il poliuretano

UN IMPIANTO DI PRODUZIONE DI PANNELLI

1. Poliuretano

Con il termine poliuretano (PU) si indica una vasta famiglia di polimeri in cui la catena polimerica è costituita di legami uretanici -NH-(CO)-O-.

La sintesi dei poliuretani ha come base la reazione tra isocianati aventi uno o più gruppi isocianici per molecola con alcoli aventi due o più gruppi ossidrilici per molecola (dioli o polioli).

Le proprietà e le caratteristiche del prodotto polimerico ottenuto dipendono sia dalla struttura dei prodotti di base, polioli e isocianati, sia dal tipo di catalizzatori e additivi impiegati.

Nel reparto in oggetto verranno prodotti pannelli da costruzione con rivestimento metallico (pannelli tetto e pannelli parete) in schiuma rigida di poliuretano (PUR) e di poliisocianurato (PIR).

Il PIR appartiene insieme al PUR alla famiglia dei poliuretani. Si differenzia per il fatto che nelle schiume PIR, la proporzione di isocianato è maggiore rispetto al PUR e che nella reazione anziché un poliolo polietere si utilizza un poliolo ottenuto da un poliestere.

 

2. Poliolo

I polioli utilizzati nella sintesi dei poliuretani sono prodotti poliossidrilici con peso molecolare e con funzionalità (numero dei gruppi ossidrilici reattivi per molecola) variabili.

Possono essere di natura polietere (polioli polietere) o poliestere (polioli poliestere) o miscele dei due tipi e sono disponibili a diverse lunghezza di catena e a disposizione atomica da lineare a variamente ramificata.

Le caratteristiche del poliolo utilizzato, in particolare la flessibilità della sua struttura molecolare, la funzionalità e il peso molecolare, contribuiscono in larga misura a determinare il grado di reticolazione e le proprietà finali del polimero poliuretanico che si formerà quando questo reagirà con un isocianato.

 

3. Isocianato

Gli isocianati (R-NCO), i diisocianati (OCN-R-NCO) e più in generale i poliisocianati sono composti chimici caratterizzati dalla presenza rispettivamente di uno, due o più gruppi isocianici -N=C=O, che conferiscono loro una notevole affinità verso composti contenenti idrogeno attivo, nonché un certo grado di tossicità. La natura chimica del gruppo R- può essere di tipo alifatico o aromatico e incide sulla reattività dei diversi isocianati.

I poliisocianati possono essere costituiti da monomeri o da polimeri e sono caratterizzati attraverso la loro funzionalità, ovvero dal numero medio di gruppi isocianici reattivi per molecola.

Tra i numerosi poliisocianati disponibili, l’industria del poliuretano si basa principalmente su due diisocianati aromatici: sul toluen diisocianato (TDI), sul difenilmetano diisocianato (MDI) e le sue miscele polimeriche. Entrambe queste sostanze vengono derivate da intermedi petrolchimici: il TDI dal toluene e l’MDI dal benzene.

 

1. Aspetti tossicologici

Per quanto riguarda gli aspetti tossicologici, gli effetti degli isocianati sull’organismo umano sono dovuti in primo luogo all’interazione con le mucose, verso cui presentano azione fortemente irritante; l’esposizione ai vapori provoca una reazione rapida degli isocianati con le proteine dei tessuti del tratto respiratorio, tanto veloce e violenta che, nei casi estremi, può portare alla necrosi immediata. Il danno diretto ai tessuti, inoltre, crea condizioni favorenti infezioni batteriche e, soprattutto, può formare apteni capaci di provocare la sensibilizzazione di una proporzione più o meno elevata degli esposti. Può, inoltre, causare direttamente la liberazione dei mediatori chimici delle reazioni infiammatorie ed allergiche.

Non occorre ricordare come i meccanismi sopra illustrati possano portare ad effetti immediati oppure ritardati, anche in funzione dell’intensità dell’esposizione.

