Cp2ZrCl2/MAO催化劑催化乙烯與環(huán)烯烴共聚合研究

郝鵬飛，何雪蓮，劉柏平（華東理工大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室，上海市 200237）

Cp2ZrCl2/MAO催化劑催化乙烯與環(huán)烯烴共聚合研究

郝鵬飛，何雪蓮*，劉柏平
（華東理工大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室，上海市 200237）

本工作采用二氯二茂鋯（Cp2ZrCl2）/甲基鋁氧烷（MAO）催化劑催化乙烯分別與1,5-環(huán)辛二烯（COD），4-乙烯基環(huán)己烯（VCH），1,5,9-環(huán)十二碳三烯（CDT）的共聚合，研究了共聚單體類型和濃度對共聚合的影響，采用差示掃描量熱儀、高溫凝膠滲透色譜儀和核磁共振波譜儀研究了產(chǎn)物的鏈結(jié)構(gòu)和熱性能。研究發(fā)現(xiàn)：COD的共聚合性能最好，其不僅對催化劑的活性影響最小，而且COD插入到聚合物中的摩爾分?jǐn)?shù)（插入率）較高，當(dāng)COD濃度為1.0 mol/L時，COD插入率為0.6%。盡管VCH對催化劑的活性影響也較小，但其與乙烯進(jìn)行共聚合的能力較差，而CDT不但使催化劑的活性明顯下降，而且無法與乙烯進(jìn)行共聚合。

乙烯 4-乙烯基環(huán)己烯 1,5-環(huán)辛二烯 共聚合 共聚單體濃度

聚乙烯（PE）具有質(zhì)優(yōu)、價廉和環(huán)保等諸多優(yōu)點，可以用來制造薄膜、管道和電線等；但由于PE為非極性聚合物，與無機(jī)物和極性高分子的相容性較差，因而限制了其在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。對PE進(jìn)行功能化改性可以改善其加工性、相容性和黏結(jié)性等，極大拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域［1］。

PE功能化改性主要有3種方法：1）直接使用過氧化物對聚合物進(jìn)行處理［2］，但一般會發(fā)生交聯(lián)或降解等副反應(yīng)，無法準(zhǔn)確控制聚合物的結(jié)構(gòu)；2）乙烯與帶有官能團(tuán)的共聚單體聚合［3］，但該類單體具有較強(qiáng)的配位能力，與催化劑配位后十分穩(wěn)定，因而很難實現(xiàn)與乙烯共聚合；3）乙烯首先與雙烯烴進(jìn)行共聚合，在聚合物鏈中引入一個雙鍵，然后利用雙鍵對聚合物進(jìn)行官能化［4］，這種方法可以有效控制聚合物的構(gòu)型，并且在工業(yè)上已經(jīng)取得了巨大的成功。通過乙烯、丙烯與第三單體的三元共聚合，可以制備三元乙丙橡膠（EPDM），利用第三單體向聚合物鏈中引入雙鍵，然后對聚合物進(jìn)行硫化，可以避免二元乙丙橡膠只能使用過氧化物硫化的缺陷［5］。

自20世紀(jì)80年代Kaminsky等發(fā)現(xiàn)茂金屬催化劑以來，該催化劑已廣泛應(yīng)用于PE的生產(chǎn)［6］。研究表明：茂金屬催化劑具有很好的共聚合性能。Marathe等［7］采用二氯二茂鋯（Cp2ZrCl2）/甲基鋁氧烷（MAO）催化劑研究了乙烯與5-乙烯基-2-降冰片烯（VNB）的共聚合，VNB通過橋環(huán)雙鍵與乙烯進(jìn)行共聚合，共聚物側(cè)鏈的乙烯基可以在溫和的條件下轉(zhuǎn)化為羥基或環(huán)氧基。Marques等［8］采用rac-乙烯雙（1-茚基）二氯化鋯［rac-Et（Ind）2ZrCl2］/MAO催化劑研究了乙烯、丙烯和4-乙烯基環(huán)己烯（VCH）的三元共聚合，VCH通過環(huán)外雙鍵插入到高分子鏈中，而環(huán)內(nèi)的雙鍵則保留在聚合物側(cè)鏈上，VCH插入到聚合物中的摩爾分?jǐn)?shù)（插入率）可達(dá)5.3%。Radhakrishnan等［9］采用Cp2ZrCl2/ MAO催化劑研究了乙烯與2,5-降冰片烯（NBD）的共聚合，雖然NBD具有兩個對稱的環(huán)內(nèi)雙鍵，但聚合過程中并沒有發(fā)生交聯(lián)，另一雙鍵保留在聚合物的側(cè)鏈中。

