InnoREX – Estrusione del PLA migliorata mediante ultrasuoni

La miscelazione, la dispersione e l’emulsificazione mediante ultrasuoni migliorano l’estrusione dell’acido polilattico (PLA). L’integrazione della sonicazione nelle linee di estrusione aumenta la resa e la qualità del PLA prodotto.

Sintesi del polilattide

L’acido polilattico o polilattide (PLA) è un poliestere alifatico termoplastico sintetizzato a partire da acido lattico e monomeri di lattide. Il lattide è un diestere ciclico derivato dalla fermentazione di amido vegetale (ad es. amido di mais, canna da zucchero) e viene utilizzato come sostituto di origine vegetale delle materie plastiche. La sintesi del PLA rientra quindi perfettamente nell’ambito della chimica verde. Il PLA ha suscitato rapidamente grande interesse in quanto sostituto di origine biologica e biodegradabile delle materie plastiche convenzionali di origine petrolchimica.
Dati sul PLA: il PLA (C₃H₄O₂)n ha una densità di 1210–1430 kg/m³, è insolubile in acqua, è più duro del PTFE e fonde a temperature comprese tra 150degC e 220degC.

InnoREX – Processo di polimerizzazione innovativo

L’attuale processo di produzione del PLA richiede catalizzatori contenenti metalli, pericolosi per la salute e l’ambiente, per aumentare la velocità di polimerizzazione dei lattoni. Considerate le problematiche legate all’impiego dei catalizzatori e la crescente domanda di polimeri di origine biologica, il progetto InnoREX si concentra sullo sviluppo di un processo di polimerizzazione in cui i catalizzatori convenzionali contenenti metalli vengono sostituiti da un catalizzatore organico, con l’ausilio di fonti energetiche alternative quali ultrasuoni ad alta potenza, microonde e laser.

È stato dimostrato che i catalizzatori organici controllano efficacemente la polimerizzazione del lattide, ma la loro attività deve ancora essere migliorata per soddisfare gli standard industriali. Questo obiettivo sarà raggiunto mediante l’introduzione di energie alternative sotto forma di ultrasuoni, microonde e luce laser, poiché aumentano l’attività del catalizzatore e consentono un controllo preciso della reazione eccitando soltanto piccole porzioni della miscela di reazione senza tempi di risposta.
Il progetto combina quindi un nuovo sistema di reattore, nel quale le fonti energetiche alternative vengono introdotte nel mezzo, con un catalizzatore organico per ottenere un PLA privo di metalli mediante un processo di estrusione reattiva. (vedere fig. 1)
Il progetto InnoREX sfrutta pertanto il rapido tempo di risposta di microonde, ultrasuoni e luce laser per ottenere una polimerizzazione continua, efficiente e controllata con precisione del PLA ad alto peso molecolare in un estrusore bivite. Inoltre, combinando polimerizzazione, compoundazione e formatura in un’unica fase produttiva, si otterranno significativi risparmi energetici.

Ultrasuoni ad alta potenza

Tre fonti energetiche alternative – ultrasuoni, microonde e irradiazione laser – vengono combinate per indurre la polimerizzazione per apertura dell’anello e garantire la formazione di polimeri ad alto peso molecolare. Durante il limitato tempo di permanenza nella camera del reattore, le fonti energetiche alternative forniscono, in modo altamente mirato, l’azione necessaria a promuovere la reazione in una cella di flusso in linea (vedere fig. 2). È così possibile evitare catalizzatori contenenti metalli, come il 2-etilesanoato di stagno (II), che nei processi di estrusione convenzionali è necessario per aumentare la velocità di polimerizzazione dei lattoni fino a un livello di efficienza accettabile.
Nel sistema dell’impianto pilota InnoREX è stato integrato il processore a ultrasuoni ad alta potenza UIP1000hd, in grado di erogare 1kW di potenza ultrasonica. Gli ultrasuoni ad alta potenza sono ben noti per i loro effetti positivi sulle reazioni chimiche, un fenomeno denominato sonochimica. Quando le onde ultrasoniche ad alta potenza vengono introdotte in un mezzo liquido, generano cicli di alta pressione (compressione) e bassa pressione (rarefazione) che danno origine alla cavitazione ultrasonica. La cavitazione descrive «la formazione, la crescita e il collasso implosivo di bolle in un liquido. Il collasso cavitazionale produce un intenso riscaldamento locale (~5000K), pressioni elevate (~1000 atm) e velocità di riscaldamento e raffreddamento enormi (>109 K/sec)», nonché flussi di liquido con getti liquidi di ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Le forze cavitazionali generate mediante ultrasuoni forniscono energia cinetica, disperdono le particelle e creano radicali che favoriscono la reazione chimica di polimerizzazione.
Gli effetti positivi generali della sonicazione durante una reazione di polimerizzazione sono:

• avvio della polimerizzazione dovuto ai radicali generati per via sonochimica (cinetica di polimerizzazione)
• aumento della velocità di polimerizzazione
• minore polidispersità, ma peso molecolare più elevato dei polimeri
• reazione più omogenea e quindi una distribuzione più ristretta delle lunghezze delle catene

Bibliografia e riferimenti

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