Brevet FR2596398A1 — publié le 19871002

PROCEDE DE POLYMERISATION DE L'ETHYLENE PERMETTANT D'OBTENIR UN POLYMERE DE DISTRIBUTION LARGE DE MASSES MOLECULAIRES La présente invention concerne un procédé de polymérisation de l'éthylène permettant d'obtenir un polymère de distribution large de masses moléculaires. Le résultat est obtenu grace à la combinaison dans le procédé de polymérisation du catalyseur préparé selon un mode particulier et du cocatalyseur qui est alkylaluminium dont le nombre 0 de carbone du radical alkyle est supérieur ou égal à 6. Le catalyseur à base de titane, de magnésium et de chlore, en absence de tout donneur d'électrons est préparé par prébroyage de MgCl2 suivi d'un cobroyage de ce MgCl2 avec TiCl4. Il est entendu que par polymérisation de l'éthylène on entend non seulement l'homopolymérisation de 15 l'éthylène, mais encore la copolymérisation de l'éthylène avec une alpha oléfine, telle que propylène, butène-1 ou encore hexène-1. Les polymères de distribution large de masses moléculaires, utilisés industriellement en particulier dans les techniques d'extrusion soufflage, se distinguent par leur polydispersité et leur 20 indice de fluidité des polymères de distibution étroite de masses moléculaires, utilisés industriellement en particulier pour l'injection. Les polymères de distribution de masses moléculaires étroites possèdent en moyenne une polydispersité de 4 à 6 environ, la 25 polydispersité étant le rapport de la masse moléculaire en poids sur la masse moléculaire en nombre. Ces polymères à forte fluidité possèdent un rapport d'indice de fluidité MFR de l'ordre de 2,8 à 3,3; ce MFR étant le rapport MI5/MI2 de l'indice de fluidité sous 5 kg sur l'indice de fluidité sous 2,16 kg selon la norme ASTM D 1238. Ces 30 produits sont obtenus en monoréacteur par polymérisation de l'éthylène en suspension, en solution ou en phase gazeuse en présence d'un catalyseur spécifique du type Ziegler contenant du Ti, Mg, Cl et éventuellement un donneur d'électrons. Les produits obtenus de distribution étroite possèdent une élasticité limitée ce qui évite le 35 phénomène néfaste de retrait à l'injection. De tels produits, du fait de leur manque d'élasticité sont inadaptés aux techniques demandant une résistance mécanique importante à l'état fondu, comme par exemple dans le cas de l'extrusion souf- I flage. Lorsque ces propriétés sont recherchées, on utilise des polymères de distribution large de masses moléculaires possédant en moyenne une polydispersité supérieure à 13 et un rapport d'indice de fluidité MFR supérieur à 16 pour un indice de fluidité MI5 de l'ordre de 1 à 1,5, le MFR étant le rapport MI21/MT5 de l'indice de fluidité sous 2,16 kg sur l'indice de fluidité sous 5 kg selon la norme ASTM D 1238. La fabrication industrielle de ces produits en monoréacteur présente de grandes difficultés en présence de catalyseur de type!0 Ziegler. Selon "Adv. in Polymer Science" 51 pp. 101 à 153 (1983) "Control of Molecular - Weight Distribution in Polyolefins Synthesized with Ziegler Natta Catalyst Systems" de U. Zucchini et G. Cecchin, document qui reflète par ailleurs l'art antérieur sur la question, le 15 meilleur moyen pour obtenir un polymère de distribution large de masses moléculaires en présence d'un catalyseur du type Ziegler est d'effectuer la polymérisation en plusieurs étapes ou en "cascade" à partir de deux réacteurs successifs au moins. Toutefois même dans ces meilleures conditions il n'est pas facile de fabriquer un polyéthylène 20 de MFR supérieur à 16, une condition nécessaire étant de partir de catalyseurs donnant des distributions larges en monoréacteur. En outre ce procédé présente l'inconvénient de nécessiter au moins deux réacteurs ce qui entraîne une perte de productivité par rapport à l'importance de l'installation et un contrôle délicat du fait de l'acti25 vité de plusieurs réacteurs au lieu d'un seul. Toujours selon ce document, pour remédier aux inconvénients cités, des procédés en monoréacteur ont été envisagés. Un des procédés connus consiste à utiliser un catalyseur au chrome. La réaction d'un tel catalyseur nécessite un contr8le très sévère comparativement à la 30 réaction en présence d'un catalyseur au titane. En outre cette technique nécessite une haute pureté des réactifs mis en oeuvre. Un autre procédé consiste à utiliser un catalyseur représenté par deux formules catalytiques ou constitué d'une seule formule catalytique mais contenant au moins deux métaux de transition déposés sur le même support. 