzeitige Herstellungsverfahren für PLA erfordert metallhaltige Katalysatoren zur Erhöhung der Polymerisationsgeschwindigkeit der Lactone. Diese Katalysatoren sind gesundheits- und umweltschädlich. Angesichts der Problematik des Katalysatoreinsatzes und der wachsenden Nachfrage nach biobasierten Polymeren konzentriert sich das InnoREX-Projekt auf die Entwicklung eines Polymerisationsverfahrens, bei dem die herkömmlichen metallhaltigen Katalysatoren durch einen organischen Katalysator ersetzt werden und der Prozess durch die alternativen Energiequellen Hochleistungsultraschall, Mikrowellen und Laser unterstützt wird.

Es wurde gezeigt, dass organische Katalysatoren die Polymerisation von Lactid effizient steuern können. Ihre Aktivität muss jedoch noch verbessert werden, um industrielle Standards zu erfüllen. Dies soll durch den Eintrag alternativer Energien in Form von Ultraschall, Mikrowellen und Laserlicht erreicht werden, da diese die Katalysatoraktivität erhöhen und eine präzise Steuerung der Reaktion ermöglichen, indem sie ohne Ansprechverzögerung nur kleine Bereiche des Reaktionsgemisches anregen.
Das Projekt kombiniert daher ein neuartiges Reaktorsystem, in dem die alternativen Energiequellen in das Medium eingekoppelt werden, mit einem organischen Katalysator, um in einem reaktiven Extrusionsverfahren metallfreies PLA zu erhalten. (siehe Abb. 1)
Das InnoREX-Projekt nutzt somit die schnelle Ansprechzeit von Mikrowellen, Ultraschall und Laserlicht, um eine präzise gesteuerte und effiziente kontinuierliche Polymerisation von hochmolekularem PLA in einem Doppelschneckenextruder zu erreichen. Darüber hinaus sollen durch die Kombination von Polymerisation, Compoundierung und Formgebung in einem einzigen Produktionsschritt erhebliche Energieeinsparungen erzielt werden.

Hochleistungsultraschall

Drei alternative Energiequellen – Ultraschall, Mikrowellen und Laserstrahlung – werden kombiniert, um die Ringöffnungspolymerisation auszulösen und die Bildung von Polymeren mit hohem Molekulargewicht sicherzustellen. Während der begrenzten Verweilzeit in der Reaktorkammer wird die erforderliche Reaktionsenergie durch die alternativen Energiequellen sehr gezielt in eine Inline-Durchflusszelle eingetragen (siehe Abb. 2). Dadurch kann auf metallhaltige Katalysatoren wie Zinn(II)-2-ethylhexanoat verzichtet werden, die in herkömmlichen Extrusionsverfahren erforderlich sind, um die Polymerisationsgeschwindigkeit der Lactone auf ein akzeptables, effizientes Niveau zu erhöhen.
In die Pilotanlage von InnoREX wurde der Hochleistungsultraschallprozessor UIP1000hd, der 1kW Ultraschallleistung bereitstellen kann, integriert. Hochleistungsultraschall ist für seine positiven Auswirkungen auf chemische Reaktionen bekannt. Dieses Phänomen wird als Sonochemie bezeichnet. Werden leistungsstarke Ultraschallwellen in ein flüssiges Medium eingekoppelt, erzeugen sie abwechselnde Hochdruckphasen (Kompression) und Niederdruckphasen (Expansion), die zur ultraschallinduzierten Kavitation führen. Kavitation bezeichnet die Bildung, das Wachstum und den implosiven Kollaps von Blasen in einer Flüssigkeit. Der Kavitationskollaps erzeugt eine starke lokale Erwärmung (~5000K), hohe Drücke (~1000 atm), enorme Aufheiz- und Abkühlraten (>109 K/sec) sowie Flüssigkeitsströmungen mit Flüssigkeitsstrahlen von ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Die durch Ultraschall erzeugten Kavitationskräfte liefern kinetische Energie, dispergieren die Partikel und erzeugen Radikale, die die chemische Polymerisationsreaktion unterstützen.
Allgemeine positive Auswirkungen der Ultraschallbehandlung während einer Polymerisationsreaktion sind:

• Initiierung der Polymerisation durch sonochemisch erzeugte Radikale (Polymerisationskinetik)
• Erhöhung der Polymerisationsgeschwindigkeit
• geringere Polydispersität bei gleichzeitig höherem Molekulargewicht der Polymere
• homogenere Reaktion und damit eine engere Verteilung der Kettenlängen

Literatur/Quellen

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