InnoREX – 초음파로 개선된 PLA 압출

초음파 혼합, 분산 및 유화는 폴리젖산(PLA)의 압출을 개선합니다. 압출 라인에 초음파 처리를 도입하면 생산되는 PLA의 수율과 품질이 향상됩니다.

폴리락타이드 합성

폴리젖산 또는 폴리락타이드(PLA)는 젖산과 락타이드 단량체로부터 합성되는 열가소성 지방족 폴리에스터입니다. 락타이드는 발효된 식물 전분(예: 옥수수 전분, 사탕수수)에서 유래하는 고리형 다이에스터로, 식물 기반 플라스틱 대체재로 사용됩니다. 따라서 PLA 합성은 녹색 화학의 범주에 완벽하게 부합합니다. PLA는 기존 석유화학 기반 플라스틱을 대체하는 바이오 기반 생분해성 소재로서 빠르게 큰 관심을 끌었습니다.
PLA에 관한 사실: PLA (C₃H₄O₂)n의 밀도는 1210–1430 kg/m³이며, 물에 녹지 않고 PTFE보다 단단하며 150degC와 220degC 사이의 온도에서 녹습니다.

InnoREX – 혁신적인 중합 공정

현재 PLA 생산 공정에서는 건강과 환경에 유해한 락톤의 중합 속도를 높이기 위해 금속 함유 촉매가 필요합니다. 촉매 사용에 따른 문제와 바이오 기반 고분자에 대한 수요 증가를 고려하여, InnoREX 프로젝트는 기존 금속 함유 촉매를 유기 촉매로 대체하고 고출력 초음파, 마이크로파 및 레이저라는 대체 에너지원의 도움을 받는 중합 공정 개발에 주력합니다.

유기 촉매는 락타이드의 중합을 효율적으로 제어하는 것으로 입증되었지만, 산업 표준을 충족하려면 활성을 더 높여야 합니다. 이를 위해 대체 에너지인 초음파, 마이크로파 및 레이저광을 도입할 것입니다. 이들은 촉매 활성을 높이고 반응 혼합물의 작은 부분만을 응답 시간 없이 여기하여 반응을 정밀하게 제어할 수 있게 하기 때문입니다.
따라서 이 프로젝트에서는 대체 에너지원을 매질에 도입하는 새로운 반응기 시스템과 유기 촉매를 결합하여 반응 압출 공정에서 금속이 없는 PLA를 얻습니다. (그림 1 참조)
이를 위해 InnoREX 프로젝트는 마이크로파, 초음파 및 레이저광의 빠른 응답 시간을 활용하여 이축 스크루 압출기에서 고분자량 PLA의 정밀하게 제어되는 효율적인 연속 중합을 구현합니다. 또한 중합, 컴파운딩 및 성형을 하나의 생산 단계로 결합하여 상당한 에너지 절감을 달성할 것입니다.

고출력 초음파

세 가지 대체 에너지원인 초음파, 마이크로파 및 레이저 조사를 결합하여 개환 중합을 유도하고 고분자량 중합을 보장합니다. 반응기 챔버 내의 제한된 체류 시간 동안 대체 에너지원은 반응을 구동하는 데 필요한 작용을 인라인 플로우 셀(그림 2 참조)에 고도로 집중하여 전달합니다. 이를 통해 기존 압출 공정에서 락톤의 중합 속도를 허용 가능한 효율 수준으로 높이는 데 필요한 2-에틸헥산산 주석(II)과 같은 금속 함유 촉매의 사용을 피할 수 있습니다.
InnoREX 파일럿 플랜트 시스템에는 고출력 초음파 프로세서 UIP1000hd가 통합되어 있으며, 이 장치는 1kW의 초음파 출력을 제공할 수 있습니다. 고출력 초음파는 화학 반응에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 잘 알려져 있으며, 이러한 현상을 초음파 화학이라고 합니다. 고출력 초음파를 액체 매질에 도입하면 초음파가 고압(압축) 및 저압(희박) 주기를 생성하여 초음파 캐비테이션이 발생합니다. 캐비테이션은 “액체 내 기포의 형성, 성장 및 내파적 붕괴”를 의미합니다. “캐비테이션 붕괴는 강렬한 국소 가열(~5000K), 높은 압력(~1000 atm), 그리고 막대한 가열 및 냉각 속도(>109 K/sec)를 발생시킵니다.” 또한 ~400 km/h의 액체 제트를 동반하는 액체 흐름도 발생합니다. (K.S. Suslick 1998)
초음파로 생성된 캐비테이션 힘은 운동 에너지를 제공하고 입자를 분산시키며 화학적 중합 반응을 돕는 라디칼을 생성합니다.
중합 반응 중 초음파 처리의 일반적인 긍정적 효과는 다음과 같습니다:

• 초음파 화학적으로 생성된 라디칼에 의한 중합 개시(중합 반응 속도론)
• 중합 속도 증가
• 고분자의 다분산성 감소와 분자량 증가
• 더 균질한 반응과 그에 따른 더 좁은 사슬 길이 분포

문헌 및 참고자료

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