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長(zhǎng)春應(yīng)化所簡(jiǎn)忠保研究員課題組《Angew》:簡(jiǎn)單而高效的鎳系催化制備超低支化UHMWPE
2020-11-19  來(lái)源:高分子科技

  超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一類來(lái)源于廉價(jià)工業(yè)乙烯原料的高端聚烯烴材料。百萬(wàn)乃至千萬(wàn)級(jí)的超高分子量賦予其諸多獨(dú)特性能,如高強(qiáng)度、耐極性溶劑、耐沖擊、生物相容性好等特點(diǎn),因此可以應(yīng)用在軍工、航空航天、醫(yī)療等高端行業(yè)。UHMWPE中支化含量對(duì)性能與纏結(jié)等影響巨大。前過(guò)渡金屬催化劑如Ziegler-Natta催化劑與茂金屬催化劑可以很容易制備超低支化UHMWPE;對(duì)比,后過(guò)渡金屬鎳系催化劑具有耐受極性底物甚至極性溶劑的優(yōu)勢(shì),但由于存在導(dǎo)致鏈轉(zhuǎn)移(降低分子量)和鏈行走(形成支化)的beta-H消除反應(yīng),制備超低支化UHMWPE是極具挑戰(zhàn)性的。


  超低支化UHMWPE的形成需要聚合反應(yīng)鏈增長(zhǎng)不僅對(duì)鏈轉(zhuǎn)移形成強(qiáng)力壓制(10萬(wàn)倍),還要對(duì)鏈行走過(guò)程形成禁阻。雖然采用大位阻屏蔽軸向空間策略已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了鎳系制備UHMWPE,但想要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)超低支化(< 0.1 branches/1000 C)是非常困難的,鮮有報(bào)道。經(jīng)典方法是采用C2或C2v型策略屏蔽活性位點(diǎn)上下方,以此達(dá)到提高分子量的目的。最近,中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所簡(jiǎn)忠保研究員課題組基于對(duì)苯環(huán)旋轉(zhuǎn)受限的深入理解,巧妙利用環(huán)張力策略設(shè)計(jì)合成了一種Cs型屏蔽的水楊醛亞胺中性鎳催化劑(圖1和2)。


圖1:平行于配位平面的C2型(左)和本工作中采用的Cs型(右)策略


圖2:Cs型水楊醛亞胺中性鎳催化劑合成路線


  將該新概念鎳催化劑應(yīng)用于乙烯聚合反應(yīng),具有如下優(yōu)點(diǎn):

  • 1)催化劑合成簡(jiǎn)單,路線大幅縮短。一步合成胺,一步合成配體,一步合成催化劑,總產(chǎn)率大于50%;而經(jīng)典“半夾心”水楊醛亞胺鎳催化劑合成需要七步,總產(chǎn)率<10%;

  • 2)單組分催化聚合,無(wú)需大量烷基鋁試劑MAO/MMAO或昂貴的硼鹽助催化劑,簡(jiǎn)化了聚合過(guò)程,降低了成本;

  • 3)聚合反應(yīng)呈現(xiàn)活性聚合特征(PDI < 1.2)(圖3),最高催化活性可達(dá)107 g mol-1 h-1;

  • 4)可制備超低支化(<0.1/1000C)的超高分子量(> 505萬(wàn))聚乙烯(圖4);

  • 5)耐熱性強(qiáng),可在90度高溫條件下制備分子量高達(dá)34萬(wàn)的聚乙烯(以前通常小于1萬(wàn)),將水楊醛亞胺鎳催化劑推到了一個(gè)新的高度;

  • 6)活性中心為中性,對(duì)極性官能團(tuán)的耐受性更強(qiáng),可以在四氫呋喃中聚合,同樣實(shí)現(xiàn)低支化(0.3/1000C)超高分子量(202萬(wàn))聚乙烯制備;這是前過(guò)渡金屬催化所不能比擬的。

  進(jìn)一步,通過(guò)DFT理論計(jì)算詳細(xì)闡明了Cs型鎳催化劑對(duì)鏈增長(zhǎng),鏈轉(zhuǎn)移,以及鏈行走(支化形成)的影響。


圖3:乙烯活性聚合特征


圖4:超低支化UHMWPE的13C NMR譜圖


  這一研究成果以“Efficient Suppression of Chain Transfer and Branching via Cs-Type Shielding in a Neutral Ni(II) Catalyst”為題(圖5),近期發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊Angew. Chem. Int. Ed.雜志上。論文第一單位為中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所,通訊作者為中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所簡(jiǎn)忠保研究員和德國(guó)康斯坦茨大學(xué)Stefan Mecking教授。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金與省科技廳基金資助。同時(shí),感謝合作者對(duì)論文的貢獻(xiàn)。


圖5:Cs型鎳催化劑乙烯聚合特性


  論文信息及鏈接:Chaoqun Wang (王超群,博士一年級(jí)),# Xiaohui Kang,# Shengyu Dai,# Fengchao Cui, Yunqi Li, Hongliang Mu, Stefan Mecking,* and Zhongbao Jian*. Angew. Chem. Int. Ed. 10.1002/anie.202013069.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202013069


作者簡(jiǎn)介

  簡(jiǎn)忠保研究員在‘國(guó)家海外高層次人才引進(jìn)計(jì)劃’支持下于2017年7月全職回國(guó),2018年1月組建科研團(tuán)隊(duì),課題組隸屬于中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所高分子物理與化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。主要研究方向?yàn)楦咝阅芫巯N與彈性體材料基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用研究。順應(yīng)國(guó)家科研體制改革,課題組集基礎(chǔ)學(xué)術(shù)研究、應(yīng)用導(dǎo)向研究、以及工業(yè)化探索研究于一體,多維度培養(yǎng)人才。熱忱歡迎有志青年(保研考研/博士后/特別研究助理)加入!

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