InnoREX – Ultraljudsförbättrad PLA-extrudering

Ultraljudsblandning, dispergering och emulgering förbättrar extruderingen av polymjölksyra (PLA). Att implementera ultraljud i extruderingslinjer ökar avkastningen och kvaliteten på den producerade PLA.

Syntes av polylaktid

Polylaktidsyror eller polylaktid (PLA) är en termoplastisk alifatisk polyester, som syntetiseras från mjölksyra och laktidmonomerer. Laktid är en cyklisk diester, som härrör från fermenterad växtstärkelse (t.ex. majsstärkelse, sockerrör) och används som växtbaserad ersättning för plast. Därmed passar PLA-syntesen perfekt in i området för grön kemi. PLA fick snabbt stort intresse eftersom det är ett biobaserat, biologiskt nedbrytbart substitut till den konventionella petrokemiskt baserade plasten.
Fakta om PLA: PLA (C₃H₄O₂)n har en densitet på 1210-1430 kg/m³, är olösligt i vatten, hårdare än PTFE och smälter vid temperaturer mellan 150 °C och 220 °C.

InnoREX – Innovativ polymerisationsprocess

Den nuvarande produktionsprocessen för PLA kräver metallhaltiga katalysatorer för att förbättra polymerisationshastigheten för laktonerna, som är farliga för hälsa och miljö. När det gäller den problematiska karaktären av katalysatoranvändning och den växande efterfrågan på biobaserade polymerer, fokuserar InnoREX-projektet på utvecklingen av en polymerisationsprocess, där den konventionella metallinnehållande katalysatorn ersätts med en organisk katalysator och stöds av de alternativa energikällorna ultraljud, mikrovåg och laser med hög effekt.

Organiska katalysatorer har visat sig effektivt kontrollera polymerisationen av laktid, men deras aktivitet måste fortfarande förbättras för att uppfylla industriella standarder. Detta kommer att uppnås genom införandet av alternativa energikällor av ultraljud, mikrovågor och laserljus eftersom de ökar katalysatoraktiviteten och möjliggör exakt kontroll av reaktionen genom att endast excitera små delar av reaktionsblandningen utan responstid.
Projektet kombinerar därför ett nytt reaktorsystem, där de alternativa energikällorna introduceras i mediet, med en organisk katalysator för att erhålla en metallfri PLA i en reaktiv extruderingsprocess. (se bild 1)
Därför använder InnoREX-projektet den snabba responstiden från mikrovågor, ultraljud och laserljus för att uppnå en exakt kontrollerad och effektiv kontinuerlig polymerisation av PLA med hög molekylvikt i en dubbelskruvsextruder. Dessutom kommer betydande energibesparingar att uppnås genom att kombinera polymerisation, kompoundering och formning i ett produktionssteg.

Ultraljud med hög effekt

Tre alternativa energikällor – ultraljud, mikrovåg och laserbestrålning – kombineras för att inducera den ringöppnande polymerisationen för att säkerställa polymerisationen med hög molekylvikt. Under den begränsade uppehållstiden i reaktorkammaren introducerar de alternativa energikällorna den nödvändiga reaktionsdrivande effekten i en inline-flödescell (se bild 2) på en mycket riktad nivå. Därigenom kan metallhaltiga katalysatorer såsom tenn (II) 2-etylhexanoat, som i konventionella extruderingsprocesser krävs för att höja polymerisationshastigheten av laktonerna till en acceptabel effektiv nivå, undvikas.
För InnoREX pilotanläggningssystem är ultraljudsprocessorn med hög effekt UIP1000hd, som kan ge 1 kW ultraljudseffekt, har integrerats. Ultraljud med hög effekt är välkänt för sina positiva effekter på kemiska reaktioner, vilket är fenomenet sonokemi. När ultraljudsvågor med hög effekt introduceras i ett flytande medium skapar vågorna cykler med högt tryck (kompression) och lågt tryck (sällsynthet) vilket resulterar i ultraljud Kavitation. Kavitation beskriver "bildning, tillväxt och implosiv kollaps av bubblor i en vätska. Kavitationskollaps producerar intensiv lokal uppvärmning (~5000K), högt tryck (~1000 atm) och enorma värme- och kylhastigheter (>109 K/sek)" en sådan vätska som strömmar med vätskestrålar på ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
De ultraljudsgenererade kavitationskrafterna ger kinetisk energi, sprider partiklarna och skapar radikaler som stöder den kemiska polymerisationsreaktionen.
Allmänna positiva effekter av ultraljudsbehandling under en polymerisationsreaktion är:

• initiering av polymerisation på grund av sonokemiskt skapade radikaler (polymerisationskinetik)
• Acceleration av polymerisationshastigheten
• smalare polydispersiteter, men högre molekylvikt hos polymererna
• mer homogen reaktion och därmed en lägre fördelning av kedjelängder

Litteratur/Referenser

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