Acetato di vinile

L’acetato di vinile, il cui nome I.U.P.A.C. è etanoato di etenile, è un composto organico di grande rilevanza nell’industria chimica, largamente impiegato come monomero per la produzione di polimeri e copolimeri, tra cui il polivinilacetato e il polivinilalcol. La sua scoperta risale al 1921 presso il Consortium für elektrochemische Industrie, il centro di ricerca e sviluppo della WACKER fondato nel 1903.

In questo contesto, il chimico Dr. W. Haehnel, mentre conduceva esperimenti sulla sintesi termica del diacetato, scoprì un metodo economicamente vantaggioso per la produzione dell’acetato di vinile, aprendo la strada a un processo industriale di grande importanza.
Questo traguardo segnò una tappa fondamentale nella chimica industriale del XX secolo, favorendo lo sviluppo di materiali plastici e adesivi che hanno rivoluzionato numerosi settori, dall’edilizia all’imballaggio, fino alla produzione di vernici e rivestimenti protettivi.

Dal punto di vista chimico, l’acetato di vinile si distingue per la presenza di un doppio legame carbonio-carbonio e di un gruppo estereo, caratteristiche che conferiscono alla molecola una notevole reattività e la rendono ideale per processi di polimerizzazione radicalica.

Proprietà chimico-fisiche dell’acetato di vinile

L’acetato di vinile è un composto organico appartenente alla famiglia degli esteri insaturi, caratterizzato dalla formula molecolare C₄H₆O₂ e da una massa molare di 86.09 g/mol. La sua struttura chimica è costituita da un doppio legame carbonio-carbonio tipico dei composti vinilici e da un gruppo estereo, come evidenziato nella sua formula di struttura CH₂=CH–O(CO)CH₃.

In particolare, la molecola presenta un gruppo vinilico (–CH=CH₂) legato a un ossigeno, che a sua volta è connesso a un gruppo acetile (–COCH₃). Questa configurazione conferisce all’acetato di vinile una notevole reattività chimica, in particolare nelle reazioni di polimerizzazione radicalica e di transesterificazione.

Dal punto di vista fisico, l’acetato di vinile si presenta come un liquido incolore, dall’odore dolciastro, con una densità di 0.932 g/cm³ a 20 °C. È un composto altamente volatile, con un punto di ebollizione di 72.7 °C e un punto di fusione di −93 °C. L’acetato di vinile è poco solubile in acqua (circa 2.5 g per 100 ml a 20 °C), ma si miscela facilmente con solventi organici come etanolo, etere dietilico e acetone. La sua pressione di vapore è elevata (125 mmHg a 20 °C), il che lo rende facilmente infiammabile, con un ampio intervallo di infiammabilità in aria (dal 2.6% al 13.4% in volume).

Dal punto di vista chimico, la presenza del doppio legame carbonio-carbonio rende la molecola particolarmente reattiva nelle reazioni di addizione e polimerizzazione, mentre il gruppo estereo può partecipare a reazioni di idrolisi in ambiente acido o basico. L’acetato di vinile è quindi una molecola versatile, capace di dare origine a una varietà di prodotti industriali, in particolare il polivinilacetato (PVAc), attraverso processi di polimerizzazione radicalica.

Sintesi industriale

La produzione industriale dell’acetato di vinile rappresenta un esempio significativo di ingegneria chimica applicata, in cui la scelta delle materie prime, delle condizioni operative e dei catalizzatori gioca un ruolo cruciale per garantire efficienza e sostenibilità.

Il metodo più diffuso a livello industriale per la sintesi di questo composto è la reazione diretta tra etene, acido acetico e ossigeno molecolare, un processo noto come ossidazione parziale in fase gassosa in presenza di  un catalizzatore a base di palladio (Pd), spesso supportato su ossidi come il biossido di silicio (SiO₂) o l’ossido di alluminio (Al₂O₃). A volte, al palladio viene associato il cloruro di rame II (CuCl₂) come promotore, per incrementare la selettività e l’attività del catalizzatore.

