Primo esperimento di glicolisi di un sistema poliisocianurico In prima istanza è stata testata l'applicabilità del processo di glicolisi ai sistemi

poliisocianurici, la cui struttura altamente reticolata lasciava ipotizzare una maggiore difficoltà, se non addirittura l'impossibilità, a lasciarsi scindere da un glicole. Sulla base di tali presupposti si è deciso di operare in condizioni già consolidate in studi precedenti, coadiuvate dall'uso di reagenti e catalizzatori di efficacia ampiamente nota.

5.1.1. Materiali, reagenti e condizioni di reazione

La prima prova di glicolisi è stata condotta su una schiuma ad indice di isocianato 600, prodotta in laboratorio sulla base di una formulazione (riportata in Tabella 5.1) ottimizzata attraverso precedenti esperienze. Schiume ad indice tanto alto sono infatti ancora in fase di studio e non vengono prodotte su scala industriale.

Tabella 5.1. Formulazione della prima schiuma poliisocianurica.

Componenti g Poliolo ISOEXTER PL4851 100 Catalizzatori CATALYST LB 0,44 DABCO K15 2,9 DMCHA 0,84 BL11 0,22 Siliconi ^{SIL RT0073 1,4} TEGOSTAB B 84507 2,8

Espandenti ^{miscela iso-ciclopentano 70:30 28,79}

H2O 1

Quale reagente delle reazioni di transesterificazione e solvente dei prodotti è stato scelto il dipropileneglicole (DPG), sia perché presenta una solubilità verso i prodotti tale da dare una miscela di reazione omogenea, sia perché mostra i migliori tempi di dissoluzione e le migliori cinetiche di scomparsa di oligomeri ad alto PM fra tutti i polietileneglicoli e polipropileneglicoli.

Si è scelto inoltre di operare con un rapporto in peso glicole/schiuma abbastanza alto, pari a 60:40, in maniera tale da agevolare la dissoluzione della schiuma.

Come catalizzatore si è utilizzato acetato di potassio (KAc), in quanto forte catalizzatore di transesterificazione, sebbene non particolarmente selettivo, nonché catalizzatore di trimerizzazione, la cui presenza nel prodotto di reazione potrebbe dunque risultare utile ai fini del riuso di tale prodotto per la sintesi di una nuova schiuma ad alto indice di isocianato. Si è utilizzata una quantità di catalizzatore pari a 15 10-3

mol per ogni 100g di schiuma, ovvero una quantità leggermente superiore a quella dimostratasi efficace in precedenti studi su schiume poliuretaniche rigide, pari a 10 10-3

mol ogni 100g di schiuma (⁵).

Per quanto riguarda le condizioni di reazione si è scelto di operare a pressione atmosferica, consentita dall'uso del condensatore a ricadere che minimizza la fuga del glicole, ed a una temperatura di 200 °C, che in presenza di catalizzatore dovrebbe consentire di raggiungere l'equilibro di reazione in un tempo accettabile, senza favorire in modo consistente reazioni secondarie di pirolisi o di idrolisi.

Alle suddette condizioni, nel corso della fase di carico, si è osservata la completa e sufficientemente rapida dissoluzione della schiuma nel sistema solvente-catalizzatore, per cui si è proseguito con lo studio della reazione.

5.1.2. Analisi dei campioni di prodotto tramite spettroscopia FTIR

L'andamento della reazione è stato seguito mediante analisi tramite spettroscopia FTIR del prodotto al tempo 0 di reazione, corrispondente alla fine delle operazioni di carico della schiuma nel reattore, e al tempo finale, corrispondente a 3 ore di reazione. Gli spettri IR dei prodotti sono inoltre stati confrontati con lo spettro della schiuma originaria, come riportato in Figura 5.1.

Figura 5.1. Spettri IR della schiuma, del prodotto di reazione al tempo 0 e del prodotto al tempo finale.

Si ricorda che lo spettrofotometro utilizzato è un Nicolet IS50 Thermoscientific e che gli spettri sono stati acquisiti in riflettanza totale attenuata (ATR), da 650 a 4000 cm-1, con 64 scansioni e con una risoluzione di 4 cm-1.

Nelle Tabelle 5.2 e 5.3 si riportano le analisi qualitative dei campioni di schiuma e di prodotto, ovvero le assegnazioni dei picchi ai segnali di vibrazioni di legami appartenenti a specifici gruppi funzionali, svolte in accordo con dati di letteratura (¹²).

Tabella 5.2. Assegnazione dei picchi IR di interesse della schiuma.

Numero d'onda

[cm-1] ^Assegnazione

2273 Stretching N=C=O gruppo isocianico

1702 Stretching C=O cabonile

1508 Stretching C=C anello aromatico 1404 Deformazione anello iscocianurico 1227 Streching C=O gruppo uretanico

Tabella 5.3.Assegnazione dei picchi IR di interesse del prodotto di glicolisi.

