Brevet FR2460965A1 — publié le 19810130

L'invention concerne la préparation de terpolymères élastomère u'éthy- lène, de propylène et de diènes, selon un procédé dans lequel les oléf ines mo- nomères sont directement polymérisées à l'état gazeux, au contact d'un système catalytique comprenant un ou plusieurs composés solides du titane. Les terpo- ymères résultant sont obtenus sous la forme de poudres susceptibles d'être utilisées sans transformation intermédiaire pour fabriquer des objets moulés ou extrudés. Il est connu de préparer des terpolymères d'éthylène, de propylène et de diènes, tels que le 5-éthylidène-2-norbornène, au sein d'un hydrocarbure li- quide contenant un système catalytique comprenant un composé du vanadium. La polymérisation conduit à la formation d'un terpolymère dissous dans l'hydro- carbure liquide. Le terpolymère est précipité par de l'eau ou de la vapeur d'eau, sous la forme de particules coagulées, tandis que les restes cataly- tiques se dissolvent dans l'eau. Les particules du terpolymère sont isolées, puis séchées; cette séparation est cependant délicate à réaliser, en raison du caractère caoutchouteux du terpolymère. Dans cette technique, il est en outre nécessaire de séparer l'hydrocarbure liquide de la suspension aqueuse, afin de le recycler. Il a maintenant été trouvé un procédé de fabrication de terpolymères 'éthylène, de propylene et de diènes à doubles liaisons non conJuguées, qui est exempt des inconvénients précités. L'invention a pour objaet la fabrication de terpolymères élastomères &'éthylène, de propylène et d'un diène, dans lesquels les teneurs pondérales en motifs issus du propylène et en motifs issus du diène sont respectivement comprises entre 25 et 80 % e-t entre 0,5 et 5 %, selon un procédé caractérisé en ce qutun mélange gazeux d'éthylène, de propylène et du diène est mis en contact, en l'absence d'hydrocarbure liquide, avec un système catalytique com- prenant un ou plusieurs composés solides du titane et un ou plusieurs compo- sés organométalliques de métaux des groupes II et III de la classification pé- riodique des éléments. Les systèmes catalytiques, susceptibles d'être mis en oeuvre dans la fa- brication des terpolymères de l'invention, sont choisis parmi des systèmes susceptibles de polymériser l'éthylène et le propylène à des vitesses voisines. Ces propriétés cinétiques du système catalytique, concernant les vitesses rela- tives de polymérisation de l'éthylène et du propylène, sont appréciées, lors de la fabrication d'un terpolymère d'éthylène et de propylène, par la compa- raison de la composition en monomères du milieu de polymérisation et celle du terpolymère obtenu; les systèmes catalytiques mis en oeuvre sont de préfé- rence choisis de telle manière que la composition du terpolymère soit voisine de celle du mélange des monomères. Il a par ailleurs été observé avec surprise que les systèmes catalytiques mis en oeuvre pouvaient sans inconvénient être hautement stéréospécifiques dans la polymérisation du propylène seul, cette stéréospécificité étant mesurée par la proportion de polypropylène produit, insoluble dans le n-heptane bouillant; cette proportion peut atteindre 95 % et plus dans le cas de systèmes catalytiques hautement stéréospécifiques. Les diènes susceptibles d'être utilisés dans la fabrication des terpoly- mères de l'invention sont de préférence constitués de diènes aliphatiques ou alicycliques à doubles liaisons non conjuguées tels que l'hexadiène 14 ou le -éthylidène-2-norbonène. De préférence, les terpolymères préparés selon l'invention contiennent de 33 à 66 % en poids de motifs issus du propylène et de 1 à 4 % en poids de mo- tifs issus du diène. Les composés solides du titane, constituants du système catalytique, sont de préférence obtenus par réduction du tétrachlorure de titane au moyen d'un composé organoaluminique,à une température comprise entre -10 et 80 C, puis par chauffage du précipité ainsi obtenu, en présence d'un excès de tétrachlo- rure de titane, à une température susceptible d'atteindre 115 C, ces opéra- tions étant réalisées en présence d'un composé donneur d'électrons ou étant sadciées à un traitement par un composé donneur d'électrons, tel qu'un éther- oxyde aliphatique de formule R!0-R", dans laquelle Rt et R" sont des groupe- ments aloyles contenant de 2 à 5 atomes de carbone. De tels composés du