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.

Было показано, что органические катализаторы эффективно контролируют полимеризацию лактида, но их активность все еще должна быть улучшена, чтобы соответствовать промышленным стандартам. Это будет достигнуто за счет внедрения альтернативных источников энергии Ультразвук, микроволны и лазерное излучение, поскольку они увеличивают активность катализатора и позволяют точно контролировать реакцию, возбуждая только небольшие части реакционной смеси без времени реакции.
Таким образом, проект сочетает в себе новую реакторную систему, в которой альтернативные источники энергии вводятся в среду, с органическим катализатором для получения PLA, не содержащего металлов, в процессе реактивной экструзии. (см. рис. 1)
Таким образом, проект InnoREX использует быстрое время отклика 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 счет сочетания полимеризации, компаундирования и формовки на одном производственном этапе.

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