Tecnologia ad ultrasuoni Hielscher

InnoREX - Estrusione PLA migliorata ad ultrasuoni

Gli acidi polilattici o polilattide (PLA) è un poliestere alifatico termoplastico, sintetizzato da acido lattico e monomeri lattico. Il lattide è un diestere ciclico, che deriva dall'amido vegetale fermentato (ad es. amido di mais, canna da zucchero) ed è usato come sostituto vegetale della plastica. In questo modo, la sintesi di PLA si inserisce perfettamente nella gamma della chimica verde. Il PLA ha guadagnato rapidamente grande interesse in quanto è un sostituto biobased, biodegradabile, biodegradabile, rispetto alle plastiche convenzionali a base petrolchimica.
Fatti su PLA: PLA (C3H4O2) n ha una densità di 1210-1430 kg/m3è insolubile in acqua, più duro del PTFE e si scioglie a temperature comprese tra 150°C e 220°C.
La domanda di polimeri a base biologica è in rapida crescita. Secondo l'attuale stato dell'arte, i catalizzatori contenenti metalli sono necessari per migliorare il tasso di polimerizzazione dei lattoni, con conseguenti rischi per la salute e l'ambiente. InnoREX svilupperà un nuovo concetto di reattore che utilizza energie alternative per la polimerizzazione continua, altamente precisa e senza metalli del PLA.

InnoREX sviluppa un nuovo concetto di reattore per la polimerizzazione continua, precisa e senza metalli del PLA.

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 problematica 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 convenzionali sono sostituiti da un catalizzatore organico e assistiti da fonti di energia alternativa di ultrasuoni, microonde e laser ad alta potenza.
È stato dimostrato che i catalizzatori organici controllano efficacemente la polimerizzazione del lattice, 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, in quanto aumentano l'attività del catalizzatore e consentono un controllo preciso della reazione eccitando solo piccole parti della miscela di reazione senza tempo di risposta.
Il progetto combina quindi un nuovo sistema di reattori, dove le fonti di energia alternativa sono introdotte nel mezzo, con un catalizzatore organico per ottenere un PLA privo di metalli in un processo di estrusione reattiva. (vedi foto 1)
Pertanto, il progetto InnoREX utilizza il tempo di risposta rapida di microonde, ultrasuoni e luce laser per ottenere una polimerizzazione continua, controllata con precisione ed efficiente, di PLA ad alto peso molecolare in un estrusore bivite. Inoltre, si otterranno risparmi energetici significativi combinando polimerizzazione, compounding e formatura in un'unica fase di produzione.

Gli ultrasuoni sono utilizzati come energia alternativa per migliorare l'estrusione reattiva del PLA. (Clicca per ingrandire!)

Figura 1: Un nuovo modo per migliorare la polimerizzazione del PLA (fonte InnoREX)

Ultrasonicazione per una migliore polimerizzazione del PLA

UIP2000hd – 2kW processore ad ultrasuoni utilizzato in R&D fase di InnoREX

Ultrasuoni ad alta potenza

Tre fonti di energia alternativa - ultrasuoni, microonde e irradiazione laser - sono combinate per indurre la polimerizzazione ad anello per garantire la polimerizzazione ad alto peso molecolare. Durante il limitato tempo di permanenza nella camera del reattore, le fonti di energia alternativa introducono l'impatto di reazione richiesto in una cella a flusso in linea (vedi fig. 2) ad un livello altamente mirato. In questo modo si possono evitare i catalizzatori contenenti metalli come lo stagno (II) 2-etilesanoato, che nei processi di estrusione convenzionali è necessario per portare il tasso di polimerizzazione dei lattoni ad un livello di efficienza accettabile.
Per il sistema dell'impianto pilota InnoREX, il processore ad ultrasuoni ad alta potenza UIP1000hdche è in grado di fornire 1kW di potenza ad ultrasuoni, è stato integrato. L'ultrasuono ad alta potenza è ben noto per i suoi effetti positivi sulle reazioni chimiche, che è il fenomeno della sono-chimica. Quando le onde ultrasoniche ad alta potenza vengono introdotte in un mezzo liquido, le onde creano cicli ad alta pressione (compressione) e a bassa pressione (rarefazione) con conseguente 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)", un tale flusso di liquido con getti di liquido di ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Le forze cavitazionali generate ad ultrasuoni forniscono energia cinetica, disperdono le particelle e creano radicali che supportano la reazione chimica di polimerizzazione.
Gli effetti generali positivi della sonicazione durante una reazione di polimerizzazione sono:

  • inizio della polimerizzazione dovuta a radicali sonchimicamente creati (cinetica di polimerizzazione)
  • accelerazione del tasso di polimerizzazione
  • poli-disperdità più strette, ma peso molecolare dei polimeri più elevato.
  • reazione più omogenea e quindi una minore distribuzione delle lunghezze delle catene
L'immagine mostra la configurazione di processo di ultrasuoni combinati (HIelscher UIP2000hd), microonde e laser per indurre una polimerizzazione ad anello in assenza di catalizzatori contenenti metalli.

Figura 2: Configurazione del processo con ultrasuoni, microonde e laser per ottenere una polimerizzazione con apertura ad anello evitando l'uso di catalizzatori contenenti metalli (Fonte: InnoREX).

Letteratura/riferimenti

  • K.S. Suslick (1998): Kirk-Othmer Enciclopedia della tecnologia chimica; 4° Ed. J. Wiley & Figli: New York, 1998, vol. 26, 517-541.

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Gli ultrasuoni ad alta potenza di Hielscher sono utilizzati come fonte di energia alternativa nel progetto InnoREX per la polimerizzazione senza metalli del PLA.

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