titane peuvent en particulier être préparés selon les indications des demandes de bre- vets français No. 76 02898 ou 77 05269 respectivement du 3 février 1976 et du 23 février 1977, toutes deux au nom de la Demanderesse, par réduction du tétra- chlorure de titane au moyen d'un composé organoaluminique, puis par chauffage du précipité résultant, le nombre de moles de tétrachlorure de titane mises en oeuvre étant en excès d'au moins 20 % par rapport au nombre des radicaux orga- niques du composé organoaluminique et la préparation étant réalisée en pré- sence, en tant que composé donneur d'électrons, de 2 à 5 moles d'un éther- oxyde aliphatique, tel que défini ci-dessus, par mole de composé organoalumi- nique. Les composés organométalliques d'un métal des groupes Il et III de la classification périodique sont de préférence constitués de composés organoalumi- niques de formule moyenne AIRxZ(3_x), dans laquelle R représente un groupement alcoyle contenant 2 à 12 atomes de carbone, Z un atome d'hydrogène ou d'un ha- logène, tel que le chlore ou le brome, et x un nombre entier ou fractionnaire pouvant prendre toute valeur de 1 à 3. Ces composés organométalliques sont avantageusement mis en oeuvre en quantités telles que le rapport atomique: [étaux des groupes II et III des cocatalyseurs / titane des composés du titane], soit compris entre 1 et 50. )P 2460965 Les constituants du système catalytique peuvent être mis en oeuvre de dif- férentes manières. 1 Le composé solide du titane peut être introduit dans le réacteur de polymé- risation associé à un support constitué de granules solides ou sous la forme d'un prépolymère obtenu au moyen d'une polymérisation préalable d'éthylène seul de propylène seul ou d'un mélange d'éthylène et de propylène et éventuellement d'un diène, le cas échéant au sein d'un diluant liquide et en présence d'un système catalytique tel que défini cidessus. Il suffit, pour la fabrication du prépolymère, de polymériser 20 à 5000 moles d'oléfines par atome-gramme de ti- tane du système catalytique; de ce fait, les quantités de prépolymère mises en oeuvre restent faibles par rapport aux quantités du terpolymère finalement ob- tenu et ont, par conséquent, peu d'influence sur les propriétés de celuici. Le prépolymère, dans lequel le composé du titane reste inclus, peut être directe- ment mis en oeuvre selon l'invention, en tant que composé solide du titane, le cas échéant après séparation du diluant liquide utilisé dans la prépolymérisa- tion; il peut être avantageux toutefois de soumettre le prépolymère, avant sa mise en oeuvre dans le procédé de l'invention, à une ou plusieurs extractions au moyen d'un solvant tel qu'un hydrocarbure aliphatique, afin de créer une po- rosité à l'intérieur des granules du prépolymère. Cette porosité favorise l'ac- cessibilité des oléfines aux sitescatalytiques. Les composés organométalliques d'un métal des groupes II et III de la clas- sification périodique peuvent également être introduits directement dans le réacteur de polymérisation. Ces composés peuvent aussi être mis en oeuvre sous la forme d'un support poreux préalablement imprégné de ces composés; dans ce cas, le support poreux peut être formé de granules solides, de nature organique ou inorganique, ou être constitué d'un prépolymère mentionné dans le paragraphe précédent. La polymérisation est réalisée en l'absence d'hydrocarbure liquide tel que le propylène liquide ou un hydrocarbure liquide saturé, par mise en contact direct des monomères à l'état gazeux, constitués de l'éthylène, du propylène et du diène, avec des particules solides du terpolymère en cours de formation et avec les constituants du système catalytique, associés à un support granulaire solide ou à un prépolymère. Cette opération est avantageusement effectuée dans un réacteur dit "de fluidisation", par circulation ascendante des monomères à )5 l'état gazeux à travers un lit fluidisé de particules solides du terpolymère en cours de formation. En outre, la polymérisation peut être réalisée en présence d'un limiteur de croissance de chalnes, généralement de l'hydrogène, mis en oeuvre dans la proportion de 1 à 20 % en volumes par rapport aux oléfines présentes dans le milieu de polymérisation, de manière à obtenir un polymère possédant l'indice 4 2460965 de fluidité recherché. La vitesse ascensionnelle à conférer au mélange gazeux