35 Le but de ce dernier procédé est d'obtenir du système catalytique les deux objectifs opposés suivants: d'une part présenter une sensibilité à l'hydrogène, agent de transfert, en même temps qu'une résistance à la réduction dans une première étape de polymérisation et d'autre part présenter une activité résiduelle élevée dans une seconde étape. Un inconvénient de ces systèmes catalytiques est de conduire parfois non pas à un seul polymère de distribution large de masses moléculaires, mais à un mélange de particules de répartitions très différentes 5 provenant en quelque sorte de deux types de polymérisation; cette hétérogénéité du mélange peut entraîner des imperfections sur le matériau final transformé à partir de ces produits de polymérisation. En fait les éléments actifs de ces systèmes catalytiques ne réagissent pas en synergie, mais chacun séparément selon ses propres caractéris0o tiques. Le système catalytique selon l'invention permet de remédier à l'ensemble des inconvénients cités. Il permet d'une part, par une mise en oeuvre convenable de la polymérisation en cascade à 2 réacteurs, d'obtenir de façon inattendue un polymère de distribution 15 de masses moléculaires très large, c'est-à-dire dont la polydispersité mesurée par GPC à chaud et correspondant au rapport de la moyenne en poids sur la moyenne en nombre des masses moléculaires des chaînes de polymère: Mw est supérieure à environ 22 et d'autre part d'obtenir Mn par polymérisation en monoréacteur un polymère de distribution large de masses moléculaires, c'est-à-dire dont le MFR MI21/MI5 est supérieur à 16. L'objet de l'invention consiste à combiner deux moyens dans la polymérisation de l'éthylène à savoir: - un catalyseur préparé dans des conditions particulières et - un cocatalyseur choisi dans une sélection d'alkylaluminiums. Le procédé selon l'invention consiste à polymériser l'éthylène en présence d'un catalyseur à base de MgCl2 et de TiCi4 et d'un 30 alkylaluminum comme cocatalyseur caractérisé en ce que le catalyseur est préparé par cobroyage du TiC14 et du MgCl2, ce dernier ayant déjà été préalablement broyé seul et en ce que le cocatalyseur est choisi parmi les alkylaluminiums dont le nombre de carbone d'au moins un des radicaux alkyle est supérieur ou égal à 6. Préalablement au cobroyage du TiCl4 et du MgCl2, il est nécessaire d'amener le MgCl2 à une surface spécifique suffisante de l'ordre de 30m2/g au moins. De façon industrielle, un bon moyen d'obtenir des MgC12 de grande surface spécifique est de procéder à un broyage, par tout moyen efficace connu, de MgC12 commercial anhydre avec une teneur en eau inférieure à 1% en poids. Une fois amené à la valeur de surface spécifique voulue, le MgC12 est imprégné de TiC14. Cette imprégnation s'effectue à sec par cobroyage du MgC12 et du TiC14. Ce cobroyage doit âtre suffisamment efficace pour que le phénomène de colmatage observé couramment au O cobroyage d'un solide et d'un liquide soit évité. Cela nécessite une surface spécifique élevée du solide avant l'étape de cobroyage et un rapport masse liquide / masse solide petit, la durée dépendant de l'appareil utilisé pour le cobroyage. Les méthodes d'imprégnation du TiC14 sur le MgCl2 sont 1$ nombreuses, les plus classiques étant la simple imprégnation en dispersion, ou encore le cobroyage unique du MgC12 et du TiCl4. Toutefois, les performances obtenues avec ces pocédés ne permettent pas de parvenir dans la gamme des produits à distribution large. La modification apportée dans l'invention à la technique d'imprégnation aboutit à un effet surprenant et inexpliqué en ce que le système catalytique qui en découle, permet une amélioration très nette de l'élargissement de la masse moléculaire du polymère résultant de la polymérisation de l'éthylène sans que ce gain se fasse au détriment de la productivité. En outre afin d'obtenir les résultats indiqués, il est fortement recommandé de respecter dans le catalyseur les proportions de titane et de magnésium. Il