InnoREX – بهبود اکستروژن PLA با فراصوت

اختلاط، پراکنده‌سازی و امولسیون‌سازی فراصوتی، اکستروژن پلی‌لاکتیک‌اسیدها (PLA) را بهبود می‌بخشد. به‌کارگیری فراصوت‌دهی در خطوط اکستروژن، بازده و کیفیت PLA تولیدشده را افزایش می‌دهد.

سنتز پلی‌لاکتید

پلی‌لاکتیک‌اسید یا پلی‌لاکتید (PLA)، یک پلی‌استر آلیفاتیک گرمانرم است که از مونومرهای اسید لاکتیک و لاکتید سنتز می‌شود. لاکتید یک دی‌استر حلقوی است که از نشاستهٔ گیاهی تخمیرشده (مانند نشاستهٔ ذرت، نیشکر) به دست می‌آید و به‌عنوان جایگزینی گیاهی برای پلاستیک‌ها استفاده می‌شود. ازاین‌رو، سنتز PLA کاملاً در چارچوب شیمی سبز قرار می‌گیرد. PLA به‌سرعت توجه بسیاری را به خود جلب کرد، زیرا جایگزینی زیست‌پایه و زیست‌تخریب‌پذیر برای پلاستیک‌های متداول با منشأ پتروشیمی است.
اطلاعاتی دربارهٔ PLA: پلیمر PLA با فرمول (C₃H₄O₂)n دارای چگالی 1210-1430 kg/m³ است، در آب حل نمی‌شود، از PTFE سخت‌تر است و در دماهای بین 150degC و 220degC ذوب می‌شود.

InnoREX – فرایند نوآورانهٔ پلیمریزاسیون

فرایند کنونی تولید PLA برای افزایش سرعت پلیمریزاسیون لاکتون‌ها به کاتالیزورهای حاوی فلز نیاز دارد که برای سلامت و محیط‌زیست خطرناک هستند. با توجه به مشکلات استفاده از کاتالیزورها و تقاضای روبه‌رشد برای پلیمرهای زیست‌پایه، پروژهٔ InnoREX بر توسعهٔ فرایندی برای پلیمریزاسیون تمرکز دارد که در آن، کاتالیزورهای متداول حاوی فلز با یک کاتالیزور آلی جایگزین می‌شوند و منابع انرژی جایگزین، شامل فراصوت پرتوان، مایکروویو و لیزر، به پیشبرد فرایند کمک می‌کنند.

نشان داده شده است که کاتالیزورهای آلی، پلیمریزاسیون لاکتید را به‌طور مؤثر کنترل می‌کنند، اما فعالیت آن‌ها همچنان باید بهبود یابد تا استانداردهای صنعتی را برآورده کنند. این هدف با وارد کردن انرژی‌های جایگزینِ فراصوت، مایکروویو و نور لیزر محقق خواهد شد، زیرا این انرژی‌ها فعالیت کاتالیزور را افزایش می‌دهند و با برانگیختن تنها بخش‌های کوچکی از مخلوط واکنش، کنترل دقیق واکنش را بدون تأخیر در پاسخ امکان‌پذیر می‌کنند.
بنابراین، این پروژه یک سامانهٔ راکتور نوین را که در آن منابع انرژی جایگزین به محیط وارد می‌شوند، با یک کاتالیزور آلی ترکیب می‌کند تا در فرایند اکستروژن واکنشی، PLA عاری از فلز به دست آید. (به تصویر 1 مراجعه کنید)
ازاین‌رو، پروژهٔ InnoREX از زمان پاسخ سریع مایکروویو، فراصوت و نور لیزر بهره می‌گیرد تا پلیمریزاسیون پیوسته و کارآمد PLA با وزن مولکولی بالا را با کنترل دقیق در یک اکسترودر دومارپیچه انجام دهد. همچنین، با ترکیب پلیمریزاسیون، آمیزه‌سازی و شکل‌دهی در یک مرحلهٔ تولید، صرفه‌جویی قابل‌توجهی در انرژی حاصل خواهد شد.

فراصوت پرتوان

سه منبع انرژی جایگزین – فراصوت، مایکروویو و تابش لیزر – با یکدیگر ترکیب می‌شوند تا پلیمریزاسیون حلقه‌گشا را القا کنند و از دستیابی به پلیمر با وزن مولکولی بالا اطمینان حاصل شود. در مدت‌زمان ماند محدود در محفظهٔ راکتور، منابع انرژی جایگزین، اثر محرک لازم برای پیشبرد واکنش را به‌شکلی بسیار هدفمند به یک سلول جریان درون‌خطی وارد می‌کنند (به تصویر 2 مراجعه کنید). به‌این‌ترتیب، می‌توان از مصرف کاتالیزورهای حاوی فلز، مانند 2-اتیل‌هگزانوات قلع (II)، اجتناب کرد؛ کاتالیزوری که در فرایندهای متداول اکستروژن برای افزایش سرعت پلیمریزاسیون لاکتون‌ها تا سطحی کارآمد و قابل‌قبول لازم است.
برای سامانهٔ پایلوت InnoREX، پردازشگر فراصوتی پرتوان UIP1000hd، با قابلیت تأمین توان فراصوتی 1kW، در سامانه ادغام شده است. فراصوت پرتوان به‌دلیل اثرات مثبت آن بر واکنش‌های شیمیایی شناخته شده است؛ پدیده‌ای که سونوشیمی نام دارد. هنگامی که امواج فراصوت پرتوان به یک محیط مایع وارد می‌شوند، چرخه‌های پرفشار (تراکم) و کم‌فشار (انبساط) ایجاد می‌کنند که به بروز پدیدهٔ فراصوتیِ کاویتاسیون می‌انجامند. کاویتاسیون بیانگر «تشکیل، رشد و فروپاشی انفجاری رو به داخل حباب‌ها در یک مایع است. فروپاشی کاویتاسیونی، گرمایش موضعی شدید (~5000K)، فشارهای بالا (~1000 atm) و نرخ‌های بسیار زیاد گرم‌شدن و سردشدن (>109 K/sec) ایجاد می‌کند»؛ همچنین جریان‌یافتن مایع با جت‌های مایع با سرعت ~400 km/h رخ می‌دهد. (K.S. Suslick 1998)
نیروهای کاویتاسیونی ایجادشده با فراصوت، انرژی جنبشی فراهم می‌کنند، ذرات را پراکنده می‌سازند و رادیکال‌هایی تولید می‌کنند که به واکنش شیمیایی پلیمریزاسیون کمک می‌کنند.
اثرات مثبت عمومی فراصوت‌دهی در طول واکنش پلیمریزاسیون عبارت‌اند از:

• آغاز پلیمریزاسیون به‌واسطهٔ رادیکال‌های تولیدشده با سونوشیمی (سینتیک پلیمریزاسیون)
• افزایش سرعت پلیمریزاسیون
• چندپراکندگی کمتر، اما وزن مولکولی بالاتر پلیمرها
• واکنش همگن‌تر و در نتیجه، توزیع باریک‌تر طول زنجیره‌ها

منابع و مراجع

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