InnoREX – การอัดขึ้นรูป PLA ที่ได้รับการปรับปรุงด้วยอัลตราโซนิก

การผสมอัลตราโซนิกการกระจายตัวและอิมัลชันช่วยเพิ่มการอัดขึ้นรูปกรดโพลีแลคติก (PLA) การใช้อัลตราโซนิกในสายการอัดขึ้นรูปช่วยเพิ่มผลผลิตและคุณภาพของ PLA ที่ผลิตได้

การสังเคราะห์โพลีแลคไทด์

กรดโพลีแลคไทด์หรือโพลีแลคไทด์ (PLA) เป็นเทอร์โมพลาสติกโพลีเอสเตอร์อะลิฟาติกซึ่งสังเคราะห์จากกรดแลคทิดและโมโนเมอร์แลคไทด์ แลคไทด์เป็นไซคลิกไดเอสเทอร์ ซึ่งได้มาจากแป้งพืชหมัก (เช่น แป้งข้าวโพด อ้อย) และใช้เป็นสารทดแทนจากพืชแทนพลาสติก ด้วยเหตุนี้ การสังเคราะห์ PLA จึงเข้ากันได้ดีกับช่วงของเคมีสีเขียว PLA ได้รับความสนใจสูงอย่างรวดเร็วเนื่องจากเป็นสารทดแทนชีวภาพที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพแทนพลาสติกที่ใช้ปิโตรเคมีทั่วไป
ข้อเท็จจริงเกี่ยวกับ PLA: PLA (C₃H₄O₂)n มีความหนาแน่น 1210-1430 กก./ม³ไม่ละลายในน้ํา แข็งกว่า PTFE และละลายที่อุณหภูมิระหว่าง 150 องศาเซลเซียส ถึง 220 องศาเซลเซียส

อินโนเร็กซ์ – นวัตกรรมกระบวนการพอลิเมอไรเซชัน

กระบวนการผลิต PLA ในปัจจุบันต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีโลหะเพื่อปรับปรุงอัตราการพอลิเมอไรเซชันของแลคโตนซึ่งเป็นอันตรายต่อสุขภาพและสิ่งแวดล้อม เกี่ยวกับลักษณะที่เป็นปัญหาของการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาและความต้องการที่เพิ่มขึ้นสําหรับโพลีเมอร์ชีวภาพโครงการ InnoREX มุ่งเน้นไปที่การพัฒนากระบวนการพอลิเมอไรเซชันซึ่งโลหะทั่วไปที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาจะถูกแทนที่ด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์และได้รับความช่วยเหลือจากแหล่งพลังงานทางเลือกของอัลตราซาวนด์กําลังสูงไมโครเวฟและเลเซอร์

ตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ได้รับการแสดงให้เห็นว่าสามารถควบคุมพอลิเมอไรเซชันของแลคไทด์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่กิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยายังคงต้องได้รับการปรับปรุงเพื่อให้เป็นไปตามมาตรฐานอุตสาหกรรม สิ่งนี้จะเกิดขึ้นได้โดยการแนะนําพลังงานทางเลือกของ อัลตราโซนิกส์ไมโครเวฟและแสงเลเซอร์เนื่องจากช่วยเพิ่มกิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาและช่วยให้สามารถควบคุมปฏิกิริยาได้อย่างแม่นยําโดยการกระตุ้นส่วนผสมของปฏิกิริยาเพียงส่วนเล็ก ๆ โดยไม่มีเวลาตอบสนอง
โครงการนี้จึงรวมระบบเครื่องปฏิกรณ์แบบใหม่ ซึ่งแหล่งพลังงานทางเลือกจะถูกนําเข้าสู่ตัวกลาง กับตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์เพื่อให้ได้ PLA ที่ปราศจากโลหะในกระบวนการอัดขึ้นรูปปฏิกิริยา (ดูรูปที่ 1)
ดังนั้นโครงการ InnoREX จึงใช้เวลาตอบสนองที่รวดเร็วของไมโครเวฟอัลตราซาวนด์และแสงเลเซอร์เพื่อให้ได้พอลิเมอไรเซชันอย่างต่อเนื่องของ PLA น้ําหนักโมเลกุลสูงในเครื่องอัดรีดสกรูคู่ นอกจากนี้ การประหยัดพลังงานอย่างมีนัยสําคัญจะทําได้โดยการรวมพอลิเมอไรเซชัน การผสม และการขึ้นรูปในขั้นตอนการผลิตเดียว