pour maintenir à l'état fluidisé le terpolymère présent dans le réacteur est en relation avec les paramètres physiques du terpolymère et du mélange gazeux. Parmi ces para- mètres, les principaux sont la dimension des particules du terpolymère, la masse spécifique de celui-ci ainsi que la viscosité et la masse spécifique du mélange gazeux; des vitesses ascensionnelles de l'ordre de quelques décimètres par seconde sont les plus usuelles. La température est maintenue dans le réacteur à un niveau suffisant pour que la polymérisation soit rapide, sans toutefois être trop proche de la tem- pérature de formation d'agglomérats qui perturberaient ou arrêteraient la poly- mérisation. Cette température peut être comprise entre -40 et 90 OC; elle est, de préférence comprise entre 50 et 80 OC. La composition du mélange gazeux circulant dans le réacteur de polymérisa- tion est choisie selon les teneurs en motifs issus de l'éthylènedu propylène et du diène, souhaitées pour le terpolymère. La pression totale dans le réacteur est généralement inférieure à 40 bars. Le mélange gazeux n'est en contact avec le système catalytique présent dans le réacteur que pendant une durée limitée, généralement inférieure à quelques dizaines de secondes. De ce fait, seule une fraction des oléfines in- troduites dans le réacteur y est polymérisée et il est par conséquent néces- saire de recycler dans le réacteur le mélange gazeux qui en sort avec un ap- point d'oléfines à polymériser. Afin d'éviter que le mélange gazeux n'entratne des particules du polymère ou du catalyseur à la sortie du réacteur, ce dernier peut par exemple être muni à sa partie supérieure d'une enceinte dite de tran- quillisation possédant une section supérieure à celle du réacteur; dans cette enceinte la vitesse ascensionnelle du mélange gazeux est plus faible que dans le réacteur, ce qui permet au moins à une fraction des particules de polymère ou de catalyseur entrainées de retomber dans le réacteur. Les particules en- 3D tratnées par le mélange gazeux peuvent également être séparées dans un cyclone et être renvoyées dans le réacteur, de préférence dans la partie inférieure de celui-ci. la polymérisation des oléfines provoquant un dégagement de chaleur, il est nécessaire d'éliminer la chaleur produite, afin de maintenir une tempé- rature constante dans le réacteur; cette élimination de chaleur est de préfé- rence réalisée en faisant circuler le mélange gazeux à recycler dans un échan- geur de chaleur situé à l'extérieur du réacteur. Afin d'obtenir des terpolymères possédant les caractéristiques mentionnées ci-dessus, il est préférable de maintenir à une valeur sensiblement constante, pendant toute la durée de la polymérisation, le rapport des quantités d'éthy- lène, de propylène et de diène présentes dans le milieu de polymérisation. 2460965 Cette condition peut etre:;1->isée E-' nc en Ut a d 2ositif omorc= n, 'une part, un analyseur mesurant les concentrations en éthylène, en propyl:le et en diène dans le réacteur de polymérisation, et, d'autre part, des moyens d'in- troduction dans le réacteur de l'éthylène, du propylène et du diène, ces ; oyens étant asservis entre eux et à l'analyseur. La polymérisation des oléfines selon l'invention peut également être mise en oeuvre dans plusieurs réacteurs à lits fluidisés disposés en série. Dans ce jas, seule une partie de la polymérisation est effectuée dans chaque réacteur et le terpolymère en cours de formation circule depuis le réacteur de tête Jusqu'au réacteur de queue. En variante, certains réacteurs peuvent être dis- posés en parallèle, de manière que le terpolyrnère en cours de formation prove- nant d'un réacteur alimente deux ou plusieurs réacteurs secondaires. Le terpolymère terminé peut etre évacué du réacteur dans lequel il est abriqué au moyen de différents dispositifs mécaniques ou pneumatiques. Un dis- positif d'évacuation consiste à munir la partie inférieure de ce réacteur d'un -rifice susceptible d'être obturé en eommuniquant avec une enceinte dans ja- quelle règne une pression inférieure à celle du réacteur. L'ouverture de l'ori- efice pendant une durée déterminée permet d'introduire dans cette enceinte 1' uantité voulue de polymère. L'ouverture ayant été refermée, il suffit en- suite de faire communiquer l'enceinte avec l'extérieur pour recueillir le ter. polymère. Les terpolymères élastomères