中科大陈昶乐教授团队 Angew：通过双组分催化剂制备极性高抗冲聚丙烯

学术 2024-11-07 13:17 江苏

点击上方“蓝字” 一键订阅

聚丙烯（PP）作为一种低成本、低密度、耐热和机械性能良好的树脂，在全球塑料生产中占有重要地位，其全球年产量超过1亿吨。然而，传统的等规聚丙烯（iPP）存在脆性和非极性的问题，导致其抗冲击性能差，与极性材料的兼容性不佳。为了解决这些问题，工业上常采用弹性体增韧、化学接枝等方法，但这些方法存在能耗高以及副反应多等缺点。

近日，中国科学技术大学的陈昶乐教授团队在国际知名学术期刊《Angewandte Chemie International Edition》上发表了一项研究成果，题目为“Integrated Ziegler-Natta/Brookhart-Ni Catalysts for the Synthesis of Sutured Polar High-Impact Polypropylenes”。他们成功利用Ziegler-Natta和Brookhart-Ni双位点催化剂（图1），通过新的合成策略，制备出了具有优异机械性能和极性兼容性的高抗冲聚丙烯（HIPP）。

图1. Ziegler-Natta/Brookhart镍双组分催化剂用于制备极性高抗冲聚丙烯

通过结合Ziegler-Natta催化剂和Brookhart-Ni催化剂，利用它们在聚合反应中的协同作用，成功制备出了极性高抗冲聚丙烯。这两种催化剂分别催化了离子簇型极性单体的沉淀聚合反应，从而引入了极性单体单元到HIPP中。在该研究中，探讨了三种催化剂组合模式：混合型、核壳型和集成型。实验结果表明，集成型双位点催化剂实现了最佳的材料性能。这是因为聚烯烃离聚物作为缝合分子，将不同组分缝合成一个整体网络，从而显著提高了材料的机械性能和极性兼容性。这种集成型双位点催化剂的制备方法具有显著的优势。首先，它利用了工业上广泛使用的Ziegler-Natta催化剂体系，无需对现有聚丙烯生产设备进行大规模改造。其次，该方法通过一步法制备出集成型催化剂，简化了制备过程并降低了成本。此外，集成型催化剂还表现出优异的热稳定性和机械稳定性。

除了优异的机械性能外，该团队还发现这种极性高抗冲聚丙烯在减少微塑料释放方面具有显著优势。在热老化实验中，与传统的iPP/POE混合物和PP-R材料相比，极性高抗冲聚丙烯显著减少了微塑料的释放量。这主要归功于聚烯烃离聚物作为缝合分子增强了不同组分之间的界面相互作用。此外，这种极性高抗冲聚丙烯还可作为高效相容剂用于回收聚乙烯/聚丙烯混合废塑料。实验结果表明，添加少量极性高抗冲聚丙烯即可显著提高混合废塑料的拉伸强度、屈服强度和韧性。这为塑料废物的回收利用提供了新的途径，有助于减轻日益严重的塑料污染问题。此外，聚丙烯基复合材料体系中，极性单体提供了良好的相容性，从而实现了复合材料性能的提升。

图2. 微塑料释放：(A) 聚合物共混体系往往导致微塑料释放加剧的问题。(B) iPP/POE混合物（PPH-T03/8450 = 85/15）。(C) PP-R（PPR K7227）。(D) 极性HIPP（表1，条目9）。(E) 废弃PE和PP混合塑料（70/30）。(F) 含有2份相容剂-极性HIPP的废弃PE和PP混合塑料（70/30）（表1，条目9）。(G) 微塑料释放量数据。

图3. 极性HIPP用于提高不同混合体系下的相容性：(A) 在有或没有相容剂的情况下，PE/PP = 70/30混合物的拉伸强度和韧性（灰色：无相容剂；橙色：来自集成型催化剂的5% BPE/iPP混合物；绿色：来自核壳型催化剂的5% BPE/iPP混合物）。(B) 非极性PE、非极性iPP和缝合极性HIPP的水接触角（WCA）（表1，条目9）。(C) 含有20 wt%滑石粉（C）和40 wt%滑石粉（D）的PP/滑石粉复合材料的拉伸强度、冲击强度和杨氏模量。含有40 wt%玻璃纤维（E）和50 wt%玻璃纤维（F）的GMT部件的拉伸强度、冲击强度和杨氏模量。

总而言之，这项研究为高性能聚烯烃材料的开发提供了新的策略和方法。通过集成多个催化剂位点，成功制备出了具有优异机械性能、极性兼容性和环保性能的极性高抗冲聚丙烯。这一成果有望在塑料工业中推动相关领域的技术进步。

全文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.202417849