InnoREX – Extrusão de PLA Ultrassonicamente Aprimorada

A mistura, dispersão e emulsificação ultrassônica melhoram a extrusão de ácidos poliláticos (PLA). A implementação da ultrassonografia em linhas de extrusão aumenta o rendimento e a qualidade do PLA produzido.

Síntese de polilactídeos

Ácidos polilactídeos ou polilactídeo (PLA) é um poliéster alifático termoplástico, que é sintetizado a partir de ácido láctico e monômeros de lactídeo. O lactídeo é um diéster cíclico, derivado do amido vegetal fermentado (por exemplo, amido de milho, cana-de-açúcar) e é usado como substituto vegetal para plásticos. Assim, a síntese de PLA se encaixa perfeitamente na faixa da química verde. O PLA ganhou rapidamente grande interesse, pois é um substituto biodegradável e de base biológica para os plásticos convencionais de base petroquímica.
Fatos sobre o PLA: PLA (C₃H₄O₂)n tem uma densidade de 1210-1430 kg/m³, é insolúvel em água, mais duro que o PTFE e derrete em temperaturas entre 150°C e 220°C.

InnoREX – Processo de polimerização inovador

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

Os catalisadores orgânicos demonstraram controlar eficientemente a polimerização do lactídeo, mas sua atividade ainda deve ser melhorada para atender aos padrões industriais. Isso será alcançado pela introdução de energias alternativas de Ultrasonics, microondas e luz laser, pois aumentam a atividade do catalisador e permitem o controle 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 alternativas de energia são introduzidas no meio, com um catalisador orgânico para obter um PLA livre de metais em um processo de extrusão reativa. (ver foto 1)
Portanto, o projeto InnoREX usa o tempo de resposta rápido de microondas, ultrassom e luz laser para obter uma polimerização contínua controlada e eficiente com precisão de PLA de alto peso molecular em uma extrusora de rosca dupla. Além disso, uma economia significativa de energia será alcançada combinando polimerização, composição e modelagem em uma etapa de produção.

Ultrassom de alta potência

Três fontes alternativas de energia – ultrassom, micro-ondas e irradiação a laser – são combinadas para induzir a polimerização de abertura do anel para garantir a polimerização de alto peso molecular. Durante o tempo limitado de residência na câmara do reator, as fontes alternativas de energia introduzem o impacto necessário para a reação em uma célula de fluxo em linha (ver fig. 2) em um nível altamente direcionado. Assim, catalisadores contendo metais, como o 2-etilhexanoato de estanho (II), que está nos processos convencionais de extrusão necessários para elevar a taxa de polimerização das lactonas a um nível eficiente aceitável, podem ser evitados.
Para o sistema de planta piloto InnoREX, o processador ultrassônico de alta potência UIP1000hd, que é capaz de fornecer 1kW de potência de ultrassom, foi integrado. O ultrassom de alta potência é bem conhecido por seus efeitos positivos nas reações químicas, que é o fenômeno da sonoquímica. Quando ondas ultrassônicas de alta potência são introduzidas em um meio líquido, as ondas criam ciclos de alta pressão (compressão) e baixa pressão (rarefação), resultando em ultrassom cavitação. A cavitação descreve "a formação, crescimento e colapso implosivo de bolhas em um líquido. O colapso cavitacional produz intenso aquecimento local (~ 5000K), altas pressões (~ 1000 atm) e enormes taxas de aquecimento e resfriamento (>109 K / seg)" tal fluxo de líquido com jatos de líquido de ~ 400 km / h. (K.S. Suslick 1998)
As forças cavitacionais geradas por ultrassom fornecem energia cinética, dispersam as partículas e criam radicais que suportam a reação de polimerização química.
Os efeitos positivos gerais da sonicação durante uma reação de polimerização são:

• início da polimerização devido a radicais criados sonoquimicamente (cinética de polimerização)
• aceleração da taxa de polimerização
• polidispersões mais estreitas, mas maior peso molecular dos polímeros
• reação mais homogênea e, portanto, uma menor distribuição dos comprimentos da cadeia

Literatura/Referências

• K.S. Suslick (1998): Enciclopédia Kirk-Othmer de Tecnologia Química; 4ª Ed. J. Wiley & Filhos: Nova York, 1998, vol. 26, 517-541.