Ziegler-Natta催化体系中新型内外给电子体的制备及用于丙烯聚合的研究

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内外给电子体是Ziegler-Natta催化剂的重要组成部分之一,对催化剂的性能及聚丙烯的链结构具有重要的影响,改变催化剂中内外给电子体的种类及结构能够有效地调节聚丙烯的性能,可用于高性能聚丙烯的开发。本论文结合邻苯二甲酸酯类、二醇酯类和芴二醚类内给电子体的结构特点,以环保型的水杨酸作为原料设计合成了分别含有甲氧基和酯基的甲氧基苯甲酸酯类内给电子体以及含有醇酯基和酚酯基的酰基水杨酸酯类内给电子体,用以取代邻苯二甲酸酯类内给电子体的研究。此外,设计合成了六种含有不同烷基取代基的硅氧烷类外给电子体,并系统地研究了十一种硅氧烷类外给电子体的烷基取代基的体积效应对丙烯聚合的影响。通过复配外给电子体技术,将(亚)磷酸酯与硅氧烷两类化合物进行复配,制备出同时具有较高立构规整性和较高熔融指数的聚丙烯。另外,论文还初步探索了无机MgCl2对聚丙烯结晶性能的影响。研究的主要内容如下:  1、环保型水杨酸酯内给电子体的制备及其对丙烯聚合的影响。  结合邻苯二甲酸酯类、二醇酯类和芴二醚类内给电子体的结构特点,本论文以环保型的水杨酸作为原料,设计合成了七种甲氧基苯甲酸酯化合物和五种酰基水杨酸酯化合物,并将其与邻苯二甲酯二异丁酯和芴二醚分别作为内给电子体用于Ziegler-Natta催化剂的制备及丙烯聚合的研究。系统地研究了不同类型的内给电子体对催化剂的催化活性、活性中心分布、聚丙烯的等规度、片晶厚度、分子量及分子量分布的影响。研究结果表明,甲氧基苯甲酸酯和酰基水杨酸酯为内给电子体的催化剂均表现出了较高的催化活性。GPC研究结果表明,以甲氧基苯甲酸酯作为内给电子体制备的聚丙烯的分子量分布范围为7.3~13.3,具有较宽的分子量分布。研究发现,甲氧基苯甲酸酯化合物中苯环上取代基所处的位置对聚丙烯等规度具有重要影响,化合物中位于苯环6位的甲基能够显著提高聚丙烯立构规整度。此外,通过进一步调节水杨酸酯化合物的结构,以3,5-异丙基苯甲酰基水杨酸异丁酯(SID-4)为内给电子体制备的催化剂具有高的催化活性和高的立构选择性,制备的聚丙烯的等规度、等规序列长度及热性能均接近工业上使用的邻苯二甲酸酯内给电子体制备的聚丙烯。  2、硅氧烷类外给电子体烷基取代基的体积效应对丙烯聚合的影响。  设计合成了六种具有不同烷基取代基的硅氧烷类化合物,并与工业化的五种硅氧烷类化合物分别作为外给电子体用于丙烯本体聚合。通过DSC、GPC、SSA及POM等多种表征方法系统地研究了硅氧烷类外给电子体的体积效应对聚丙烯的分子量、分子量分布、立构规整性、热性能及结晶性能的影响。研究发现,十一种硅氧烷类[R1R2Si(OCH3)2]外给电子体随着取代基R2体积的增大,其催化剂的催化活性可从29.8kg(PP)/g(cat)增长至41.0kg(PP)/g(cat),聚丙烯等规度能在97.8%~99.7%之间灵活可调。另外,通过研究硅氧烷类外给电子体烷基取代基的体积效应对聚丙烯性能的影响,发现:①适当的增加硅氧烷类外给电子体烷基取代基的体积有利于提高聚丙烯的等规度及等规序列长度;但是当硅氧烷类外给电子体烷基取代基的体积过大时,不利于聚丙烯立构规整度的进一步提高;②当硅氧烷类外给电子体中同时存在两个较大体积的烷基取代基时,有利于提高聚丙烯的分子量;③硅氧烷类外给电子体中增加与硅原子直接相连的碳原子的支化度有利于提高聚丙烯的立构规整度、热性能及结晶性能。  3、(亚)磷酸酯与硅氧烷类外给电子体的复配用于丙烯聚合的研究。  选取三异丙基亚磷酸酯(IE-1)、三异丙基磷酸酯(IE-2)和二辛基苯基磷酸酯(IE-3)三种化合物分别与双环戊基二甲氧基硅烷(DCPDMS)外给电子体进行复配,作为复配外给电子体用于丙烯聚合的研究。聚合结果显示,复配外给电子体保持了双环戊基二甲氧基硅烷(DCPDMS)外给电子体的特性,催化剂具有较高的催化活性和立构选择性,制备的聚丙烯具有优良的力学性能、热性能和结晶性能。另外,GPC研究结果及熔融指数测定结果显示,由于复配外给电子体制备的聚丙烯具有较低的分子量和较宽的分子量分布,使得聚合物的熔融指数比单独使用DCPDMS外给电子体制备的聚丙烯提高了3~5倍。可见,磷酸酯(或亚磷酸酯)与硅氧烷组成的复配外给电子体能够有效地提高高等规聚丙烯的熔体流动速率,有利于高等规聚丙烯后期加工性能的改善。  4、氯化镁对聚丙烯结晶性能的影响。  通过研究MgCl2对聚丙烯结晶性能的影响发现,无机MgCl2对聚丙烯的晶型、结晶形态及结晶速率具有重要的影响。作为异相成核剂,MgCl2可以诱导聚丙烯生β晶型的生成。POM研究结果显示,添加MgCl2后,聚丙烯结晶形成的球晶不再规整,球晶之间的边界变模糊。聚丙烯等温结晶及非等温结晶过程研究结果均表明,MgCl2的加入显著降低了聚丙烯的结晶速率。研究发现,无机MgCl2中同时存在δ-MgCl2和α-MgCl2两种晶型,这可能是导致MgCl2能够诱导聚丙烯生成β晶又能够降低聚丙烯的结晶速率的主要原因。
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