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Composants da catalyseurs pour catalyseurs de polymérisation d'alpha-oléfines, et procédé pour les fabriquer.
L'invention concerne des composants de catalyseurs pour des catalyseurs de polymérisation d'alpha-olefines, qui se composent d'un composé organique d'aluminium, un donneur d'électrons et un composant de catalyseur solide obtenu par réaction d'un compose contenant du magnésium avec un composa halogéné du titane. L'invention concerne égalsment un procédé de fabrication de ces composants de catalyseurs, et un procédé de polymérisation d'alpha-olefines, an particulier du propylène. en utilisant ces composants de catalyseurs.
Pour polymériser des alpha-olefines, on connaît dans la technique des catalyseurs de grande activité, fabriques à partir d'un compose d'alkyl-aluminium, d'un donneur d'électrons et d'un composé halogéné du titane, sur une substance de support comprenant divers composés de magnesium.
Pour le composé de magnesium, on a usuellement utilise des composes de magnesium chlorés. qui peuvent être par exemple du chlorure de magnesium anhydre, seul ou avec d'autres composes du magnesium, ou un compose organique du magnésium qui a été préparé par halogénation de composés organiques du magnésium ä l'aide de composes contenant du chlore.
Dans des catalyseurs de polymérisation de ce type, las propriétés du composant de support solide ont une influence importante sur les propriétés du catalyseur final, par exemple son activite. Ces propriétés peuvent etre influencees en substance par le mode de fabrication du composant de support. l'invention concerne des composants de support qui ont été
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préparés ä partir de sulfate de magnesium ou de minéraux contenant du sulfate de magnesium. qui peuvent être des minéraux naturels ou synthétiques.
11 n'y a en soi rien de neuf dans l'utilisation de divers sels de magnesium comme support pour des chlorures de magnesium traités avec du titane halogene dans la preparation de composants de catalyseurs pour la polymérisation
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d'olefines. 11 s'est cependant avéré difficile da fabriquer, exclusivement ä partir de sulfate de magnesium, des catalyseurs de Ziegler-Natta actifs, en particulier ceux pour des procédés de poly,érisation du propylène, parce que dans ces procédés les catalyseurs sont fort sensibles ä l'humidité et ä l'eau de cristallisation contenue dans le support. Des quantités minimes d'eau de cristallisation réduisent déjà de maniere significative l'activité du catalyseur.
Le sulfate de magnésium, et les mineraux qui en contiennent, contiennent en general des quantités considérables d'eau de cristallisation, et ne conviennent donc pas pour un usage dans des catalyseurs da polymérisation du propylene.
L' invention concerne des composants de catalyseurs pour les catalyseurs de polymérisation d'alpha-olefines qui comprennent un compose d'aluminium organique. un donneur d'électrons externe et un composant de catalyseur solide obtenu par réaction d'un composant de support solide contenant du magnésium avec un composé halogene du titane, et qui sont exempts des defauts mentionnes, et conviennent donc pour être utilises dans la polymérisation du propylène.
Le composant de catalyseur de l'invention se caractérise
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en ce qu'il ast formé en faisant réagir un composant de support solide, préparé en (a) amenant du sulfate de magnesium, sous la forme d'une solution aqueuse, ou d'une suspension dans l'alcool, en contact avec une solution aqueuse ou alcoolique de chlorure de
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calcium ou da baryum, et en separant la partie non dissoute de la solution ou suspension ;
(b) évaporant selectivement la solution jusqu'à siccité. et en chauffant le residu obtenu ä 130 - 150oC. at an dissolvant ce
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residu dans l'alcool si l'eau a été utilisée comme solvant à l'etape (a);é (c) séchant la solution alcoolique du composant de magnésium a l'aide d'une distillation azeotropique périodique ; est
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(d) precipitant le composant de support solide hors de la solution alcoolique ;
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avec un compose halogéné du titane, en presence d'un donneur d'electrons interne ou sans donneur d'électrons.
L'invention concerne egalement un procédé de fabrication da composants de catalyseurs pour des catalyseurs de Polymerisation d'alpha-oléfines, qui comprennent un compose organique d'aluminium, un donneur d'älectrons externe et un composant de catalyseur solide contenant du magnésium, qui a été obtenu par réaction d'un composant de support solide contenant du magnésium avec un compose halogéné de titane.
