Brevet FR2532649A1 — publié le 19840309

L'invention concerne des copolymères d'éthy- lène et d'hexène-l de densité comprise entre 0,910 et 0,940, obtenus par copolymérisation en lit fluidisé. I 1 est déjà connu de fabriquer en solution dans un hydrocarbure liquide des copolymères d'éthy- lène et d'une alpha-oléfine comportant plus de 5 a atomes dé carbone Les procédés de ce type nécessitent la mise en oeuvre *de solvants et comportent des opéra- tions délicates de récupération du copolymère à partir de la solution. Il est également connu de fabriquer en lit flui- disé des copolymères d'éthylène et d'une alpha-oléfine supérieure comportant jusqu'à 6 atomes de carbone, ces copolymères ayant une densité comprise entre 0,900 et 0,940, la copblymérisation étant effectuée en présence d'un système catalytique comportant, comme catalyseur, un composé solide de magnésium, de titane et d'un ha- logène, obtenu par réaction de composés du titane té- travalent avec un composé organomagnésien (ou le ma- gnésium métal) et un halogénure d'alcoyle et, comme cocatalyseur, un composé organométallique d'un métal des groupes II ou III de la classification périodique des éléments. Selon ce procédé, le copolymère en cours de formation dans le lit fluidisé se présente, en parti- culier lorsque l'alpha-oléfine supérieure utilisée comporte plus de 4 atomes de carbone, sous la forme d'une poudre plus ou moins collante, favorisant la formation d'agglomérats préjudiciables au bon fonc- tionnement du lit fluidisé. Il a maintenant été trouvé un procédé permet- tant d'éviter ces inconvénients et d'obtenir sans dif- ficulté par copolymérisation en lit fluidisé des copo- lymères d'éthylène et d'hexène-l ayant une densité comprise entre 0,910 et 0,940. L'invention a donc pour objet un procédé d'ob- 2532649. tention de tels copolymères par copolymérisation de l'éthylène et d'un hexène-l en lit fluidisé au con- tact d'un système catalytique constitué-: i/ d'un cocatalyseur constitué d'un composé orga- nométallique liquide d'un métal des groupes II et III de la classification périodique des éléments, ii/ d'un catalyseur tel que décrit dans la demande de brevet français NO 82 11055 du 26 juin 1982,c'est- à-dire uncatalyseur supporté, le support étant un chlorure de magnésium ayant des propriétés spécifiques et le catalyseur étant un composé d'un métal apparte- nant aux groupes IV, V et VI de la classification pé- riodique des éléments, notamment un composé de titane, connu pour ses propriétés catalytiques dans la poly- mérisation de l'éthylène. Selon l'invention le support du catalyseur est constitué de particules à base de chlorure de magné- sium, ces particules présentant les caractéristiques suivantes elles ont très sensiblement une forme sphérique dé- finie par le fait que, si D et d sont les grand et petit diamètres de ces particules, D a 1,3, d elles ont une granulométrie moyenne ré-glable à vo- lonté et comprise entre 10 et 100 microns environ; de plus si Dm est le diamètre moyen d'un lot de par- ticules, la répartition granulométrique est très étroite, puisque plus de 90 % des particules d'un même lot ont des diamètres moyens compris dans la fourchette D t 10; c'est ce que l'on appei Jera une "répartition granulométrique étroite", elles présentent une surface aussi lisse que pos- sible et leur surface spécifique est relativement faible, de l'ordre de 20 à 50 m 2/g (BET) environ, elles ont une densité comprise entre 1,6 et 2,2, elles sont constituées essentiellement de chlorure 2532649, -3- de magnésium et éventuellement de chlorure d'aluminium nium; cependant le rapport atomique Cl/Mg + 3 Ai sera de préférence légèrement inférieur à 2 (et plus parti- culièrement compris entre 1,9 et 2), les particules contenant une faible proportion de composés à liaisons Mg-C et éventuellement de composés à liaison Al-C. Las supports ainsi définis peuvent notamment être préparés en faisant réagir un dérivé organomagné- sien sur un chlorure d'alcoyle, en présence d'un éther- oxyde Comme dérivé organomagnésien on choisira soit un composé de formule R 1 Mg R 2, soit un composé de for- mule R 1 Mg R 2,x Al(R 3)3, formules dans lesquelles R 1, R 2 et R 3 sont des radicaux alcoyle présentant 2 à 12 atomes de carbone et dans lesquelles x est compris entre 0,001 et 10 Comme chlorure d'alcoyle on