КАТАЛИЗАТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА
CATALYST FOR OBTAINING ULTRA-HIGH-MOLECULAR-WEIGHT POLYETHYLENE

Изобретение относится к катализатору для получения сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) методом суспензионной полимеризации этилена в углеводородном растворителе при повышенных температурах (>80°С) с использованием нанесенного катализатора циглеровского типа, содержащего в своем составе соединение переходного металла на магнийсодержащем носителе.
6
Для получения СВМПЭ суспензионным методом могут быть использованы нанесенные катализаторы циглеровского типа, содержащие в своем составе хлориды титана и хлориды магния, получаемые различными способами. В этом случае для получения ПЭ с молекулярной массой более 1·10 г/моль (характеристическая вязкость, определенная в декалине при 135°C более 10 дл/г) полимеризацию этилена проводят в присутствии сокатализатора - триалкила алюминия при температурах полимеризации ≤70°C.
Важным требованием, предъявляемым к катализатору для синтеза СВМПЭ, является возможность получения порошка СВМПЭ со средним размером частиц менее 200 мкм, узким распределением частиц по размеру и повышенной насыпной плотностью с высоким выходом. Для этого необходимо использовать нанесенные катализаторы, имеющие средний размер частиц менее 10 мкм, узкое распределение частиц по размеру и низкую пористость.
2
2
2
2
x
4-x
Известен способ приготовления нанесенного титаномагниевого катализатора [Пат. РФ 2257263, B01J 37/00, 31/38, C08F 10/00, 27.07.2005], в котором магнийсодержащий носитель получают взаимодействием раствора магнийорганического соединения (МОС) состава MgPh·nMgCl·mRO, где Ph = фенил, RO = простой эфир с R = бутил или i-амил, n=0.37-0.7, m=1-2, - с алкихлорсиланом RSiCl, где R = алкил, фенил, x=1, 2.
Для получения СВМПЭ с использованием этого катализатора требуются температуры менее 70°C и активность этого катализатора при температурах полимеризации ≤60°C недостаточно высока.
6
5
2
2
2
2
k
4-k
4
x
4-x
4
1
1
Известен способ приготовления нанесенного титаномагниевого катализатора, содержащего тетрахлорид титана на магнийсодержащем носителе, который получают взаимодействием раствора магнийорганического соединения состава: Mg(CH)n·MgCl·mRO, где n=0.37-0.7, m=2, RO - простой эфир с R=i-Am, n-Bu, с соединением кремния, в качестве соединения кремния используют продукт, полученный взаимодействием соединения состава R SiCl с тетраэтоксидом кремния Si(OEt); k=0, 1, при мольном соотношении R SiCl/Si(OEt)=2-4 при температуре 15-45°C и при соотношении Si/Mg=1-2.5.
3
Предлагаемый способ обеспечивает получение полиэтилена с высокой активностью (100-1000 кг ПЭ/г Ti ч) и с высоким насыпным весом 0.35-0.45 г/см и улучшенной морфологией.
2
2
2
2
Ближайшим решением поставленной в настоящей заявке задачи является способ получения катализатора, согласно которому нанесенный титаномагниевый катализатор, содержащий тетрахлорид титана на магнийсодержащем носителе, получают взаимодействием раствора магнийорганического соединения (МОС) состава MgPh·nMgCl·mRO, где Ph = фенил, RO = простой эфир с R = бутил или i-амил, n=0.37-0.7, m=1-2 с четыреххлористым углеродом с последующей обработкой полученного магнийсодержащего носителя тетрахлоридом титана. Этот метод позволяет получать катализатор с регулируемым размером частиц в области от 30 до 3 мкм [Пат. РФ 2064836, B01J 31/38, 37/00, 10.08.1996].
Основным недостатком всех перечисленных выше титаномагниевых катализаторов является то, что для получения ПЭ с молекулярной массой более 1 млн необходимо использование низких температур полимеризации 50-65°C, что снижает производительность процесса получения СВМПЭ.
6
Изобретение решает задачу разработки нового нанесенного катализатора для получения сверхвысокомолекулярного полиэтилена при повышенных температурах полимеризации (>80°C) с высоким выходом и с улучшенной морфологией методом суспензионной полимеризации этилена. Для этого катализатор должен сохранять высокую активность при этих температурах и обеспечивать получение СВМПЭ с Mw>5·10 г/моль.
Задача решается тем, что катализатор для получения сверхвысокомолекулярного полиэтилена - СВМПЭ при повышенных температурах полимеризации (≥80°C) в среде углеводородного разбавителя, например гептан, гексан, изопентан, содержащий соединение ванадия на магнийсодержащем носителе, включающем дихлорид магния в количестве не менее 80 мас.%, содержит трихлорид алюминия в количестве 2.5-10 мас.%.
