InnoREX – Ուլտրաձայնով բարելավված PLA-ի էքստրուզիա

Ուլտրաձայնային խառնումը, դիսպերսումը և էմուլսացումը բարելավում են պոլիկաթնաթթուների (PLA) էքստրուզիան։ Էքստրուզիոն գծերում ուլտրաձայնային մշակման ներդրումը մեծացնում է արտադրվող PLA-ի ելքը և բարձրացնում դրա որակը։

Պոլիլակտիդի սինթեզ

Պոլիկաթնաթթուն կամ պոլիլակտիդը (PLA) ջերմապլաստիկ ալիֆատիկ պոլիեսթեր է, որը սինթեզվում է կաթնաթթվի և լակտիդի մոնոմերներից։ Լակտիդը ցիկլային դիէսթեր է, որը ստացվում է խմորված բուսական օսլայից (օրինակ՝ եգիպտացորենի օսլայից, շաքարեղեգից) և օգտագործվում է որպես պլաստմասսաների բուսական հիմքով փոխարինիչ։ Այսպիսով, PLA-ի սինթեզը կատարելապես համապատասխանում է կանաչ քիմիայի ոլորտին։ PLA-ն արագորեն մեծ հետաքրքրություն առաջացրեց, քանի որ այն կենսահիմքով, կենսաքայքայվող փոխարինիչ է նավթաքիմիական հումքի հիմքով սովորական պլաստմասսաների համար։
Փաստեր PLA-ի մասին․ PLA (C₃H₄O₂)n-ի խտությունը 1210–1430 kg/m³ է, այն ջրում անլուծելի է, PTFE-ից ավելի կարծր է և հալվում է 150degC-ից մինչև 220degC ջերմաստիճաններում։

InnoREX – Պոլիմերացման նորարարական գործընթաց

PLA-ի արտադրության ներկայիս գործընթացը լակտոնների պոլիմերացման արագությունը բարձրացնելու համար պահանջում է մետաղ պարունակող կատալիզատորներ, որոնք վտանգավոր են առողջության և շրջակա միջավայրի համար։ Հաշվի առնելով կատալիզատորների օգտագործման խնդրահարույց բնույթը և կենսահիմքով պոլիմերների աճող պահանջարկը՝ InnoREX նախագիծը կենտրոնանում է պոլիմերացման այնպիսի գործընթացի մշակման վրա, որում սովորական մետաղ պարունակող կատալիզատորները փոխարինվում են օրգանական կատալիզատորով, իսկ գործընթացին օժանդակում են էներգիայի այլընտրանքային աղբյուրները՝ բարձր հզորության ուլտրաձայնը, միկրոալիքները և լազերը։

Ապացուցվել է, որ օրգանական կատալիզատորներն արդյունավետորեն կառավարում են լակտիդի պոլիմերացումը, սակայն արդյունաբերական չափանիշներին համապատասխանելու համար դրանց ակտիվությունը դեռ պետք է բարձրացվի։ Դա կիրականացվի այլընտրանքային էներգիաների ներդրմամբ՝ ուլտրաձայնի, միկրոալիքների և լազերային լույսի, քանի որ դրանք բարձրացնում են կատալիզատորի ակտիվությունը և հնարավորություն են տալիս ճշգրիտ կառավարել ռեակցիան՝ առանց արձագանքի ուշացման գրգռելով ռեակցիոն խառնուրդի միայն փոքր հատվածները։
Ուստի նախագիծը համատեղում է նորարարական ռեակտորային համակարգը, որտեղ էներգիայի այլընտրանքային աղբյուրները ներմուծվում են միջավայր, և օրգանական կատալիզատորը՝ ռեակցիոն էքստրուզիայի գործընթացում մետաղ չպարունակող PLA ստանալու համար։ (Տե՛ս նկ. 1)
Հետևաբար, InnoREX նախագիծն օգտագործում է միկրոալիքների, ուլտրաձայնի և լազերային լույսի արագ արձագանքը՝ երկպտուտակ էքստրուդերում բարձր մոլեկուլային զանգվածով PLA-ի ճշգրիտ կառավարվող և արդյունավետ շարունակական պոլիմերացում իրականացնելու համար։ Բացի այդ, պոլիմերացումը, կոմպաունդավորումը և ձևավորումը մեկ արտադրական փուլում համատեղելով՝ կապահովվի էներգիայի զգալի խնայողություն։

