InnoREX-Ultrasonically vylepšené PLA extrúzia

Ultrazvukový miešanie, rozptyľuje a emulgácia zlepšuje extrúziu polylaktických kyselín (PLA). Implementácia ultrazvukom do extrúznej linky zvyšuje výnos a kvalitu vyrobeného CHKO.

Syntéza polylaktidov

Polylactid kyseliny alebo polylaktid (PLA) je termoplastický alifatický polyester, ktorý je syntetizovaný z kyseliny laktid a lakttide monomérov. Lactide je cyklický diester, ktorý je odvodený od fermentovaného rastlinného škrobu (napr. kukuričný škrob, cukrová trstina) a používa sa ako náhrada za plasty na báze rastlín. Preto sa syntéza PLA dokonale hodí do škály zelenej chémie. PLA získala rýchlo veľký záujem, pretože ide o bio-založené, biologicky odbúrateľné nahradenie konvenčných Petro-chemické plasty na báze.
Fakty o PLA: PLA (C₃H₄O₂) n má hustotu 1210-1430 kg/m³, je nerozpustný vo vode, ťažšie ako PTFE a taví pri teplotách medzi 150degC a 220degC.

V meste InnoREX – Inovatívny proces polymerizácie

Súčasný výrobný proces PLA vyžaduje katalyzátory obsahujúce kovy na zlepšenie rýchlosti polymerizácie v lakttónoch, ktoré sú nebezpečné pre zdravie a životné prostredie. Pokiaľ ide o problematickú povahu využitia katalyzátora a rastúci dopyt po biologické polymérov, projekt innorex sa zameriava na vývoj procesu polymerizácie, v ktorom sa konvenčné kovy obsahujúce katalyzátory nahrádzajú organickým katalyzátora a pomáha alternatívnych energetických zdrojov vysokého výkonu ultrazvuk, mikrovlnná rúra a laser.

Organické katalyzátory boli preukázané, že účinne kontrolovať polymerizáciu laktide, ale ich činnosť musí byť ešte lepšie, aby spĺňali priemyselné normy. To sa dosiahne zavedením alternatívnych energií Ultrazvukom, mikrovlnné rúry a laserové svetlo, pretože zvyšujú aktivitu katalyzátora a umožňujú presnú kontrolu reakcie vzrušujúcimi len malými časťami reakčnej zmesi bez času odozvy.
Projekt sa preto kombinuje s novým systémom reaktorov, kde sa do média zavádzajú alternatívne zdroje energie, s ekologickým katalyzátorom na získanie CHKO-Free PLA v procese reaktívneho vytláčaním. (pozri obr. 1)
Preto projekt InnoREX používa rýchly čas odozvy mikrovlnných vĺn, ultrazvuku a laserového svetla na dosiahnutie presne kontrolovanej a efektívnej nepretržitej polymerizácie vysokej molekulovej hmotnosti PLA v dvojzávitovej Extruderu. Okrem toho sa významné úspory energie dosiahnu kombináciou polymerizácie, združovania a tvarovania v jednom výrobnom kroku.

Vysoký výkon ultrazvukom

Tri alternatívne zdroje energie – ultrazvuk, mikrovlnná rúra a laserové ožarovanie – sú kombinované vyvolať prsteň-otvorenie polymerizácie na zabezpečenie vysokej molekulárnej hmotnosti polymerizácie. Počas obmedzeného času pobytu v komore reaktora alternatívne zdroje energie zavádzajú požadovaný vplyv reakcie na reakciu do inline prietokovej bunky (pozri obr. 2) na vysoko cielenej úrovni. Tým sa dá vyhnúť katalyzátory obsahujúce kovy, ako je cín (II) 2-etylhexanoát, ktorý je v konvenčných procesoch vytláčania potrebných na zvýšenie rýchlosti polymerizácie v lakttónoch na prijateľnú efektívnu úroveň.
Pre systém pilotného závodu InnoREX je vysoko výkonový Ultrazvukový procesor Uip1000hd, ktorý je schopný poskytnúť 1kW ultrazvukového výkonu, bol integrovaný. Vysoký výkon ultrazvuk je dobre známy pre svoje pozitívne účinky na chemické reakcie, čo je fenomén sonochemistry. Keď vysoký výkon ultrazvukové vlny sú zavedené do kvapalného média, vlny vytvoriť vysokotlakové (kompresia) a nízkotlakové (rarefaction) cykly vedúce k ultrazvuku kavitácia. Kavitácia opisuje "vznik, rast a implozivní kolaps bublín v kvapaline. Kavitačný kolaps produkuje intenzívne miestne vykurovanie (~ 5000K), vysoké tlaky (~ 1000 ATM), a enormné vykurovanie a chladenie sadzby (>109 K/SEC) "takéto kvapalné streamovanie s kvapalnými tryskami s rýchlosťou ~ 400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Rozpúšťadle generované cavitational sily poskytujú kinetickú energiu, rozptýliť častice a vytvárať radikály podporujúce chemickú polymerizáciu reakciu.
Všeobecné pozitívne účinky ultrazvukom počas polymerizácie reakcie sú:

• začatie polymerizácie v dôsledku sonochemicky vytvorených radikálov (polymerizácia kinetika)
• zrýchlenie rýchlosti polymerizácie
• užší polydispersities, ale vyššia molekulová hmotnosť polymérov
• homogénnu reakciu, a teda nižšiu distribúciu reťazových dĺžok

Literatúra / Referencie

• K.S. Suslick (1998): Kirk-Othmer encyklopédia chemickej technológie; 4. Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, zv. 26, 517-541.