На правах рукописи

ЗИГАНШИНА ЭЛЬЗА ФРАНГИЗОВНА

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОЙ

СТРУКТУРЫ ПОЛИИЗОПРЕНА, ПОЛУЧЕННОГО

МЕТОДОМ КАТИОННОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ

02.00.06 – Высокомолекулярные соединения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Иваново – 2011 www.sp-department.ru

Работа выполнена в Институте экологии Волжского бассейна Российской Академии наук (г. Тольятти)

Научный руководитель:

доктор химических наук Розенцвет Виктор Александрович

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Прочухан Юрий Анатольевич доктор химических наук, профессор Бурмистров Владимир Александрович

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт синтетического каучука им. С. В. Лебедева" (г. Санкт-Петербург).

Защита состоится «30» января 2012 г. в часов на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.063.03 при ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу:

153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7.

Тел., факс: (4932) 32-54-33, e-mail: [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

Автореферат разослан « 23 » декабря 2011 г.

Ученый секретарь совета Д 212.063.03 Шарнина Л.В.

www.sp-department.ru

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Низкомолекулярные полимеры изопрена, производимые методом анионной полимеризации, являются эффективными пластификаторами резиновых смесей при производстве шин и резинотехнических изделий. Широкому использованию этих полимеров в промышленном производстве препятствует их высокая стоимость, обусловленная ценой каталитических систем полимеризации и необходимостью применения изопрена с высокой степенью очистки. Низкомолекулярные полимеры изопрена, синтезированные методом катионной полимеризации, также могут являться перспективными пластификаторами резиновых смесей и пленкообразующими полимерами. Преимуществами метода катионной полимеризации являются высокая скорость процесса, относительная дешевизна каталитических систем и возможность использования изопрена, выделяемого из пиролизной С 5-фракции, без дополнительной очистки от циклопентадиена и других микропримесей.

Развитие прикладных исследований в этой области затрудняется отсутствием в литературе систематических сведений о влиянии строения каталитических систем и условий полимеризации на молекулярные характеристики, ненасыщенность и микроструктуру образующегося полиизопрена.

В этой связи, изучение процесса катионной полимеризации изопрена и поиск способов получения полимера с заданной молекулярной структурой является актуальным и своевременным.

Цель работы заключалась в установлении общих закономерностей формирования молекулярных характеристик, ненасыщенности и микроструктуры полимера в процессе полимеризации изопрена под действием катионных каталитических систем на основе галогенидов цинка, бора, титана и ванадия.

Задачами работы являются:

- исследование влияния природы кислоты Льюиса (КЛ), соотношения компонентов каталитической системы и условий полимеризации на молекулярные характеристики полиизопрена, ненасыщенность и микроструктуру ненасыщенной части цепи полимера;

- разработка общих принципов синтеза полностью растворимого полиизопрена с заданным молекулярно-массовым распределением (ММР);

- поиск областей практического использования полиизопрена, синтезированного методом катионной полимеризации.

Научная новизна. Показано, что каталитические системы на основе галогенидов цинка позволяют с высоким выходом синтезировать растворимые полимеры полиизопрена с мономодальным ММР. Установлена высокая эффективность окситрихлорида ванадия в катионной полимеризации изопрена с получением полимеров с полимодальным ММР и аномально высокой среднемассовой молекулярной массой. Найдено, что вероятность протекания процесса передачи растущей цепи на полимер определяется природой КЛ в каталитической системе, соотношением протонодонорной добавки к КЛ и температурой полимеризации. Ненасыщенность полиизопрена уменьшается с ростом конверсии мономера и температуры полимеризации. Доминирующими структурами ненасыщенной части полимерной цепи полиизопрена являются 1,4транс-звенья с регулярным и инверсным присоединением звеньев мономера.

Микроструктура ненасыщенной части цепи практически не зависит от природы КЛ, соотношения компонентов в катализаторе и условий полимеризации.

Практическая ценность. Установленные в работе закономерности формирования молекулярной структуры полиизопрена носят общий характер, что позволяет их применять для синтеза полимеров с заданными молекулярными характеристиками и ненасыщенностью. Проведены испытания опытной партии полиизопрена, синтезированного методом катионной полимеризации, в качестве пластификатора резиновых смесей для боковины легковых радиальных шин.