La produzione industriale dell’acetato di vinile su larga scala si basa su un processo articolato e ottimizzato, che si suddivide in tre fasi principali: reazione, separazione e purificazione.

Reazione

Il cuore del processo è rappresentato dalla reazione chimica tra acido acetico, etene e ossigeno. L’acido acetico fresco e quello riciclato vengono prima inviati a un vaporizzatore, dove si mescolano con l’etene fresco e quello riciclato. La miscela di alimentazione, in cui l’etene è presente in eccesso rispetto all’acido acetico per spostare l’equilibrio verso la formazione del prodotto desiderato, viene quindi combinata con ossigeno, preriscaldata e immessa in reattori multitubo.

La reazione avviene in fase gassosa, su un catalizzatore a base di palladio e oro, distribuito su supporti inerti come l’ossido di silicio o di alluminio. La gestione termica è un aspetto fondamentale del processo: il calore generato dalla reazione esotermica è efficacemente rimosso mediante raffreddamento evaporativo lungo le pareti del reattore, per mantenere condizioni operative controllate e prevenire surriscaldamenti locali.

La resa della reazione varia generalmente tra l’8-10% in peso per l’etene e il 15-35% in peso per l’acido acetico, mentre i principali sottoprodotti generati sono acqua, anidride carbonica, acetato di etile,.

Separazione

All’uscita del reattore, la miscela gassosa è raffreddata e inviata a una colonna di pre-disidratazione, da cui si preleva un flusso di acetato di vinile grezzo al fondo, che viene stoccato temporaneamente. La corrente di testa della colonna viene separata in una fase organica, che viene riciclata alla colonna stessa, e in una fase acquosa, destinata a un decanter per la successiva separazione.

I gas non condensati vengono lavati con acido acetico, in modo da recuperare il monomero residuo e ridurre le perdite di materie prime. La soluzione formata viene convogliata al serbatoio dell’acetato di vinile grezzo, mentre i gas esausti, privi di componenti organici, vengono riciclati alla fase di reazione. Una parte della miscela gassosa viene sottoposta a un ulteriore lavaggio con acqua per rimuovere tracce di acido acetico, prima di essere inviata alla colonna di assorbimento per eliminare l’anidride carbonica mediante una soluzione di carbonato di potassio.

Purificazione

Nella fase finale, il monomero grezzo di acetato di vinile (VAM) è sottoposto a una serie di distillazioni frazionate per ottenere un prodotto di elevata purezza. In una colonna azeotropica, il VAM e l’acqua sono separati per distillazione e inviati a un decanter, dove la fase organica contenente VAM è avviata alla colonna delle parti leggere, mentre la fase acquosa confluisce nella colonna delle acque reflue. Quest’ultima colonna consente di recuperare il VAM residuo dalle acque di scarico, riducendo le perdite di prodotto.

L’acetato di etile, formato come sottoprodotto, è separato e scaricato, mentre l’acido acetico recuperato è riciclato nel vaporizzatore per essere riutilizzato nel processo. La colonna delle parti leggere permette la rimozione di impurità volatili, come l’acetaldeide, mentre la colonna finale dedicata alla purificazione del monomero rimuove l’acido acetico residuo e le componenti ad alto peso molecolare. In questo modo si ottiene un acetato di vinile ad alta purezza, con un grado di purezza che può raggiungere il 99,9% in peso.

Questo processo, grazie alla sua efficienza e alla possibilità di recuperare e riciclare le materie prime, ha permesso di affermare l’acetato di vinile come uno dei monomeri più importanti e versatili dell’industria chimica moderna.

Storicamente, prima dell’affermazione del processo con etene, si produceva l’acetato di vinile  attraverso metodi meno efficienti, come la pirolisi dell’acetilene con acido acetico o mediante la sintesi termica del diacetato. Tuttavia, la disponibilità su larga scala dell’etene a partire dagli anni ’50 e lo sviluppo dei processi catalitici hanno reso il metodo basato su etene il più conveniente dal punto di vista economico e ambientale.

