InnoREX – экструзия PLA, улучшенная с помощью ультразвука

Ультразвуковое смешивание, диспергирование и эмульгирование улучшают экструзию полимолочных кислот (PLA). Внедрение обработки ультразвуком в экструзионные линии повышает выход и качество получаемого PLA.

Синтез полилактида

Полимолочные кислоты, или полилактид (PLA), представляют собой термопластичный алифатический полиэфир, который синтезируют из молочной кислоты и мономеров лактида. Лактид – циклический диэфир, получаемый из ферментированного растительного крахмала (например, кукурузного крахмала, сахарного тростника) и используемый в качестве заменителя пластмасс на растительной основе. Таким образом, синтез PLA идеально вписывается в область зелёной химии. PLA быстро привлёк большой интерес, поскольку он является биоразлагаемым заменителем обычных пластмасс на основе нефтехимического сырья и производится из биологического сырья.
Факты о PLA: PLA (C₃H₄O₂)n имеет плотность 1210–1430 kg/m³, нерастворим в воде, твёрже PTFE и плавится при температурах от 150degC до 220degC.

InnoREX – инновационный процесс полимеризации

Современный процесс производства PLA требует применения металлосодержащих катализаторов, опасных для здоровья и окружающей среды, для повышения скорости полимеризации лактонов. Учитывая проблемы, связанные с применением катализаторов, и растущий спрос на полимеры на основе биологического сырья, проект InnoREX сосредоточен на разработке процесса полимеризации, в котором обычные металлосодержащие катализаторы заменяются органическим катализатором, а процесс поддерживается альтернативными источниками энергии – ультразвуком высокой мощности, микроволнами и лазером.

Показано, что органические катализаторы эффективно контролируют полимеризацию лактида, однако их активность ещё необходимо повысить для соответствия промышленным стандартам. Это будет достигнуто путём введения альтернативных видов энергии – ультразвука, микроволн и лазерного излучения, поскольку они повышают активность катализатора и обеспечивают точное управление реакцией, возбуждая только небольшие участки реакционной смеси без задержки отклика.
Таким образом, проект сочетает новую реакторную систему, в которой альтернативные источники энергии воздействуют на среду, с органическим катализатором для получения PLA без металлов в процессе реакционной экструзии. (см. рис. 1)
Поэтому в проекте InnoREX используется быстрый отклик микроволн, ультразвука и лазерного излучения для достижения точно контролируемой и эффективной непрерывной полимеризации высокомолекулярного PLA в двухшнековом экструдере. Кроме того, значительная экономия энергии будет достигнута за счёт объединения полимеризации, компаундирования и формования в один производственный этап.

Ультразвук высокой мощности

Три альтернативных источника энергии – ультразвук, микроволны и лазерное излучение – объединяются для инициирования полимеризации с раскрытием цикла, обеспечивающей получение полимера с высокой молекулярной массой. В течение ограниченного времени пребывания в реакторной камере альтернативные источники энергии обеспечивают необходимое для протекания реакции воздействие в проточной ячейке, встроенной в линию (см. рис. 2), с высокой степенью локализации. Таким образом, можно избежать применения металлосодержащих катализаторов, таких как 2-этилгексаноат олова (II), который в обычных экструзионных процессах требуется для повышения скорости полимеризации лактонов до приемлемого уровня эффективности.
В систему опытной установки InnoREX интегрирован ультразвуковой процессор высокой мощности UIP1000hd, способный обеспечивать ультразвуковую мощность 1kW. Ультразвук высокой мощности хорошо известен своим положительным воздействием на химические реакции – это явление называется сонохимией. Когда ультразвуковые волны высокой мощности вводятся в жидкую среду, они создают циклы высокого давления (сжатия) и низкого давления (разрежения), вызывающие ультразвуковую кавитацию. Кавитация описывает «образование, рост и имплозивное схлопывание пузырьков в жидкости. Кавитационное схлопывание вызывает интенсивный локальный нагрев (~5000K), высокие давления (~1000 atm) и чрезвычайно высокие скорости нагрева и охлаждения (>109 K/sec)», а также течение жидкости со струями, движущимися со скоростью ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Кавитационные силы, создаваемые ультразвуком, обеспечивают кинетическую энергию, диспергируют частицы и образуют радикалы, способствующие химической реакции полимеризации.
К общим положительным эффектам обработки ультразвуком во время реакции полимеризации относятся:

• инициирование полимеризации за счёт радикалов, образующихся под действием сонохимии (кинетика полимеризации)
• повышение скорости полимеризации
• меньшая полидисперсность, но более высокая молекулярная масса полимеров
• более однородное протекание реакции и, следовательно, более узкое распределение длин цепей

Литература и источники

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