本工作采用Cp2ZrCl2/MAO催化劑，分別以1,5-環(huán)辛二烯（COD），VCH，1,5,9-環(huán)十二碳三烯（CDT）作為共聚單體，對乙烯共聚合特性進(jìn)行研究，探討了共聚單體種類和濃度對催化劑活性以及聚合物性能的影響。

1　實驗部分

1.1主要原料

COD，VCH：均為分析純，上海倍卓生物科技有限公司生產(chǎn)，4A分子篩除水后使用。CDT，分析純，梯希愛化成工業(yè)發(fā)展有限公司生產(chǎn)，4A分子篩除水后使用。Cp2ZrCl2，分析純，上海晶純生化科技股份有限公司生產(chǎn)，配成1.5×10-3mol/L的甲苯溶液。MAO，配成1.0 mol/L的甲苯溶液，成都艾科達(dá)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。甲苯，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)，鈉絲回流精制后使用。高純氮氣，純度＞99.999%；乙烯，聚合級：均為上海偉創(chuàng)標(biāo)準(zhǔn)氣體有限公司生產(chǎn)。

1.2聚合實驗

250 mL的三口燒瓶用高純氮氣置換3次，每次置換前在真空條件下使用熱風(fēng)槍烘烤5 min，除去瓶壁上附著的水分。然后，將三口燒瓶置于帶有磁力攪拌的油浴中，反應(yīng)溫度設(shè)定為60 ℃，使用乙烯氣體置換3次后，調(diào)節(jié)三口燒瓶內(nèi)的壓力為微正壓，依次加入甲苯溶劑，MAO，共聚單體（CDT，VCH，COD中的一種）。將燒瓶內(nèi)的壓力調(diào)節(jié)至0.12 MPa，當(dāng)乙烯在甲苯中溶解至飽和后加入主催化劑（Cp2ZrCl2的甲苯溶液）引發(fā)聚合，反應(yīng)1 h后加入酸化乙醇終止反應(yīng)。對聚合產(chǎn)物進(jìn)行過濾、醇洗、干燥稱質(zhì)量后進(jìn)行相關(guān)測試。

1.3聚合物表征

高溫凝膠滲透色譜（HT-GPC）：采用美國Polymer Laboratories公司生產(chǎn)的HT-GPC220型高溫凝膠滲透色譜儀測定聚合物的相對分子質(zhì)量及其分布，該儀器采用兩根PL gel-Olexis型柱子。以1,2,4-三氯苯為溶劑，試樣質(zhì)量濃度為0.7 g/L，溶劑流速設(shè)定為1.0 mL/min，淋洗溫度為160 ℃，聚苯乙烯為標(biāo)樣。

差示掃描量熱法（DSC）分析：使用美國TA儀器公司生產(chǎn)的DSC Q20型差示掃描量熱儀測定試樣的熔融溫度（tm）和熔融焓（ΔHf）。稱取5 mg左右的聚合物試樣于鋁坩堝中，首先以10 ℃/min的速率升至165 ℃，恒溫5 min以消除熱歷史，然后以10 ℃/min的速率降至40 ℃，最后再以10 ℃/min 的速率升至165 ℃，記錄二次升溫曲線，得到試樣的tm和ΔHf。

