InnoREX - Ultrasoon verbeterde PLA-extrusie

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

Synthese van polylactide

Polylactidezuren of polylactide (PLA) is een thermoplastisch alifatisch polyester dat gesynthetiseerd wordt uit melkzuur- en lactidemonomeren. Lactide is een cyclische diëster die afkomstig is van gefermenteerd plantenzetmeel (bijv. maïszetmeel, suikerriet) en wordt gebruikt als plantaardig substituut voor kunststoffen. Hierdoor past de synthese van PLA perfect in de groene chemie. PLA kreeg al snel veel belangstelling omdat het een biogebaseerd, biologisch afbreekbaar substituut is voor de conventionele plastics op basis van petrochemie.
Feiten over PLA: PLA (C₃H₄O₂)n heeft een dichtheid van 1210-1430 kg/m³is onoplosbaar in water, harder dan PTFE en smelt bij temperaturen tussen 150°C en 220°C.

InnoREX – Innovatief polymerisatieproces

Het huidige productieproces van PLA vereist metaalhoudende katalysatoren om de polymerisatiesnelheid van de lactonen te verbeteren, die gevaarlijk zijn voor de gezondheid en het milieu. Omdat het gebruik van katalysatoren problematisch is en de vraag naar biogebaseerde polymeren toeneemt, richt het InnoREX-project zich op de ontwikkeling van een polymerisatieproces waarbij de conventionele metaalhoudende katalysatoren worden vervangen door een organische katalysator en worden ondersteund door alternatieve energiebronnen zoals ultrageluid, microgolven en laser.

Er is aangetoond dat organische katalysatoren de polymerisatie van lactide efficiënt regelen, maar hun activiteit moet nog worden verbeterd om aan de industriële normen te voldoen. Dit zal worden bereikt door de introductie van alternatieve energieën van ultrasoonMicrogolven en laserlicht omdat ze de katalysatoractiviteit verhogen en een nauwkeurige controle van de reactie mogelijk maken door slechts kleine delen van het reactiemengsel te prikkelen zonder reactietijd.
Het project combineert daarom een nieuw reactorsysteem, waarbij de alternatieve energiebronnen in het medium worden gebracht, met een organische katalysator om een metaalvrij PLA te verkrijgen in een reactief extrusieproces. (zie afb. 1)
Daarom gebruikt het InnoREX-project de snelle reactietijd van microgolven, ultrageluid en laserlicht om een nauwkeurig gecontroleerde en efficiënte continue polymerisatie van PLA met een hoog moleculair gewicht te bereiken in een extruder met twee schroeven. Bovendien zullen er aanzienlijke energiebesparingen worden gerealiseerd door polymerisatie, compounding en vormgeving te combineren in één productiestap.

ultrageluid met hoog vermogen

Drie alternatieve energiebronnen - ultrageluid, microgolf en laserbestraling - worden gecombineerd om de ring-opening polymerisatie te induceren en zo polymerisatie met een hoog moleculair gewicht te garanderen. Tijdens de beperkte verblijftijd in de reactorkamer introduceren de alternatieve energiebronnen het vereiste reactiebevorderende effect in een inline stromingscel (zie afb. 2) op een zeer gericht niveau. Daardoor kunnen metaalhoudende katalysatoren zoals tin(II)2-ethylhexanoaat, die in conventionele extrusieprocessen nodig zijn om de polymerisatiesnelheid van de lactonen op een aanvaardbaar efficiënt niveau te brengen, worden vermeden.
Voor het InnoREX-pilootsysteem is de ultrasone processor met hoog vermogen UIP1000hddie 1kW aan ultrageluidsvermogen kan leveren, is geïntegreerd. Ultrasoon geluid met een hoog vermogen staat bekend om zijn positieve effecten op chemische reacties, het fenomeen van de sonochemie. Wanneer ultrasone golven met een hoog vermogen in een vloeibaar medium worden gebracht, creëren de golven cycli van hoge druk (compressie) en lage druk (rarefactie) die resulteren in ultrasoon geluid. cavitatie. Cavitatie beschrijft "de vorming, groei en implosieve ineenstorting van bellen in een vloeistof. Cavitatie veroorzaakt een intense plaatselijke verhitting (~5000K), hoge drukken (~1000 atm) en enorme verhittings- en afkoelsnelheden (>109 K/sec)" zoals vloeistofstromen met vloeistofstralen van ~400 km/u. (K.S. Suslick 1998)
De ultrasoon gegenereerde cavitatiekrachten leveren kinetische energie, verspreiden de deeltjes en creëren radicalen die de chemische polymerisatiereactie ondersteunen.
Algemene positieve effecten van sonicatie tijdens een polymerisatiereactie zijn:

• initiatie van polymerisatie door sonochemisch gecreëerde radicalen (polymerisatiekinetiek)
• versnelling van de polymerisatiesnelheid
• smallere poly-dispersiteit, maar hoger moleculair gewicht van de polymeren
• homogenere reactie en dus een lagere verdeling van de ketenlengtes

Literatuur/referenties

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