Study of low environmental risk catalyst for the synthesis of unsaturated polyester synthesis

The objectives of this thesis are the identification of the operative conditions, which allow to reduce the environmental impact of the unsaturated polyester resins synthesis, and the development of a simple kinetic model. The reduction of the environmental impact is evaluated in terms of energy consumption reduction and synthesis time reduction, variables which are measurable in the lab scale, where experiments are performed. To reach the first objective, four strategies are considered: to modify the amount of the catalyst currently used (butyltin tris(2-ethylhexanoate)), to change the catalyst type (titanium tetrabutoxide, zinc acetate dihydrate and potassium acetate), to modify the amount of the most interesting alternative catalyst and to increase the operative temperature. The preferable choice is the to change the catalyst type because some organotin compounds, as the one currently used, are or will be limited in future. The best performances are achieved increasing the temperature by 15°C, both with butyltin tris(2-ethylhexanoate) and titanium tetrabutoxide, which respectively lead to an energy consumption reduction of 21.0% and 22.9% and to a synthesis time reduction of 34.8% and 38.2%, even if the final colour is slightly more yellow. The developed kinetic model describes only the general esterification reaction, between hydroxylic and carboxylic groups, and it is obtained with non-linear fitting of distilled water data. The model accuracy is verified by comparison of the measured and evaluated -COOH concentration and the results, obtained with the rate of reaction proposed by Salmi, are interesting.

Gli obiettivi di questa tesi sono l'individuazione di condizioni operative che permettono una riduzione dell'impatto ambientale delle sintesi di resine poliesteri e lo sviluppo di un modello semplice di cinetica di reazione del processo. La riduzione dell'impatto ambientale è valutata come riduzione di consumo energetico e di tempi di sintesi, variabili direttamente misurabili nel sistema di laboratorio, dove sono condotte le prove. Per raggiungere lo scopo sono considerate quattro alternative: variare il quantitativo di catalizzatore attualmente usato (butyltin tris(2-ethylhexanoate)), cambiare catalizzatore (sono provati tetrabutanolato di titanio, acetato di zinco diidrato ed acetato di potassio), variare il quantitativo di catalizzatore alternativo più promettente ed aumentare la temperatura di mantenimento. La strada preferibile è il cambio di catalizzatore perché molti composti organostannici, come quello utilizzato, sono o saranno soggetti a limitazione. Le prestazioni migliori sono raggiunte aumentando di 15°C la temperatura, sia con butyltin tris(2-ethylhexanoate) che con tetrabutanolato di titanio, portando rispettivamente ad una diminuzione dei consumi energetici del 21.0% e del 22.9% e dei tempi di sintesi del 34.8% e del 38.2%, anche se la colorazione finale delle resine è più scura. Il modello di cinetica sviluppato considera solo la generica reazione di esterificazione, tra gruppi ossidrilici e carbossilici, ed è ottenuto con fitting non lineare di dati di acqua distillata. La correttezza è verificata, con buoni risultati con la velocità di reazione proposta da Salmi, per confronto della concentrazione di -COOH misurata e calcolata.