Другими словами, СВМПЭ получают с использованием модифицированного трихлоридом алюминия нанесенного катализатора, содержащего в качестве активного компонента соединение ванадия на магнийсодержащем носителе.
6
5
2n
2
2
2
4
4
3
Для достижения высоких выходов и улучшенной морфологии полимера (высокая насыпная плотность, узкое распределение частиц по размеру (узкий SPAN) и оптимальный средний размер частиц полимера от 100 до 150 мкм) используют катализатор, содержащий соединение переходного металла на магнийсодержащем носителе, содержащем не менее 80 мас.% хлорида магния, который получают взаимодействием раствора магнийорганического соединения состава Mg(CH)·MgCl·mRO, где n=0.37-0.7, m=2, R0 - простой эфир с R=i-Am, n-Bu, с CCl, для активации катализатора, носитель модифицируют введением хлорида алюминия из расчета 0.5-2 мас.% алюминия (2.5-10 мас.% трихлорида алюминия), а в качестве соединения переходного металла используют соединения ванадия (VCl, VOCl) (1.5-3 мас.% ванадия).
4
Взаимодействие магнийорганического соединения с четыреххлористым углеродом проводят при мольном соотношении CCl/Mg=1-2 при температуре 5-10°C.
Получение сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) осуществляют в режиме суспензии с использованием ванадиймагниевого катализатора (ВМК) в сочетании с алюмоорганическим сокатализатором (ТЭА, ТИБА) при повышенных температурах полимеризации, предпочтительно 80-105°С, в среде углеводородного разбавителя, например гептан, гексан, изопентан, при давлении этилена ≥1 атм.
3
6
Предлагаемый ванадий-магниевый катализатор (ВМК), модифицированный трихлоридом алюминия (2.5-10%), обеспечивает получение полиэтилена с высоким выходом (>300 кг ПЭ/г V ч), улучшенной морфологией (насыпная плотность >0.35 г/см) и с высокой молекулярной массой (>5·10) при температурах полимеризации выше 80°C (80-105°C).
Основное преимущество нового ВМК для синтеза СВМПЭ заключается в возможности использования высоких температур полимеризации без дезактивации катализатора, что позволяет увеличить производительность реактора (возможность стабильно вести процесс полимеризации при большом поглощении этилена за счет более легкого отвода тепла из-за высокой разницы температуры между реактором и охлаждающей системой). Другим преимуществом является возможность упрощения технологической схемы процесса полимеризации за счет использования легкого разбавителя (например, изопентана, изобутана). Это позволит упростить стадию сушки полимера: испарение разбавителя непосредственно из реактора полимеризации без использования стадии центрифугирования суспензии полимера.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами:
Пример 1
(А) Приготовление раствора магнийорганического соединения
2
2
4
9
2
В стеклянный реактор объемом 1 л, оборудованный мешалкой и термостатирующим устройством, загружают 29.2 г порошкообразного магния (1.2 моль) в 450 мл хлорбензола (4.4 моль), 203 мл дибутилового эфира (1.2 моль) и активирующий агент, представляющий собой раствор 0.05 г йода в 3 мл хлористого бутила. Реакцию проводят в атмосфере инертного газа (азот, аргон) при температуре от 80 до 100°C в течение 10 ч. По окончании реакции полученную реакционную смесь отстаивают и отделяют жидкую фазу от осадка. Жидкая фаза представляет собой раствор в хлорбензоле магнийорганического соединения состава MgPh·0.49MgCl·2(CH)O с концентрацией 1.0 моль Mg/л.
(Б) Синтез носителя
4
4
200 мл полученного раствора (0.2 моль Mg) загружают в реактор с мешалкой и при температуре 10°C в течение 90 мин дозируют раствор, содержащий 34 мл CCl и 103 мл хлорбензола (CCl/Mg=1.5 (моль)). Затем нагревают реакционную смесь до 60°С в течение 30 мин и выдерживают при этой температуре 1 ч. Удаляют маточный раствор и промывают образовавшийся осадок гептаном 4 раза по 250 мл при температуре 20°C.
3
Полученный носитель обрабатывают раствором трихлорида алюминия в бензоле (0.82 г AlCl/200 мл раствора) в течение 2 ч при 60°C. Удаляют маточный раствор и промывают образовавшийся осадок гептаном 4 раза по 250 мл при температуре 20°C. Получают 33 г порошкообразного магнийсодержащего продукта в виде суспензии в гептане, содержащего 90% хлорида магния и 2.5% хлорида алюминия.
