Strategies to develop novel formulations for industrial applications

The aim of this work is the development of novel formulations for the production of a solid product after a polymerization reaction. In particular, three different pathways have been properly studied according to the polarity of the systems. The first one involves the free radical polymerization, so a common way to obtain polymers, the second one is based on the frontal polymerization in which a couple of redox initiators is able to propagate the reaction through the front. Both of them have been formulated for hydrophilic purposes. On the contrary, the third pathway is a physical method to create a stable emulsion suitable for the liphophilic fluids. The strategy that have been used to follow up this work is the possibility to have a bicomponent mixture capable to react only under specific conditions and constrains, like temperature, time of reactions, stability over the time, and mechanical properties of the final materials. All the degrees of freedom of these systems have been taken into account to optimize the final formulations in all the cases. In fact, many monomers, crosslinking agents, initiators and solvents have been tried together with different reaction conditions. A possible applications for these solutions can be the oil and gas field. In fact, one of the most expensive issues during the extraction of the oil is the losses of drilling use to ensure the same pressure inside and outside the well. For this reason, the novel formulations that have been developed in this work can be conveniently applied as additives to the common drilling fluid muds. However, further researches are needed to develop a satisfied formulations, coming from all the three pathways examined in this thesis, for the specific purpose in the oil and gas field.

Lo scopo di questo lavoro è lo sviluppo di formulazioni innovative per la produzione di materiali solidi grazie a reazioni di polimerizzazione. Nello specifico, sono state esaminate tre differenti possibilità. Le prime due interessano vere e proprie reazioni di polimerizzazione che portano alla formazione di un solido ad elevate proprietà meccaniche per sistemi idrofili, mentre la terza considera la possibilità di sfruttare la formazione di un’emulsione stabile da poter essere utilizzata anche in miscele lipofile. Le tecniche di polimerizzazione utilizzate per la formazione del prodotto finale sono la polimerizzazione radicalica, che sfrutta la classica iniziazione termica per la generazione dei radicali che determinano la crescita della catena polimerica, e la polimerizzazione a fronte, in cui la reazione di ossidoriduzione tra una coppia di iniziatori, un riducente e un ossidante, assicura la propagazione, fornendo il calore necessario, fino alla formazione del prodotto solido voluto. Si è deciso di sviluppare una miscela bicomponente che fosse capace di reagire solo in determinate condizioni, rispettando specifici vincoli operativi, come temperatura, tempo di reazione, stabilità nelle condizioni di stoccaggio e proprietà del materiale finale. E’ stato quindi condotto uno studio di ottimizzazione delle tre diverse ricette, esaminando le quantità e i tipi di monomeri, crosslinkanti, iniziatori e solventi coinvolti nei sistemi. Le formulazioni sviluppate durante questo lavoro possono trovare applicazione nel campo petrolifero come additivi reattivi da aggiungere ai tradizionali fluidi di perforazione. Infatti, la perdita dei fluidi usati durante la perforazione di pozzi è un problema ancora irrisolto che determina notevoli costi e addirittura la chiusura e l’abbandono del pozzo stesso. Sicuramente saranno necessari ulteriori studi per adattare le formulazioni qui sviluppate alle esigenze più specifiche, ma senz’altro questo lavoro può essere usato come punto di partenza per successive ottimizzazioni.