choi- sira un produit de formule R 4 Cl dans laquelle R 4 est un radical alcoyle secondaire au de préférence ter- tiaire ayant 3 à 12 atomes de carbone L'éther-oxyde utilisé est un produit de formule R 5-0-R 6 dans laquelle R 5 et R 6 sont des radicaux alcoyle identiques ou différents ayant 1 à 12 atomes de carbone De plus les divers réactifs doivent être utilisés dans des proportions définies et la réaction doit être réalisée dans des conditions déterminées d'agitation et de température. Sur ledit support on réalise la précipitation d'un dérivé d'un métal de transition des groupes IV,V, et VI, connu pour ses propriétés catalytiques vis-à- vis de la polymérisation et la copolymérisation de l'éthylène et en particulier d'un dérivé du titane dont la valence est inférieure à 4 Cette précipitation peut se réaliser selon des procédés connus mais est avantageusement effectuée selon le procédé ci-après, utilisant un composé particulier du titane comme dé- rivé du métal de transition: on effectue la réduction d'un dérivé du titane à sa valence maximum de formule Ti(OR 7)4 n Xn dans laquelle -4- R 7 est un groupement alcoyle contenant 2 à 6 atomes de carbone, X est un atome de chlore ou de brome et n est un nombre entier ou fractionnaire tel que l n à l'aide d'un composé choisi parmi les organomagné- siens de formule R 8 Mg R 9 dans laquelle R 8 et R 9 sont des groupements alcoyles contenant de 2 à 12 atomes de carbone, les organozinciques de formule Zn(R 10)( 2 y)Xy dans laquelle RO 10 est un groupement alcoyle ayant 2 à 12 atomes de carbone, X est le chlore ou le brome et y est un nombre entier ou fractionnaire tel que O O yl, et les composés organoaluminiques de formule AL(RI 1)( 3 x)Xx dans laquelle R 11 est un groupement alcoyle ayant 2 à 12 atomes de carbone, X est le chlore ou le brome et x est un nombre entier ou fractionnaire tel que Ox\ 2, ladite réduction étant réalisée en présence ou non d'un éther-oxyde aliphatique de formule R 12-O-R 3 dans laquelle R 12 et R 13, identiques ou différents, sont choisis parmi les groupements alcoyles ayant 1 à 12 atomes de carbone, les quantités relatives molaires des divers composés (support de chlorure de magnésium et éventuellement de chlorure d'aluminium, composé du titane, organomagné- sien et/ou organozincique et/ou organoaluminique, éther- oxyde) mis en oeuvre étant telles que: support/composé du titane compris entre 1 et 50, de préférence compris entre 2,5 et 10; organomagnésien et/ou organozincique et/ou organo- aluminique / composé du titane compris entre 0,1 et 3, de préférence entre 0,5 et 1,5; éther-oxyde/ composé du titane compris entre 0 et 5, de préférence entre 0,1 et 1,5. La réaction de précipitation est effectuée dans des conditions connues, c'est-à-dire à une tem- pérature comprise entre 30 et 100 C, sous agita- tion, en présence d'un diluant,avec addition rapide ou lente des divers réactifs. Les catalyseurs obtenus se présentent sous la forme d'une poudre -de couleur brun-rouge, constituée de particules sphériques dont la répartition granulo- trique est étroite (cf la définition relative au support de chlorure de magnésium de départ), chaque particule de catalyseur étant à l'image de la parti- cule de support dont elle est issue. Commp cocatalyseur, composé organométallique d'un métal des groupes II et III de la classifica- tion périodique, on utilise de préférence un composé organoaluminique ou halogéno-organoaluminique. Les constituants du système catalytique doivent être mis en oeuvre en proportions telles que le rap- port atomique de la quantité de métal des groupes II et III du cocatalyseur à la quantité de métal de transi- tion des groupes IV, V et VI du catalyseur soit compris entre 1 et 50 et de préférence compris entre 2 et l O. Les systèmes catalytiques utilisés peuvent être mis en oeuvre en l'état ou après avoir subi une opération de prépolymérisation. Cette opération qui conduit à des particules dont les dimensions et formes sont sensiblement homo- thétiques de celles du catalyseur de départ, consiste à mettre en contact le catalyseur et le cocatalyseur avec de l'éthylène et éventuellement une alpha-olé- fine supérieure jusqu'à obtention de 20 à 200 g de polyéthylène ou de copolymère par milliatome-gramme de titane de catalyseur La prépolymérisation peut également être réalisée en