InnoREX - Extrusão de PLA melhorada por ultra-sons

Ultra-sons de mistura, dispersão e emulsificação melhora a extrusão de ácidos polilácticos (PLA). A implementação de ultra-sons em linhas de extrusão aumenta o rendimento e a qualidade do PLA produzido.

Síntese de polilactideos

Os ácidos polilácidos ou polilactida (PLA) são poliésteres alifáticos termoplásticos, sintetizados a partir de monómeros de ácido lático e de lactido. O lactídeo é um diéster cíclico, derivado de amido vegetal fermentado (por exemplo, amido de milho, cana-de-açúcar) e é utilizado como substituto vegetal de plásticos. Assim, a síntese do PLA enquadra-se perfeitamente na gama da química verde. O PLA ganhou rapidamente grande interesse por ser um substituto de base biológica e biodegradável dos plásticos convencionais de base petroquímica.
Factos sobre o PLA: PLA (C₃H₄O₂)n tem uma densidade de 1210-1430 kg/m³é insolúvel em água, mais duro que o PTFE e funde a temperaturas entre 150 e 220 graus Celsius.

InnoREX – Processo de polimerização inovador

O atual processo de produção de PLA requer catalisadores contendo metais para melhorar a taxa de polimerização das lactonas, que são perigosos para a saúde e para o ambiente. No que diz respeito à natureza problemática da utilização de catalisadores e à crescente procura de polímeros de base biológica, o projeto InnoREX centra-se no desenvolvimento de um processo de polimerização, no qual os catalisadores convencionais contendo metais são substituídos por um catalisador orgânico e assistidos por fontes de energia alternativas de ultra-sons de alta potência, micro-ondas e laser.

Foi demonstrado que os catalisadores orgânicos controlam eficazmente a polimerização do lactídeo, mas a sua atividade deve ainda ser melhorada para satisfazer as normas industriais. Este objetivo será alcançado com a introdução de energias alternativas de Ultra-sonsAs micro-ondas e a luz laser aumentam a atividade do catalisador e permitem um controlo preciso da reação, excitando apenas pequenas partes da mistura de reação sem tempo de resposta.
O projeto combina, portanto, um novo sistema de reator, onde as fontes de energia alternativas são introduzidas no meio, com um catalisador orgânico para obter um PLA sem metal num processo de extrusão reativo. (ver imagem 1)
Por conseguinte, o projeto InnoREX utiliza o tempo de resposta rápido das micro-ondas, dos ultra-sons e da luz laser para conseguir uma polimerização contínua eficiente e controlada com precisão de PLA de elevado peso molecular numa extrusora de rosca dupla. Além disso, serão conseguidas poupanças de energia significativas ao combinar a polimerização, a composição e a moldagem numa única fase de produção.

ultra-sons de alta potência

Três fontes de energia alternativas - ultra-sons, micro-ondas e irradiação laser - são combinadas para induzir a polimerização de abertura do anel para garantir a polimerização de elevado peso molecular. Durante o tempo de residência limitado na câmara do reator, as fontes de energia alternativas introduzem o impacto de condução da reação necessário numa célula de fluxo em linha (ver imagem 2) a um nível altamente direcionado. Deste modo, podem ser evitados catalisadores contendo metais, como o 2-etil-hexanoato de estanho (II), que é necessário nos processos de extrusão convencionais para aumentar a taxa de polimerização das lactonas para um nível eficiente aceitável.
Para o sistema da fábrica piloto InnoREX, o processador ultrassónico de alta potência UIP1000hdque é capaz de fornecer 1kW de potência de ultra-sons, foi integrado. Os ultra-sons de alta potência são bem conhecidos pelos seus efeitos positivos nas reacções químicas, o que constitui o fenómeno da sonoquímica. Quando ondas ultra-sónicas de alta potência são introduzidas num meio líquido, as ondas criam ciclos de alta pressão (compressão) e baixa pressão (rarefação), resultando em ultra-sons cavitação. A cavitação descreve “a formação, crescimento e colapso implosivo de bolhas num líquido. O colapso cavitacional produz um intenso aquecimento local (~5000K), altas pressões (~1000 atm) e enormes taxas de aquecimento e arrefecimento (>109 K/seg)” como o fluxo de líquido com jactos de líquido de ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
As forças cavitacionais geradas por ultra-sons fornecem energia cinética, dispersam as partículas e criam radicais que suportam a reação química de polimerização.
Os efeitos positivos gerais da sonicação durante uma reação de polimerização são:

• início da polimerização devido a radicais criados por sonoquímica (cinética de polimerização)
• aceleração da taxa de polimerização
• polidispersões mais estreitas, mas maior peso molecular dos polímeros
• reação mais homogénea e, por conseguinte, uma menor distribuição dos comprimentos das cadeias

Literatura/Referências

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