 

2. Reattività

La principale caratteristica di tutti gli isocianati è l'alto grado di reattività del gruppo isocianico –NCO con i gruppi contenenti idrogeno attivo con cui formano composti uretanici stabili attraverso reazioni esotermiche.

A causa della scarsa solubilità, gli isocianati reagiscono piuttosto lentamente in acqua in assenza di catalisi ed a temperature inferiori a 50°C; con l’aumento della temperatura la reazione diventa più rapida fino ad assumere caratteristiche violente.

Con l'acqua, gli isocianati reagiscono con produzione di anidride carbonica ed urea e formazione di un prodotto intermedio costituito da un’ammina. L’urea che si forma è insolubile. Si tratta di un processo esotermico. In presenza di un eccesso di isocianato, l'idrolisi è seguita dalla rapida reazione dell'ammina con il gruppo isocianico appartenente ad un'altra molecola: si producono uree insolubili variamente sostituite. La resa sperimentale della reazione complessiva degli isocianati con l’acqua è del 20% in ammina e dell'80% in urea.

La reattività nei confronti dell'acqua può portare a conseguenze pericolose se il contatto avviene in contenitori chiusi, a causa dell'aumento di pressione dovuto alla produzione di CO₂: l'esotermia di questa reazione, inoltre, può causare una evaporazione accentuata degli isocianati più volatili come il TDI.

Frequentemente si possono avere problemi di intasamento ed incrostazioni a causa della cristallizzazione delle uree derivanti dalla reazione con l’umidità dell’aria.

 

4. Catalizzatori

La catalisi relativa alle reazioni dei poliuretani è estremamente complessa a causa dei numerosi fattori che la influenzano.

I catalizzatori più diffusi sono comunque a base di ammine alifatiche terziarie e/o sali organici di stagno. Spesso i due catalizzatori sono impiegati contemporaneamente.

 

5. Agenti espandenti

Gli agenti espandenti sono i responsabili della particolare struttura cellulare dei polimeri espansi (schiuma). Durante la polimerizzazione, essi danno luogo a bolle di gas che rigonfiano la miscela, formando appunto delle celle. A seconda del meccanismo di formazione di tali vuoti, gli espandenti si suddividono in due differenti categorie:

• espandenti fisici: si tratta di sostanze volatili, liquidi bassobollenti o gas liquefacibili a bassa temperatura e/o pressione che evaporano a causa del calore liberato durante la polimerizzazione; rientrano in questa categoria di espandenti i clorofluorocarburi (CFC), gli idrofluorocarburi (HFC) e gli idrocarburi (HC).

• espandenti chimici: sono sostanze che producono gas in seguito alla reazione chimica con un componente del formulato. L’esempio più tipico è quello dell’acqua che, reagendo con l’isocianato, conduce alla formazione di anidride carbonica. Altri esempi di espandenti chimici sono gli acidi carbossilici o derivati, come ad esempio l’acido formico.

 

6. Additivi

Nella sintesi dei poliuretani vengono spesso utilizzati i seguenti composti:

• stabilizzanti per la schiuma: essenzialmente polisilossani;

• stabilizzanti di idrolisi: carboimmidi (mono e poli), epossidi, fenilimminoazolidine;

• stabilizzanti di ossidazione: fenoli, aniline alchilate, fosfiti, idrazidi, solfati, tioeteri, impiegati per prevenire la decolorazione nei materiali;

• stabilizzanti alle radiazioni ultraviolette (UV): piperidine sostituite in posizioni 2 e 6, benzofenoni, benzotriazoli;

• ritardanti di fiamma: normalmente vengono utilizzati composti contenenti azoto e/o fosforo (polifosfati di ammonio, melammina e derivati). Particolari composti alogenati, poliesteri basati sull’acido tetrabromoftalico e specialmente bromo poliesteri sono importanti per le schiume poliuretaniche rigide;

• altri additivi possono essere coloranti, agenti rinforzanti come fibre di vetro, estensori di catena o reticolanti a base di alcoli o polioli polifunzionali a basso peso molecolare, acqua come elemento di espansione e creatore di legami ureici, tensioattivi a base siliconica.