InnoREX – Extrusão de PLA melhorada por ultrassons

A mistura, a dispersão e a emulsificação ultrassónicas melhoram a extrusão de ácidos polilácticos (PLA). A implementação da sonicação nas linhas de extrusão aumenta o rendimento e a qualidade do PLA produzido.

Síntese de polilactídeo

Os ácidos polilácticos ou polilactídeo (PLA) são um poliéster alifático termoplástico, sintetizado a partir de ácido láctico e de monómeros de lactídeo. O lactídeo é um diéster cíclico, derivado de amido vegetal fermentado (por exemplo, amido de milho, cana-de-açúcar), e é utilizado como substituto de origem vegetal dos plásticos. Assim, a síntese de PLA enquadra-se perfeitamente no âmbito da química verde. O PLA suscitou rapidamente grande interesse por ser um substituto de origem biológica e biodegradável dos plásticos convencionais de origem petroquímica.
Dados sobre o PLA: o PLA (C₃H₄O₂)n tem uma densidade de 1210–1430 kg/m³, é insolúvel em água, mais duro do que o PTFE e funde a temperaturas entre 150degC e 220degC.

InnoREX – Processo de polimerização inovador

O atual processo de produção de PLA requer catalisadores que contêm metais, perigosos para a saúde e o ambiente, para aumentar a velocidade de polimerização das lactonas. Tendo em conta a natureza problemática da utilização de catalisadores e a crescente procura de polímeros de origem biológica, o projeto InnoREX centra-se no desenvolvimento de um processo de polimerização em que os catalisadores convencionais que contêm metais são substituídos por um catalisador orgânico, com o auxílio de fontes de energia alternativas: ultrassons de alta potência, micro-ondas e laser.

Demonstrou-se que os catalisadores orgânicos controlam eficientemente a polimerização do lactídeo, mas a sua atividade ainda tem de ser melhorada para cumprir as normas industriais. Isto será conseguido através da introdução de energias alternativas provenientes de ultrassons, micro-ondas e luz laser, uma vez que aumentam a atividade do catalisador e permitem um controlo preciso da reação, excitando apenas pequenas partes da mistura reacional sem tempo de resposta.
O projeto combina, por isso, um novo sistema de reator, no qual as fontes de energia alternativas são introduzidas no meio, com um catalisador orgânico para obter PLA isento de metais num processo de extrusão reativa. (ver fig. 1)
Assim, o projeto InnoREX utiliza o rápido tempo de resposta das micro-ondas, dos ultrassons e da luz laser para conseguir uma polimerização contínua, eficiente e controlada com precisão de PLA de elevada massa molecular numa extrusora de duplo fuso. Além disso, serão conseguidas poupanças de energia significativas ao combinar a polimerização, a composição e a conformação numa única etapa de produção.

Ultrassons de alta potência

Três fontes de energia alternativas – ultrassons, micro-ondas e irradiação laser – são combinadas para induzir a polimerização por abertura de anel e assegurar a polimerização com elevada massa molecular. Durante o tempo de residência limitado na câmara do reator, as fontes de energia alternativas introduzem o efeito necessário para impulsionar a reação numa célula de fluxo em linha (ver fig. 2), de forma altamente direcionada. Assim, é possível evitar catalisadores que contêm metais, como o 2-etil-hexanoato de estanho (II), que é necessário nos processos de extrusão convencionais para aumentar a velocidade de polimerização das lactonas até um nível de eficiência aceitável.
No sistema da instalação piloto InnoREX, foi integrado o processador ultrassónico de alta potência UIP1000hd, capaz de fornecer 1kW de potência ultrassónica. Os ultrassons de alta potência são bem conhecidos pelos seus efeitos positivos nas reações químicas, o que constitui o fenómeno da sonoquímica. Quando se introduzem ondas ultrassónicas de alta potência num meio líquido, estas criam ciclos de alta pressão (compressão) e de baixa pressão (rarefação), originando, por ação dos ultrassons, cavitação. A cavitação descreve «a formação, o crescimento e o colapso implosivo de bolhas num líquido. O colapso cavitacional produz um aquecimento local intenso (~5000K), pressões elevadas (~1000 atm) e enormes velocidades de aquecimento e arrefecimento (>109 K/sec)», bem como escoamento de líquido com jatos de líquido de ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
As forças cavitacionais geradas por ultrassons fornecem energia cinética, dispersam as partículas e criam radicais que favorecem a reação química de polimerização.
Os efeitos positivos gerais da sonicação durante uma reação de polimerização são:

• iniciação da polimerização devido a radicais criados por sonoquímica (cinética de polimerização)
• aceleração da velocidade de polimerização
• polidispersidades mais estreitas, mas maior massa molecular dos polímeros
• reação mais homogénea e, consequentemente, uma distribuição mais estreita dos comprimentos das cadeias

Bibliografia/Referências

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