deux stades (ou éventuel- lement,deux étapes distinctes) comme décrit ci-après. Le début de la réaction de prépolymérisation (ou la première étape de cette réaction lorsque l'on opère en deux étapes distinctes) est de préférence réalisée en suspension dans un milieu liquide inerte. ; Ce premier stadeo de prépolymérisation se pour- suit jusqu'à obtention de 0,1 à 5 g de polyéthylène 6 - (ou de copolymère) par milliatome-gramme de titane présent dans le catalyseur La prépolymérisation peut se dérouler ensuite soit en suspension dans un milieu liquide, soit à sec; en général, elle peut être pour- suivie tout en conservant au catalyseur une activité convenable jusqu'à obtention de 20 à 200 g de poly- éthylène (ou de copolymers) par milliatome-gramme de titane de catalyseur. La copolymérisation en lit fluidisé peut être réalisée selon les techniques courantes de polyméri- sation et de copolymérisation en lit fiuio:se toute- fois, le mélange gazeux assurant la fluidisation com- porte, outre les monomères, éthylène et hexène-l, à polymériser, un gaz inerte tel que l'azote, le mëthane ou l'éthane et éventuellement de l'hydrogène pour as- surer le réglage des poids moléculaires ces copoiy- mères obtenus. La copolymérisation doit être réalisée à une température comprise entre environ 70 OC et 90 C, sous une pression totale pouvant varier entre des li L mites généralement comprises entre 0,5 M Pa et 4 M Pa. Les pressions partielles la fluidisation doivent respecter les relations sui- vantes: 0,05 M Pa bas tel que le méthyl-4-pentène-1. Lorsque l'on opère selon le procédé tel que décrit ci-dessus et que l'on utilise en particulier le méthvl-4-pentène-1 comme hexène-l, on obtient des copolymères contenant environ de ' à 15 % en poids 2532649 'I -7- de motifs dérivés du méthyl-4-pentène-1 et ayant des densités comprises entre 0,910 et 0,940. Ces copolymères se présentent directement à l'is- sue de la copolymérisation en lit fluidisé sous la forme de poudres non collantes, faciles à manipuler, ayant une masse volumique apparente relativement éle- vée, comprise entre 0,935 et 0,945 g/cm Ces poudres ont une granulométrie moyenne ré- glable à volonté qui peut être comprise, par exemple, entre 300 et 1 000 microns, selon la granulométrie moyenne du catalyseur mis en oeuvre et selon les de- grés d'avancement de la prépolymérisation et de la co- polymérisation Elles sont constituées de particules dont les dimensions et la forme sont sensiblement ho- mothétiques de celles des particules de poudre de ca- talyseur et de support à base d Le chlorure de magnésium utilisées pour leur fabrication. Ces particules ont donc très sensiblement une forme sphérique, définie par le fait que, si D et d sont respectivement le plus grand et le plus petit diamètre de ces particules, % plus de 90 % des particules de ce lot ont des dia- mètres moyens compris dans la fourchette Df i 10 %. Ces copolymères d'éthylène et de méthyl-4- pentène-l se caractérisent également par un taux d'in- saturation très faible, inférieur à 0,2 double liaison éthylénique par 1 000 atomes de carbone, ce qui leur confère une excellente stabilité. Par analyse calorimétrique différentielle à balayage après recuit à 200 OC et refroidissement à la vitesse de 16 OC par minute, ces copolymères pré- sentent un point de fusion unique à une température comprise entre 116 et 128 OC, le diagramme de fusion présentant de façon caractérist iu un se _ cette température, ce qui correspond à;, ane:- tion particulière des dimensions des cristali:es. La structure des copolymères se caracterise en outre par un très faible taux de Drancnee-=:s longs (g*), ce que se traduit par une valeur: /( 1) Y 0,90, () étant la viscosité intrinsèque m';n c 0- polymère donné et ( 17) étant la viscosité intrinsèaue '_m polyéthylène linéaire ayant la même masse moléculaire oyen ne en poids que ledit polymère. Ces copolymères dont l'indice de fluidité sous 2,16 kg et à 190- C selon norme ASTM D I 238 peut varier entre 0,1 et 30 g par 10 minutes, trouvent des appli- cations particulièrement intéressantes dans la fabri- cation de films de haute résistance mécanique. Les exemples non limitatifs suivants illustrent l'invention. EXEMPLE 1 a) Fabrication du catalyseur Préparation du support Dans un réacteur de 5 litres en acier inoxy- dable, agité à 750 