Le
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procédé de l'invention se caracterise en ce qu'un composant de catalyseur solide, préparé en (a) amenant du sulfate de magnesium, sous la forme d'une solution aqueuse, ou d'une suspension dans l'alcool, en contact avec une solution aqueuse ou alcoolique de chlorure de calcium ou de baryum, et en séparant la partie non dissoute de la solution ou suspension ; (b) évaporant sélectivement la solution jusqu'a. siccité et en chauffant le résidu obtenu à 130 - 150 C, et en dissolvant ce residu dans l'alcool si l'eau a été utilisée comme solvant ä
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l'étampe (a) ;
(c) séchant la solution alcoolique du composant de magnésium ä l'aide d'une distillation azéotropique päriodique ; et (d) precipitant le composant de support solide hors de la solution alcoolique ; est amené à réagir avec un compose ! halogene du titans, en présence d'un donneur d'electrons interne ou sans donneur d'electrons.
La composant de catalyseur de l'invention et le composant da support utilises ici apportent divers avantages par rapport ä des composants de support contenant du magnésium, préparées
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par des techniques de synthese classiques. Comme matière de départ, on peut utiliser des sulfates de magnésium avec de l'eau de cristallisation ou sous une forme anhydre. La
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synthese est simple, en particulier lorsque l'on utilise des
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alcools comme solvants. Outre les sulfates da magnésium purs, les composants de catalyseurs de l'invention peuvent etre également préparés à partir d'une multitude de mineraux du magnesium contenant du sulfate, qui peuvent contenir 1 - 15 moles d'eau de cristallisation.
La premier étape de la préparation du composant de catalyseur da l'invention est la preparation de la solution ou da la suspension, ä partir du sulfate de magnésium ä utiliser comme matière de départ. Comme solvant, on peut utiliser de l'eau ou un alcool, comme la méthanol, ethanol ou la propanol. Lorsque l'on utilise un alcool. on obtient une suspension de sulfate da magnésium, tandis que l'on obtient une solution lorsque l'on utilise de l'eau. L'eau utilisée pour la dissolution doit ensuite être éliminée au cours d'une étape ultérieure. Le choix le plus approprie d'alcool est l'ethanol. La quantité de sulfate de magnésium dans la solution peut varier dans da larges limites. L'intervalle d'utilisation se situe entre 1 et 50% en poids du sulfate de magnésium.
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Selon l'enseignement de l'invention, la fnise en contact de la solution ou suspension de sulfate de magnesium avec le chlorure de calcium ou de baryum est de pröference effectuoa de sorte qu'une solution aqueuse ou alcoolique est préparée ä partir du chlorure de calcium ou de baryum sa concentration variant de 1% ä une solution saturee. La solution ou
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suspension de sulfate de magnésium est ensuite melange à une solution da chlorure de calcium ou de baryum, ce qui fait précipiter du chlorure de calcium ou de baryum. La solution de chlorure de calcium ou de baryum est avantageusement utilisée an proportion stoechiometrique par rapport au magnesium, bien que ce ne soit pas indispensable.
Le sulfate de calcium ou de baryum précipité peut aisément être sépare de la solution par centrifugation ou Sedimentation, Lorsqu'un alcool est utilise comme solvant, la
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solution claire contenant le composant de magnesium conduit directement ä la phase dans laquelle l'eau de cristallisation est é1iminée. Si l'eau est utilisee comme solvant, la solution claire contenant le composant de magnésium est évaporée jusqu'ä siccité et légèrement chauffee ä 110 - 1300C pour éliminer l'eau supplémentaire et réduire la quantite d'eau da cristallisation.
Le temps de chauffage peut varier da 0, 5 ä 2 heures, aprds quoi 16 résidu est dissous dans l'alcool, da préf@rence l'äthanol, et est conduit au stade d'élimination de l'eau da cristallisation.
Selon l'enseignement de l'invention, l'eau de cristallisation est éliminée par distillation. ä l'aide d'une distillation azéotropique périodique. Pendant cette distillation, un melange azéotropique d'alcool et d'eau s'échappa da la solution, ce qui fait qu'une nouvelle eau de cristallisation est transférée dans la solution alcoolique. En
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ajoutant de l'alcool anhydre frais a la solution et an repentant la distillation, on atteint une elimination complete de l'eau de cristallisation du composant de magnesium.