Բարձր հզորության ուլտրաձայն

Էներգիայի երեք այլընտրանքային աղբյուրներ՝ ուլտրաձայնը, միկրոալիքները և լազերային ճառագայթումը, համատեղվում են օղակի բացմամբ պոլիմերացում հարուցելու և բարձր մոլեկուլային զանգված ապահովող պոլիմերացում իրականացնելու համար։ Ռեակտորի խցիկում գտնվելու սահմանափակ ժամանակահատվածում էներգիայի այլընտրանքային աղբյուրները խիստ նպատակաուղղված կերպով հոսքային գծում տեղադրված բջջի մեջ ներմուծում են ռեակցիան առաջ մղելու համար անհրաժեշտ ազդեցությունը (տե՛ս նկ. 2)։ Այդպիսով հնարավոր է խուսափել մետաղ պարունակող կատալիզատորներից, օրինակ՝ անագի (II) 2-էթիլհեքսանոատից, որը սովորական էքստրուզիոն գործընթացներում անհրաժեշտ է լակտոնների պոլիմերացման արագությունը արդյունավետության ընդունելի մակարդակի հասցնելու համար։
InnoREX-ի փորձնական կայանքի համակարգում ներդրվել է բարձր հզորության ուլտրաձայնային պրոցեսորը՝ UIP1000hd, որն ունակ է ապահովել 1kW ուլտրաձայնային հզորություն։ Բարձր հզորության ուլտրաձայնը հայտնի է քիմիական ռեակցիաների վրա իր դրական ազդեցությամբ, որն էլ սոնոքիմիայի երևույթն է։ Երբ բարձր հզորության ուլտրաձայնային ալիքները ներմուծվում են հեղուկ միջավայր, դրանք ստեղծում են բարձր ճնշման (սեղմման) և ցածր ճնշման (նոսրացման) ցիկլեր՝ առաջացնելով ուլտրաձայնային կավիտացիա։ Կավիտացիան նկարագրվում է որպես «հեղուկում պղպջակների առաջացում, աճ և դեպի ներս ուղղված պայթյունային փլուզում։ Կավիտացիոն փլուզումն առաջացնում է ինտենսիվ տեղային տաքացում (~5000K), բարձր ճնշումներ (~1000 atm) և տաքացման ու սառեցման հսկայական արագություններ (>109 K/sec)», ինչպես նաև հեղուկի հոսք՝ ~400 km/h արագությամբ հեղուկային շիթերով։ (K.S. Suslick 1998)
Ուլտրաձայնով առաջացած կավիտացիոն ուժերն ապահովում են կինետիկ էներգիա, դիսպերսում են մասնիկները և առաջացնում ռադիկալներ, որոնք նպաստում են պոլիմերացման քիմիական ռեակցիային։
Պոլիմերացման ռեակցիայի ընթացքում ուլտրաձայնային մշակման ընդհանուր դրական ազդեցություններն են՝

• պոլիմերացման նախաձեռնումը սոնոքիմիական եղանակով առաջացած ռադիկալների շնորհիվ (պոլիմերացման կինետիկա)
• պոլիմերացման արագության բարձրացումը
• ավելի նեղ պոլիդիսպերսություն, սակայն պոլիմերների ավելի բարձր մոլեկուլային զանգված
• ավելի համասեռ ռեակցիա և, հետևաբար, շղթաների երկարությունների ավելի նեղ բաշխում

Գրականություն/հղումներ

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