Polipropilene isotattico: catalizzatore, meccanismo

Il polipropilene isotattico (PPi) è un polimero termoplastico che ha elevate prestazioni prodotto negli anni ’60 dalla Montecatini e brevettato come Moplen.

L’unico Premio Nobel per la Chimica italiano è stato attribuito all’eminente scienziato Giulio Natta il 10 dicembre 1963 per i suoi studi sulla sintesi del polipropilene isotattico, polimero che per le sue caratteristiche ha costituito una delle maggiori innovazioni del secolo scorso con enormi ripercussioni sulla vita quotidiana. Il Prof. Natta, tuttavia, persona dal carattere schivo e riservato che non ha mai amato esporsi alle luci della ribalta quell’11 marzo 1954, annotò semplicemente sulla sua agenda “fatto il polipropilene”.

Dal petrolio si era ottenuto un nuovo materiale plasmabile e leggero, ultraresistente destinato a cambiare la vita di tutti noi per le sue molteplici applicazioni che vanno dagli oggetti di uso comune come siringhe, tubi, bottiglie, spazzolini, indumenti usa e getta, articoli casalinghi. Il polipropilene isotattico è un materiale che può servire alla produzione di:

•  manufatti con una forma stabile nel tempo e capaci di sopportare sforzi e sollecitazioni meccaniche
• oggetti per uso specifico come cavi, supporti per circuiti integrati, membrane, componenti isolanti, batterie per auto.

Proprietà

Il polipropilene isotattico è per molti aspetti simile al polietilene, specialmente nel comportamento in soluzione e nelle proprietà elettriche. Il gruppo metilico presente in aggiunta migliora le proprietà meccaniche e la resistenza termica, mentre la resistenza chimica diminuisce. Le proprietà del polipropilene dipendono dal peso molecolare e dalla distribuzione del peso molecolare, dalla cristallinità, dal tipo e dalla proporzione di comonomero (se utilizzato) e dall’isotatticità.

La densità del polipropilene è compresa tra 0.895 e 0.92 g/cm³. Pertanto, il PP è la plastica di base con la densità più bassa. Con una densità inferiore, è possibile produrre parti di stampaggio con un peso inferiore e più parti di una certa massa di plastica. A differenza del polietilene, le regioni cristalline e amorfe differiscono solo leggermente nella loro densità. Tuttavia, la densità del polietilene può cambiare significativamente con i riempitivi.

Il modulo di Young del PP è compreso tra 1300 e 1800 N/mm².

Il polipropilene è normalmente resistente e flessibile, specialmente quando copolimerizzato con etilene. Ciò consente al polipropilene di essere utilizzato come plastica ingegneristica , in competizione con materiali come l’acrilonitrile butadiene stirene (ABS).

Il polipropilene isotattico è a temperatura ambiente resistente ai grassi e a quasi tutti i solventi organici, a parte i forti ossidanti. Gli acidi e le basi non ossidanti possono essere conservati in contenitori realizzati in PP. A temperatura elevata, il polipropilene può essere disciolto in solventi a bassa polarità ). A causa dell’atomo di carbonio terziario, il PP è chimicamente meno resistente del polietilene

Il polipropilene isotattico ha:

• bassa densità
• elevata rigidità
• resistenza termica
• inerzia chimica
• buona elasticità
• notevoli caratteristiche meccaniche quali elevato carico di snervamento, allungamento a rottura, resilienza, durezza
•  buone caratteristiche dielettriche alle alte frequenze.

La storia

Giulio Natta, unico italiano finora insignito del Premio Nobel per la Chimica, nacque nel 1903 a Porto Maurizio in quel lembo occidentale d’Italia dove la Riviera Ligure si congiunge, una volta giunti via mare al confine francese, con la più nota Costa Azzurra. Una singolare coincidenza fece sì che Natta nascesse a pochi chilometri da Sanremo, la cittadina italiana dove lo stesso Alfred Nobel aveva vissuto a lungo ed era morto qualche anno prima.

