基于季戊四醇衍生物可持续合成CO2基多元醇及其在高性能硬质聚氨酯泡沫中的应用研究

本文创新性地采用双金属氰化物（DMC）催化剂，以生物质衍生物四氢糠醇（THFA）为络合剂，通过季戊四醇丙氧基化物（PE-PO）引发剂实现CO2高效转化（20.4 mol%），成功制备适用于硬质聚氨酯泡沫（RPUF）的CO2基多元醇。该材料展现出12.4 N/cm2的优异压缩强度和均匀闭孔结构，为碳中和背景下聚合物材料的绿色合成提供新策略。

　　

ABSTRACT

研究通过双金属氰化物（DMC）催化剂体系，以四氢糠醇（THFA）为络合剂，开发了新型CO₂基多元醇合成路径。实验发现，当THFA添加量为0.1 mol时，催化剂呈现非晶态结构，催化活性最佳。采用季戊四醇丙氧基化物（PE-PO）作为引发剂，在单体/引发剂摩尔比50的条件下，CO₂掺入量达19.8 mol%，显著高于传统乙氧基化物（PE-EO）体系的11.1 mol%。

1 Introduction

全球气候变化推动碳捕获与利用（CCU）技术发展，CO₂作为廉价非易燃原料，在聚氨酯（PU）合成中兼具碳封存与高值化应用潜力。硬质聚氨酯泡沫（RPUF）因优异的机械性能和隔热性广泛应用于建筑与汽车领域，但传统石油基多元醇面临可持续性挑战。本研究突破高羟基数引发剂对CO₂掺入的限制，通过分子设计降低空间位阻，首次实现RPUF专用CO₂基多元醇的合成。

2 Results and Discussion

2.1 Preparation of DMC Catalysts

XRD分析显示，THFA的引入使催化剂从立方晶相（Fm-3m）向单斜晶相（P11m）转变。FT-IR在2188 cm^-1处的CN^-伸缩振动峰强度随THFA含量增加而增强，证实其与Zn²⁺的配位作用。ICP-AES检测显示Zn/Co摩尔比从1.9（无THFA）提升至2.5（0.15 mol THFA），与催化活性正相关。

2.2 Synthesis of CO₂-Based Polyol

¹H NMR定量表明，PE-PO引发剂在PO/引发剂比60时实现20.4 mol%的CO₂掺入，副产物环状碳酸酯（cPC）含量27.2 wt%。GPC显示产物数均分子量（M_n）达2111 g/mol，PDI为3.0。FT-IR在1740 cm^-1处的碳酸酯特征峰强度随CO₂掺入量增加而显著增强。

2.3 Synthesis of Rigid Polyurethane Foam

RPUF_PE-PO表现出41.8 kg/m³的密度和12.4 N/cm²的压缩强度，优于PE-EO体系（38.5 kg/m³，4.2 N/cm²）。TGA显示碳酸酯键的引入使热分解温度提升至341°C。SEM观察到PE-PO体系形成400-600 μm的均匀闭孔结构，而PE-EO体系存在细胞壁破裂现象。

3 Conclusion

该工作首次通过PE-PO引发剂实现RPUF级CO₂基多元醇的工业化可行合成，材料性能满足ASTM D-1621标准。未来研究需关注催化剂规模化制备及材料长期环境稳定性评估。

4 Experimental Section

采用高压反应釜（450 mL）进行PO/CO₂共聚，反应条件为115°C、20 barg、600 rpm。泡沫制备采用NCO/OH指数120的标准配方，含二乙二醇（DEG）扩链剂和Niax L-5420表面活性剂。所有测试均按ASTM标准执行，数据取三次重复实验平均值。

（注：全文严格依据原文数据，未添加主观推断，专业术语均保留英文缩写及上下标格式）