Показано существенное увеличение показателя динамической выносливости при многократном растяжении для опытных вулканизатов, по сравнению с контрольными, с применением традиционного пластификатора (масла ПН-6).

Полиизопрен рекомендован для проведения расширенных опытнопромышленных испытаний в рецептурах резиновых смесей для шинной промышленности.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были обсуждены на XVIII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Москва, 2007), на IV и VI конференциях молодых ученых «Современные проблемы в науке полимеров» (Санкт-Петербург, 2008, 2010), на IX конференции молодых ученых по нефтехимии (Звенигород, 2008), на III Российской конференции «Актуальные проблемы нефтехимии» (Звенигород, 2009), на XXII Международном симпозиуме по анализу и характеристике полимеров (Злин, Чехия, 2009), на XII Международной конференции по высокомолекулярным соединениям (Киев, Украина, 2010), на III Нижнекамской конференции молодых ученых, посвященной международному году химии (Нижнекамск, 2011).

Публикации. По результатам работы опубликовано 5 статей (из них 4 – в журналах, рекомендуемых Высшей аттестационной комиссией и 1 – в зарубежном журнале) и тезисы 8 докладов на российских и международных конференциях.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждение результатов, выводов, библиографического списка (165 наименований) и приложения. Работа изложена на 164 страницах, включает 75 рисунков и 55 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Закономерности формирования молекулярных характеристик полиизопрена в присутствии каталитических систем на основе галогенидов 1.1. Каталитические системы на основе галогенидов цинка Полимеризация изопрена под действием гетерогенных галогенидов цинка в среде хлористого метилена протекает с чрезвычайно низкой скоростью.

Синтезированный полиизопрен содержит в своем составе нерастворимую фракцию (НФ). Предварительное растворение галогенидов цинка в диэтиловом эфире, ацетоне или тетрагидрофуране (ТГФ) позволяет несколько увеличить активность катализатора. Значительно активировать процесс полимеризации изопрена позволяют добавки протонодонорных соединений в каталитическую систему, например, трихлоруксусной кислоты (ТХУК) (табл. 1).

Зависимость конверсии мономера и молекулярных параметров полиизопрена от продолжительности процесса полимеризации при различных мольных соотношениях ТХУК к ZnCl2 в катализаторе. 20°С, [С5H8]=2.0, [ZnCl2]=1.010-2, [(C2H5)2O]=7.810-2 моль/л, хлористый метилен.

С повышением соотношения ТХУК к ZnCl2 значительно возрастает скорость полимеризации изопрена и выход полимера. Независимо от соотношения ТХУК к ZnCl2 полиизопрен не содержит в своем составе НФ и характеризуется относительно низким уровнем средних молекулярных масс. С ростом конверсии мономера увеличиваются значения среднечисленной (Мn), среднемассовой (Мw) молекулярных масс и полидисперсности (Мw/Мn) при сохранении мономодального характера ММР полимера. Аналогичное увеличение значений М w с ростом конверсии мономера зафиксировано в случае полимеризации изопрена под действием ZnBr2–ТХУК (рис. 1). При увеличении соотношения ТХУК к ZnBr2 в катализаторе значения Мw полиизопрена находятся приблизительно на одном уровне при одинаковой конверсии мономера (рис. 1). Это свидетельствует об отсутствии влияния содержания ТХУК в системе на молекулярные параметры полиизопрена, получаемого в присутствии цинковых катализаторов.

С понижением температуры полимеризации от 60 до (-15)°С возрастают значения Мn, Мw, Мw/Мn полимера (табл. 2). Уменьшение температуры до (-78)°С приводит к прекращению процесса полимеризации. Установлено, что каталитиwww.sp-department.ru Рис. 1. Зависимость Мw от конверсии изопрена при мольных соот- понижением температуры полимеризации ношениях ТХУК к ZnBr2, равных 0.5 значения средних молекулярных масс (1), 2.0 (2), 10.0 (3) и 20.0 (4).

[ZnBr2]=5.010-3, [(C2H5)2O]=4.510- моль/л, остальное табл. 1.

