InnoREX - Estrusione di PLA migliorata con gli ultrasuoni

La miscelazione, la dispersione e l'emulsione a ultrasuoni migliorano l'estrusione degli acidi polilattici (PLA). L'implementazione degli ultrasuoni nelle linee di estrusione aumenta la resa e la qualità del PLA prodotto.

Sintesi del polilattide

Gli acidi polilattidi o polilattide (PLA) sono poliesteri alifatici termoplastici sintetizzati a partire da monomeri di acido lattico e lattide. Il lattide è un diestere ciclico che deriva dall'amido vegetale fermentato (ad esempio, amido di mais o canna da zucchero) e viene utilizzato come sostituto vegetale della plastica. La sintesi del PLA rientra quindi perfettamente nel campo della chimica verde. Il PLA ha rapidamente suscitato grande interesse in quanto è un sostituto biobased e biodegradabile delle plastiche convenzionali a base petrolchimica.
Fatti sul PLA: il PLA (C₃H₄O₂)n ha una densità di 1210-1430 kg/m³, è insolubile in acqua, più duro del PTFE e fonde a temperature comprese tra 150 e 220°C.

InnoREX – Processo di polimerizzazione innovativo

L'attuale processo di produzione del PLA richiede catalizzatori contenenti metalli per migliorare il tasso di polimerizzazione dei lattoni, che sono pericolosi per la salute e l'ambiente. Per quanto riguarda la problematicità dell'utilizzo dei catalizzatori e la crescente domanda di polimeri biobased, 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 e assistiti da fonti di energia alternative come ultrasuoni, microonde e laser ad alta potenza.

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 con l'introduzione di energie alternative di UltrasuoniLe microonde e la luce laser aumentano l'attività del catalizzatore e consentono un controllo preciso della reazione eccitando solo piccole parti della miscela di reazione senza tempi di risposta.
Il progetto combina quindi un sistema di reattori innovativo, in cui le fonti energetiche alternative vengono introdotte nel mezzo, con un catalizzatore organico per ottenere un PLA privo di metalli in un processo di estrusione reattiva. (vedi figura 1)
Pertanto, il progetto InnoREX utilizza il rapido tempo di risposta delle microonde, degli ultrasuoni e della luce laser per ottenere una polimerizzazione continua, controllata con precisione ed efficienza, di PLA ad alto peso molecolare in un estrusore bivite. Inoltre, grazie alla combinazione di polimerizzazione, compounding e formatura in un'unica fase di produzione, si otterranno notevoli risparmi energetici.

Ultrasuoni ad alta potenza

Tre fonti di energia alternative - ultrasuoni, microonde e irradiazione laser - sono combinate per indurre la polimerizzazione ad apertura anulare e garantire una polimerizzazione ad alto peso molecolare. Durante il limitato tempo di permanenza nella camera del reattore, le fonti di energia alternative introducono l'impatto di reazione richiesto in una cella di flusso in linea (vedi figura 2) a un livello altamente mirato. In questo modo si possono evitare catalizzatori contenenti metalli, come il 2-etilesanoato di stagno (II), che nei processi di estrusione convenzionali è necessario per aumentare il tasso di polimerizzazione dei lattoni a un livello di efficienza accettabile.
Per il sistema dell'impianto pilota InnoREX, il processore a ultrasuoni ad alta potenza UIP1000hdche è in grado di fornire una potenza di ultrasuoni di 1 kW. Gli ultrasuoni ad alta potenza sono noti per i loro effetti positivi sulle reazioni chimiche, che costituiscono il fenomeno della sicochimica. Quando le onde ultrasoniche ad alta potenza vengono introdotte in un mezzo liquido, le onde creano cicli di alta pressione (compressione) e bassa pressione (rarefazione), dando luogo a ultrasuoni. cavitazione. 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), alte pressioni (~1000 atm) ed enormi velocità di riscaldamento e raffreddamento (>109 K/sec)" come lo streaming liquido con getti liquidi di ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Le forze cavitazionali generate dagli ultrasuoni forniscono energia cinetica, disperdono le particelle e creano radicali che supportano la reazione chimica di polimerizzazione.
Gli effetti positivi generali della sonicazione durante una reazione di polimerizzazione sono:

• inizio della polimerizzazione grazie ai radicali creati per via sonica (cinetica di polimerizzazione)
• accelerazione del tasso di polimerizzazione
• polidispersità più ristrette, ma peso molecolare dei polimeri più elevato
• reazione più omogenea e quindi una minore distribuzione delle lunghezze delle catene