Le nombre de distillations azéotropiques requises dépend de la quantité d'eau présente dans la solution et de l'utilisation envisagée du catalyseur. Si le catalyseur est destiné à être utilisé dans la polymérisation d'éthylène, il faut moins de distillations, par exemple 1 ä 5. Lorsque l'on fabrique un composant de support pour la polymérisation du propylene, il faut un support presque anhydre, et l'experience enseigne que ceci est atteint si le nombre de distillations
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est de 9 à 15, avantageusement 10 ä 12. La teneur en eau du composant de support peut alors être abaissée suffisamment pour des catalyseurs de polymérisation de propylene.
Apres elimination da l'eau de cristallisation. une précipitation du composant de support de magnesium est effectuée en transférant la solution dans l'ethanol séchée dans un solvant froid, ce qui fait précipiter 1a eomposant de magnesium. Des solvants convenables sont des hydrocarbures
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organiques courants utilises comme solvants. L'heptane est un solvant tres approprie pour la raison que son point d'ébullition est suffisamment eleve pour que, au cours du stade de reaction avec le titane qui doit entre affecté ultérieurement, le titane ait le temps da réagir, et est suffisamment bas pour éviter la fusion du composant de support au cours de la réaction avec le titane.
Lorsque la solution dans l'éthanol contenant le composant de magnesium est ajoutée dans l'heptane froid, le composant de support est précipité sous une forme finement divisée. Après lavage et séchage, le composant de support est mis ä réagir avec le titane, ä l'aide de tétrachlorure de titane, de manière en soi connue dans la technique. pour produire le composant da catalyseur.
La räaction avec le titane peut être effectuée. par exemple. an ce que le composant de support solide est mélangé ä un composé halogéné de titane, une ou plusieurs fois.
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Auparavant, pendant ou apyres le procède de reaction avec le titane. le composant de catalyseur peut encore être traite l'aide d'un compose donneur d'electrons interne. La réaction avec le titane est de preference effectuée en deux étapes, entre lesquelles peut etre ajout6 le donneur d'électrons
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interne, qui est usuellement une amine. un éther ou un ester de son type. Un donneur convenable est, par exemple, le diisobutylphtalate. dont la quantite peut être de 0, 05 0, 3. mieux 0, 2 mole/mole Mg, Dans la première etape, une temperature basse est recommandee par exemple inférieure a 0''C, mieux inferieure - 20. C. La seconde étape de reaction avec le titane peut être mise en oeuvre ä une temperature supérieure, par exemple 85 à 110oC, une durée de reaction de 1 - 1,5 heures Etant suffisante.
Le produit da réaction solide est ensuite séparé de la phase liquide et lava avec des solvants hydrocarbonés pour enlever les impuretés et les dérivés. Le composant de catalyseur peut être seche dans un vide leger ou dans l'azote
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gazeux à la température ambiante, ou ä une temperature légèrement supérieure, et il peut être homogeneise par broyage
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dans un broyeur à boulets.
Le composant de catalyseur de l'invention peut ensuite Atre utilise pour polymériser des alpha-olefines, sn le laissant venir en contact avec un composé da Al et un composé externe libérant des électrons. Comme composés externes libärant des électrons, on peut utiliser, par exemple. des amines, des bathers, des esters (da préférence des esters alkyliques et aryliques d'acides carboxyliques aromatiques) ou des composés de silane (alkyl/aryl silanes), dont des exemples sont, entre autres. les esters methylique et öthylique d'acide benzoïque, toluique et phtalique, esters isobutyliques d'acide phtalique, triéthoxysilane, etc. Les donneurs d'électrons sont des composés capables d'entrer dans des complexes avec des alkyl-Al.
La stéréospécificité du catalyseur peut être amélioréegrâceàeux.
Le composé externe libérant des electrons, ou donneur, et l'alkyl-Al, sont melanges ensemble, la proportion molaire du composé libérant des électrons par rapport au composé de Al étant d'environ 20, et la proportion molaire Al/Ti entant située entre 10 et 300, selon le système da polymérisation. La polymérisation peut etre effectuée par Polymerisation a l'état pateux ou en masse, ou en phase gazeuse.
