InnoREX – Extrudarea PLA îmbunătățită cu ultrasunete

Amestecarea, dispersarea și emulsionarea cu ultrasunete îmbunătățesc extrudarea acizilor polilactici (PLA). Implementarea sonicării în liniile de extrudare crește randamentul și calitatea PLA produs.

Sinteza polilactidei

Acizii polilactici sau polilactida (PLA) reprezintă un poliester alifatic termoplastic, care este sintetizat din acid lactic și monomeri de lactidă. Lactida este un diester ciclic, care este obținut din amidon vegetal fermentat (de ex. amidon de porumb, trestie de zahăr) și este utilizat ca înlocuitor de origine vegetală pentru materialele plastice. Astfel, sinteza PLA se încadrează perfect în domeniul chimiei verzi. PLA a atras rapid un interes ridicat, deoarece este un înlocuitor biodegradabil, de origine biologică, pentru materialele plastice convenționale pe bază petrochimică.
Date despre PLA: PLA (C₃H₄O₂)n are o densitate de 1210–1430 kg/m³, este insolubil în apă, mai dur decât PTFE și se topește la temperaturi între 150degC și 220degC.

InnoREX – Proces inovator de polimerizare

Procesul actual de producție a PLA necesită catalizatori care conțin metale pentru a îmbunătăți viteza de polimerizare a lactonelor, catalizatori care sunt periculoși pentru sănătate și mediu. Având în vedere natura problematică a utilizării catalizatorilor și cererea crescândă de polimeri de origine biologică, proiectul InnoREX se concentrează pe dezvoltarea unui proces de polimerizare în care catalizatorii convenționali care conțin metale sunt înlocuiți de un catalizator organic, procesul fiind asistat de sursele alternative de energie reprezentate de ultrasunetele de mare putere, microunde și laser.

S-a demonstrat că catalizatorii organici controlează eficient polimerizarea lactidei, dar activitatea lor trebuie încă îmbunătățită pentru a îndeplini standardele industriale. Acest lucru va fi realizat prin introducerea energiilor alternative reprezentate de ultrasunete, microunde și lumină laser, deoarece acestea cresc activitatea catalizatorului și permit controlul precis al reacției prin excitarea doar a unor mici părți ale amestecului de reacție, fără timp de răspuns.
Prin urmare, proiectul combină un sistem de reactor nou, în care sursele alternative de energie sunt introduse în mediu, cu un catalizator organic, pentru a obține un PLA fără metale într-un proces de extrudare reactivă. (vezi fig. 1)
Astfel, proiectul InnoREX utilizează timpul de răspuns rapid al microundelor, ultrasunetelor și luminii laser pentru a realiza o polimerizare continuă, controlată precis și eficientă, a PLA cu masă moleculară mare într-un extruder cu două șnecuri. În plus, se vor realiza economii semnificative de energie prin combinarea polimerizării, compoundării și modelării într-o singură etapă de producție.

Ultrasunete de mare putere

Trei surse alternative de energie – ultrasunete, microunde și iradiere laser – sunt combinate pentru a induce polimerizarea prin deschiderea inelului, astfel încât să se asigure polimerizarea cu masă moleculară mare. În timpul limitat de rezidență în camera reactorului, sursele alternative de energie introduc impulsul necesar declanșării reacției într-o celulă de flux în linie (vezi fig. 2), la un nivel foarte bine țintit. Astfel, pot fi evitați catalizatorii care conțin metale, cum ar fi 2-etilhexanoatul de staniu (II), care este necesar în procesele convenționale de extrudare pentru a ridica viteza de polimerizare a lactonelor la un nivel de eficiență acceptabil.
Pentru sistemul instalației-pilot InnoREX a fost integrat procesorul cu ultrasunete de mare putere UIP1000hd, capabil să furnizeze 1kW de putere ultrasonică. Ultrasunetele de mare putere sunt bine cunoscute pentru efectele lor pozitive asupra reacțiilor chimice, fenomen cunoscut sub numele de sonochimie. Când undele ultrasonice de mare putere sunt introduse într-un mediu lichid, acestea creează cicluri de presiune înaltă (compresie) și de presiune joasă (rarefiere), având ca rezultat cavitația ultrasonică. Cavitația descrie „formarea, creșterea și colapsul imploziv al bulelor într-un lichid. Colapsul cavitațional produce o încălzire locală intensă (~5000K), presiuni ridicate (~1000 atm) și viteze enorme de încălzire și răcire (>109 K/sec)”, precum și curgerea lichidului cu jeturi de lichid de ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Forțele cavitaționale generate ultrasonic furnizează energie cinetică, dispersează particulele și creează radicali care susțin reacția chimică de polimerizare.
Efectele pozitive generale ale sonicării în timpul unei reacții de polimerizare sunt:

• inițierea polimerizării datorită radicalilor creați sonochimic (cinetica polimerizării)
• accelerarea vitezei de polimerizare
• polidispersități mai înguste, dar masă moleculară mai mare a polimerilor
• reacție mai omogenă și, prin urmare, o distribuție mai redusă a lungimilor de lanț

Literatură de specialitate/Referințe

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