อัลตราโซนิกกําลังสูง

แหล่งพลังงานทางเลือกสามแหล่ง ได้แก่ อัลตราซาวนด์ ไมโครเวฟ และการฉายรังสีเลเซอร์ ถูกรวมเข้าด้วยกันเพื่อกระตุ้นให้เกิดพอลิเมอไรเซชันแบบเปิดวงแหวนเพื่อให้แน่ใจว่าพอลิเมอไรเซชันมีน้ําหนักโมเลกุลสูง ในช่วงระยะเวลาที่จํากัดในห้องปฏิกรณ์แหล่งพลังงานทางเลือกจะแนะนําปฏิกิริยาที่จําเป็นในการขับเคลื่อนผลกระทบในเซลล์การไหลแบบอินไลน์ (ดูรูปที่ 2) ในระดับเป้าหมายสูง ด้วยเหตุนี้จึงสามารถหลีกเลี่ยงตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีโลหะเช่นดีบุก (II) 2-ethylhexanoate ซึ่งอยู่ในกระบวนการอัดขึ้นรูปทั่วไปที่จําเป็นในการเพิ่มอัตราพอลิเมอไรเซชันของแลคโตนให้อยู่ในระดับที่มีประสิทธิภาพที่ยอมรับได้
สําหรับระบบโรงงานนําร่อง InnoREX โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกกําลังสูง UIP1000hdซึ่งสามารถให้พลังงานอัลตราซาวนด์ 1kW ได้ถูกรวมเข้าด้วยกัน อัลตราซาวนด์กําลังสูงเป็นที่รู้จักกันดีในด้านผลดีต่อปฏิกิริยาเคมีซึ่งเป็นปรากฏการณ์ของโซโนเคมี เมื่อคลื่นอัลตราโซนิกกําลังสูงถูกนําเข้าสู่ตัวกลางที่เป็นของเหลวคลื่นจะสร้างวงจรความดันสูง (การบีบอัด) และความดันต่ํา (หายาก) ส่งผลให้เกิดอัลตราซาวนด์ โพรงอากาศ. Cavitation อธิบาย "การก่อตัว การเจริญเติบโต และการยุบตัวของฟองอากาศในของเหลว การยุบตัวของโพรงอากาศทําให้เกิดความร้อนในท้องถิ่นที่รุนแรง (~ 5000K) แรงดันสูง (~ 1000 atm) และอัตราการให้ความร้อนและความเย็นมหาศาล (>109 K/วินาที)" เช่น ของเหลวไหลด้วยไอพ่นของเหลว ~400 กม./ชม. (KS Suslick 1998)
แรงโพรงอากาศที่สร้างขึ้นด้วยอัลตราโซนิกให้พลังงานจลน์กระจายอนุภาคและสร้างอนุมูลที่สนับสนุนปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันทางเคมี
ผลดีทั่วไปของ sonication ในระหว่างปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันคือ:

• การเริ่มต้นของพอลิเมอไรเซชันเนื่องจากอนุมูลที่สร้างขึ้นด้วยโซโนเคมี (จลนศาสตร์พอลิเมอไรเซชัน)
• การเร่งอัตราการพอลิเมอไรเซชัน
• การกระจายตัวของโพลีที่แคบลง แต่น้ําหนักโมเลกุลของโพลีเมอร์สูงกว่า
• ปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันมากขึ้นและด้วยเหตุนี้การกระจายความยาวของโซ่จึงลดลง

วรรณกรรม/อ้างอิง

• KS Suslick (1998): สารานุกรมเทคโนโลยีเคมี Kirk-Othmer; ฉบับที่ 4 เจ. ไวลีย์ & บุตรชาย: นิวยอร์ก 1998 ฉบับที่ 26 517-541