InnoREX – PLA ekstrūzija, uzlabota ar ultraskaņu

Maisīšana, disperģēšana un emulģēšana ar ultraskaņu uzlabo polipienskābju (PLA) ekstrūziju. Ultraskaņas apstrādes ieviešana ekstrūzijas līnijās palielina saražotā PLA iznākumu un kvalitāti.

Polilaktīda sintēze

Polipienskābes jeb polilaktīds (PLA) ir termoplastisks alifātisks poliesters, ko sintezē no pienskābes un laktīda monomēriem. Laktīds ir ciklisks diesters, ko iegūst no fermentētas augu cietes (piemēram, kukurūzas cietes, cukurniedrēm) un izmanto kā augu izcelsmes plastmasas aizstājēju. Tādējādi PLA sintēze lieliski iekļaujas zaļās ķīmijas jomā. PLA ātri izraisīja lielu interesi, jo tas ir bioloģiskas izcelsmes, bioloģiski noārdāms aizstājējs tradicionālajām naftas ķīmijas izcelsmes plastmasām.
Fakti par PLA: PLA (C₃H₄O₂)n blīvums ir 1210-1430 kg/m³, tas ir nešķīstošs ūdenī, cietāks par PTFE un kūst temperatūrās no 150degC līdz 220degC.

InnoREX – Inovatīvs polimerizācijas process

Pašreizējais PLA ražošanas process prasa metālu saturošus katalizatorus, lai uzlabotu laktonu polimerizācijas ātrumu, kas ir bīstami veselībai un videi. Ņemot vērā katalizatoru izmantošanas problemātisko dabu un augošo biobāzēto polimēru pieprasījumu, InnoREX projekts koncentrējas uz polimerizācijas procesa izstrādi, kurā tradicionālos metālu saturošos katalizatorus aizstāj ar organisku katalizatoru un atbalsta ar augstas jaudas ultraskaņas, mikroviļņu un lāzera alternatīvajiem enerģijas avotiem.

Ir pierādīts, ka organiskie katalizatori efektīvi kontrolē laktīda polimerizāciju, taču to aktivitāte joprojām ir jāuzlabo, lai atbilstu rūpniecības standartiem. Tas tiks panākts, ieviešot ultraskaņas, mikroviļņu un lāzera gaismas alternatīvo enerģiju, jo šie enerģijas veidi palielina katalizatora aktivitāti un ļauj precīzi kontrolēt reakciju, bez reakcijas aizkaves ierosinot tikai nelielas reakcijas maisījuma daļas.
Tādēļ projektā jauna reaktora sistēma, kurā alternatīvie enerģijas avoti tiek ievadīti vidē, tiek apvienota ar organisku katalizatoru, lai reaktīvās ekstrūzijas procesā iegūtu metālus nesaturošu PLA. (skat. 1. att.)
Tādēļ InnoREX projektā izmanto mikroviļņu, ultraskaņas un lāzera gaismas īso reakcijas laiku, lai panāktu precīzi kontrolētu un efektīvu augstas molekulmasas PLA nepārtrauktu polimerizāciju divskrūvju ekstrūderī. Turklāt ievērojams enerģijas ietaupījums tiks panākts, apvienojot polimerizāciju, kompaundēšanu un formēšanu vienā ražošanas posmā.

Augstas jaudas ultraskaņa

Trīs alternatīvie enerģijas avoti – ultraskaņa, mikroviļņi un lāzera starojums – tiek apvienoti, lai ierosinātu gredzena atvēršanas polimerizāciju un nodrošinātu polimerizāciju, kurā iegūst augstas molekulmasas polimēru. Ierobežotajā uzturēšanās laikā reaktora kamerā alternatīvie enerģijas avoti ļoti mērķtiecīgi nodrošina nepieciešamo reakciju virzošo iedarbību plūsmas līnijā uzstādītā plūsmas šūnā (skat. 2. att.). Tādējādi var izvairīties no metālus saturošiem katalizatoriem, piemēram, alvas (II) 2-etilheksanoāta, kas tradicionālajos ekstrūzijas procesos ir nepieciešams, lai palielinātu laktonu polimerizācijas ātrumu līdz pieņemamam efektivitātes līmenim.
InnoREX pilotiekārtas sistēmā ir integrēts augstas jaudas ultraskaņas procesors UIP1000hd, kas spēj nodrošināt 1kW ultraskaņas jaudu. Augstas jaudas ultraskaņa ir labi zināma ar tās pozitīvo ietekmi uz ķīmiskajām reakcijām, kas ir sonoķīmijas fenomens. Kad augstas jaudas ultraskaņas viļņi tiek ievadīti šķidrā vidē, viļņi rada augsta spiediena (kompresijas) un zema spiediena (retinājuma) ciklus, kas izraisa ultraskaņas kavitāciju. Kavitācija raksturo “burbuļu veidošanos, augšanu un implozīvu sabrukumu šķidrumā. Kavitācijas sabrukums rada intensīvu lokālu uzkarsēšanu (~5000K), augstu spiedienu (~1000 atm) un milzīgus uzkarsēšanas un dzesēšanas ātrumus (>109 K/sec)”, kā arī šķidruma plūsmu ar šķidruma strūklām ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Ultraskaņas ģenerētās kavitācijas spēki nodrošina kinētisko enerģiju, dispersē daļiņas un rada radikāļus, kas atbalsta ķīmisko polimerizācijas reakciju.
Vispārējās pozitīvās ultraskaņas apstrādes ietekmes polimerizācijas reakcijas laikā ir:

• polimerizācijas sākšanās sonoķīmiski radīto radikāļu dēļ (polimerizācijas kinētika)
• polimerizācijas ātruma paātrināšana
• šaurāka polidispersitāte, bet augstāka polimēru molekulmasa
• viendabīgāka reakcija un līdz ar to šaurāks ķēžu garumu sadalījums

Literatūra un atsauces

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