InnoREX – ულტრაბგერით გაუმჯობესებული PLA ექსტრუზია

ულტრაბგერითი შერევა, დისპერგირება და ემულსიფიკაცია აუმჯობესებს პოლილაქტიდის მჟავების (PLA) ექსტრუზიას. ულტრაბგერითი დამუშავების ექსტრუზიის ხაზებში დანერგვა ზრდის წარმოებული PLA-ს გამოსავლიანობასა და ხარისხს.

პოლილაქტიდის სინთეზი

პოლილაქტიდის მჟავები ანუ პოლილაქტიდი (PLA) არის თერმოპლასტიკური ალიფატური პოლიესტერი, რომელიც სინთეზდება ლაქტიდის მჟავისა და ლაქტიდის მონომერებისგან. ლაქტიდი არის ციკლური დიესტერი, რომელიც მიიღება ფერმენტირებული მცენარეული სახამებლისგან (მაგ. სიმინდის სახამებელი, შაქრის ლერწამი) და გამოიყენება, როგორც მცენარეული წარმოშობის პლასტიკის ჩამნაცვლებელი. შესაბამისად, PLA-ს სინთეზი იდეალურად ერგება მწვანე ქიმიის სფეროს. PLA-მ სწრაფად მოიპოვა მაღალი ინტერესი, რადგან ის არის ბიო-წარმოშობის, ბიოდეგრადირებადი ჩამნაცვლებელი ტრადიციული ნავთობქიმიური წარმოშობის პლასტიკისთვის.
ფაქტები PLA-ს შესახებ: PLA (C₃H₄O₂)n აქვს სიმკვრივე 1210-1430 kg/m³, წყალში უხსნადია, PTFE-ზე უფრო მყარია და დნება 150degC-სა და 220degC-ს შორის ტემპერატურებზე.

InnoREX – ინოვაციური პოლიმერიზაციის პროცესი

PLA-ს ამჟამინდელი წარმოების პროცესი მოითხოვს ლითონშემცველ კატალიზატორებს ლაქტონების პოლიმერიზაციის სიჩქარის გასაუმჯობესებლად, რომლებიც საზიანოა ჯანმრთელობისა და გარემოსთვის. კატალიზატორების გამოყენების პრობლემური ბუნებისა და ბიო-წარმოშობის პოლიმერების ზრდადი მოთხოვნის გათვალისწინებით, InnoREX პროექტი ორიენტირებულია პოლიმერიზაციის პროცესის შემუშავებაზე, სადაც ტრადიციული ლითონშემცველი კატალიზატორები ჩანაცვლებულია ორგანული კატალიზატორით და მხარდაჭერილია მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერის, მიკროტალღური და ლაზერული ალტერნატიული ენერგიის წყაროებით.

დადასტურდა, რომ ორგანული კატალიზატორები ეფექტურად აკონტროლებენ ლაქტიდის პოლიმერიზაციას, მაგრამ მათი აქტივობა კვლავ უნდა გაუმჯობესდეს სამრეწველო სტანდარტების დასაკმაყოფილებლად. ეს მიიღწევა ულტრაბგერის, მიკროტალღებისა და ლაზერული სინათლის ალტერნატიული ენერგიების შემოღებით, რადგან ისინი ზრდიან კატალიზატორის აქტივობას და საშუალებას აძლევენ რეაქციის ზუსტ კონტროლს, ააქტიურებენ რეაქციული ნარევის მხოლოდ მცირე ნაწილებს პასუხის დროის გარეშე.
პროექტი ამიტომ აერთიანებს ახალ რეაქტორულ სისტემას, სადაც ალტერნატიული ენერგიის წყაროები შეჰყავთ გარემოში, ორგანულ კატალიზატორთან, რათა მიიღონ ლითონის გარეშე PLA რეაქტიული ექსტრუზიის პროცესში. (იხ. სურ. 1)
ამიტომ, InnoREX პროექტი იყენებს მიკროტალღების, ულტრაბგერისა და ლაზერული სინათლის სწრაფ პასუხის დროს, რათა მიაღწიოს მაღალმოლეკულური PLA-ს ზუსტად კონტროლირებად და ეფექტურ უწყვეტ პოლიმერიზაციას ორხველური ექსტრუდერში. გარდა ამისა, მნიშვნელოვანი ენერგიის დაზოგვა მიიღწევა პოლიმერიზაციის, კომპაუნდირებისა და ფორმირების ერთ წარმოების ეტაპში გაერთიანებით.

მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერა

სამი ალტერნატიული ენერგიის წყარო – ულტრაბგერა, მიკროტალღური და ლაზერული გამოსხივება – ერთიანდება რგოლის გახსნის პოლიმერიზაციის ინდუცირებისთვის, რათა უზრუნველყოფილი იყოს მაღალმოლეკულური პოლიმერიზაცია. რეაქტორის კამერაში შეზღუდული ყოფნის დროის განმავლობაში, ალტერნატიული ენერგიის წყაროები შეჰყავთ საჭირო რეაქციის მამოძრავებელ ზემოქმედებას ინლაინ ნაკადის უჯრედში (იხ. სურ. 2) მაღალმიზნობრივ დონეზე. შესაბამისად, შესაძლებელია თავიდან ავიცილოთ ლითონშემცველი კატალიზატორები, როგორიცაა კალის (II) 2-ეთილჰექსანოატი, რომელიც ტრადიციულ ექსტრუზიის პროცესებში საჭიროა ლაქტონების პოლიმერიზაციის სიჩქარის მისაღებ ეფექტურ დონემდე ასაყვანად.
InnoREX საცდელი ქარხნის სისტემისთვის, მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი პროცესორი UIP1000hd, რომელიც შეუძლია 1kW ულტრაბგერითი სიმძლავრის მიწოდება, ინტეგრირებულია. მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერა კარგად არის ცნობილი ქიმიური რეაქციებზე მისი დადებითი გავლენით, რაც არის სონოქიმიის ფენომენი. როდესაც მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი ტალღები შეჰყავთ თხევად გარემოში, ტალღები ქმნიან მაღალი წნევის (კომპრესია) და დაბალი წნევის (რარეფაქცია) ციკლებს, რაც იწვევს ულტრაბგერით კავიტაციას. კავიტაცია აღწერს “ბუშტების წარმოქმნას, ზრდას და იმპლოზიურ კოლაფსს თხევად გარემოში. კავიტაციური კოლაფსი იწვევს ინტენსიურ ლოკალურ გათბობას (~5000K), მაღალ წნევას (~1000 atm) და უზარმაზარ გათბობისა და გაცივების სიჩქარეებს (>109 K/sec)” ისეთს, როგორიცაა სითხის ნაკადი სითხის ჯეტებით ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
ულტრაბგერითად გენერირებული კავიტაციური ძალები უზრუნველყოფენ კინეტიკურ ენერგიას, ადისპერგებენ ნაწილაკებს და ქმნიან რადიკალებს, რომლებიც უჭერენ მხარს ქიმიურ პოლიმერიზაციის რეაქციას.
ულტრაბგერითი დამუშავების ზოგადი დადებითი ეფექტები პოლიმერიზაციის რეაქციის დროს არის:

• პოლიმერიზაციის ინიცირება სონოქიმიურად შექმნილი რადიკალების გამო (პოლიმერიზაციის კინეტიკა)
• პოლიმერიზაციის სიჩქარის აჩქარება
• უფრო ვიწრო პოლიდისპერსიულობა და პოლიმერების უფრო მაღალი მოლეკულური მასა
• უფრო ჰომოგენური რეაქცია და შესაბამისად, ჯაჭვის სიგრძეების უფრო ვიწრო განაწილება

ლიტერატურა/წყაროები

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