InnoREX – Ultrahanggal javított PLA extrudálás

Az ultrahangos keverés, diszpergálás és emulgeálás javítja a politejsavak (PLA) extrudálását. Az ultrahangos kezelés extrudáló vonalakba történő végrehajtása növeli a termelt PLA hozamát és minőségét.

Polilaktid szintézis

A polilaktid savak vagy polilaktid (PLA) egy hőre lágyuló alifás poliészter, amelyet laktidsavból és laktid monomerekből szintetizálnak. A laktid egy ciklikus diészter, amely erjesztett növényi keményítőből (pl. kukoricakeményítő, cukornád) származik, és a műanyagok növényi alapú helyettesítőjeként használják. Ezáltal a PLA szintézis tökéletesen illeszkedik a zöld kémia tartományába. A PLA gyorsan nagy érdeklődésre tett szert, mivel a hagyományos petrolkémiai alapú műanyagok bioalapú, biológiailag lebomló helyettesítője.
Tények a PLA-ról: PLA (C₃H₄O₂)n sűrűsége 1210-1430 kg/m³vízben nem oldódik, keményebb, mint a PTFE, és 150 ° C és 220 ° C közötti hőmérsékleten olvad.

InnoREX – Innovatív polimerizációs folyamat

A PLA jelenlegi gyártási folyamata fémtartalmú katalizátorokat igényel a laktonok polimerizációs sebességének javítása érdekében, amelyek veszélyesek az egészségre és a környezetre. Tekintettel a katalizátorok felhasználásának problémás jellegére és a bioalapú polimerek iránti növekvő igényre, az InnoREX projekt egy olyan polimerizációs eljárás kifejlesztésére összpontosít, amelyben a hagyományos fémtartalmú katalizátorokat szerves katalizátorral helyettesítik, és alternatív energiaforrásokkal, nagy teljesítményű ultrahanggal, mikrohullámú sütővel és lézerrel segítik.

A szerves katalizátorokról kimutatták, hogy hatékonyan szabályozzák a laktid polimerizációját, de aktivitásukat még javítani kell, hogy megfeleljenek az ipari szabványoknak. Ezt alternatív energiák bevezetésével érik el: ultrahangos, mikrohullámok és lézerfény, mivel növelik a katalizátor aktivitását, és lehetővé teszik a reakció pontos szabályozását azáltal, hogy a reakcióelegynek csak kis részeit gerjesztik válaszidő nélkül.
A projekt ezért egy új reaktorrendszert kombinál, ahol az alternatív energiaforrásokat a közegbe vezetik be, egy szerves katalizátorral, hogy fémmentes PLA-t kapjanak reaktív extrudálási eljárással. (lásd az 1. képet)
Ezért az InnoREX projekt a mikrohullámok, az ultrahang és a lézerfény gyors válaszidejét használja fel a nagy molekulatömegű PLA precízen szabályozott és hatékony folyamatos polimerizációjának elérésére egy ikercsavaros extruderben. Ezenkívül jelentős energiamegtakarítás érhető el a polimerizáció, az összetétel és az alakítás egyetlen gyártási lépésben történő kombinálásával.

nagy teljesítményű ultrahang

Három alternatív energiaforrás - ultrahang, mikrohullámú és lézeres besugárzás - kombinálódik a gyűrűnyitó polimerizáció indukálásához a nagy molekulatömegű polimerizáció biztosítása érdekében. A reaktorkamrában való korlátozott tartózkodási idő alatt az alternatív energiaforrások a szükséges reakcióvezető hatást egy inline áramlási cellába vezetik be (lásd a 2. ábrát) egy nagyon célzott szinten. Ezáltal elkerülhetők az olyan fémtartalmú katalizátorok, mint az ón (II) 2-etil-hexanoát, amely a hagyományos extrudálási eljárásokban szükséges ahhoz, hogy a laktonok polimerizációs sebességét elfogadható hatékony szintre emeljék.
Az InnoREX kísérleti üzemi rendszer esetében a nagy teljesítményű ultrahangos processzor UIP1000hd, amely képes 1 kW ultrahang teljesítmény biztosítására, integrálva van. A nagy teljesítményű ultrahang jól ismert a kémiai reakciókra gyakorolt pozitív hatásairól, ami a sonochemistry jelensége. Amikor nagy teljesítményű ultrahangos hullámokat vezetnek be folyékony közegbe, a hullámok nagynyomású (kompressziós) és alacsony nyomású (ritka) ciklusokat hoznak létre, ami ultrahangot eredményez Kavitáció. A kavitáció "a buborékok képződését, növekedését és implozív összeomlását írja le egy folyadékban. A kavitációs összeomlás intenzív helyi fűtést (~5000K), magas nyomást (~1000 atm) és hatalmas fűtési és hűtési sebességet (>109 K/sec)" ilyen s folyadék áramlik ~400 km/h folyadéksugarakkal. (K.S. Suslick 1998)
Az ultrahanggal generált kavitációs erők kinetikus energiát biztosítanak, szétszórják a részecskéket és gyököket hoznak létre, amelyek támogatják a kémiai polimerizációs reakciót.
Az ultrahangos kezelés általános pozitív hatásai polimerizációs reakció során:

• polimerizáció megkezdése szonokémiailag létrehozott gyökök miatt (polimerizációs kinetika)
• a polimerizációs sebesség gyorsulása
• Keskenyebb polidiszperzitás, de a polimerek nagyobb molekulatömege
• homogénebb reakció, és ezáltal a lánchosszak alacsonyabb eloszlása

Irodalom/Hivatkozások

• K.S. Suslick (1998): Kirk-Othmer kémiai technológiai enciklopédia; 4. kiadás J. Wiley & Fiai: New York, 1998, vol. 26, 517-541.