InnoREX – Ultraäänellä parannettu PLA-suulakepuristus

Ultraäänisekoitus, dispergointi ja emulgointi parantaa polymaitohappojen (PLA) suulakepuristusta. Ultrasonicationin toteuttaminen ekstruusiolinjoihin lisää tuotetun PLA: n saantoa ja laatua.

Polylaktidin synteesi

Polylaktidihapot tai polylaktidi (PLA) on termoplastinen alifaattinen polyesteri, joka syntetisoidaan maitohaposta ja laktidimonomeereistä. Maitotidi on syklinen diesteri, joka on peräisin fermentoidusta kasvitärkkelyksestä (esim. maissitärkkelys, sokeriruoko) ja jota käytetään muovien kasvipohjaisena korvikkeena. Siten PLA-synteesi sopii täydellisesti vihreän kemian alueelle. PLA herätti nopeasti suurta kiinnostusta, koska se on biopohjainen, biohajoava korvike perinteisille petrokemikaalipohjaisille muoveille.
Tietoja PLA: PLA: sta (C₃H₄O₂)n tiheys on 1210-1430 kg/m³, on veteen liukenematon, kovempi kuin PTFE ja sulaa 150–220 °C:n lämpötilassa.

InnoREX – Innovatiivinen polymerointiprosessi

PLA: n nykyinen tuotantoprosessi vaatii metallipitoisia katalyyttejä terveydelle ja ympäristölle vaarallisten laktonien polymerointinopeuden parantamiseksi. Katalyyttien hyödyntämisen ongelmallisuuden ja biopohjaisten polymeerien kasvavan kysynnän osalta InnoREX-projekti keskittyy kehittämään polymerointiprosessia, jossa perinteinen katalyyttejä sisältävä metalli korvataan orgaanisella katalyytillä ja sitä avustavat vaihtoehtoiset energialähteet suuritehoinen ultraääni, mikroaalto ja laser.

Orgaanisten katalyyttien on osoitettu kontrolloivan tehokkaasti laktidin polymeroitumista, mutta niiden aktiivisuutta on vielä parannettava teollisuusstandardien täyttämiseksi. Tämä saavutetaan ottamalla käyttöön vaihtoehtoisia energiamuotoja, jotka Ultraääni, mikroaallot ja laservalo, koska ne lisäävät katalyytin aktiivisuutta ja mahdollistavat reaktion tarkan hallinnan herättämällä vain pieniä osia reaktioseoksesta ilman vasteaikaa.
Siksi hankkeessa yhdistyvät uusi reaktorijärjestelmä, jossa vaihtoehtoiset energialähteet viedään väliaineeseen, orgaaniseen katalyyttiin, jotta saadaan metalliton PLA reaktiivisessa ekstruusioprosessissa. (katso kuva 1)
Siksi InnoREX-projekti käyttää mikroaaltojen, ultraäänen ja laservalon nopeaa vasteaikaa saavuttaakseen tarkasti ohjatun ja tehokkaan jatkuvan polymeroinnin suurimolekyylipainoisella PLA: lla kaksoisruuvisuulakepuristimessa. Lisäksi saavutetaan merkittäviä energiansäästöjä yhdistämällä polymerointi, sekoittaminen ja muotoilu yhdessä tuotantovaiheessa.

Suuritehoinen ultraääni

Kolme vaihtoehtoista energialähdettä - ultraääni, mikroaalto ja lasersäteilytys - yhdistetään renkaan avaavan polymeroinnin indusoimiseksi korkean molekyylipainon polymeroinnin varmistamiseksi. Rajoitetun viipymäajan aikana reaktorikammiossa vaihtoehtoiset energialähteet tuovat vaaditun reaktiota ajavan vaikutuksen inline-virtauskennoon (ks. kuva 2) erittäin kohdennetulla tasolla. Siten voidaan välttää metallia sisältäviä katalyyttejä, kuten tinaa (II) 2-etyyliheksanoaattia, jota tarvitaan tavanomaisissa ekstruusioprosesseissa, joita tarvitaan laktonien polymerointinopeuden nostamiseksi hyväksyttävälle tehokkaalle tasolle.
InnoREX-pilottilaitosjärjestelmälle, suuritehoiselle ultraääniprosessorille UIP1000hd, joka pystyy tuottamaan 1 kW: n ultraäänitehon, on integroitu. Suuritehoinen ultraääni tunnetaan hyvin positiivisista vaikutuksistaan kemiallisiin reaktioihin, mikä on sonokemian ilmiö. Kun suuritehoiset ultraääniaallot viedään nestemäiseen väliaineeseen, aallot luovat korkeapaineisia (puristus) ja matalapaineisia (harvinaisia) syklejä, jotka johtavat ultraääneen kavitaatio. Kavitaatio kuvaa “kuplien muodostuminen, kasvu ja implossiivinen romahtaminen nesteessä. Kavitaatiokollapsi aiheuttaa voimakasta paikallista kuumenemista (~5000 K), korkeita paineita (~1000 atm) ja valtavia lämmitys- ja jäähdytysnopeuksia (>109 K/s)” kuten nestevirtaus, jossa nestesuihkut ovat ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Ultraäänellä tuotetut kavitaatiovoimat tarjoavat kineettistä energiaa, hajottavat hiukkaset ja luovat radikaaleja, jotka tukevat kemiallista polymerointireaktiota.
Sonikoinnin yleiset positiiviset vaikutukset polymerointireaktion aikana ovat:

• sonokemiallisesti luotujen radikaalien (polymerointikinetiikka) aiheuttaman polymeroinnin aloittaminen
• polymerointinopeuden kiihtyvyys
• kapeammat polydispersiteet, mutta polymeerien suurempi molekyylipaino
• homogeenisempi reaktio ja siten ketjun pituuksien pienempi jakautuminen

Kirjallisuus/viitteet

• K.S. Suslick (1998): Kirk-Othmerin kemian tekniikan tietosanakirja; 4. painos J. Wiley & Pojat: New York, 1998, osa 26, 517-541.