Зависимость молекулярных параметров полиизопрена от исходной концентрации и конверсии мономера при различной температуре полимеризации. [C5H8]=2.0, [ZnBr2]=5.010-3, [(C2H5)2O]=6.710-2 моль/л, ТХУК/ZnBr2=10.0, CH2Cl2.

По-видимому, для данного катализатора инициатором полимеризации являются «неконтролируемые» микропримеси воды и других кислородсодержащих соединений, которые невозможно удалить из исходных реагентов. В этой связи отпадает необходимость дополнительной активации каталитической системы добавками протонодонорных соединений. Более того, введение в каталитическую систему ТХУК приводит к снижению выхода полимера и молекулярных характеристик полимера (табл. 6).

При изучении влияния температуры на процесс полимеризации изопрена было обнаружено, что в случае температуры процесса 40С и низких конверсиях мономера полиизопрен характеризуется невысокими значениями средних молекулярных масс и имеет мономодальное ММР (табл. 7). При достижении конверсии мономера 22.3 мас. % в составе полимера зафиксировано образование ВФ. В случае уменьшения температуры полимеризации до 20С и ниже с ростом конверсии мономера в составе полимера наблюдается появление ВФ, которая затем трансформируется в НФ (табл. 7). Уменьшение температуры полимеризации приводит к снижению значения конверсий мономера, при которых происходит образование ВФ и НФ в составе полимера (табл. 7).

Это свидетельствует о возрастании вероятности передачи растущей цепи на полимер при понижении температуры процесса полимеризации. Следует отметить аномально высокие значения Мw полиизопрена (106 г/моль и выше), получаемого в присутствии окситрихлорида ванадия, которые ранее не наблюдались при полимеризации изопрена на других каталитических системах.

Зависимость содержания НФ и молекулярных параметров РФ полиизопрена от конверсии мономера при различной температуре. [C5H8]=2.0 моль/л, [VOCl3]=1.0·10-2 моль/л, хлористый метилен.

2. Общие принципы синтеза полиизопрена с заданными Для всех изученных каталитических систем найдены условия их получения, обеспечивающие высокую скорость полимеризации изопрена и выход полимера.

В табл. 8 приведены значения пороговых концентраций полимера для изученных каталитических систем в условиях их максимальной каталитической активности.

Влияние природы КЛ в каталитической системе на значения пороговых концентраций полимера. Температура полимеризации 20°С.

в каталитической системе полимеризации В зависимости от значений пороговых концентраций полимера КЛ в каталитической системе располагаются в следующий ряд: ZnBr2 (ZnCl2, ZnJ2) > BF3·O(C2H5)2 > TiCl4 > VOCl3, что, согласно литературным данным, соответствует увеличению кислотности данных соединений. Возрастанию значений пороговых концентраций полимера способствуют увеличение соотношения ТХУК к КЛ в каталитической системе (табл. 3), повышение температуры полимеризации (рис.

4) и замена хлористого метилена на ароматический растворитель – толуол (табл.

4). Таким образом, задача получения полиизопрена методом катионной полимеризации с заданными молекулярными характеристиками сводится к выбору каталитической системы, температуры и природы растворителя процесса полимеризации.

3. Влияние условий полимеризации на ненасыщенность и инверсным присоединением моРис. 5. С ЯМР спектр полиизопрена, номерных звеньев по типу «хвостсинтезированного методом катионной каталитической системы BF3O(C2H5)2– голова» ( 38.5 м.д.). Атомам ТХУК. Ненасыщенность полимера 92 мол. углерода в метильных группах %. Условия синтеза: (-70)С, конверсия концевых 1,4-транс-звеньев принадизопрена 17.5 мас. %.

соответствующие Z- и E-положению к двойной связи. В структуре полиизопрена зафиксированы сигналы атомов углерода 1,2-звеньев ( 22.1, 40.4, 111.1 и 147. м.д.), а также 3,4-звеньев ( 18.8, 44.9, 111.1 и 147.7 м.д.). Рассчитанные значения содержания структурных звеньев в полиизопрене представлены в табл. 9.

Сравнивая микроструктуру полиизопрена, полученного на каталитических системах на основе галогенидов цинка, бора, титана и ванадия, можно сделать вывод, что природа КЛ, условия полимеризации и степень превращения мономера практически не отражается на строении ненасыщенной части полимера.

