利用拉曼光谱研究亚临界水中聚碳酸酯催化解聚

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本文利用课题组自主研发的石英毛细管反应器(FSCR)研究了亚临界水中聚碳酸酯(PC)的催化解聚相态变化行为。利用间歇式高压反应釜研究了聚碳酸酯在亚临界水中的催化解聚,考察催化剂投加量、反应温度和反应时间对PC解聚率、主产物双酚A (BPA)产率和苯酚产率的影响。采用气-质联谱(GC-MS)、气相色谱(GC)对解聚液相产物进行定性定量分析,用傅立叶红外光谱(FT-IR)和拉曼光谱(Raman)对固体产物进行定性分析。对在熔融石英管反应器(FSCR)中催化解聚的气相产物采用Raman光谱不取样定性定量分析。根据PC催化解聚得到的产物,并结合相态变化,推测出PC在亚临界水中催化解聚机理。主要结论如下:利用FSCR,在分别添加和不添加催化剂醋酸锰(Mn(Ac)2)条件下进行PC解聚的相态变化对比研究,发现PC固体在升温过程中逐渐软化收缩熔融最终完全溶解,体系中相态变化过程为从开始的固-汽-液三相、汽-液-液三相以及汽-液两相体系。PC在添加催化剂的反应器中完全溶解所需的时间远小于不添加催化剂的,说明添加Mn(Ac)2加快了熔融PC在水中的溶解速度,从而缩短解聚反应的时间。降温过程中反应器内出现BPA油状小液滴,并随着温度的降低而越来越多。相态对比研究为Mn(Ac)2催化解聚有利于缩短反应时间提供了有力的依据,并为高压反应釜中解聚反应条件的选择和机理讨论提供了依据。在质量投料比(H2O/PC)8.0,催化剂投加比(Mn(Ac)2/PC)0~2.5%,温度250~280℃、压力3.8~6.0MPa、时间15~60min的条件下进行高压釜中催化解聚实验。结果表明在亚临界水中添加催化剂能促进PC的解聚,在催化剂作用下完全解聚反应时间缩短,反应温度降低;结果表明反应温度和反应时间是PC解聚率和双酚A(BPA)、苯酚产率的主要影响因素;双酚A产率随着温度的升高和时间的延长出现先增加后下降的趋势,而苯酚产率呈上升趋势。较佳的反应条件是:催化剂投加比2.0%(0.06g Mn(Ac)2/3g PC),反应温度280℃,反应时间20min,PC解聚率100%,BPA和苯酚产率分别为57.05%和18.63%。投料比8:1(H2O/PC),催化剂投加比2.0%,反应温度250~280℃及反应时间15~120min条件下,对石英管反应器中的PC催化解聚后气相产物CO2产率进行定量分析,发现其随反应时间增加和反应温度的延长而增加,石英管反应器中产物达到最高产率需要的时间相比于高压反应釜中更长,推测主要是由于高压反应釜金属器壁的催化作用导致。通过观察FSCR中相态变化,联系解聚产物分布并结合PC链节特点,提出亚临界水中PC催化解聚反应主要由于酸性催化剂在水中解离后的氢离子攻击C=O键上的氧而发生水解反应。通过解聚反应动力学数据,得到解聚反应活化能为144kJ/mol。
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