InnoREX - Extrusion de PLA améliorée par ultrasons

Le mélange, la dispersion et l'émulsification par ultrasons améliorent l'extrusion des acides polylactiques (PLA). La mise en œuvre d'ultrasons dans les lignes d'extrusion augmente le rendement et la qualité de l'acide polylactique produit.

Synthèse du polyactide

L'acide polylactide ou polylactide (PLA) est un polyester aliphatique thermoplastique synthétisé à partir de monomères d'acide lactique et de lactide. Le lactide est un diester cyclique dérivé d'amidon végétal fermenté (par exemple, amidon de maïs, canne à sucre) et utilisé comme substitut végétal des matières plastiques. La synthèse du PLA s'inscrit donc parfaitement dans le cadre de la chimie verte. Le PLA a rapidement suscité un grand intérêt, car il s'agit d'un substitut biologique et biodégradable aux plastiques conventionnels issus de la pétrochimie.
Faits concernant le PLA : le PLA (C3H4O2)n a une densité de 1210-1430 kg/m3Il est insoluble dans l'eau, plus dur que le PTFE et fond à des températures comprises entre 150 et 220 degrés Celsius.

InnoREX – Procédé de polymérisation innovant

Le processus de production actuel du PLA nécessite des catalyseurs contenant des métaux pour améliorer le taux de polymérisation des lactones, ce qui est dangereux pour la santé et l'environnement. Compte tenu de la nature problématique de l'utilisation des catalyseurs et de la demande croissante de polymères d'origine biologique, le projet InnoREX se concentre sur le développement d'un processus de polymérisation dans lequel les catalyseurs conventionnels contenant des métaux sont remplacés par un catalyseur organique et assistés par les sources d'énergie alternatives que sont les ultrasons de forte puissance, les micro-ondes et les lasers.

Processeur à ultrasons haute performance de 2 kW UIP2000hdT combiné à une extrudeuse à double vis

ultrasonateur UIP2000hdT dans le système d'extrusion

Processeur à ultrasons haute performance de 2 kW UIP2000hdT combiné à une extrudeuse à double vis

Ultrasons dans un système d'extrusion

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Il a été démontré que les catalyseurs organiques contrôlent efficacement la polymérisation du lactide, mais leur activité doit encore être améliorée pour répondre aux normes industrielles. Cet objectif sera atteint grâce à l'introduction d'énergies alternatives telles que l'énergie solaire. ultrasonsLes micro-ondes et la lumière laser augmentent l'activité du catalyseur et permettent un contrôle précis de la réaction en n'excitant que de petites parties du mélange réactionnel sans temps de réponse.
Le projet combine donc un nouveau système de réacteur, où les sources d'énergie alternatives sont introduites dans le milieu, avec un catalyseur organique pour obtenir un PLA sans métal dans un processus d'extrusion réactif. (voir image 1)
C'est pourquoi le projet InnoREX utilise le temps de réponse rapide des micro-ondes, des ultrasons et de la lumière laser pour réaliser une polymérisation continue efficace et contrôlée avec précision du PLA à haut poids moléculaire dans une extrudeuse à double vis. En outre, d'importantes économies d'énergie seront réalisées en combinant la polymérisation, le compoundage et la mise en forme en une seule étape de production.

Les ultrasons sont utilisés comme énergie alternative pour améliorer l'extrusion réactive du PLA. (Cliquez pour agrandir !)

Image 1 : Une nouvelle façon d'améliorer la polymérisation du PLA (source InnoREX)

Ultrasons pour améliorer la polymérisation du PLA

UIP2000hd – Processeur à ultrasons de 2 kW utilisé en R&Stade D d'InnoREX

ultrasons de haute puissance

Trois sources d'énergie alternatives - ultrasons, micro-ondes et irradiation laser - sont combinées pour induire la polymérisation par ouverture de cycle afin de garantir une polymérisation à haut poids moléculaire. Pendant le temps de séjour limité dans la chambre du réacteur, les sources d'énergie alternatives introduisent l'impact nécessaire à la réaction dans une cellule d'écoulement en ligne (voir image 2) à un niveau très ciblé. Il est ainsi possible d'éviter les catalyseurs contenant des métaux, tels que le 2-éthylhexanoate d'étain (II), qui sont nécessaires dans les procédés d'extrusion conventionnels pour augmenter la vitesse de polymérisation des lactones à un niveau d'efficacité acceptable.
Pour l'installation pilote InnoREX, le processeur ultrasonique à haute puissance UIP1000hdqui est capable de fournir une puissance d'ultrasons de 1kW, a été intégré. Les ultrasons de forte puissance sont bien connus pour leurs effets positifs sur les réactions chimiques, ce qui constitue le phénomène 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), ce qui produit des ultrasons. cavitation. La cavitation décrit "la formation, la croissance et l'effondrement implosif de bulles dans un liquide". L'effondrement cavitationnel produit un chauffage local intense (~5000K), des pressions élevées (~1000 atm) et d'énormes vitesses de chauffage et de refroidissement (>109 K/sec)", comme un liquide en flux avec des jets de liquide de ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Les forces de cavitation générées par les ultrasons fournissent de l'énergie cinétique, dispersent les particules et créent des radicaux qui soutiennent la réaction chimique de polymérisation.
Les effets positifs généraux de la sonication au cours d'une réaction de polymérisation sont les suivants :

  • initiation de la polymérisation par des radicaux créés par voie sonochimique (cinétique de la polymérisation)
  • accélération de la vitesse de polymérisation
  • des polydispersités plus étroites, mais un poids moléculaire plus élevé des polymères
  • une réaction plus homogène et donc une distribution plus faible des longueurs de chaîne
The picture shows the process setup of combined ultrasound (HIelscher's UIP2000hd), microwave and laser to induce a ring-opening polymerization under absence of metal-containing catalysts

Figure 2 : Configuration du processus avec ultrasons, micro-ondes et laser pour réaliser une polymérisation par ouverture de cycle évitant l'utilisation de catalyseurs contenant des métaux (Source : InnoREX)

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Littérature/références

  • K.S. Suslick (1998) : Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology ; 4e éd. J. Wiley & Sons : New York, 1998, vol. 26, 517-541.
Les ultrasons à haute puissance de Hielscher sont utilisés comme source d'énergie alternative dans le projet InnoREX pour la polymérisation sans métal du PLA

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