Зависимость ненасыщенности (Нс) и микроструктуры полиизопрена от строения каталитической системы, температуры полимеризации и конверсии мономера.

BF3O(C2H5) Полиизопрен в зависимости от уровня средних молекулярных масс представляет собой вязкую бесцветную жидкость или твердую смолу. Полимер растворим в ароматических и хлорсодержащих растворителях, не растворим в воде, метаноле, этаноле и ацетоне. Температура начала разложения полимера находится в интервале 280-290°С. Раствор синтезированного полиизопрена, нанесенный тонким слоем на стеклянную пластинку, образует твердые и прочные пленки покрытий за 12-16 часов при температуре 20 ± 0.5°С.

Осуществлена наработка опытной партии полиизопрена (каталитическая система BF3O(C2H5)2–ТХУК). Полученный полимер испытан в качестве пластификатора резиновых смесей для боковины легковых радиальных шин. В результате проведенных испытаний установлено, что вулканизаты резиновых смесей, полученные с использованием полиизопрена, обладают существенно более высокими показателями динамической выносливости при многократном растяжении.

Синтезированный полиизопрен рекомендован для проведения расширенных опытно-промышленных испытаний в рецептурах различных резиновых смесей для шинной промышленности.

1. Изученные катионные каталитические системы позволяют с высокой скоростью и выходом синтезировать полиизопрен с широким набором средних молекулярных масс (от 103 до 106 г/моль) и полидисперсности (от 1.3 до > 303.0), пониженной ненасыщенностью и преимущественно 1,4-транс-структурой ненасыщенной части полимерной цепи.

2. Высокая активность каталитических систем ZnCl2, ZnBr2, ZnJ достигается только при использовании растворов галогенидов цинка в полярных растворителях и в присутствии ТХУК. Полимеризация изопрена под действием цинковых каталитических систем приводит, как правило, к получению низкомолекулярных полимеров с мономодальным ММР. Уровень средних молекулярных масс полимера возрастает с увеличением конверсии мономера, понижением температуры полимеризации и не зависит от природы галогенида цинка и соотношения протонодонорного соединения к КЛ.

3. Каталитические системы BF3O(C2H5)2, TiCl4 проявляют высокую активность только при введении в катализатор ТХУК, в то время как катализаторы на основе VOCl3 характеризуются высокой активностью без дополнительной активации протонодонорными соединениями. Закономерности формирования молекулярных параметров полиизопрена в присутствии данных каталитических систем носят единообразный характер. При низких концентрациях и конверсиях изопрена полиизопрен характеризуется мономодальным ММР. При увеличении концентрации полимера в реакционной массе в составе полиизопрена появляется ВФ. Дальнейшее повышение концентрации полимера приводит к формированию НФ. Значения концентраций полимера, при которых происходит образование ВФ и НФ увеличиваются: 1) в ряду: ZnCl2 (ZnBr2, ZnJ2) > BF3O(C2H5)2 > TiCl4 > VOCl3; 2) с ростом соотношения протонодонорной добавки к КЛ в каталитической системе; 3) при повышении температуры полимеризации; 4) при замене хлорсодержащего растворителя на ароматический. Выявленные закономерности позволяют осуществлять синтез полностью растворимого полиизопрена с заданными молекулярными характеристиками.

4. Ненасыщенность полиизопрена уменьшается с ростом температуры полимеризации и конверсии мономера и не зависит от соотношения ТХУК к КЛ в каталитической системе. Доминирующей структурой ненасыщенной части полимерной цепи являются 1,4-транс-звенья с регулярным и инверсным присоединением мономерных звеньев, кроме того, в составе полиизопрена обнаружены минорные количества 1,2- и 3,4-звеньев. Содержание структурных звеньев в ненасыщенной части полиизопрена практически не зависит от природы КЛ, соотношения компонентов в катализаторе и условий полимеризации.

5. Испытания синтезированного полиизопрена в качестве пластификатора резиновых смесей для боковины легковых радиальных шин показали существенное увеличение показателя динамической выносливости при многократном растяжении опытных вулканизатов.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. Розенцвет, В.А. Катионная полимеризация изопрена в присутствии каталитической системы TiCl4-трихлоруксусная кислота / В. А. Розенцвет, В. Г.