Numero d'onda

[cm-1] ^Assegnazione

3355 Stretching OH glicole

1718 Stretching C=O cabonile

1538 Stretching NH ammide II gruppo uretanico 1514 Stretching C=C anello aromatico 1412 Deformazione anello iscocianurico

Ai fini di un'analisi di tipo quantitativo dei campioni sono state misurate le altezze, o assorbanze, di alcuni picchi di interesse rispetto a linee di base opportunamente poste tangenti alle valli degli specifici picchi. Esiste infatti una proporzionalità fra assorbanza e concentrazione espressa dalla legge di Lambert-Beer:

(5.1) dove A è l’assorbanza, ε il coefficiente di estinzione molare, b il cammino ottico e c la concentrazione. Il valore di altezza misurato risulta chiaramente influenzato dalla scelta dell'intervallo di numeri d'onda per la definizione della linea di base; d'altra parte la scelta di questo metodo presenta come vantaggio, rispetto all'uso di una linea di base orizzontale tracciata alla base dello spettro, il fatto di ridurre l'errore di misura dovuto alla sovrapposizione di picchi a numeri d'onda molto vicini.

Le altezze sono inoltre state misurate come altezze relative, ovvero come rapporti fra l'altezza assoluta dello specifico picco e l'altezza di un picco di riferimento, ovvero un segnale di vibrazione di un legame che non concorra in nessuna delle reazioni che avvengono, la cui altezza resta dunque costante. Come picco di riferimento si è scelto il picco corrispondente allo stretching C=C dell’anello aromatico dell'isocianato a 1510 cm-1. Con questo sistema è possibile rendere confrontabili fra loro altezze di uno stesso picco misurate in spettri diversi, acquisiti su un campione di schiuma originaria e su campioni di prodotto di reazione prelevati a diversi istanti di tempo.

Tramite tale analisi quantitativa è stato possibile seguire l'andamento della reazione relativamente alla scomparsa o crescita di determinate specie, come riportato nelle Tabelle 5.4 e 5.5 e in Figura 5.2.

Tabella 5.4. Altezze dei picchi IR di interesse della schiuma.

N.d'onda picco schiuma range n. d'onda linea di base ^{h h/h1510} 1508 (riferimento) 1563,5 - 1461,3 0,161 1404 (deformazione trimero) 1460,3 - 1345,1 0,209 1,30

1702 (C=O uretanico e trimero) 1765 - 1637,3 0,208 1,29

1538 (N-H uretanico) 1563,5 - 1461,3 0,045 0,28

Tabella 5.5. Andamento, fra il tempo 0 e il tempo finale, delle altezze dei picchi di interesse del prodotto

N.d'onda picco ^{range n. d'onda}

linea di base

t0 t fin

h h/h1515 h h/h1515

1514 (riferimento) 1567,4 - 1489,3 0,112 0,116

1412 (deformazione trimero) 1424,2 - 1395,7 0,030 0,27 0,012 0,10

1718 (C=O uretanico e trimero) 1775,6 - 1659,4 0,068 0,61 0,041 0,35

1538 (N-H uretanico) 1567,4 - 1489,3 0,050 0,45 0,013 0,11

1229 (C=O uretanico) 1252,5- 1193,7 0,058 0,52 0,012 0,10

Figura 5.2. Andamenti delle altezze relative dei picchi IR di interesse.

Si è osservato che le altezze dei picchi a ~1410 e ~1710 cm-1

, entrambi relativi al trimero, diminuiscono drasticamente passando dalla schiuma originaria al tempo 0, al quale la schiuma risulta già abbondantemente disciolta, e diminuiscono apprezzabilmente passando dal tempo 0 al tempo finale, ad indicare che tale specie reagisce e subisce una trasformazione. Parallelamente le altezze dei due picchi a ~1540 e ~1230 cm-1

, caratteristici del gruppo uretanico, aumentano passando dalla schiuma indisciolta al tempo 0, come ad indicare la formazione di nuovi gruppi, e poi diminuiscono dal tempo 0 al tempo finale, probabilmente a seguito del verificarsi di reazioni secondarie di idrolisi e pirolisi.

Tale esperimento ha dunque mostrato la fattibilità del processo di glicolisi su un sistema poliisocianurico altamente reticolato, avendo effettivamente osservato la dissoluzione della schiuma con formazione di un prodotto liquido omogeneo a temperatura ambiente. Ha inoltre stimolato un'ulteriore indagine relativamente alle reazioni a cui possono prendere parte gli anelli isocianurici facenti parte della struttura della schiuma.