InnoREX – Duerch Ultraschall verbessert PLA-Extrusioun

D’Mëschen, Dispergéieren an Emulgéiere mat Ultraschall verbessert d’Extrusioun vu Polymëllechsäuren (PLA). D’Integratioun vun der Ultraschallbehandlung an Extrusiounslinne steigert d’Ausbezuelung an d’Qualitéit vum produzéierte PLA.

Synthes vu Polylaktid

Polymëllechsäuren oder Polylaktid (PLA) ass en thermoplasteschen aliphatesche Polyester, deen aus Mëllechsäure- a Laktidmonomere synthetiséiert gëtt. Laktid ass en zykleschen Diester, deen aus fermentéierter Planzestäerkt (z. B. Maisstäerkt, Zockerrouer) gewonne gëtt an als planzebaséierten Ersatz fir Konschtstoffer benotzt gëtt. Domat passt d’PLA-Synthes perfekt an d’Beräich vun der grénger Chimie. PLA huet séier groussen Interessi erwächt, well et e biobaséierten, biologesch ofbaubaren Ersatz fir konventionell Konschtstoffer op petrochemescher Basis ass.
Fakten iwwer PLA: PLA (C₃H₄O₂)n huet eng Dicht vun 1210–1430 kg/m³, ass net am Waasser léislech, ass méi haart wéi PTFE a schmëlzt bei Temperaturen tëscht 150degC an 220degC.

InnoREX – Innovatiivt Polymerisatiounsverfaren

Dat aktuellt Produktiounsverfare fir PLA erfuerdert metallhalteg Katalysatoren, fir d’Polymerisatiounsvitesse vun de Laktonen ze erhéijen, déi fir d’Gesondheet an d’Ëmwelt geféierlech sinn. Wéinst der Problematik vum Asaz vu Katalysatoren an der wuessender Nofro no biobaséierte Polymere konzentréiert sech den InnoREX-Projet op d’Entwécklung vun engem Polymerisatiounsverfaren, bei deem déi konventionell metallhalteg Katalysatoren duerch en organesche Katalysator ersat ginn an d’Polymerisatioun duerch déi alternativ Energiequelle vun héichleeschtungsfäegem Ultraschall, Mikrowellen a Laser ënnerstëtzt gëtt.

Et gouf gewisen, datt organesch Katalysatoren d’Polymerisatioun vu Laktid effizient steiere kënnen, mee hir Aktivitéit muss nach verbessert ginn, fir den industrielle Standarden ze entspriechen. Dëst soll duerch den Asaz vun alternativen Energieformen erreecht ginn: Ultraschall, Mikrowellen a Laserliicht. Dës erhéijen d’Katalysatoraktivitéit an erméiglechen eng präzis Steierung vun der Reaktioun, well si nëmme kleng Deeler vun der Reaktiounsmëschung ouni Reaktiounszäit ureegen.
De Projet kombinéiert dofir en neiaartege Reaktersystem, an deem déi alternativ Energiequellen an d’Medium agekoppelt ginn, mat engem organesche Katalysator, fir metallfräie PLA an engem reaktiven Extrusiounsverfaren ze kréien. (kuckt Bild 1)
Dofir notzt den InnoREX-Projet déi kuerz Reaktiounszäit vu Mikrowellen, Ultraschall a Laserliicht, fir eng präzis gesteiert an effizient kontinuéierlech Polymerisatioun vu PLA mat héijem Molekulargewiicht an engem Duebelschrauwenextruder z’erreechen. Zousätzlech ginn däitlech Energieaspuerungen erreecht, andeems Polymerisatioun, Compoundéierung a Formgebung an engem Produktiounsschrëtt kombinéiert ginn.

Héichleeschtungsultraschall

Dräi alternativ Energiequellen – Ultraschall, Mikrowellen a Laserbestralung – gi kombinéiert, fir d’Ringëffnungspolymerisatioun auszeléisen an esou d’Polymerisatioun mat héijem Molekulargewiicht sécherzestellen. Wärend der begrenzter Openthaltszäit an der Reakterkummer koppelen déi alternativ Energiequellen déi néideg reaktiounsdreiwend Wierkung héich cibléiert an eng Inline-Duerchflosszell an (kuckt Bild 2). Doduerch kann op metallhalteg Katalysatore wéi Zënn(II)-2-ethylhexanoat verzicht ginn, déi bei konventionellen Extrusiounsverfaren néideg sinn, fir d’Polymerisatiounsvitesse vun de Laktonen op en akzeptabelt, effizienten Niveau ze erhéijen.
An d’System vun der InnoREX-Pilotanlag gouf den héichleeschtungsfäegen Ultraschallprozessor UIP1000hd, deen 1kW Ultraschallleeschtung liwwere kann, integréiert. Héichleeschtungsultraschall ass fir seng positiv Auswierkungen op chemesch Reaktioune bekannt, déi de Phenomeen vun der Sonochimie ausmaachen. Wann héichleeschtungsfäeg Ultraschallwellen an e flëssegt Medium agekoppelt ginn, erzeugen d’Wellen Zykle mat héijem Drock (Kompressioun) an niddregem Drock (Rarefaktioun). Dës féieren zu enger duerch Ultraschall ausgeléister Kavitatioun. Kavitatioun beschreift „d’Bildung, de Wuesstem an den implosive Kollaps vu Blosen an enger Flëssegkeet. De Kavitatiounskollaps erzeugt intensiv lokal Erhëtzung (~5000K), héich Dréck (~1000 atm) an enorm Erhëtzungs- an Ofkillvitesse (>109 K/sec)“ souwéi Flëssegkeetsstréimunge mat Flëssegkeetsstrale vu ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Déi duerch Ultraschall erzeugte Kavitatiounskräfte liwwere kinetesch Energie, dispergéieren d’Partikelen a bilden Radikaler, déi déi chemesch Polymerisatiounsreaktioun ënnerstëtzen.
Allgemeng positiv Auswierkunge vun der Ultraschallbehandlung wärend enger Polymerisatiounsreaktioun sinn:

• Aleede vun der Polymerisatioun duerch sonochemesch erzeugte Radikaler (Polymerisatiounskinetik)
• Erhéijung vun der Polymerisatiounsvitesse
• méi enk Polydispersitéiten, awer méi héicht Molekulargewiicht vun de Polymeren
• méi homogen Reaktioun an domat eng méi enk Verdeelung vun de Kettelängten

Literatur/Referenzen

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