InnoREX - Ультразвукова поліпшена екструзія PLA

Ultrasonic mixing, dispersing and emulsification improves the extrusion of polylactic acids (PLA). Implementing ultrasonication into extrusion lines increases yield and quality of the produced PLA.

Polylactide Synthesis

Полілактидні кислоти або поліліцтовий (PLA) - це термопластичний аліфатичний поліестер, який синтезується з мономерів лактидної кислоти та лактиду. Лактид є циклічним діефіром, який одержують із ферментного крохмалю рослини (наприклад, кукурудзяний крохмаль, цукровий очерет) і використовується як рослинна замінник для пластмас. Таким чином, синтез PLA ідеально вписується в спектр зеленої хімії. PLA швидко набуває великого інтересу, оскільки це біологічно-біологічно відчутний замінник звичайних пластикових матеріалів на базі нафтохімії.
Факти про PLA: PLA (C₃H₄О.₂) n має щільність 1210-1430 кг / м³, нерозчинний у воді, важче, ніж ПТФЕ, і розплавляється при температурах від 150 ° С до 220 ° С.

InnoREX – Інноваційний процес полімеризації

Нинішній виробничий процес ПЛА вимагає наявності металевих каталізаторів для поліпшення швидкості полімеризації лактонів, які є небезпечними для здоров'я та навколишнього середовища. Що стосується проблематичного характеру використання каталізатора та зростаючого попиту на біомасоподібні полімери, то проект InnoREX зосереджується на розробці процесу полімеризації, в якому звичайні каталізатори, що містять метал, замінюються органічним каталізатором та допомагають альтернативним джерелам енергії з великою потужністю ультразвук, мікрохвильова піч та лазер.

Показано, що органічні каталізатори ефективно контролюють полімеризацію лактидів, але їх активність все ще повинна бути вдосконалена, щоб задовольнити промислові стандарти. Це буде досягнуто шляхом впровадження альтернативних джерел енергії ультрасоніки, мікрохвиль та лазерного випромінювання, оскільки вони збільшують активність каталізатора та дозволяють точно контролювати реакцію, збуджуючи лише невеликі частини реакційної суміші без часу відгуку.
Таким чином, проект поєднує в собі нову систему реакторів, в яку в середовище вводяться альтернативні джерела енергії, з органічним каталізатором для одержання металевого ПЛА в реакційному екструзійному процесі. (див. рис. 1)
Таким чином, в проекті InnoREX використовується швидкий час відгуку мікрохвиль, ультразвукового та лазерного випромінювання для досягнення точно контрольованої та ефективної безперервної полімеризації PLA з високою молекулярною масою в екструдере з подвійним шнеком. Крім того, значна економія енергії буде досягнута шляхом поєднання полімеризації, складання та формування на одній виробничій стадії.

Ультразвукова сила високої потужності

Три альтернативні джерела енергії - ультразвукове, мікрохвильове та лазерне опромінення - об'єднуються, щоб спонукати до полімеризації, що відкриває кільце, для забезпечення високомолекулярної полімеризації. Під час обмеженого часу перебування в реакторній камері альтернативні джерела енергії вводять необхідний реакційний руховий вплив у вбудовану стільникову мережу (див. Рис.2) на високо цільовому рівні. Таким чином, можна уникати каталізаторів, що містять метал, таких як олово (II) 2-етилгексаноат, який присутній у звичайних процесах екструзії, необхідних для підвищення швидкості полімеризації лактонів до прийнятного ефективного рівня.
Для системи випробувальної установки InnoREX - високопродуктивний ультразвуковий процесор UIP1000hd, який здатний забезпечити 1 кВт потужності ультразвуку, був інтегрований. Ультразвук високої потужності добре відомий своїм позитивним впливом на хімічні реакції, що є явищем сонохімії. Коли ультразвукові хвилі високої потужності вводять у рідке середовище, хвилі створюють цикли високого тиску (стиснення) і низького тиску (розрідження), що приводить до ультразвукового дослідження кавітація. Кавітація описує "утворення, ріст і імпосивне колапсу бульбашок в рідині. Кавітаційного краху виробляє інтенсивне місцеве опалення (~ 5000K), високий тиск (~ 1000 атм), і величезні нагрівання і охолодження ставки (>109 к/сек) «така рідина з рідиною потокова з рідинного струменя ~ 400 км/год. (K.S. Suslick 1998)
Ультразвукові кавітаційні сили забезпечують кінетичну енергію, розсіюють частинки і створюють радикали, що підтримують реакцію хімічної полімеризації.
Загальні позитивні ефекти ультразвукової обробки під час реакції полімеризації:

• ініціювання полімеризації через сонохімічно створені радикали (кінетика полімеризації)
• прискорення швидкості полімеризації
• вужчі полі-дисперсії, але більш висока молекулярна маса полімерів
• більш однорідна реакція і, отже, менша розподіл довжин ланцюга

Література / Довідники

• К. С. Суслик (1998): Кірк-Отмер Енциклопедія хімічної технології; 4-е Ред. Дж. Вілей & Сини: Нью-Йорк, 1998 р., Т. 26, 517-541.