tours par minute et contenant 800 ml de n-hexane, on introduit à la température am- biante ( 20 C) et sous couverture d'azote: 1 725 mi d'une solution de butyloctylmagnésium dans l'heptane contenant i 500 milliatome-grammes de magnésium et 61 ml ( 300 millimoles) d'éther-diisoamylique 'DIA). Le réacteur est alors chauffé à 50 C et on y verse goutte à goutte, en 3 heures, 313 ml de chlorure de tertiobutyle (soit 2 850 millimoles) A la fin de cette addition, on maintient la suspension à 50 DC pendant 3 heures et, ensuite, on lave cinq fois le précipité (A) obtenu avec du n- hexane Le produit A) lavé constitue le support; sa composition chimique est la suivante par atome-gramme de magnésium: 9 - 1,97 atome-gramme de chlore; 0,03 équivalent-gramme de liaison Mg 2 C 0,02 mole d'éther-diisoamylique. A l'examen microscopique on a pu déterminer que la poudre avait une granulométrie moyenne de 33 microns, plus de 90 o en poids des particules ayant des dia- mètres moyens compris entre 30 et 36 microns Sa den- sité est égale à 1,9 et sa surface spécifique a 38 m 2/g. Précipitation d'un composé du titane sur le support: Dans 3 000 ml de suspension dans le n-hexane du produit (A) lavé obtenu ci-dessus, contenant 1 450 millimoles de Mg C 12, on ajoute sous agitation 82 ml d'éther-diisoamylique et 400 ml d'une solution 1,2 mo- laire dans le n-hexane (soit 480 millimoles) de chlo- rure de diéthylaluminium Le réacteur est porté à 50 C et on y verse goutte à goutte en 2 heures, 650 ml d'une solution 0,6 molaire dans le n-hexane (soit 390 milli- moles) de dichlorure de di-n-propoxytitane A la fin de cette addition; on porte la température à 80 OC et * 20 on la maintient à cette valeur pendant 2 heures Le solide catalytique brut est ensuite lavé cinq fois avec du n-hexane pour donner le solide catalytique prêt à l'emploi L'analyse du catalyseur montre qu'il con- tient par atome-gramme de titane total: 0,06 atome-gramme de titane tétravalent 0, 94 atome-gramme de titane trivalent; 3,85 atome-grammes de magnésium; 9,87 atome-grammes de chlore; 0,20 atome-gramme d'aluminium et 0,11 molécule-gramme d'éther-diisoamylique (DIA). C'est une poudre de-couleur brunej composée de parti- cules de forme sensiblement sphérique, de granulomé- trie moyenne égale à 35 microns et de répartition gra- nulométrigue étroite à l'image du support utilisé. b)-P Préparation du prépolymère - - Dans un réacteur de 5 litres en acier inoxy- dable,muni d'un s-ystème d'agitation,on introduit sous azote 2 litres de n-heptane que l'on chauffe à 70 5 C. On introduit ensuite 48 ml d'une solution à 1 mole par litre de tri-n-octylaluminium et une quantité du solide catalytique préparé en a) ci-dessus contenant 12 milliatome-grammes de titane. On introduit alors dans le réacteur de l'hydrogène correspondant à une pression partielle égale à 0,08 M Pa, puis de l'éthylène suivant un débit de 160 g/h pen- dant 3 heures. Le prépolymère obtenu est alors isolé par évaporation du solvant jusqu'à séchage complet Il contient 0,025 milliatome-gramme de titane par gramme. c) Copolymérisation en lit fluidisé Dans un réacteur à lit fluidisé en acier ino- xydable de diamètre 15 cm on introduit 3 200 g d'une poudre de polyéthylène à titre de charge La fluidi- sation est assurée par un mélange gazeux contenant en pourcentages molaires: 5 d'hydrogène, 8 l de méthyl-4-pentène-1, 22 % d'éthylène, % d'azote. La température est maintenue à 80 C, la pression to- tale à 1 M Pa; la vitesse de fluidisation est de 40 cm par seconde. On injecte toutes les 10 minutes dans le lit fluidisé 2,2 g de prépolymère préparé en b) ci-dessus. En soutirant du réacteur 640 g de poudre par heure, le niveau du lit fluidisé reste constant Après 10 heures de fonctionnement, la poudre de charge est pratiquement totalement éliminée et on obtient une poudre de copoly- mère de caractéristiques suivantes: Grains sensiblement sphériquesde diamètre moyen 510 microns il - Répartition granulométrique étroite. Masse volumique apparente de la poudre: 0,40 g/cm 3 Densité du copolymère: 0,920. Indice de fluidité mesuré à 190 C sous charge de 2,16 kg suivant norme ASTM D 1238: 1 g/10 minutes. Teneur en motifs dérivés du méthyl-4-pentène1: 9 'O en poids. Teneur en titane: 25 ppm. 12 - REVENDICATIONS 1/ Procédé de préparation de copolymères d'éthylène et d'hexène-l