Polivinilacetato

Una delle principali destinazioni dell’acetato di vinile è la produzione del polivinilacetato (PVAc), un polimero largamente utilizzato nel settore industriale e commerciale. La polimerizzazione dell’acetato di vinile avviene tipicamente per via radicalica, utilizzando iniziatori come i perossidi o gli azocomposti, in emulsione, in sospensione o in massa. Il processo porta alla formazione di una lunga catena polimerica costituita da unità ripetitive derivate dall’acetato di vinile.

Il polivinilacetato è noto per la sua versatilità e adesività, ed è impiegato come base per la produzione di colle viniliche, adesivi per carta e legno, pitture e rivestimenti. Le emulsioni di polivinilacetato trovano largo impiego anche nella preparazione di pitture murali, adesivi per tessuti e materiali plastici, grazie alla loro buona stabilità, facilità di applicazione e basso impatto ambientale.

Inoltre, il PVAc può essere ulteriormente trasformato, mediante idrolisi parziale o completa, in alcool polivinilico (PVA), un polimero idrosolubile con applicazioni ancora più diversificate. L’impiego più comune del polivinilacetato è negli adesivi, soprattutto quelli destinati a materiali come carta cartone e imballaggi legno e materiali porosi

Usi

Il polivinilacetato è un componente fondamentale in molte idropitture murali, dove agisce come legante per i pigmenti. Il suo ruolo è quello di migliorare l’adesione della vernice al supporto, la resistenza all’abrasione, la stabilità del colore nel tempo.

E’ spesso usato in combinazione con altri polimeri per creare rivestimenti protettivi e finiture opache o satinate per pareti interne.

Il PVA è utilizzato come additivo nelle malte cementizie e nei composti per intonaci, dove conferisce migliorata adesione al substrato, maggiore elasticità e flessibilità, resistenza alle crepe e agli agenti atmosferici.

Inoltre, contribuisce a ridurre l’assorbimento d’acqua, migliorando le proprietà di impermeabilizzazione di alcune miscele cementizie.

Il polivinilacetato è usato anche in campo artistico e nel restauro di opere d’arte come legante nei colori e nei pigmenti, per fissare frammenti di carta o tela in documenti antichi o dipinti e come consolidante per materiali deteriorati.

La sua reversibilità in alcuni solventi e la stabilità alla luce ne fanno una scelta popolare per interventi non invasivi su opere delicate.

In biomedicina in forme modificate o copolimeri trova applicazione in rivestimenti di capsule farmaceutiche e nella produzione di dispositivi medici. Nelle arti grafiche e hobbistica, il PVA è presente in vernici, sigillanti e paste modellabili.

Applicazioni dell’acetato di vinile

Oltre alla produzione di polivinilacetato, l’acetato di vinile è una materia prima chiave per la sintesi di numerosi altri polimeri e composti industriali. E’ impiegato, ad esempio, nella

preparazione di copolimeri come il copolimero etilene-vinilacetato (EVA), utilizzato in materiali plastici flessibili, adesivi termofusibili, rivestimenti per cavi e pellicole da imballaggio.

L’acetato di vinile trova inoltre applicazioni come intermedio nella sintesi di solventi e plastificanti, e come reagente in processi di esterificazione e transesterificazione. La sua capacità di partecipare a reazioni di addizione e polimerizzazione lo rende un composto estremamente versatile per la chimica organica industriale.

Inoltre, grazie alla sua volatilità e alla capacità di formare emulsioni stabili, l’acetato di vinile è utilizzato in alcuni processi di formulazione per la produzione di inchiostri, rivestimenti protettivi e resine speciali. La sua disponibilità, la reattività controllata e il prezzo relativamente contenuto ne fanno un pilastro fondamentale dell’industria chimica, con una domanda globale in costante crescita.

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