InnoREX – Ultrasoniski uzlabota PLA ekstrūzija

Ultraskaņas sajaukšana, izkliedēšana un emulgācija uzlabo polipienskābes ekstrūziju (PLA). Īstenojot ultrasonikāciju ekstrūzijas līnijās, palielinās saražotā PLA raža un kvalitāte.

Polilaktīdu sintēze

Polilaktīnskābes vai polilaktīds (PLA) ir termoplastisks alifātisks poliesters, kas tiek sintezēts no laktīda skābes un laktīda monomēriem. Laktīds ir ciklisks diesteris, ko iegūst no fermentētas augu cietes (piemēram, kukurūzas cietes, cukurniedrēm) un izmanto kā augu izcelsmes plastmasas aizstājēju. Tādējādi PLA sintēze lieliski iekļaujas zaļās ķīmijas diapazonā. PLA ātri ieguva lielu interesi, jo tā ir bioloģiski ražots, bioloģiski noārdāms aizstājējs parastajai plastmasai, kuras pamatā ir naftas ķīmija.
Fakti par PLA: PLA (C₃H₄O₂)n blīvums ir 1210-1430 kg/m³, nešķīst ūdenī, ir cietāks par PTFE un kūst temperatūrā no 150degC līdz 220degC.

InnoREX – Inovatīvs polimerizācijas process

Pašreizējam PLA ražošanas procesam ir nepieciešami metālu saturoši katalizatori, lai uzlabotu laktonu polimerizācijas ātrumu, kas ir bīstami veselībai un videi. Attiecībā uz katalizatoru izmantošanas problemātisko raksturu un pieaugošo pieprasījumu pēc biobāzētiem polimēriem InnoREX projekts koncentrējas uz polimerizācijas procesa izstrādi, kurā parastie metālu saturošie katalizatori tiek aizstāti ar organisku katalizatoru un tiem palīdz alternatīvi enerģijas avoti lieljaudas ultraskaņa, mikroviļņu un lāzers.

Ir pierādīts, ka organiskie katalizatori efektīvi kontrolē laktīda polimerizāciju, taču to darbība joprojām ir jāuzlabo, lai tā atbilstu rūpniecības standartiem. Tas tiks panākts, ieviešot alternatīvas enerģijas Ultrasonics, mikroviļņu krāsnis un lāzera gaisma, jo tie palielina katalizatora aktivitāti un ļauj precīzi kontrolēt reakciju, aizraujot tikai nelielas reakcijas maisījuma daļas bez reakcijas laika.
Tāpēc projekts apvieno jaunu reaktoru sistēmu, kurā alternatīvie enerģijas avoti tiek ievadīti vidē, ar organisko katalizatoru, lai reaktīvās ekstrūzijas procesā iegūtu PLA bez metāla. (sk. 1. attēlu)
Tāpēc InnoREX projekts izmanto ātru mikroviļņu, ultraskaņas un lāzera gaismas reakcijas laiku, lai panāktu precīzi kontrolētu un efektīvu nepārtrauktu augstas molekulmasas PLA polimerizāciju divu skrūvju ekstrūderī. Turklāt ievērojams enerģijas ietaupījums tiks panākts, apvienojot polimerizāciju, savienošanu un veidošanu vienā ražošanas posmā.

Lieljaudas ultrasonogrāfija

Trīs alternatīvi enerģijas avoti - ultraskaņa, mikroviļņu un lāzera apstarošana - tiek apvienoti, lai izraisītu gredzena atvēršanas polimerizāciju, lai nodrošinātu augstas molekulmasas polimerizāciju. Ierobežotā uzturēšanās laikā reaktora kamerā alternatīvie enerģijas avoti ievada nepieciešamo reakcijas virzošo triecienu inline plūsmas šūnā (sk. 2. attēlu) ļoti mērķtiecīgā līmenī. Tādējādi var izvairīties no metālu saturošiem katalizatoriem, piemēram, alvas (II) 2-etilheksanoāta, kas ir parastajos ekstrūzijas procesos, kas nepieciešami, lai paaugstinātu laktonu polimerizācijas ātrumu līdz pieņemamam efektīvam līmenim.
InnoREX izmēģinājuma rūpnīcas sistēmai lieljaudas ultraskaņas procesors UIP1000hd, kas spēj nodrošināt 1kW ultraskaņas jaudu, ir integrēta. Augstas jaudas ultraskaņa ir labi pazīstama ar savu pozitīvo ietekmi uz ķīmiskajām reakcijām, kas ir sonoķīmijas parādība. Kad šķidrā vidē tiek ievadīti lieljaudas ultraskaņas viļņi, viļņi rada augstspiediena (kompresijas) un zema spiediena (retināšanas) ciklus, kā rezultātā tiek veikta ultraskaņa Kavitāciju. Kavitācija apraksta "burbuļu veidošanos, augšanu un implosīvu sabrukumu šķidrumā. Kavitācijas sabrukums rada intensīvu vietējo apkuri (~5000K), augstu spiedienu (~1000 atm) un milzīgus apkures un dzesēšanas ātrumus (>109 K/sek.)" tāda šķidruma plūsma ar šķidruma strūklu ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Ultrasoniski radītie kavitācijas spēki nodrošina kinētisko enerģiju, izkliedē daļiņas un rada radikāļus, kas atbalsta ķīmiskās polimerizācijas reakciju.
Ultraskaņas apstrādes vispārējā pozitīvā ietekme polimerizācijas reakcijas laikā ir:

• polimerizācijas uzsākšana sonoķīmiski radītu radikāļu dēļ (polimerizācijas kinētika)
• polimerizācijas ātruma paātrinājums
• šaurākas polidispersijas, bet lielāka polimēru molekulmasa
• viendabīgāka reakcija un līdz ar to mazāks ķēžu garumu sadalījums

Literatūra/Atsauces

• K.S. Suslick (1998): Kirk-Othmer ķīmijas tehnoloģijas enciklopēdija; 4. izd. Dž. & Dēli: Ņujorka, 1998, 26. sēj., 517.-541. lpp.