de leinvention peuvent etre utilisés, seuls ou en mélange avec d'autres polymères, dans la fabrication d obJet moulés ou extrudés, tels que des Joints divers, utilisables dans l'industrie automobile et dans celle du bftiment. Ces terpolnymères peuvent être réticulés, avant ou pendant leur transformation en objets moulés ou extrudés, selon les méthodes habituelles de l'industrie caoutchoutière, par exemple au moyen de soufre as- socié à un accélérateur et d'oxyde de zinc. Les terpolymères élastomères de l'invention peuvent aussi être appliqués à la fabrication de compositions de polypropylène isotactique, de résistance au choc élevée. Ces compositions sont commodément préparées en mélangeant in- timement, à une température comprise entre 150 et 200 C, Jusqu'à 70 parties en poids, de préférence 5 à 50 parties en poids, de terpolymère et 100 parties en poids de polypropylène isotactique. Cette opération est commodément réali- sée, à partir de polypropylène isotactique et de terpolymère, en poudre ou en granulés, dans un mélangeur produisant un effet de cisaillement, tel qu'un ma- laxeur, une calandre, une extrudeuse à une ou à deux vis. Cette opération peut être effectuée en un ou plusieurs passages; elle peut être aussi précédée d'un simple mélange. Au cours de l'opération, des adjuvants, tels que des sta- bilisants usuels, peuvent être ajoutés au mélange. Les compositions de polypro- pylène isotactique ainsi obtenues sont notamment applicables dans l'industrie automobile pour la réalisation de pièces, telles que des pare-chocs. Le procédé de l'invention est à plusieurs égards remarquable. Il permet en effet d'obtenir directement des terpolymères élastomères d'éthylène, de pro- pylène et de diène sous la forme de poudres, sans qu'il soit nécessaire de pro- céder, comme dans la technique antérieure, à une séparation laborieuse du ter- polymère et de l'hydrocarbure liquide dans lequel il a été formé. Par ailleurs, le fait d'obtenir le terpolymère sous la forme d'une poudre constituée de gra- nules d'une dimension homogène, de l'ordre de 0,2 à 1 mm de diamètre, constitue un avantage appréciable, du fait que le mélange du terpolymère avec les ingré- dients habituels de l'industrie caoutctoutière ou avec du polypropylrne isotae- tique est très facile à réaliser. Au contraires les terpolymères obtenus par l teunnique antérieure se présentent commercialement sous la forme de masses aoutehouteuses qu'il est nécessaire de déchiqueter; de ce fait, le mélange de ces terpolymères est plus difficile à réaliser et conduit finalement à de moins bons résultats. Il est remarquable, enfinl que des systèmes catalytiques sté- réospécifiques vis-à-vis du propylène puissent être mis en oeuvre dns le pro- o.dé de l'invention, tout en permettant une fabrication aisée des tcrpolymères 6lastomères d'éthylène, de propylène et de diènes; on pouvait en effet penser -lue des systèmes catalytiques stéréospécifiques vis-à-vis du propylène, qui conduisent à la formation de polypropylène cristallin, ne permettraient pas -a fabrication de terpolymères élastomères. Exemple 1 l-a/ Préparation d'un composé catalytique du titane Dans un réacteur en acier inoxydable de 1 litre, on introduit 380 g (2 Mo- les) de tétrachlorure de titane, 120 ml de n-heptane anhydre et 27 g (170 mMoles) d'éther diiosamylique. On chauffe le mélange à 35 OC et sous agitation, on y introduit en 4 heures, à un débit régulier, un mélange de 30 g (250 mMoles) de chlorure de diéthylaluminium et de 70 g (440 mMoles) d'éther diisoamylique dis- sous dans 180 ml de n-heptane. On maintient le précipité formé sous agitation pendant une heure à 35 OC, puis pendant deux heures à 65 OC. Le composé solide de titane est ensuite lavé fois par mélange avec 500 ml de n-heptane à 65 C et décantation. Il est con- servé dans du n-heptane à l'abri de l'air et de l'humidité. l-b/ Préparation d'un prépolymère à partir de propylène Dans un réacteur de 5 litres contenant 2 litres de n-heptane anhydre à C, on introduit 3,4 g (28 mMoles) de chlorure de diéthylaluminium en solu- tion molaire dans du n-heptane et une quantité de la suspension du composé du titane préparé en l-a/ correspondant à 7,1 milliatomes-grammes de titane. Sous agitation, et en maintenant le milieu à 60 C, on introduit du propy- lène à un débit constant de 160 g/h pendant 3 h 10 mn. A la suspension de pré- polymère