InnoREX – Extrusion du PLA améliorée par ultrasons

Le mélange, la dispersion et l’émulsification par ultrasons améliorent l’extrusion des acides polylactiques (PLA). L’intégration de la sonication dans les lignes d’extrusion augmente le rendement et la qualité du PLA produit.

Synthèse du polylactide

L’acide polylactique, ou polylactide (PLA), est un polyester aliphatique thermoplastique synthétisé à partir d’acide lactique et de monomères de lactide. Le lactide est un diester cyclique issu de la fermentation de matières végétales (par exemple, l’amidon de maïs ou la canne à sucre) et utilisé comme substitut d’origine végétale aux plastiques. La synthèse du PLA s’inscrit ainsi parfaitement dans le domaine de la chimie verte. Le PLA a rapidement suscité un vif intérêt en tant que substitut biosourcé et biodégradable aux plastiques conventionnels issus de la pétrochimie.
Caractéristiques du PLA : le PLA (C₃H₄O₂)n a une masse volumique de 1210–1430 kg/m³, est insoluble dans l’eau, plus dur que le PTFE et fond à des températures comprises entre 150degC et 220degC.

InnoREX – Procédé de polymérisation innovant

Le procédé actuel de production du PLA nécessite des catalyseurs contenant des métaux pour accroître la vitesse de polymérisation des lactones ; ces catalyseurs sont dangereux pour la santé et l’environnement. Face aux problèmes liés à l’utilisation des catalyseurs et à la demande croissante de polymères biosourcés, le projet InnoREX se concentre sur le développement d’un procédé de polymérisation dans lequel les catalyseurs conventionnels contenant des métaux sont remplacés par un catalyseur organique, avec l’appui de sources d’énergie alternatives : ultrasons de forte puissance, micro-ondes et laser.

Il a été démontré que les catalyseurs organiques contrôlent efficacement la polymérisation du lactide, mais leur activité doit encore être améliorée pour satisfaire aux exigences industrielles. Cette amélioration sera obtenue grâce à l’apport de sources d’énergie alternatives : ultrasons, micro-ondes et lumière laser, qui augmentent l’activité du catalyseur et permettent un contrôle précis de la réaction en excitant uniquement de petites parties du mélange réactionnel, sans délai de réponse.
Le projet associe donc un nouveau système de réacteur, dans lequel les sources d’énergie alternatives sont introduites dans le milieu, à un catalyseur organique afin d’obtenir un PLA sans métaux par un procédé d’extrusion réactive. (Voir fig. 1)
Le projet InnoREX exploite ainsi le temps de réponse rapide des micro-ondes, des ultrasons et de la lumière laser pour réaliser une polymérisation continue, efficace et précisément contrôlée du PLA de masse moléculaire élevée dans une extrudeuse bivis. En outre, des économies d’énergie importantes seront réalisées en réunissant la polymérisation, le compoundage et la mise en forme en une seule étape de production.

Ultrasons de forte puissance

Trois sources d’énergie alternatives – ultrasons, micro-ondes et irradiation laser – sont combinées pour induire la polymérisation par ouverture de cycle et garantir l’obtention d’un polymère de masse moléculaire élevée. Pendant le temps de séjour limité dans la chambre du réacteur, les sources d’énergie alternatives apportent de manière très ciblée l’énergie nécessaire à la réaction dans une cellule à circulation en ligne (voir fig. 2). Il est ainsi possible d’éviter les catalyseurs contenant des métaux, tels que le 2-éthylhexanoate d’étain (II), nécessaires dans les procédés d’extrusion conventionnels pour porter la vitesse de polymérisation des lactones à un niveau d’efficacité acceptable.
Pour l’installation pilote InnoREX, le processeur à ultrasons de forte puissance UIP1000hd, capable de fournir une puissance ultrasonore de 1kW, a été intégré. Les ultrasons de forte puissance sont bien connus pour leurs effets positifs sur les réactions chimiques, un phénomène qui relève de la sonochimie. Lorsque des ondes ultrasonores de forte puissance sont introduites dans un milieu liquide, elles créent des cycles de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction), entraînant une cavitation ultrasonore. La cavitation désigne « la formation, la croissance et l’effondrement implosif de bulles dans un liquide. L’effondrement des bulles de cavitation produit un échauffement local intense (~5000K), des pressions élevées (~1000 atm) et des vitesses considérables de chauffage et de refroidissement (>109 K/sec) », ainsi que des écoulements liquides accompagnés de jets liquides d’environ ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Les forces de cavitation générées par ultrasons fournissent de l’énergie cinétique, dispersent les particules et créent des radicaux qui favorisent la réaction chimique de polymérisation.
Les effets positifs généraux de la sonication pendant une réaction de polymérisation sont les suivants :

• amorçage de la polymérisation par les radicaux créés par sonochimie (cinétique de polymérisation)
• accélération de la vitesse de polymérisation
• polydispersité réduite, mais masse moléculaire plus élevée des polymères
• réaction plus homogène et, par conséquent, distribution plus étroite des longueurs de chaîne

Bibliographie et références

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