Des composants de catalyseurs et des catalyseurs prepares selon les enseignements de l'invention peuvent etre utilises pour polymeriser des alpha-olefines, comme l'ethylene, le
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propylene et le butylène. par les procedes ä letat päteux, en masse ou en phase gazeuse, mais les composants de catalyseurs de l'invention sant particulièrement bien adaptés à 1a Polymerisation da propylene, parce que la quantité d'eau de cristallisation qu'il contiennent dans la substance de support est singulierement faible, et que l'activité des catalyseurs est donc spécialement grande, particulièrement en ce qui concerne la Polymerisation du propylene.
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L'invention est illustree plus en detail dans les exemples
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qui suivent.
EXEMPLE 1
On met an suspension 50 9 de MgSO4.7H2O dans 100 ml d'eau.
Ensuite, on ajoute 44, 5 g da CaC12. 2HO dans 100 ml d'eau. La suspension est centrifugea pendant 10 minutes ä 3000 tours/minuto. La solution est évaporée jusqu'ä siccite. et
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chauffes pendant 1 heure ä 140oC. Le sel est verse dans 200 ml d'ethanol, en mélangeant. La solution dans l'ethanol est centrifugée pendant 10 minutes (3000 tours/min). La solution claire est transferee dans un flacon ä trois cols (1 litre), dans lequel le séchage de la solution ethanol/composant de support est effectué par distillation azéotropique. Le procede de séchage consomme 500 ml d'ethanol absolu (teneur en humidité < 100 ppm). La distillation se fait dans un faible courant d'azote.
La solution chaude sèche (teneur en humidité
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< 400 g H20/0, 1 ml) d'ethanol/support est transfere dans de l'heptane froid (500 ml), dans lequel le composant da support cristallise. La composant de support est ensuite maintenu dans des conditions inertes (N2). L'ethanol supplementaire est éliminé par deux lavages ä l'heptane, après quoi le composant da support est transféré dans du tétrachlorure de titane froid (500 ml, - 20 C). Après que le mélange se soit réchauffe jusqu'ä la temperature ambiante, on y ajoute 0, 1 mole/mole Mg, de diisobutylphtalate.
On fait bouillir le melange pendant 1
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heure ä 110oC, après quoi on laisse le composant de catalyseur se deposer, et on remplace la solution de TiC14 par une nouvelle solution, et on répète le traitement pour 1 heure ä 1109C-Le composant de catalyseur complet est lave a l'heptane et séché ä I'azote. Le rendement an catalysaur ast de 8, 0 g, et le catalyseur contient : Mg 13, 7%, Ti 2, 9%. Cl 47, 0%. et Ca 0,50%.
Le composant de catalyseur prepare de la manière qui vient
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d'entre décrite est utilise pour la Polymerisation de propylene, en ajoutant dans un réacteur de Polymerisation de 2
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litres un catalyseur préparé en mélangeant. comme composa d'alkyl-aluminium, du triéthylaluminium et, comme composé de
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Lewis. du diphenylmethoxysilane (proportion molaire . Aljdonneur : 20) dans 500 ml d'heptane et en y melangeant, apyres 5 minutes, un composant de catalyseur de manière ä amener la proportion molaire Al/Ti ä 200. La Polymerisation est effectuée dans les conditions suivantes : pression partielle de propylèna 9, 0 bar, pression partielle d'hydrogèna 0, 3 bar, temperatura 70ça:, et durée de la Polymerisation 3 heures.
On trouve que l'activité du catalyseur est da 4, 1 kg PP par gramme da catalysaur, en 3 heures. La poids spécifique du polymère est de 0.31 g/ml, son caractère isotactique 89,4%, et
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95% des particules ont des dimensions dans l'intervalle de 0, 2 1, 0 mm.