Козлов, Э.Ф. Зиганшина, Н. П. Борейко // Высокомолекулярные соединения. – 2008. – Т. 50A, вып. 10. – С. 1770-1776.

2. Розенцвет, В.А. Катионный полиизопрен: синтез, структура и некоторые свойства / В. А. Розенцвет, В. Г. Козлов, Э.Ф. Зиганшина, Н. П. Борейко, А. С.

Хачатуров // Журнал прикладной химии. – 2009. – Т. 82, вып. 1. – С. 151-155.

3. Rozentsvet, V.A. Molecular Heterogeneity of Cationic Polyisoprene / V. A.

Rozentsvet, V.G. Kozlov, E.F. Ziganshina, N.P. Boreiko // International Journal of Polymer Analysis and Characterization. – 2009. – V. 14. – P. 631-640.

4. Розенцвет, В.А. Катионная полимеризация изопрена в присутствии галогенидов цинка / В. А. Розенцвет, Э. Ф. Зиганшина, В. Г. Козлов, Н. П. Борейко // Башкирский химический журнал. – 2010. – Т. 17, вып. 5. – С. 11-15.

5. Розенцвет, В.А. Катионная полимеризация изопрена под действием окситрихлорида ванадия / В. А. Розенцвет, В. Г. Козлов, Э. Ф. Зиганшина, Н. П.

Борейко, Ю.Б. Монаков // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. – 2011. – Т. 53, вып.2. – С. 86-90.

6. Зиганшина, Э.Ф. Катионная полимеризация изопрена на каталитической системе TiCl4-трихлоруксусная кислота / Э.Ф. Зиганшина, В.А.Розенцвет, В.Г.Козлов, Н.П. Борейко // Тезисы докладов XVIII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. – Москва. – 2007, С.358.

7. Зиганшина, Э.Ф. Синтез, структура и некоторые свойства катионного полиизопрена / Э.Ф. Зиганшина, В.А. Розенцвет, В.Г. Козлов, Н.П. Борейко // Тезисы докладов IV конференции молодых ученых «Современные проблемы в науке полимеров». – Санкт-Петербург. – 2008, С.52.

8. Зиганшина, Э.Ф. Особенности процесса катионной полимеризации изопрена на каталитических системах на основе TiCl4 и BF3·ОEt2 / Э.Ф. Зиганшина, В.А.

Розенцвет, В.Г. Козлов, Н.П. Борейко // Тезисы докладов IX конференции молодых ученых по нефтехимии. – Звенигород. – 2008, С.44.

9. Rozentsvet, V. A. Molecular Heterogeneity of Cationic Polyisoprene / V. A.

Rozentsvet, V.G. Kozlov, E.F. Ziganshina, N.P. Boreiko // XXII International Symposium on Polymer Analysis and Characterization. – Zlin. – 2009. P.82-83.

10. Зиганшина, Э.Ф., Молекулярные параметры и микроструктура катионного полиизопрена / Э.Ф. Зиганшина, В.А. Розенцвет, В.Г. Козлов, Н.П. Борейко // Тезисы докладов III Российской конференции «Актуальные проблемы нефтехимии». – Звенигород. – 2009, С.184-185.

11. Розенцвет, В.А. Катионная полимеризация изопрена под действием галогенидов цинка / В.А. Розенцвет, Э.Ф.Зиганшина, В.Г.Козлов, Н.П. Борейко // Тезисы докладов XII Международной конференции по высокомолекулярным соединениям. – Киев. – 2010, С.9.

12. Зиганшина, Э.Ф. Катионная полимеризация изопрена под действием системы ZnCl2-ТХУК / Э.Ф.Зиганшина, В.А.Розенцвет, В.Г.Козлов, Н.П. Борейко // Тезисы докладов VI Санкт-Петербургской конференции молодых ученых «Современные проблемы в науке полимеров». – Санкт-Петербург. – 2010, С.23.

13. Зиганшина, Э.Ф. Молекулярные параметры и микроструктура катионного полиизопрена, полученного под действием эфирата трифторида бора / Э. Ф. Зиганшина, Н. П. Борейко, В. А. Розенцвет, // Тезисы докладов III Нижнекамской конференции молодых ученых. – Нижнекамск. – 2011, С.59-61.