InnoREX – Ултразвучно побољшана екструзија PLA

Ултразвучно мешање, дисперговање и емулговање побољшавају екструзију полимлечних киселина (PLA). Увођење ултразвучне обраде у линије за екструзију повећава принос и квалитет произведеног PLA.

Синтеза полилактида

Полимлечна киселина или полилактид (PLA) је термопластични алифатични полиестар који се синтетише од млечне киселине и мономера лактида. Лактид је циклични диестар који се добија из ферментисаног биљног скроба (нпр. кукурузног скроба, шећерне трске) и користи се као замена за пластику на биљној основи. Тиме се синтеза PLA савршено уклапа у област зелене хемије. PLA је брзо привукао велико интересовање јер представља биоразградиву замену на биолошкој основи за конвенционалну пластику на петрохемијској основи.
Подаци о PLA: PLA (C₃H₄O₂)n има густину од 1210–1430 kg/m³, нерастворљив је у води, тврђи је од PTFE и топи се на температурама између 150degC и 220degC.

InnoREX – Иновативни процес полимеризације

Садашњи процес производње PLA захтева катализаторе који садрже метале ради повећања брзине полимеризације лактона, који су опасни по здравље и животну средину. С обзиром на проблематичну природу употребе катализатора и растућу потражњу за полимерима на биолошкој основи, пројекат InnoREX усмерен је на развој процеса полимеризације у којем се конвенционални катализатори који садрже метале замењују органским катализатором, уз подршку алтернативних извора енергије: ултразвука велике снаге, микроталаса и ласера.

Показало се да органски катализатори ефикасно контролишу полимеризацију лактида, али њихова активност још увек мора да се побољша како би се испунили индустријски стандарди. То ће се постићи увођењем алтернативних облика енергије ултразвука, микроталаса и ласерске светлости, јер они повећавају активност катализатора и омогућавају прецизну контролу реакције побуђивањем само малих делова реакционе смеше без времена одзива.
Пројекат стога комбинује нови реакторски систем, у којем се алтернативни извори енергије уводе у медијум, са органским катализатором како би се у процесу реактивне екструзије добио PLA без метала. (видети сл. 1)
Зато пројекат InnoREX користи брз одзив микроталаса, ултразвука и ласерске светлости за постизање прецизно контролисане и ефикасне континуалне полимеризације PLA велике молекулске масе у двопужном екструдеру. Поред тога, значајне уштеде енергије постићи ће се обједињавањем полимеризације, компаундирања и обликовања у једном производном кораку.

Ултразвук велике снаге

Три алтернативна извора енергије – ултразвук, микроталасно и ласерско зрачење – комбинују се ради покретања полимеризације отварањем прстена како би се обезбедила полимеризација са великом молекулском масом. Током ограниченог времена задржавања у реакторској комори, алтернативни извори енергије уносе неопходно дејство за покретање реакције у проточну ћелију уграђену у линију (видети сл. 2), уз веома прецизно усмеравање. Тиме се може избећи употреба катализатора који садрже метале, као што је калај(II) 2-етилхексаноат, који је у конвенционалним процесима екструзије неопходан за повећање брзине полимеризације лактона до прихватљиво ефикасног нивоа.
У систем пилот-постројења InnoREX интегрисан је ултразвучни процесор велике снаге UIP1000hd, који може да обезбеди ултразвучну снагу од 1kW. Ултразвук велике снаге добро је познат по својим позитивним ефектима на хемијске реакције, што представља феномен сонохемије. Када се ултразвучни таласи велике снаге уведу у течни медијум, таласи стварају циклусе високог притиска (компресије) и ниског притиска (разређења), што доводи до ултразвучне кавитације. Кавитација описује „настанак, раст и имплозивни колапс мехурића у течности. Кавитациони колапс изазива интензивно локално загревање (~5000K), високе притиске (~1000 atm) и огромне брзине загревања и хлађења (>109 K/sec)“, као и струјање течности са течним млазевима брзине ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Ултразвучно генерисане кавитационе силе обезбеђују кинетичку енергију, диспергују честице и стварају радикале који поспешују хемијску реакцију полимеризације.
Општи позитивни ефекти ултразвучне обраде током реакције полимеризације су:

• иницирање полимеризације услед сонохемијски створених радикала (кинетика полимеризације)
• повећање брзине полимеризације
• ужа полидисперзност, али већа молекулска маса полимера
• хомогенија реакција, а тиме и ужа расподела дужина ланаца

Литература/референце

• K.S. Suslick (1998): Kirk-Othmer енциклопедија хемијске технологије; 4. изд. J. Wiley & Sons: Њујорк, 1998, том 26, 517–541.