est en effet important, pour obtenir un élargissement sensible de la masse moléculaire qu'un rapport en poids MgC12 compris entre 6 et 60 soit respecté. TiCl4 TC4 Ce rapport est obtenu directement lors du cobroyage en ajoutant au MgC12, de surface spécifique convenable, la quantité adaptée de TiC14. Cependant la technique d'imprégnation de MgC12 selon l'invention est nécessaire, mais insuffisante pour obtenir le résultat 35 escompté. Il faut encore que le catalyseur préparé à base de MgC12 et de TiC14 soit accompagné dans la polymérisation de l'éthylène d'un 4alkylaluminumcomme cocatalyseur. alkylaluminium-comme cocatalyseur. Habituellement dans la polymérisation de l'éthylène tous les alkylaluminiums sont recommandés, les plus utilisés étant le triéthylaluminium (TEA) et le triisobutylaluminium. Il est constaté 5 que dans le cas précis o un polymère de distribution large de masses moléculaires doit être obtenu par polymérisation de l'éthylène en présence d'un catalyseur préparé par cobroyage de TiCl4 et de MgCl2, ce dernier ayant déjà été amené préalablement à une surface spécifique convenable, par exemple par broyage, le cocatalyseur doit être choisi 10 parmi les alkylaluminiums dont au moins un des radicaux alkyle, linéaire ou ramifié, possède au moins six atomes de carbone. Les alkylaluminiums commerciaux particulièrement recommandés sont le trihexylaluminium (THA), le trioctylaluminium (TOA) et l'isoprénylaluminium (IPRA). Le système catalytique selon l'invention, bien qu'utilisé de préférence dans la polymérisation de l'éthylène en monoréacteur, peut être utilisé dans le procédé de polymérisation en cascade dans des conditions particulières dans le but d'obtenir un polymère de distribution de masses moléculaires particulièrement large. La polymérisation de l'éthylène en monoréacteur en présence du système catalytique de l'invention s'effectue selon les conditions connues des procédés classiques en suspension, en solution ou en phase gazeuse. La polymérisation en monoréacteur permet d'obtenir des produits de polydispersité, mesurée par le MFR MI21/MI5 comprise entre 21 5 16 et 20. De tels produits sont particulièrement retenus pour la technique d'extrusion soufflage. Pour obtenir des produits de polydispersité nettement plus élevée, mesurée par GPC et supérieure à 22, il est recommandé de recourir à un procédé de polymérisation en deux étapes. Parmi les 30 techniques envisageables la plus classique consiste à faire dans un premier réacteur une fraction de polymère de très basses masses moléculaires complétée dans un second réacteur par une fraction de très hautes masses moléculaires en jouant sur les conditions respectives: température, pres:; ion d'hydrogène, pression totale, 35 durée des deux reactioas. Cette méthode permet d'assurer une très grande productivité mais elle ne donne pas une distribution de masses moléculaires significativement plus large qu'en une seule étape. Par contre, la disposition inverse, appelée cascade inverse, des deux réacteurs ou des deux étapes de réaction, consistant i produire en premier les très hautes masses et en second les basses masses moléculaires permet d'exploiter le potentiel de ce système catalytique et d'élargir d'une façon remarquable les distributions de masses moléculaires. Un équilibre judicieux des productivités permet d'ajuster le grade et la largeur du polymère final. Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois la limiter. EXEMPLE I Préparation du catalyseur Dans deux broyeurs à bols et à billes d'acier les composants J5 catalytiques sont introduits, broyés et prélevés sous atmosphère inerte. Les caractéristiques des deux broyeurs sont No 1 No 2 Volume du bol 80 ml 350 ml Masse de billes d'acier 55 g 180 g Le système d'agitation du système est du type DANGOUMAU à oscillation verticale avec une course de 6cm, une fréquence 7Hz et une 25 accélération de 6g environ 60m/sec2 Les conditions de broyage sont données dans le tableau I. Polymérisation de l'éthylène en monoréacteur Dans un réacteur de 1,51. en acier muni d'une agitation par 30 pale tournant à 660 tours/minutes, on introduit dans l'ordre à température ambiante sous atmosphère inerte 0,41. d'heptane, le cocatalyseur et le catalyseur en quantités