InnoREX – Ultrahanggal javított PLA-extrudálás

Az ultrahangos keverés, diszpergálás és emulgeálás javítja a politejsavak (PLA) extrudálását. Az ultrahangos kezelés beépítése az extrudálósorokba növeli az előállított PLA kihozatalát és minőségét.

A polilaktid szintézise

A politejsav vagy polilaktid (PLA) termoplasztikus alifás poliészter, amelyet tejsavból és laktidmonomerekből szintetizálnak. A laktid ciklikus diészter, amelyet fermentált növényi keményítőből (pl. kukoricakeményítőből, cukornádból) nyernek, és a műanyagok növényi alapú helyettesítőjeként használnak. Ezáltal a PLA szintézise tökéletesen illeszkedik a zöld kémia területéhez. A PLA gyorsan nagy érdeklődést váltott ki, mivel a hagyományos petrolkémiai alapú műanyagok bioalapú, biológiailag lebomló helyettesítője.
Tények a PLA-ról: A PLA (C₃H₄O₂)n sűrűsége 1210–1430 kg/m³, vízben oldhatatlan, keményebb a PTFE-nél, és 150degC és 220degC közötti hőmérsékleten olvad.

InnoREX – Innovatív polimerizációs eljárás

A PLA jelenlegi gyártási eljárása fémtartalmú katalizátorokat igényel a laktonok polimerizációs sebességének növeléséhez; ezek a katalizátorok veszélyesek az egészségre és a környezetre. A katalizátorok alkalmazásának problémái és a bioalapú polimerek iránti növekvő kereslet miatt az InnoREX projekt olyan polimerizációs eljárás fejlesztésére összpontosít, amelyben a hagyományos fémtartalmú katalizátorokat szerves katalizátor váltja fel, az eljárást pedig alternatív energiaforrások, nagy teljesítményű ultrahang, mikrohullám és lézer segítik.

Kimutatták, hogy a szerves katalizátorok hatékonyan szabályozzák a laktid polimerizációját, aktivitásukat azonban még javítani kell az ipari követelmények teljesítéséhez. Ezt az alternatív energiaforrások – az ultrahang, a mikrohullámok és a lézerfény – bevezetésével érik el, mivel ezek növelik a katalizátor aktivitását, és lehetővé teszik a reakció pontos szabályozását azáltal, hogy válaszkésleltetés nélkül gerjesztik a reakcióelegynek csak kis részeit.
A projekt ezért egy újszerű reaktorrendszert, amelyben az alternatív energiaforrásokat a közegbe vezetik, szerves katalizátorral kombinál, hogy reaktív extrudálási eljárással fémmentes PLA-t állítson elő. (lásd az 1. ábrát)
Az InnoREX projekt tehát a mikrohullámok, az ultrahang és a lézerfény gyors válaszidejét használja ki a nagy molekulatömegű PLA pontosan szabályozott és hatékony, folyamatos polimerizációjának megvalósításához egy kétcsigás extruderben. Emellett jelentős energiamegtakarítást fognak elérni a polimerizáció, a kompaundálás és az alakítás egyetlen gyártási lépésben történő egyesítésével.

Nagy teljesítményű ultrahang

Három alternatív energiaforrást – ultrahangot, mikrohullámot és lézerbesugárzást – kombinálnak a gyűrűfelnyitásos polimerizáció kiváltására, hogy biztosítsák a nagy molekulatömeget eredményező polimerizációt. A reaktorkamrában rendelkezésre álló korlátozott tartózkodási idő alatt az alternatív energiaforrások rendkívül célzottan juttatják be a reakció hajtásához szükséges hatást a folyamatba épített átfolyó cellába (lásd a 2. ábrát). Ezáltal elkerülhető a fémtartalmú katalizátorok, például az ón(II) 2-etilhexanoát használata, amelyre a hagyományos extrudálási eljárásokban azért van szükség, hogy a laktonok polimerizációs sebességét elfogadhatóan hatékony szintre növeljék.
Az InnoREX kísérleti üzemi rendszerébe integrálták a nagy teljesítményű UIP1000hd ultrahangos processzort, amely 1kW ultrahangteljesítmény leadására képes. A nagy teljesítményű ultrahang jól ismert a kémiai reakciókra gyakorolt kedvező hatásairól; ez a szonokémia jelensége. Amikor nagy teljesítményű ultrahanghullámokat vezetnek folyékony közegbe, a hullámok nagy nyomású (összenyomódási) és kis nyomású (ritkulási) ciklusokat hoznak létre, amelyek eredménye az ultrahangos kavitáció. A kavitáció „buborékok kialakulását, növekedését és implóziós összeomlását jelenti egy folyadékban. A kavitációs összeomlás intenzív helyi felmelegedést (~5000K), nagy nyomást (~1000 atm), valamint rendkívül nagy felmelegedési és lehűlési sebességeket (>109 K/sec) hoz létre”, továbbá folyadékáramlást ~400 km/h sebességű folyadéksugarakkal. (K.S. Suslick 1998)
Az ultrahanggal létrehozott kavitációs erők kinetikus energiát biztosítanak, diszpergálják a részecskéket, és a kémiai polimerizációs reakciót támogató gyököket hoznak létre.
Az ultrahangos kezelés általános kedvező hatásai a polimerizációs reakció során:

• a polimerizáció iniciálása a szonokémiai úton létrehozott gyökök révén (polimerizációs kinetika)
• a polimerizáció sebességének növelése
• kisebb polidiszperzitás, ugyanakkor nagyobb polimer-molekulatömeg
• homogénebb reakció, és ezáltal a lánchosszak szűkebb eloszlása

Szakirodalom és hivatkozások

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