绿色高分子材料聚酮的合成研究

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自上世纪八十年代以来,利用CO和C2H4交替共聚合成聚酮备受学术界和工业应用的青睐。聚酮是一种具有优良综合性能的绿色高分子材料,可用作通用塑料、工程塑料、特种工程塑料、纤维和薄膜等材料。聚酮主链上的酮基赋予了其优异的可光降解性能和可化学改性的性能,聚酮的主要原料来源广泛,其中的CO除可以从煤造气获得,还可以从含CO工业废气中通过净化获得,这使聚酮的合成和应用处置名副其实地成为新世纪的绿色合成高分子材料。本研究采用Pd(AcO)2DPPP作为CO和C2H4交替共聚的催化前体,对CO和C2H4交替共聚合成聚酮的工艺条件、产物结构、共聚机理和环境友好性进行了剖析研究。聚合工艺条件对聚酮合成的影响,主要是搅拌速率、DPPP:Pd、催化前体浓度、温度、压力、水、酸、溶剂和反应时间等对共聚速率和分子量的影响。(1)搅拌速率主要是对单体传质效率的影响,搅拌速率小于300rpm时,聚合反应为传质控制;搅拌速率大于300rpm后,聚合反应为动力学控制。适宜的搅拌速率为600~800rpm。(2)不同配比的DPPP:Pd,形成的催化前体的螯合结构差别很大,DPPP:Pd=1.5时,催化活性最高。催化前体浓度一般为0.04~0.1mmol/L为宜。(3)温度对共聚速率影响最显著,表观活化能为51.9kJ/mol,恒压条件下,温度和共聚速率的关系式为lnR=-6242.4/T+19,但是随着温度升高,Pd2+易被还原为无活性的低价钯,且钯催化前体易分解失活。温度对分子量影响也比较显著,温度升高,分子量降低,反应温度为70℃和80℃,对应分子量分别为68894和32581,后者较前者下降了53%。故综合温度对共聚速率和分子量的影响,制备16000左右分子量的聚酮,适宜的温度范围为90~100℃,最佳温度为95℃。(4)加压有利于共聚速率和分子量的增大,而且CO和C2H4组成的原料气中CO的摩尔比在45~55%为佳。(5)甲醇溶剂中的水含量对共聚速率比较敏感,但对分子量基本没有影响。适宜的水含量(质量含量)应控制在1~1.5%,水含量为1.15%时,共聚速率最大。(6)酸对催化活性的影响比较复杂。H3PO4、CF3COOH使共聚速率降低,TsOH、H2SO4和HClO4则使共聚速率提高,其中H2SO4最优。此外,不同的acid:Pd,共聚速率影响程度不一样,当H2SO4:Pd=100时,共聚速率最大,达到11.21kg/gPd·h。酸的加入有利于分子量提高,其中HClO4效果最显著,acid:Pd=90,分子量达到34199,接近未加酸空白样的4倍。(7)甲醇和醋酸都可以作为溶剂,其中甲醇作为溶剂时,共聚速率是醋酸中的1.9倍,但其分子量仅为后者中的60%,一般为16000左右。(8)聚合反应的半衰期为6h,在0.5h~2h范围内,体系能维持较高的催化活性。采用IR和1H-NMR、13C-NMR对聚合产物聚酮的结构进行分析,结果表明:聚酮的主要结构单元为—CH2CH2CO—,存在少量的—CH2CH2CH2CH2CO—。端基结构为—COOCH3,—COCH2CH3。在实验研究和借鉴前人经验的基础上,本人认为CO和C2H4共聚是由Pd-H和Pd-OCH3活性种引发,CO和C2H4交替配位插入实现链的增长,同时存在少量连续两个C2H4插入,链终止通过向溶剂(甲醇)进行链转移实现。聚酮光降解实验表明,聚酮产品经过紫外灯直射,分子量减半对应的半衰期为5天,经过18天后,分子量从26352降为7892,下降了70%。聚酮降解后的IR谱图和未经光降解的IR谱图无明显变化。说明聚酮是可以光降解的,且光降解过程中聚酮的结构未发生明显改变,仅发生主链的断裂,是一种具有环境友好性的绿色高分子合成材料。
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