Nobel è un personaggio oggi certamente più noto come filantropo ma, in vita, era stato un chimico e un inventore di prima grandezza. Sempre a Sanremo, dove spesso si recava in vacanza, il Prof. Natta ricevette la notizia dell’assegnazione del Premio per la Chimica da parte della Royal Academy of Sciences di Stoccolma.

Nei primi anni ’50 lo scienziato tedesco Karl Ziegler sintetizzò dei polimeri lineari dell’etilene utilizzando alluminio trietile come catalizzatore. Natta iniziò con lui una stretta collaborazione che portò alla scoperta dei catalizzatori stereospecifici che in loro onore sono tuttora chiamati catalizzatori Ziegler-Natta.

La ricerca condotta dal Prof. Natta e dai suoi collaboratori è stata estremamente importante, perché ha chiarito non solo i meccanismi cinetici che regolano i processi di polimerizzazione, ma anche i fattori molecolari che rendono questi polimeri intrinsecamente capaci di cristallizzare

Il monomero di partenza per la sintesi del polipropilene isotattico è il propene o propilene, un’α-olefina che presenta tre atomi di carbonio e la reazione di polimerizzazione può essere schematizzata come segue:

Catalizzatore nella sintesi del polipropilene isotattico

Il catalizzatore usato nella sintesi del polipropilene isotattico riesce ad orientare in modo regolare tutti i gruppi –CH₃ dallo stesso lato della catena polimerica ed è detto stereospecifico

Esso è costituito da un catalizzatore e da un cocatalizzatore: il catalizzatore è tricloruro di titanio TiCl₃ o tetracloruro di titanio TiCl₄ a cui vengono affiancati Al(C₂H₅)₂Cl o Al(C₂H₅)₃. Consideriamo il sistema TiCl₃/ Al(C₂H₅)₂Cl. Il tricloruro di titanio si può trovare in diverse forme cristalline; quella che interessa per il catalizzatore Ziegler Natta è l’α- TiCl₃:

in cui ogni atomo di titanio è coordinato a sei atomi di cloro con geometria ottaedrica; tuttavia sulla superficie del cristallo il titanio è circondato solo da cinque atomi di cloro data l’interruzione della struttura cristallina e pertanto possiede una vacanza di Cl^– cioè ha un orbitale d disponibile.

Il titanio superficiale può perdere uno ione Cl^– e può quindi avere due orbitali d disponibili uno dei quali può essere occupato dal gruppo –C₂H₅ legato all’alluminio e rimanendo ancora disponibile un altro orbitale. Una volta formatosi questo centro attivo gli elettroni del legame π presenti nel propene vanno a riempire tale orbitale con formazione di un complesso e ciò avviene con una una ben precisa orientazione in quanto il propene, nell’avvicinarsi dispone il gruppo più ingombrante, il metile, sempre dalla stessa parte dove è minore l’ingombro sterico.

In seguito a riarrangiamenti  il titanio ha ancora un orbitale d disponibile che è ancora una volta occupato da un altro monomero di propene. Esso , dopo un ulteriore riarrangiamento porta all’accrescimento del polimero e alla presenza di un orbitale d disponibile. Il processo si ripete n volte fino ad ottenere il polimero

Applicazioni

Il polipropilene isotattico, come uno dei polimeri commerciali di maggior successo, ha una vasta gamma di applicazioni nei settori dell’edilizia, dell’automotive, della medicina, dell’elettricità e dell’elettronica, nelle parti di automobili come cruscotti, paraurti e serbatoi di carburante grazie alle sue eccezionali proprietà, come l’eccellente resistenza, l’elevata stabilità termica, la superiore resistenza chimica e l’economicità, componenti per autoveicoli e tessuti non tessuti.

Nel settore dell’imballaggio, il polipropilene isotattico rappresenta uno dei polimeri più utilizzati, acquisendo importanza grazie alla favorevole combinazione di prezzo e prestazioni e alla possibilità di ampliare la sua gamma di proprietà mediante modifica