données dans le tableau 1. On ajoute de l'hydrogène jusqu'à une pression partielle de 3 bars et- on complète avec de l'éthylène en ajustant la pression pour 35 atteindre 8 bars absolus de pression totale après chauffage à 80 C. Cette pression totale est maintenue constante pendant environ 1 heure par addition d'éthylène. La polymérisation achevée, on arrête l'injection d'éthylène, on refroidit à température ambiante. Le catalyseur est désactivé par addition d'une solution de méthanol légèrement acidifiée par de 5 l'acide chlorhydrique (10 %). La suspension de polymère est filtrée puis séchée. EXaMPLE 2 A partir du catalyseur de l'essai 1 de l'Exemple 1, on effectue deux polymérisations en cascade inverse et à titre comparatif 10 (essai 13) en cascade droite. La première étape de la réaction est effectuée comme dans l'exemple 1 avec les variantes de pression d'hydrogène, de température et de durée indiquées dans le tableau II. A la fin de cette étape, le réacteur est refroidi très 15 rapidement à température ambiante, la composition de la phase gazeuse est alors modifiée par addition ou dilution selon les cas pour réaliser les conditions indiquées dans le tableau II. L'essai est alors poursuivi comme dans l'exemple 1 dans les conditions indiquées dans le tableau II pour la température, la 20 pression totale est la durée de cette étape. Les conditions de polymérisation et les résultats obtenus sont donnés dans le tableau II. t: zI 4,! TABLEAU I Essais N- bol MgC12 Temps Surface TiC14 Temps de Caracté- Catalyseur Titane Coca- Cocata- Producti- MI M de de apéci- co- ristique mis en an % lyseur lyseur vité n 21 5 broyage en g broyage fique en ml broyage du cata oeuvre poids mis en PE/g poids mis en S PE/g m2/g an Surface an mg du oeuvre cata/h support h et min apicifique cata en M/1 m/g I 2 30 6 31 1,5 9 42 59 1,8 THA 3.10-3 1800 19,7 1,55 2 2 30 6 31 1,5 9 42 45 1,8 IPRA 3.10-3 1300 a) 16,1 0,8 3 2 30 6 31 1,5 9 42 42 1,8 TOA 5.10-3 1400 19,9 0,5 4 2 30 6 31 1,5 9 42 30 1,8 TEA 5.10-3 1500 10,6 2,5 comparatif 1 7 4,45 40 2,0 17 7 2 43 6 30 1,5 6 33,6 48 1,4 TIIA 3.10-3 1800 14,3 2 compa-t ratif 8 I 7,1 O 0 0,4 6 14 37 2 TIA 3.10-3 300 10,2 2,3 comparatif 9 1 7,1 O O 0,4 12 19 50 2 THA 3.10'3 300 10,4 4,1 comparatif 2 10 12 50 40 O 48 14 0,5 THA 3.10-3 2000 14,9 1,1 comparatif il ? 10 12 50 40 O 48 50 0,5 TEA 3.10-3 2500 9 4,5 comparatif a) Durée b) Durée c) Durée de polymérisation: 1 h 30 de polymérisation: 2 h 30 de polymérisation: 3 h TUA - Trihexylalumintum TOA Trioctylalumintum TFA - Triéthylaluminium IPRA - Isoprénylalumintum ro \0 CN 00 Co TABLEAU II Essais Cataly- Cocata- Mol/i lare étape 2ème étape Productivité seur lyseur de Pression Tempé- Pression Durne Pression Tempé- Pression Durée totale en g en mg Cocata- hydrogène rature totale en hydrogAne rature totale totale polymère par lyseur en bars C an bars heures en bars C en bars en g de catalyheures seur 12 54.THiA 3.10'3 2,0 80 8 0,4 5 85 9 1.5 2700 13 23 THA 3.10-3 2,5 80 8 0,8 5,5 85 9 4,0 3900 comparatif 31 THA 3.103 4,5 85 8 2,5 1,5 80 8 3,0 4800 o Ln 0% \0 Co TABLEAU II (suite) Essai Mw/Mn Masse en mI5 poids Mw 12 23,7 250.000 5,4 13 24,8 320.000 i,4 omaaf '15,4 210.000 1,9 comparatif i 1 1 1 REVENDICATIONS 1. Procédé de polymérisation de l'éthylène permettant 5 d'obtenir un polymère de distribution large de masses moléculaires, en présence d'un catalyseur à base de TiC14 et de MgCl2 et d'un alkylaluminium comme cocatalyseur caractérisé en ce qu'on polymérise en présence d'un catalyseur préparé par cobroyage de TiC14 et de MgCl2 préalablement amené à une surface spécifique supérieure à 30m2/g, le 10 rapport de MgCl2 en poids étant compris entre 6 et 60, le cocatalyTiCl4 20 seur étant choisi parmi les alkylaluminiums dont au moins un des radicaux alkyle possède au moins six atomes de carbone. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le MgCl2 est broyé seul préalablement au cobroyage avec le TiCl4 3. Procédé selon l'une des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que la polymérisation s'effectue en monoréacteur. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que la polymérisation est effectuée en cascade inverse de façon à obtenir un polymère dont la polydispersité est supérieure à 22.