二氧化碳基聚脲合成中的基础科学问题

The transformation of CO2 to value-added chemicals and functional materials, with using CO2 as carbon-oxygen resource to replace fossil fuels and toxic phosgene and isocyanate, is of important green process with social and environmental significant due to the lower cost and less utilization of the harmful reagents. The present research focused on the basic scientific problems in the reaction of diamine and carbon dioxide. At first, to design and prepare high efficient catalyst, discuss the composition, structure and electron effects of catalyst on the degree of polymerization. To optimize the reaction parameters such as the reaction temperature, pressure, dehydrate, additive, solvent etc. To reveal the influence of the structure, size of the carbon chain of diamine on the degree of polymerization and average molecule weight, as well as on the properties of the polyurea prepared. To fabricate the CO2-based thermoplastic polyurea and engineering plastic polyurea which should has good mechanistic and thermal performances. The results obtained in present work will open a new route and provide fundamental data for the utilization of carbon dioxide.

CO2作为碳氧资源替代化石资源转化为高附加值的化学品及功能材料，特别是替代剧毒光气及异氰酸酯，可降低产品成本减少有害物质的使用，是具有重要的社会效益及环境效益的绿色反应过程。本研究主要探讨二氧化碳与二胺类化合物缩聚反应过程中的基础科学问题。设计高效的聚合催化剂，详细讨论催化剂的组成，电子效应及空间效应对缩聚反应速率及聚合度的影响。优化反应的工艺参数，如反应温度，压力，脱水剂，助剂，溶剂等参数。揭示二胺类分子结构，碳链长短对聚合速率及聚合分子量，以及聚合物性能的影响。制备高性能的二氧化碳基热塑性聚脲及聚脲工程塑料。为二氧化碳转化和利用提供新思路和基础参考数据。

以CO2为原料替代剧毒光气及异氰酸酯制备高性能的高分子材料，是具有原料成本优势的清洁绿色的反应过程。将CO2转化为高性能的高分子材料可降低产品成本，减少有害物质的使用，具有重要的社会效益及生态效益。本研究以二氧化碳基聚脲高分子材料的制备为目的，重点研究了二氧化碳与二胺类物质聚合反应，围绕二氧化碳与二胺类分子缩聚的催化剂、溶剂、聚合反应条件以及聚合单体的分子结构对聚合物结构与性能的影响展开了深入的研究。通过改变单体的结构，配比，调控分子间的氢键密度及类型，成功的制备了一系列的功能性二氧化碳基聚脲材料，例如：聚脲热塑性弹性体，聚脲塑料，自愈合聚脲材料等。取得的主要研究成果如下：（1）脂肪族二胺与二氧化碳聚合制备聚脲塑料。通过调节己二胺与十二烷二胺的配比制备了具有强韧性的聚脲材料DAD50HMDA50，其杨氏模量为918 MPa，拉伸强度62.1 MPa，断裂伸长率267%。（2）含醚二胺和异佛尔酮二胺与CO2聚合制备了自修复的二氧化碳基聚脲弹性体。当异佛尔酮二胺的摩尔比为43%时，断裂伸长率为1073%，强度为6.6 MPa，该材料在30 ℃实现自愈合，24 h愈合率92%。而且该材料的阻尼系数高（>1.05）、有效阻尼温域宽(6-40 ℃)，可以用于吸声、吸能、减振、降噪领域。（3）双环状碳酸酯基糠胺与二氧化碳基聚脲齐聚物的聚合反应制备了聚氨酯脲。该材料杨氏模量151 MPa，拉伸强度18.5 MPa，断裂伸长率136%， 基于分子链的Diels-Alder键和氢键的可逆性质，该材料可自愈合，愈合效率为94%，而且可通过热压成型方法回收和重塑。此外，我们还首次合成了具有新型结构的环状聚脲齐聚物，并对其结构性能进行了细致的研究。