高溫核磁共振碳譜（HT-13C NMR）：使用美國Varian公司生產(chǎn)的Mercury Plus 300型核磁共振譜波儀測定試樣的HT-13C NMR。稱取約100 mg的試樣，加入直徑為5 mm的核磁管中，溶劑為氘代1,2-鄰二氯苯，將試樣配制成質(zhì)量濃度為15 g/L的溶液。放入核磁裝置中在110 ℃，100.62 MHz的條件下連續(xù)掃描10 h，脈沖推遲時間為3 s，得到試樣的HT-13C NMR。

2　結(jié)果與討論

2.1共聚單體對催化劑活性的影響

聚合物的ΔHf取決于它的結(jié)晶度，通過ΔHf可計算聚合物的結(jié)晶度［見式（1）］，結(jié)果見表1。

式中：Xc為PE的結(jié)晶度；ΔH0為結(jié)晶度為100%的PE的ΔHf，取ΔH0=287.3 J/g［10］。

從表1可以看出：與乙烯均聚合相比，3種共聚單體均會使催化劑的活性下降。其中，COD和VCH對催化劑的活性影響較小，隨著COD和VCH濃度的增加，催化劑的活性基本保持不變；而CDT對催化劑活性的影響十分顯著，當(dāng)CDT的濃度為0.5 mol/L時，催化劑活性只有乙烯均聚合時的25%，當(dāng)CDT濃度為1.5 mol/L時，催化劑則完全喪失活性?？赡艿脑蛟谟贑DT是十二元環(huán)，空間位阻較大，插入聚合物鏈需要克服較高的能壘，因此，阻礙了乙烯與活性中心的配位作用，而VCH極性較強(qiáng)，與活性中心配位后較穩(wěn)定，降低了乙烯與活性中心的配位能，使催化劑的活性降低，COD空間位阻較小，并且與活性中心有適當(dāng)?shù)呐湮荒芰?，因此，對催化劑的活性影響最小?/p>

表1　共聚單體對催化劑活性和PE性能的影響Tab.1 Effect of co-monomer on catalyst activity and properties of polymer

2.2不同單體插入率比較

為了對比3種共聚單體的插入能力，對共聚單體濃度均為1.0 mol/L的PE進(jìn)行HT-13C NMR表征。當(dāng)共聚單體濃度為0.5 mol/L 時，可能共聚單體插入率太低，不利于分析；而當(dāng)CDT濃度為1.5 mol/L時，催化劑活性則完全喪失，未得到聚合產(chǎn)物。從圖1可以看出：對于COD和VCH，除PE的特征峰外，還有其他峰存在，這說明共聚單體插入到了聚乙烯鏈中；根據(jù)其他峰與特征峰的相對強(qiáng)弱，可以判斷共聚單體的插入能力。其中，COD的共聚合能力最好，VCH的共聚合能力比較差，而CDT無法與乙烯進(jìn)行共聚合。原因是CDT是十二元環(huán)，空間位阻較大，與活性中心進(jìn)行配位以及插入聚合物鏈需要克服的能壘較高，因此，無法實現(xiàn)與乙烯的共聚合。VCH雖然空間位阻較小，但是其極性較強(qiáng)，與活性中心配位后比較穩(wěn)定，單體再插入到聚合物鏈中需要克服的能壘較高，因此，VCH雖然可以與乙烯實現(xiàn)共聚合，但是插入率比較低。COD不僅空間位阻較小，而且與活性中心有適當(dāng)?shù)呐湮荒芰Γ虼?，在與乙烯進(jìn)行共聚合時，需要克服的配位能和插入能均較低，表現(xiàn)出較好的共聚合能力。

圖1　采用不同共聚單體制備的PE的HT-13C NMRFig.1 HT-13C NMR results of polymers produced by different comonomers

