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异山梨醇高效合成生物基聚碳酸酯催化剂的设计及机理研究

文献类型:学位论文

作者王卫卫
答辩日期2021-06-01
文献子类硕士
授予单位中国科学院过程工程研究所
导师徐菲 and 蒋元力
关键词聚碳酸酯,分子间氢键,双阳离子液体,低共熔溶剂,解聚
英文摘要

聚碳酸酯(PC)是一种广泛应用于光学材料、电子器件、机械设备和医疗器械等领域的工程塑料。然而,传统PC所依赖的聚合单体双酚A (BPA)是一种具有生物慢毒性的石油基单体。目前,以来源于生物质的异山梨醇取代BPA所合成的聚异山梨醇碳酸酯(PIC)因其良好的热学性能和透明性被认为是传统PC最具潜力的替代者。但由于受到异山梨醇分子内氢键的制约,如何获得高分子量的PIC是当前所面临的主要挑战。为此,本论文设计开发了双阳离子液体(DILs)和低共熔溶剂(DESs)两类绿色催化体系,以碳酸二苯酯和异山梨醇为反应原料,通过熔融酯交换法成功合成了高分子量的PIC,并对催化剂的活化机理进行了研究。主要研究内容如下:(1)通过调节阳离子双咪唑环之间的烷基链长度和阴离子的类型设计并合成一系列高活性的DILs,成功打破异山梨醇分子内氢键并平衡了内羟基(endo-OH)和外羟基(exo-OH)的反应活性,最终合成了高分子量的PIC。实验结果表明,在痕量双-(3-甲基-1-咪唑)-亚乙基二溴盐的催化作用下,所合成PIC的重均分子量(Mw)最高可达到98700 g/mol。密度泛函理论计算的结果表明,DILs的高催化活性主要归因于阳离子与底物之间多位点氢键活化作用的形成以及异山梨醇的endo-OH和exo-OH反应活性的有效平衡。此外,进一步的分析了PIC的分子量、链构型对其热性能的影响,研究结果表明通过降低PIC分子链中端羟基的含量可有效调节其热分解温度;增加PIC重复单元中的endo-endo (a1)片段可实现对其玻璃化转变温度的调节。最后,结合核磁氢谱(1H NMR),傅立叶红外光谱(FT-IR)表征,提出了基于阳离子多位点活化和阴离子协同催化的反应机理。(2)以1-羟乙基-3-甲基咪唑氯盐([EmimOH]Cl)为氢键受体(HBA),通过调节氢键供体(HBD)的酸碱性,成功设计并制备了一系列具有不同pH的DESs用于催化PIC的合成。实验结果表明,由近中性的[EmimOH]Cl-2EG催化合成的PIC的分子量最高且其Mw达到102000 g/mol。不同DESs催化下的酯交换动力学实验结果表明,随着DESs的碱性增加,酯交换反应速率显著提高,但强碱性反而抑制了PIC的分子量增长。为了揭示DESs的碱性对PIC分子量的影响,对PIC的降解过程进行了研究。实验结果表明DESs强碱性会造成大分子链的解聚并最终抑制PIC分子量的增加,由此证明了近中性的DESs更有利于提高PIC的分子量。结合1H NMR, FT-IR表征和动力学实验结果提出了基于HBD和HBA协同催化的反应机理。

语种中文
源URL[http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/60891]  
推荐引用方式
GB/T 7714
王卫卫. 异山梨醇高效合成生物基聚碳酸酯催化剂的设计及机理研究[D]. 中国科学院过程工程研究所. 2021.

入库方式: OAI收割

来源:过程工程研究所

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