InnoREX – ультразвуковая экструзия PLA

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

Синтез полилактидов

Полилактидные кислоты или полилактид (PLA) – это термопластичный алифатический полиэфир, который синтезируется из молочной кислоты и мономеров лактида. Лактид представляет собой циклический диэфир, который получают из ферментированного растительного крахмала (например, кукурузного крахмала, сахарного тростника) и используют в качестве растительного заменителя пластмасс. Таким образом, синтез PLA идеально вписывается в область зеленой химии. PLA быстро завоевал большой интерес, поскольку он является биоразлагаемым заменителем обычных пластмасс на основе нефтехимии.
Факты о PLA: PLA (C₃H₄O₂)n имеет плотность 1210-1430 кг/м³, нерастворим в воде, тверже ПТФЭ и плавится при температурах от 150°C до 220°C.

ИнноРЕКС – Инновационный процесс полимеризации

Текущий производственный процесс PLA требует металлсодержащих катализаторов для улучшения скорости полимеризации лактонов, опасных для здоровья и окружающей среды. Что касается проблематичного характера использования катализаторов и растущего спроса на полимеры на биологической основе, проект InnoREX сосредоточен на разработке процесса полимеризации, в котором обычные металлсодержащие катализаторы заменяются органическим катализатором и поддерживаются альтернативными источниками энергии высокой мощности ультразвука, микроволнового излучения и лазера.

ультразвуковой аппарат УИП2000HDT в рамках экструзионной системы

Ультразвуковые аппараты высокой мощности

Три альтернативных источника энергии – ультразвук, микроволновое и лазерное излучение – объединены для индуцирования полимеризации с размыканием кольца и обеспечения высокомолекулярной полимеризации. В течение ограниченного времени пребывания в камере реактора альтернативные источники энергии вносят необходимое реакционное воздействие во встроенную проточную ячейку (см. рис. 2) на узконаправленном уровне. Таким образом, можно избежать использования металлосодержащих катализаторов, таких как олово (II)2-этилгексаноат, который в обычных процессах экструзии требуется для повышения скорости полимеризации лактонов до приемлемого эффективного уровня.
Для системы пилотной установки InnoREX, ультразвуковой процессор высокой мощности УИП1000HD, который способен обеспечить мощность ультразвука 1 кВт. Ультразвук высокой мощности хорошо известен своим положительным воздействием на химические реакции, которые являются явлением сонохимии. Когда в жидкую среду вводятся ультразвуковые волны высокой мощности, они создают циклы высокого давления (сжатие) и низкого давления (разрежение), что приводит к ультразвуковому излучению кавитация. Кавитация описывает «образование, рост и имплозивное схлопывание пузырьков в жидкости. Кавитационный коллапс приводит к интенсивному локальному нагреву (~5000 К), высокому давлению (~1000 атм) и огромным скоростям нагрева и охлаждения (>109 К/сек)" такой поток жидкости со скоростью ~400 км/ч. (K.S. Suslick 1998)
Создаваемые ультразвуком кавитационные силы обеспечивают кинетическую энергию, диспергируют частицы и создают радикалы, поддерживающие реакцию химической полимеризации.
Общими положительными эффектами ультразвука во время реакции полимеризации являются:

• инициация полимеризации за счет сонохимически созданных радикалов (кинетика полимеризации)
• ускорение скорости полимеризации
• более узкие полидисперсности, но более высокая молекулярная масса полимеров
• более однородная реакция и, следовательно, меньшее распределение длин цепей

Рисунок 2: Настройка процесса с помощью ультразвука, микроволнового излучения и лазера для достижения полимеризации с размыканием кольца без использования металлосодержащих катализаторов (Источник: InnoREX)