當(dāng)COD的濃度為1.0 mol/L時，COD的插入率為0.6%。從圖2可以看出：PE在化學(xué)位移為107.6 處出現(xiàn)明顯的信號峰，說明聚合物側(cè)鏈中存在碳碳雙鍵。因此，可以通過在PE側(cè)鏈的雙鍵引入其他官能團(tuán)實現(xiàn)功能化改性，提升PE黏附性能以及與其他極性高分子的相容性，拓展PE的應(yīng)用范圍。

圖2　COD濃度為1.0 mol/L時得到的PE在碳碳雙鍵區(qū)域的HT-13C NMRFig.2 HT-13C NMR of the vinyl region of polymer produced by CCOD=1.0 mol/L

2.3共聚單體對PE相對分子質(zhì)量的影響

加入共聚單體后，PE的相對分子質(zhì)量明顯下降，且3種單體對PE相對分子質(zhì)量降低的影響程度不同。當(dāng)3種單體濃度均為1.0 mol/L時，以VCH為共聚單體的PE的相對分子質(zhì)量最大，其次是CDT，以COD為共聚單體的PE的相對分子質(zhì)量最?。ㄒ姳?）。從圖3可看出：COD使PE的相對分子質(zhì)量下降最多，因此，COD對PE的相對分子質(zhì)量影響最大；可能是COD與活性中心配位，插入到聚合物鏈后，使活性中心更容易發(fā)生鏈轉(zhuǎn)移和鏈終止反應(yīng)；CDT雖無法與乙烯進(jìn)行共聚合，但其與活性中心配位后，由于空間位阻較大，阻礙了乙烯與活性中心的配位與插入，因此，更易發(fā)生鏈轉(zhuǎn)移和鏈終止反應(yīng)；而VCH與活性中心配位后，由于插入能力較弱，且空間位阻較小，因此，對PE相對分子質(zhì)量影響最小。共聚單體使PE的相對分子質(zhì)量分布呈現(xiàn)遞減的趨勢，Quijada等［11］采用rac-Et（Ind）2ZrCl2/MAO催化劑研究了乙烯與1-十八烯的共聚合，也發(fā)現(xiàn)了相似的規(guī)律。

圖3　共聚單體濃度均為1.0 mol/L時得到的PE的HT-GPCFig.3 HT-GPC of polymers produced by Cco-monomer=1.0 mol/L

從圖4可以看出：COD的濃度對PE相對分子質(zhì)量的影響十分顯著。隨著COD濃度的增加，PE的相對分子質(zhì)量逐漸減小，可能是隨著活性中心周圍COD濃度的增加，活性中心的空間位阻逐漸變大，COD的插入率升高，因此更容易發(fā)生鏈轉(zhuǎn)移和鏈終止反應(yīng)；而隨著COD濃度的增加，PE的相對分子質(zhì)量分布逐漸變窄。

圖4　COD濃度對PE相對分子質(zhì)量及其分布的影響Fig.4 The influence of COD concentration on relative molecular weight distribution of polymers

2.4共聚單體對PE熱性能的影響

加入共聚單體后，PE的tm和ΔHf都表現(xiàn)出下降趨勢，但是3種單體對tm和ΔHf的影響程度存在很大差別。COD使PE的tm和ΔHf明顯降低；VCH對PE的ΔHf基本沒有影響，增加VCH濃度，PE的tm呈下降趨勢；CDT對PE的tm影響不大，當(dāng)CDT濃度為1.0 mol/L時，PE的ΔHf明顯下降（見表1）。從圖5可以看出：以CDT為共聚單體的PE的tm最大，其次是以VCH為共聚單體，以COD為共聚單體的PE的tm最?。欢訴CH為共聚單體的PE的ΔHf最大，其次是COD，以CDT為共聚單體的PE的ΔHf最小。PE的tm取決于它的片晶厚度，共聚單體插入到聚合物主鏈后，會使聚合物的片晶厚度降低，進(jìn)而使聚合物的tm下降。共聚單體的插入率越高，對聚合物的tm影響越大。因此，COD使PE的tm下降最多，而VCH的共聚合能力較差，對PE的tm影響較小，由于CDT無法與乙烯進(jìn)行共聚合，因而，對PE的tm基本沒有影響。從圖5還可以看出，與均聚產(chǎn)物相比，共聚產(chǎn)物熔融峰的強(qiáng)度明顯變?nèi)?。COD使PE的tm和ΔHf明顯降低，說明COD不僅使PE的片晶厚度降低，而且使PE的結(jié)晶度降低；VCH使PE的片晶厚度降低，但對PE的結(jié)晶度影響不大；CDT使PE的tm明顯降低，說明雖然PE形成的片晶較厚，但是結(jié)晶度較低。只有當(dāng)共聚單體插入到聚合物鏈中，才會使聚合物的tm明顯下降；但是3種共聚單體在聚合過程中都會對活性中心的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)而對PE的ΔHf造成影響。

