InnoREX – ultrahelil täiustatud PLA ekstrusioon

Ultraheliga segamine, dispergeerimine ja emulgeerimine parandab polümilkhapete (PLA) ekstrusiooni. Ultraheli töötluse rakendamine ekstrusiooniinides suurendab toodetava PLA saagist ja kvaliteeti.

Polülaktiidi süntees

Polümilkhapped ehk polülaktiid (PLA) on termoplastne alifaatne polüester, mis sünteesitakse piimhappest ja laktiidmonomeeridest. Laktiid on tsükliline diester, mis on saadud kääritatud taimsest tärklisest (nt maisitärklis, suhkruroog) ning mida kasutatakse taimse asendajana plastidele. Seega sobib PLA süntees suurepäraselt rohelise keemia valdkonda. PLA pälvis kiiresti suure huvi, kuna see on biopõhine ja biolagunev asendaja tavapärastele petrokeemiapõhistele plastidele.
Faktid PLA kohta: PLA (C₃H₄O₂)n tihedus on 1210-1430 kg/m³, see ei lahustu vees, on kõvem kui PTFE ja sulab temperatuuridel vahemikus 150degC kuni 220degC.

InnoREX – uuenduslik polümerisatsiooniprotsess

PLA praegune tootmisprotsess nõuab metalli sisaldavaid katalüsaatoreid, et suurendada laktoonide polümerisatsioonikiirust, ning need on tervisele ja keskkonnale ohtlikud. Arvestades katalüsaatorite kasutamise problemaatilisust ja biopõhiste polümeeride kasvavat nõudlust, keskendub InnoREX-i projekt sellise polümerisatsiooniprotsessi väljatöötamisele, milles tavapärased metalli sisaldavad katalüsaatorid asendatakse orgaanilise katalüsaatoriga ning mida toetavad alternatiivsed energiaallikad: suure võimsusega ultraheli, mikrolained ja laser.

On näidatud, et orgaanilised katalüsaatorid suudavad laktiidi polümerisatsiooni tõhusalt kontrollida, kuid nende aktiivsust tuleb tööstusstandarditele vastamiseks veel parandada. See saavutatakse alternatiivsete energiaallikate kasutuselevõtuga, milleks on ultraheli, mikrolained ja laservalgus, kuna need suurendavad katalüsaatori aktiivsust ja võimaldavad reaktsiooni täpset juhtimist, ergastades ainult väikseid osi reaktsioonisegust ilma reageerimisajata.
Seetõttu ühendab projekt uudse reaktorisüsteemi, kus alternatiivsed energiaallikad viiakse söötmesse, orgaanilise katalüsaatoriga, et saada metallivaba PLA reaktiivses ekstrusiooniprotsessis. (vt joon. 1)
Seetõttu kasutab InnoREX-i projekt mikrolainete, ultraheli ja laservalguse kiiret reageerimisaega, et saavutada suure molekulmassiga PLA täpselt kontrollitud ja tõhus pidev polümerisatsioon kaksikkruvi-ekstruuderis. Lisaks saavutatakse märkimisväärne energiasääst, kui polümerisatsioon, kompaundimine ja vormimine ühendatakse ühes tootmisetapis.

Suure võimsusega ultraheli

Kolm alternatiivset energiaallikat – ultraheli, mikrolained ja laserkiirgus – kombineeritakse, et esile kutsuda ringi avanemisega polümerisatsioon ja tagada suure molekulmassiga polümerisatsioon. Reaktorikambris piiratud viibimisaja jooksul viivad alternatiivsed energiaallikad vajaliku reaktsiooni ajendava mõju in-line läbivoolukambrisse (vt joon. 2) väga sihipärasel tasemel. Seeläbi saab vältida metalli sisaldavaid katalüsaatoreid, näiteks tina(II) 2-etüülheksanoaati, mida tavapärastes ekstrusiooniprotsessides on vaja laktoonide polümerisatsioonikiiruse tõstmiseks vastuvõetavalt tõhusale tasemele.
InnoREX-i katseseadme süsteemi on integreeritud suure võimsusega ultraheliprotsessor UIP1000hd, mis suudab anda 1kW ultrahelivõimsust. Suure võimsusega ultraheli on hästi tuntud oma positiivse mõju poolest keemilistele reaktsioonidele, mida nimetatakse sonokeemiaks. Kui suure võimsusega ultrahelilained juhitakse vedelasse keskkonda, tekitavad lained kõrgsurve- (kokkusurumis-) ja madalsurvetsükleid (hõrenemistsükleid), mille tulemuseks on ultraheli kavitatsioon. Kavitatsioon kirjeldab „vedelikus mullide teket, kasvu ja implosiivset kollapsit. Kavitatsiooniline kollaps tekitab intensiivset kohalikku kuumenemist (~5000K), kõrgeid rõhke (~1000 atm) ning tohutuid kuumenemis- ja jahtumiskiirusi (>109 K/sec)“, samuti vedelikuvoolu vedelikujugadega kiirusel ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Ultrahelil tekitatud kavitatsioonijõud annavad kineetilist energiat, dispergeerivad osakesi ja tekitavad radikaale, mis toetavad keemilist polümerisatsioonireaktsiooni.
Ultraheli töötluse (sonikeerimise) üldised positiivsed mõjud polümerisatsioonireaktsiooni ajal on:

• polümerisatsiooni algatamine sonokeemiliselt tekitatud radikaalide abil (polümerisatsiooni kineetika)
• polümerisatsioonikiiruse kiirenemine
• kitsamad polüdisperssused, kuid polümeeride suurem molekulmass
• homogeensem reaktsioon ja seetõttu väiksem ahelapikkuste jaotus

Kirjandus ja viited

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