InnoREX – екструзія PLA, удосконалена за допомогою ультразвуку

Ультразвукове змішування, диспергування та емульгування покращують екструзію полімолочних кислот (PLA). Впровадження ультразвукової обробки в екструзійні лінії підвищує вихід і якість одержуваного PLA.

Синтез полілактиду

Полімолочна кислота, або полілактид (PLA), – це термопластичний аліфатичний поліестер, який синтезують із молочної кислоти та мономерів лактиду. Лактид – це циклічний діестер, який одержують із ферментованого рослинного крохмалю (наприклад, кукурудзяного крохмалю, цукрової тростини) і використовують як замінник пластмас рослинного походження. Отже, синтез PLA ідеально вписується в концепцію зеленої хімії. PLA швидко привернув значну увагу, оскільки він є біорозкладним замінником біологічного походження для традиційних пластмас на нафтохімічній основі.
Факти про PLA: PLA (C₃H₄O₂)n має густину 1210–1430 kg/m³, не розчиняється у воді, твердіший за PTFE і плавиться за температур від 150degC до 220degC.

InnoREX – інноваційний процес полімеризації

Сучасний процес виробництва PLA потребує металовмісних каталізаторів, небезпечних для здоров’я та довкілля, для підвищення швидкості полімеризації лактонів. З огляду на проблеми, пов’язані з використанням каталізаторів, і зростання попиту на полімери біологічного походження, проєкт InnoREX зосереджений на розробленні процесу полімеризації, у якому традиційні металовмісні каталізатори замінюють органічним каталізатором, а процес підсилюють альтернативними джерелами енергії: ультразвуком високої потужності, мікрохвилями та лазером.

Доведено, що органічні каталізатори ефективно контролюють полімеризацію лактиду, проте їхню активність усе ще потрібно підвищити, щоб відповідати промисловим стандартам. Цього буде досягнуто завдяки впровадженню альтернативних видів енергії: ультразвуку, мікрохвиль і лазерного світла, оскільки вони підвищують активність каталізатора та забезпечують точний контроль реакції, збуджуючи лише невеликі ділянки реакційної суміші без затримки відгуку.
Тому проєкт поєднує новітню реакторну систему, у якій енергію альтернативних джерел вводять у середовище, з органічним каталізатором для одержання PLA без металів у процесі реакційної екструзії. (див. рис. 1)
Отже, проєкт InnoREX використовує швидкий відгук мікрохвиль, ультразвуку та лазерного світла для досягнення точно контрольованої та ефективної безперервної полімеризації високомолекулярного PLA у двошнековому екструдері. Крім того, значної економії енергії буде досягнуто завдяки поєднанню полімеризації, компаундування та формування в одному виробничому етапі.

Ультразвук високої потужності

Три альтернативні джерела енергії – ультразвук, мікрохвильове та лазерне випромінювання – поєднують для ініціювання полімеризації з розкриттям циклу, щоб забезпечити утворення високомолекулярного полімеру. Протягом обмеженого часу перебування в реакторній камері альтернативні джерела енергії забезпечують необхідний для перебігу реакції вплив у проточній комірці, вбудованій у технологічну лінію (див. рис. 2), із високою цілеспрямованістю. Завдяки цьому можна уникнути використання металовмісних каталізаторів, таких як 2-етилгексаноат олова (II), який у традиційних процесах екструзії потрібний для підвищення швидкості полімеризації лактонів до прийнятного рівня ефективності.
У систему пілотної установки InnoREX інтегровано потужний ультразвуковий процесор UIP1000hd, здатний забезпечувати ультразвукову потужність 1kW. Ультразвук високої потужності добре відомий своїм позитивним впливом на хімічні реакції – явищем сонохімії. Коли потужні ультразвукові хвилі вводять у рідке середовище, вони створюють цикли високого тиску (стиснення) та низького тиску (розрідження), що призводять до виникнення ультразвукової кавітації. Кавітація означає «утворення, ріст та імплозивне схлопування бульбашок у рідині. Кавітаційне схлопування спричиняє інтенсивне локальне нагрівання (~5000K), високий тиск (~1000 atm) і надзвичайно високі швидкості нагрівання та охолодження (>109 K/sec)», а також течію рідини зі струменями зі швидкістю ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Кавітаційні сили, створені ультразвуком, забезпечують кінетичну енергію, диспергують частинки та утворюють радикали, що сприяють хімічній реакції полімеризації.
Загальні позитивні ефекти ультразвукової обробки під час реакції полімеризації:

• ініціювання полімеризації завдяки радикалам, утвореним сонохімічним шляхом (кінетика полімеризації)
• підвищення швидкості полімеризації
• нижча полідисперсність, але вища молекулярна маса полімерів
• однорідніша реакція і, відповідно, вужчий розподіл довжин ланцюгів

Література / Посилання

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