圖5　3種共聚單體濃度均為1.0 mol/L時，PE的DSC曲線Fig.5 DSC melting curve of polymers produced by Cco-monomer=1.0 mol/L

從圖6可以看出：當(dāng)COD濃度由0.5 mol/L增加至1.0 mol/L時，PE的tm明顯降低，但繼續(xù)增加COD的濃度至1.5 mol/L，聚合物的tm基本不再發(fā)生變化。這說明將COD的濃度由0.5 mol/L增加至1.0 mol/L時，可以提高COD的插入率，但進(jìn)一步提高COD的濃度，并不能明顯增加COD的插入率。

圖6　不同COD濃度條件下PE的DSC曲線Fig.6 DSC curves of PE produced with COD in different concentrations

3　結(jié)論

a）采用Cp2ZrCl2/MAO催化劑催化乙烯分別與COD，VCH和CDT共聚合。

b）COD對催化劑的活性影響較小，共聚合特性最好。當(dāng)COD的濃度為1.0 mol/L時，插入率為0.6%，同時，COD使PE的相對分子質(zhì)量、tm和ΔHf明顯下降。

c）VCH雖然對催化劑的活性影響較小，但共聚合能力較差。CDT不僅使催化劑的活性明顯下降，而且無法與乙烯進(jìn)行共聚合。

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Copolymerization of ethylene and cycloolefin catalyzed by Cp2ZrCl2/MAO

Hao Pengfei， He Xuelian， Liu Boping
（State Key Laboratory of Chemical Engineering， East China University of Science and Technology， Shanghai 200237， China）

The copolymerization of ethylene with 1,5-cyclooctadiene（COD），4-vinylcyclohexene（VCH）and 1,5,9-cyclododecatriene（CDT）catalyzed respectively by Cp2ZrCl2/methylaluminoxane（MAO）system are investigated in this research. The impacts of type and concentration of co-monomer on the polymerization behavior are observed. The chain structure and thermal properties of the products are characterized by differential scanning calorimeter （DSC）， high temperature-gel permeation chromatograph（HT-GPC），and nuclear magnetic resonance （NMR）. It is found that COD is the best co-monomer in this catalytic system， which not only contributes least to the catalyst activity， but also shows high mole ratio inserted to the polymer（insertion rate）. When the concentration of COD in the reaction system is 1.0 mol/L， the insertion rate of COD is 0.6%. VCH also exerts little effect on the activity of catalyst， but its copolymerization ability is poor. CDT not only reduces the activity of catalyst significantly， but also can't be copolymerized with ethylene.

ethylene； 4-vinyl-cyclohexene； 1,5-cyclooctadiene； copolymerization； co-monomer concentration

TQ 316.6+1

B

1002-1396（2016）05-0016-05

2016-04-24；

2016-07-20。

郝鵬飛，男，1991年生，在讀碩士研究生，主要從事聚烯烴高分子材料方面的研究工作。聯(lián)系電話：（021）64251628；E-mail：ecusthpf@126.com。

國家自然科學(xué)基金面上項目（51573048），萬華化學(xué)企業(yè)資助項目。

*通信聯(lián)系人。E-mail：hexl@ecust.edu.cn。