稀土三元催化体系ZnO/SiO_2负载化及季铵盐催化CO_2与环氧丙烷合成高分子量聚碳酸酯（英文）

由环氧丙烷(PO)和CO_2交替共聚合成脂肪族聚碳酸亚丙酯,CO_2利用率高,所得产物具有一定的力学性能和生物降解性能,具有广泛应用前景.目前,用于CO_2和环氧化合物共聚的催化体系主要包含锌、钴、镉、铬、铝和稀土等金属活性中心,结构、活性各异的催化剂体系,其催化性能和产物性能也各具特色.其中,稀土三元催化剂(ZnEt_2-甘油-三氯乙酸钇)因合成聚碳酸酯产物的分子量高、碳酸酯单元含量高、聚醚及环碳酸酯副产物少的特点而受到关注.但是由于催化剂催化效率低,聚合时间长,产品成本高,使得工业化规模生产受到限制.本文基于稀土三元催化体系,将催化剂负载于硅胶及锌改性硅胶,优化了其制备条件,同时考察了添加季铵盐对催化CO_2/环氧丙烷共聚合成聚碳酸酯性能的影响.结果表明,在1 L聚合釜中,于3.5 MPa和70 ℃反应条件下,ZnO担载量及ZnO/SiO_2添加量对反应性能均有影响.当3 wt%ZnO/SiO_2的添加量为5 g时,稀土三元催化体系的活性为4845.2 g/mol_(Zn).所得聚合物经过多次纯化处理后,能够有效提高材料的热学性能,即有效除去产物中的ZnO对聚合物的热稳定性有重要作用.添加含有不同阴离子(F~-,Cl~-和Br~-)的季铵盐可显著影响稀土三元催化剂的活性.其中,仅四甲基氟化铵可以明显提高反应活性乃至聚合物分子量.在3 wt%ZnO/SiO_2载体和四甲基氟化铵的协同作用下,稀土三元催化体系的共聚性能明显提升,活性最高可达5223.0 g/mol_(Zn).聚合物结构分析表明,在载体和四甲基氟化铵存在下,聚合物分子量明显提高,可达到20万以上,分子量分布明显变窄,且聚合物结构如碳酸酯的单元含量、副产物含量以及聚合物产品玻璃化温度基本不变,后者均保持在40.41℃.基于此,我们提出了在ZnO改性硅胶载体及四甲基氟化铵存在下稀土三元催化体系催化CO_2/环氧丙烷共聚的反应机理:ZnO/SiO_2载体有利于稀土三元催化体系的分散,而四甲基氟化铵则有利于吸附在ZnEt_2上的环氧丙烷开环