InnoREX – Ultraljudsförbättrad PLA-extrudering

Blandning, dispergering och emulgering med ultraljud förbättrar extruderingen av polymjölksyra (PLA). Genom att integrera ultraljudsbehandling i extruderingslinjer ökar utbytet och kvaliteten på den producerade PLA:n.

Syntes av polylaktid

Polymjölksyra eller polylaktid (PLA) är en termoplastisk alifatisk polyester som syntetiseras från mjölksyra- och laktidmonomerer. Laktid är en cyklisk diester som framställs från fermenterad växtstärkelse (t.ex. majsstärkelse, sockerrör) och används som växtbaserad ersättning för plast. Därmed passar PLA-syntes perfekt inom grön kemi. PLA väckte snabbt stort intresse eftersom det är en biobaserad, biologiskt nedbrytbar ersättning för konventionell petrokemiskt baserad plast.
Fakta om PLA: PLA (C₃H₄O₂)n har en densitet på 1210–1430 kg/m³, är olöslig i vatten, hårdare än PTFE och smälter vid temperaturer mellan 150degC och 220degC.

InnoREX – Innovativ polymerisationsprocess

Den nuvarande produktionsprocessen för PLA kräver metallhaltiga katalysatorer för att öka polymerisationshastigheten hos laktonerna, som är skadliga för hälsa och miljö. Mot bakgrund av problemen med katalysatoranvändning och den växande efterfrågan på biobaserade polymerer fokuserar InnoREX-projektet på utvecklingen av en polymerisationsprocess där de konventionella metallhaltiga katalysatorerna ersätts med en organisk katalysator och processen understöds av de alternativa energikällorna högeffektsultraljud, mikrovågor och laser.

Organiska katalysatorer har visat sig effektivt styra polymerisationen av laktid, men deras aktivitet måste fortfarande förbättras för att uppfylla industriella standarder. Detta kommer att uppnås genom tillförsel av alternativa energiformer i form av ultraljud, mikrovågor och laserljus, eftersom de ökar katalysatoraktiviteten och möjliggör exakt styrning av reaktionen genom att excitera endast små delar av reaktionsblandningen utan responstid.
Projektet kombinerar därför ett nytt reaktorsystem, där de alternativa energikällorna tillförs mediet, med en organisk katalysator för att erhålla metallfri PLA i en reaktiv extruderingsprocess. (Se bild 1)
Därför utnyttjar InnoREX-projektet den snabba responstiden hos mikrovågor, ultraljud och laserljus för att åstadkomma en exakt styrd 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 enda produktionssteg.

Högeffektsultraljud

Tre alternativa energikällor – ultraljud, mikrovågor och laserstrålning – kombineras för att inducera ringöppningspolymerisation och säkerställa polymerisation till hög molekylvikt. Under den begränsade uppehållstiden i reaktorkammaren tillför de alternativa energikällorna den påverkan som krävs för att driva reaktionen i en flödescell i processlinjen (se bild 2) på ett mycket riktat sätt. Därigenom kan metallhaltiga katalysatorer såsom tenn(II)-2-etylhexanoat undvikas, vilka i konventionella extruderingsprocesser krävs för att höja laktonernas polymerisationshastighet till en acceptabelt effektiv nivå.
I InnoREX-pilotanläggningen har ultraljudsprocessorn med hög effekt UIP1000hd, som kan leverera 1kW ultraljudseffekt, integrerats. Högeffektsultraljud är välkänt för sina positiva effekter på kemiska reaktioner, vilket är det fenomen som kallas sonokemi. När ultraljudsvågor med hög effekt tillförs ett flytande medium skapar vågorna cykler med högt tryck (kompression) och lågt tryck (förtunning), vilket leder till ultraljuds kavitation. Kavitation beskriver ”bildning, tillväxt och implosiv kollaps av bubblor i en vätska. Kavitationskollaps ger intensiv lokal uppvärmning (~5000K), höga tryck (~1000 atm) och enorma uppvärmnings- och avkylningshastigheter (>109 K/sec)” samt vätskeströmning med vätskestrålar på ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
De kavitationskrafter som genereras av ultraljud tillför kinetisk energi, dispergerar partiklarna och skapar radikaler som understödjer den kemiska polymerisationsreaktionen.
Allmänna positiva effekter av ultraljudsbehandling under en polymerisationsreaktion är:

• initiering av polymerisation genom sonokemiskt bildade radikaler (polymerisationskinetik)
• ökad polymerisationshastighet
• snävare polydispersitet, men högre molekylvikt hos polymererna
• mer homogen reaktion och därmed mindre spridning av kedjelängder

Litteratur/referenser

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