InnoREX – Ultrasoon verbeterde PLA-extrusie

Ultrasoon mengen, dispergeren en emulgeren verbetert de extrusie van polymelkzuren (PLA). De toepassing van sonicatie in extrusielijnen verhoogt de opbrengst en de kwaliteit van het geproduceerde PLA.

Synthese van polylactide

Polymelkzuren of polylactide (PLA) is een thermoplastische alifatische polyester die wordt gesynthetiseerd uit melkzuur en lactidemonomeren. Lactide is een cyclische di-ester die wordt verkregen uit gefermenteerd plantaardig zetmeel (bijv. maïszetmeel, suikerriet) en wordt gebruikt als plantaardig alternatief voor kunststoffen. Daarmee past de synthese van PLA perfect binnen de groene chemie. PLA trok al snel veel belangstelling als biogebaseerd, biologisch afbreekbaar alternatief voor conventionele kunststoffen op petrochemische basis.
Feiten over PLA: PLA (C₃H₄O₂)n heeft een dichtheid van 1210–1430 kg/m³, is onoplosbaar in water, harder dan PTFE en smelt bij temperaturen tussen 150degC en 220degC.

InnoREX – Innovatief polymerisatieproces

Het huidige productieproces van PLA vereist metaalhoudende katalysatoren, die schadelijk zijn voor de gezondheid en het milieu, om de polymerisatiesnelheid van de lactonen te verhogen. Gezien de problematische aard van het gebruik van katalysatoren en de groeiende vraag naar biogebaseerde polymeren richt het InnoREX-project zich op de ontwikkeling van een polymerisatieproces waarin de conventionele metaalhoudende katalysatoren worden vervangen door een organische katalysator en het proces wordt ondersteund door de alternatieve energiebronnen ultrasoon geluid met hoog vermogen, microgolven en laser.

Het is aangetoond dat organische katalysatoren de polymerisatie van lactide efficiënt regelen, maar hun activiteit moet nog worden verbeterd om aan industriële normen te voldoen. Dit wordt bereikt door de introductie van alternatieve energie in de vorm van ultrasoon geluid, microgolven en laserlicht, aangezien deze de katalysatoractiviteit verhogen en een nauwkeurige regeling van de reactie mogelijk maken door uitsluitend kleine delen van het reactiemengsel te exciteren, zonder responstijd.
Het project combineert daarom een nieuw reactorsysteem, waarin de alternatieve energiebronnen in het medium worden ingebracht, met een organische katalysator om metaalvrij PLA te verkrijgen via een reactief extrusieproces. (zie afb. 1)
Daarom gebruikt het InnoREX-project de snelle responstijd van microgolven, ultrasoon geluid en laserlicht om een nauwkeurig geregelde en efficiënte continue polymerisatie van PLA met een hoog molecuulgewicht te bereiken in een dubbelschroefextruder. Bovendien worden aanzienlijke energiebesparingen bereikt door polymerisatie, compounderen en vormgeving te combineren in één productiestap.

Ultrasoon geluid met hoog vermogen

Drie alternatieve energiebronnen – ultrasoon geluid, microgolven en laserbestraling – worden gecombineerd om de ringopeningspolymerisatie op gang te brengen en zo polymerisatie tot een hoog molecuulgewicht te waarborgen. Tijdens de beperkte verblijftijd in de reactorkamer brengen de alternatieve energiebronnen de vereiste reactiebevorderende werking zeer gericht in een inline-doorstroomcel (zie afb. 2) in. Hierdoor kunnen metaalhoudende katalysatoren zoals tin(II) 2-ethylhexanoaat worden vermeden, die bij conventionele extrusieprocessen nodig zijn om de polymerisatiesnelheid van de lactonen tot een aanvaardbaar efficiënt niveau te verhogen.
In het InnoREX-pilotplantsysteem is de ultrasone processor met hoog vermogen UIP1000hd, die 1kW ultrasoon vermogen kan leveren, geïntegreerd. Ultrasoon geluid met hoog vermogen staat bekend om zijn positieve effecten op chemische reacties, een verschijnsel dat sonochemie wordt genoemd. Wanneer ultrasone golven met hoog vermogen in een vloeibaar medium worden ingebracht, veroorzaken de golven cycli van hoge druk (compressie) en lage druk (verdunning), die leiden tot ultrasone cavitatie. Cavitatie beschrijft “de vorming, groei en implosieve ineenstorting van bellen in een vloeistof. De ineenstorting van cavitatiebellen veroorzaakt intense lokale verhitting (~5000K), hoge drukken (~1000 atm) en enorme verwarmings- en afkoelsnelheden (>109 K/sec)”, evenals vloeistofstroming met vloeistofstralen van ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
De ultrasoon opgewekte cavitatiekrachten leveren kinetische energie, dispergeren de deeltjes en creëren radicalen die de chemische polymerisatiereactie ondersteunen.
Algemene positieve effecten van sonicatie tijdens een polymerisatiereactie zijn:

• initiatie van polymerisatie door sonochemisch gevormde radicalen (polymerisatiekinetiek)
• verhoging van de polymerisatiesnelheid
• smallere polydispersiteiten, maar een hoger molecuulgewicht van de polymeren
• een homogenere reactie en daardoor een smallere verdeling van ketenlengten

Literatuur/referenties

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