formé, refroidie à la température ambiante, on ajoute 10,4 g (28, 4 mMo- les) de tri-n-octylaluminium en solution dans du n-heptane sous vide. On obtient ainsi 500 g d'une poudre fluide de prépolymère, de couleur roseviolette que l'on conserve sous azote à l'abri de l'air et de l'humidité. l-c/ Préparation d'un terpolymère On opère dans un réacteur à lit fluidisé de 15 cm de diamètre, équipé d'un récipient annexe sous pression dans lequel le prépolymère est stocké et d'un autre récipient dans lequel le polymère formé est évacué. Le gaz de fluidisation sortant du réacteur est partiellement refroidi dans un échangeur, puis recyclé dans le réacteur au moyen d'un surpresseur; il est composé d'un mélange d'éthylène, de propylène et de diène à la pression de bars. La composition et la pression des gaz sont maintenues constantes par apport des monomères en quantités égales aux quantités consommées pendant la polymérisation; ces dernières sont déterminées par une analyse chromatogra- phique. L'éthylène et le propylène sont introduits à l'état gazeux, en continu, dans le circuit de recyclage. Le diène est introduit directement dans le réac- teur toutes les dix minutes à l'état liquide; au contact du lit fluidisé, sa vaporisation est instantanée. La nature et la proportion des monomères, ainsi que la température de la polymérisation sont précisées dans le tableau I, les propriétés du terpolymère obtenu figurent dans le tableau II. La température du lit fluidisé est maintenue constante par réglage de celle du gaz entrant. On alimente le réacteur par introduction périodique de petites quantités de prépolymère; on sort du réacteur une fraction du terpolymère produit, cor- respondant à la production, par exemple toutes les 10 minutes, de façon à con- server la hauteur du lit sensiblement constante. La teneur pondérale du terpolymère en motifs dérivés du propylène est me- surée par spectrophotométrie dans l'infrarouge, aux nombres d'onde 720 cm1 et 1150 cm-1, sur une lame du copolymère fondu vers 200 C. Cette méthode dérive de celle décrite par Th.Gbssl (dans Die Makromolecular Chemie XLII - 1-10 - 1960 p. 1.). La teneur pondérale en motifs dérivés du diène est également mesurée par spectrophotométrie dans l'infrarouge, aux nombres d'onde correspondant à l'ab- sorption de l'insaturation résiduelle du diène considéré, selon la méthode dé- crite par C. Tosi et F. Ciampelli (dans Advances in Polymer Science Vol. 12, 1973 p. 121). La consistance du terpolymère est évaluée à l'aide d'un viscosimètre - Mooney, d'après la réaction opposée par le terpolymère à un cisaillement conti- " 2460965 nu de vitesse constante, dans les conditions définies dans la norme ASTI D-1642-72. Exemples 2 à 6 On opère de la même manière que dans l'exemple 1, selon les conditions indiquées dans le tableau I, les résultats obtenus figurent dans le tableau II. Le prépolymère mis en oeuvre dans l'exemple 3 est préparé à partir d'é- thylène, dans les conditions suivantes: Dans un réacteur de 5 litres contenant-2 litres de n-heptane anhydre à 7? 0c, on introduit-3,4 g (28,4 mMoles) de chlorure de diéthylaluminium en so- lutce molaire dans du n-heptane et une quantité de la suspension du cataly- seur préparé en l-a/ correspondant à 7,1 atomes-grammes de titane. Sous agitation, et en maintenant le milieu à 60 C, on introduit de l'hy- drogène Jusqu'à une pression partielle de 6 bars, puis de l'éthylène à un débit constant de 160 g/h pendant 3 h 10 mn. A la suspenseion de prépolymère formé, refroidie à la température ambiante, on aJoute 10,4 g (28,4 mMoles) de tri-n- octylaluminium en solution dans du n-heptane sous vide. On obtient ainsi 480 g d'une poudre fluide de prépolymère, de couleur rose-violette que l'on conserve sous azote à ltabir de l'air et de l'humidité. quqT. euT.El 1uT 0o% i i i i s i i i i i i i i i i i i i i i 1 Ga; i ue 1 i 99C i i 00?1 tl- a OFEOaH . _......DTD: (atunloA ue ie T a ooZ i Z SE94 00ECodai 3 DF4 em-IOCt% i eanlAuG ' Ol:. on o... (.o... ue i i i i 99 i i i 5 i i eg i i i 94.._ xr'3z8 eSug"am np i 11i i 0ei IT i i i f i i i t# i i i i i O I y i R9q,.9KIod op idoadTOdI ep i i OL OL oL i i 0 9 i i i 0g 1 OL i i 09 i I i O9 i i Z O9 i i ea.z, Todpad. K9 Eg dif 5, KIT KfwC & I i.i au,p dO.xd. (o.) I uaoT,4TSowoo i i i i saGuJIModae; sap uoTpDoTJqig I nflVi& LA O. 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