ayant une densité comprise entre 0,910 et 0,940, caractérisé en ce qu'il co Tmporte une copo- lymérisation d'éthylène et d'hexène-l à l'état gazeux en mélange avec un gaz inerte tel que l'azote, le mé- thane ou l'éthane et avec éventuellement de l'hydro- gène, le mélange gazeux circulant de bas en haut à travers un lit fluidisé du copolymère en cours de for- mation, la copolymérisation étant effectuée à tempéra- ture comprise entre 70 et 90 OC, en présence d'un sys- tème catalytique comprenant d'une part un cocatalyseur constitué par au moins un composé organométallique d'un métal des groupes II et III de la classification périodique des éléments et d'autre part un catalyseur comportant un support à base de chlorure de magnésium et éventuellement de chlorure d'aluminium de forme sensiblement sphérique, ayant une granulométrie moyenne comprise entre 10 et 100 microns et présentant une ré- partition granulométrique étroite, ayant une surface lisse, une densité de 1,6 à 2,2 et contenant de faibles proportions de composés à liaisons Mg-C et éventuelle- ment de composés à liaisons Al-C, support sur lequel a été réalisée la précipitation d'un dérivé d'un métal de transition des groupes IV, V,VI de la classifica- tion périodique connu pour ses propriétés catalytiques vis-à-vis de la polymérisation et de la copolymérisa- tion des oléfines, le rapport atomique de la quantité de métal des groupes II et III du cocatalyseur à la quantité de métal de transition des groupes IV, Y, VI du catalyseur étant compris entre 1 et 50, les pres- sions partielles (pp) des divers constituants du mé- lange gazeux étant telles que 0,05 M Pa de métal de transition est un dérivé du titane. 4/ Procédé selon 3/ dans lequel la précipitation du composé du titane sur le support a été réalisée par ré- duction d'un dérivé du titane à sa valence maximum de formule Ti(OR 7)4 _n Xn dans laquelle R 7 est un groupement alcoyle contenant 2 à 6 atomes de carbone, X est un atome de chlore ou de brome et n-est un nombre entier ou fractionnaire tel que 1 rivé choisi pami les organomagnésiens de formule R 8 Mg R 9 dans laquelle R 8 et R 9 sont des groupements al- coyles contenant de 2 à 12 atomes de carbone, les orga- nozinciques de formule Zn R 10 ( 2 y)Xy dans laquelle Rlo est un groupement alcoyle ayant 2 à 12 atomes de car- bone, X est le chlore ou le brome et y un nombre en- tier ou fractionnaire tel que O y sés organoaluminiques de formule Al(Rll)( 3 x)Xx dans laquelle Rll est un groupement alcoyle ayant 2 à 12 atomes de carbone, X est le chlore ou le brome et x est un nombre entier ou fractionnaire tel que O i x 2, ladite réduction étant réalisée en présence ou non d'un éther-oxyde aliphatique de formule R 12-O-R 13 dans laquelle R 12 et R 13 identiques ou différents, sont choisis parmi les-groupements alcoyles ayant 1 à 12 atomes de carbone, les quantités relatives molaires des divers compo- sés (support de chlorure de magnésium et éventuelle- ment de chlorure d'aluminium,composé du titane, orga- nomagnésien et/ou organozincique et/ou organoalumi- nique, éther-oxyde) étant telles que: Support/composé du titane compris entre 1 et 50, 14 - de préférence compris entre 2,5 et 10; Organomagnésien et (ou) organozincique et (ou) orga- noaluminique / composé du titane compris entre 0,1 et 3, de préférence entre 0,5 et 1,5; Ether-oxyde / composé du titane compris entre O et 5, de préférence entre 0,1 et 1,5. / Copolymère nouveau pouvant être obtenu par le procé- dé selon la revendication 1/ dans lequel l'hexène-l est du méthyl-4-pentène-1, caractérisé en ce qu'il a: O 10 a) une teneur en motifs dérivés du méthyl4-pentène-1 comprise entre 4 et 15 % en poids, b) une densité comprise entre 0,910 et 0,940, c) une masse volumique apparente comprise entre 0, 35 et 0,45 g/cm 3, d) un taux d'insaturation inférieur à 0,2 pour 1 000 atomes de carbone, e) un point de fusion unique, compris entre 116 C et 128 C, déterminé par analyse calorimétrique diffé- rentielle à balayage après recuit à 200 C et refroi- dissement à la vitesse de 16 OC par minute, f) une structure à faible taux de branchements longs, telle que g* > 0,9, g* = Eétant la viscosité intrinsèque du copolymère et étant la viscosité intrinsèque d'un polyéthylène linéaire ayant la même masse moléculaire moyenne en poids que ledit copoly- mère.