(В) Синтез катализатора
90
10
50
К суспензии носителя в 150 мл гептана при комнатной температуре добавляют 12.7 мл раствора тетрахлорида ванадия в четыреххлористом углероде с содержанием ванадия 0.034 г/мл. Полученную суспензию нагревают до 60°C и выдерживают при перемешивании в течение 1 ч, затем твердый осадок отстаивают и промывают гептаном при температуре 50°C 3 раза по 200 мл. Получают нанесенный катализатор с содержанием ванадия 2.0 мас.%, со средним размером частиц 5.4 мкм и с узким распределением частиц по размеру (SPAN=(D-D)/D=0.44).
3
Полимеризацию этилена проводят в стальном реакторе объемом 0.85 л, оборудованном мешалкой и термостатирующей рубашкой. В качестве растворителя для полимеризации используют гептан (250 мл) и сокатализатор - триизобутилалюминий (Al(Bu)) с концентрацией 4.8 ммоль/л. Полимеризацию проводят при температуре 80°C, давлении этилена 5 атм в течение 2 ч.
Результаты полимеризации приведены в таблице.
Пример 2
Катализатор получают в условиях примера 1. Полимеризацию этилена ведут в условиях примера 1, за исключением того, что температура полимеризации 85°C, а концентрация сокатализатора 2.4 ммоль/л.
Результаты полимеризации приведены в таблице.
Пример 3
3
3
Катализатор получают в условиях примера 1, за исключением того, что носитель обрабатывают раствором хлорида алюминия в бензоле, содержащем 1.63 г AlCl на 200 мл раствора. Полученный носитель содержит 4.7 мас.% хлорида алюминия и 87 мас.% хлорида магния. В качестве активного компонента вместо тетрахлорида ванадия используют оксихлорид ванадия с содержанием ванадия в катализаторе 2.7 мас.% Полимеризацию этилена ведут в условиях примера 1, за исключением того, что температура полимеризации 90°C, триэтилалюминий (AlEt) с концентрацией 1.2 ммоль/л.
Результаты полимеризации приведены в таблице.
Пример 4
3
Катализатор получают в условиях примера 3, за исключением того, что носитель обрабатывают 400 мл раствора хлорида алюминия в бензоле, содержащем 3.3 г AlCl. Полученный катализатор содержит 9.7 мас.% Al и 85 мас.% хлорида магния и 1.5 мас.% ванадия. Полимеризацию этилена ведут в условиях примера 4, за исключением того, что температура полимеризации 105°C.
Результаты полимеризации приведены в таблице.
Пример 5 (сравнительный)
Катализатор получают в условиях примера 1, за исключением того, что носитель не модифицируют хлоридом алюминия. Катализатор содержит 3 мас.% ванадия. Полимеризацию этилена ведут в условиях примера 3.
Результаты полимеризации приведены в таблице.
Из представленных выше примеров и таблицы видно, что только в случае использования для получения СВМПЭ ванадий-магниевого катализатора, модифицированного хлоридом алюминия, удается получить полимеры в широком диапазоне высоких молекулярных масс (от 6.5 до 19.3 млн) при повышенных температурах полимеризации (≥80°C) с высоким выходом (≥300 кг/г V). При использовании ВМК, не содержащего трихлорид алюминия, при температуре полимеризации 90°C получается СВМПЭ с низким выходом.
Таблица
Условия полимеризации: гексан, ∑Р=5 бар, время полимеризации 2 ч
№ пр.
V, мас.%
Al (AlCl<sub>3</sub>), мас.%
Т, °C
АОС
[АОС], ммоль/л
Выход, кг/г, кат
Выход, кг/г, V
НП, г/л
η, дл/г
Mv<sup>∗)</sup> 10<sup>-6</sup>
1
2.0 (VCl<sub>4</sub>)
0.5 (2.5)
80
ТИБА
4.8
9.9
495
370
51.9
19.3
2
2.0 (VCl<sub>4</sub>)
0.5 (2.5)
85
ТИБА
2.4
8.4
420
392
43.5
14.8
3
2.7 (VOCl<sub>3</sub>)
0.95 (4.7)
90
ТЭА
1.2
9.2
340
440
34.6
10.5
4
1.5 (VOCl<sub>3</sub>)
1.97 (9.7)
105
ТЭА
1.2
5.0
330
400
25.0
6.5
5<sup>∗)</sup>
3.0 (VCl<sub>4</sub>)
0
90
ТЭА
1.2
2.0
67
320
30.6
8.8
<sup>∗)</sup>Mv=η<sup>1.49·</sup>5.37<sup>·</sup>10<sup>4</sup>
<sup>∗∗)</sup>сравнительный пример, полимеризация этилена на ванадий-магниевом катализаторе, не содержащем трихлорид алюминия