EXEMPLE 2
On met en suspension 25 mg da MgSO4.7H2O dans 100 ml d'eau. On ajoute ensuite 24,8 g de BaCl2.2H2O dans 100 ml d'eau. La suspension est soumise a centrifugation pendant 10 minutes ä 3000 tours/minute. La solution est évaporée jusqu'à
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siccité, et calcinée pendant 1 heure ä 140. C. La seI est verse, en mélangeant, dans 200 ml d'éthanol. La solution dans l'ethanol est centrifugée pendant 10 minutes (3000 tours/minute). La solution claire est versée dans un flacon a trois cols (1 litre). dans lequel on effectue 16 séchage de la solution othanol/composant de support à l'aide d'une distillation azéotropique. Le procédé de séchage consomme 500 ml d'éthanol absolu (teneur en humidité inférieure ä 100 ppm).
La distillation se fait dans un leger courant d'azote. La solution chaude, sèche (teneur en humidite < 400 g H20/0, 1 ml) d'ethanol/support est transférée dans da l'heptane froid (500 ml, -20ÓC), dans lequel le composant de support cristallise. Le composant de support est ensuite maintenu dans des conditions inertes (N2). L'éthanol supplementaire est bleimine par deux lavages Åa l'heptane, après quoi le composant
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de support est transféré dans du tetrachlorure de titane froid
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(500 ml,-20*C). Apres que le melange se soit réchauffé jusqu'a la temperature ambiante, on ajoute 0, 1 mole/mole Mg, da diisobutylphtalate.
On fait bouillir le melange pendant 1 heures a 110oC. apres quoi on laisse le composant de catalyseur se deposer, et on remplace la solution da Tilt par une nouvelle solution, et le traitement est répété pendant 1 heure a 110oC.. Le composant de catalyseu,'complet est lavé l'heptane et seche ä l'azote. Le rendement est de 8, 0 g, et le catalyseur contient : Mg 15, 9%, Ti 3, 0%, Cl- 54, 0%, et S04- 0, 03%.
Comme ä l'exemple 1, on plymérise du propylene avec le composant de catalyseur ci-dessus, et son activité est da 6, 9 kg PP par gramme de catalyseur en 3 heures. Le poids
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spécifique est da 0, 20 g/ml et le caractère isotactique de 94%, et 95% des particules ont des dimensions dans l'intervalle de 0, 2 a 1, 0 mm.
EXEMPLE 3
On met en suspension 49 g de MgS04. 7H20 et 22.2 g de CaCl2
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dans 500 ml d'ethanol. La solution est chauffée, en melangeant. pendant 4 heures 60*C. et on la laisse reposer pendant 16 heures, et la solution dans l'ethanol se sépare par decantation La solution est transferee dans un flacon a trois cols. dans lequel on effectue le séchage de la solution ethanol/composant de catalyseur ä l'aide d'une distillation azéotropique. Le porcédé de sechage consomme 1500 ml d'äthanol absolu (teneur en humidity inférieure ä 100 ppm). Lorsque la
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solution chaude sèche (teneur an humidite < 400 ng HzO/O. l ml) d'ethanol/support est transferee dans de rheptane froid (500 ml, -20QC), 1e composant de support cristallise.
La composant de support est ensuite traité dans des conditions inertes (N2). L'ethanol supplementaire est éliminé par deux lavages ä l'heptane, après quoi le composant de support est transféré dans du tétrachlorure de titane froid (500 ml, - 20 C). Après que le mélange s'est réchauffé jusqu'à la température
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ambiante, on ajoute 0, 1 mole/mole Mg, de diiobutylphtalate.
On fait bouillir le mélange pendant 1 heure a 11OoC, après quoi on laisse le composant de catalyseur se deposer, et on change la solution de Tical 4 par une nouvelle solution, et 1a traitement est repente pendant 1 heure à 110"C--Le composant de catalyseur complet est lav < ä ä l'hoptane et s. ch6 ä l'axote.
Le rendement est de 7. 5 g, et le catalyseur conti. ent : Mg 14, 00%, Ti 3,9%, Cl- 51,0%, Ca 300 ppm et S04-0, 01%.
Le composant de catalyseur est utilisé pour polymeriser du
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propylène, comme a l'exemple 1, et on trouve que son activité est de 7, 9 kg PP par gramme de catalyseur. Le poids spécifique est de 0,29 g/ml et le caractère isotactique de 92,1%, et 90% des particules ont des dimensions dans l'intervalle de 0. 2 ä 1, 0 mm.