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Composant catalytique pour catalyseurs de ZieglerNatta et procédé pour la polymerisation a -oléfines.
La présente invention concerne des composants catalytiques actifs utiles pour la famille
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des catalyseurs de Ziegler-Natta pouvant polymérisez des α-oléfines contenant au moins trois atomes de carbone. La présente invention concerne également un procédé de préparation de composants catalytiques actifs pour la polymérisation d2 -oléfines contenant au moins trois atomes de carbone. Sous un autre aspect, la présente invention concerne également un procédé de polymérisation faisant appel a des composants catalytiques actifs selon l'invention.
Lors de la polymérisation d'oléfines en utilisant ce que l'on appelle des systèmes catalytiques de Ziegler-Natta, on utilise des composés de métaux de transition comme composants catalytiques essentiels. La préparation de ces composants catalytiques de la derniere generation consiste spécifiquement à faire réagir un halogenure d'un métal tel que le dichlorure de magnésium ou un produit d'addition de dichlorure de magnésium et de deux à trois moles d'un alcool avec un composé constitue d'un halogénure de titane tel que le tétrachlorure de titane, en présence de bases de Lewis, comme composé donneur d'é1ectrons.
La présente invention concerne des composants catalytiques que 110n prépare a partir de
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composes organiques de magnesium ne contenant pas de chlore, a partir d'un compose de silane sans chlore et d'un composé d'halogénure de titane.
Dans la technique antérieure, on a decrit des catalyseurs obtenus en traitant des composés de magnésium-alkyle avec des composés de silanol ou de silanes, ainsi qu'avec des composés de métaux de transition, dans différentes conditions. Par exemple, selon le brevet des Etats-Unis dtAmérique 4. 525. 557, on peut polymériser l'éthylène en utilisant un système catalytique contenant un composé d'un métal de transition que l'on prépare en trois phases : tout d'abord, on fait réagir un composé de Mg-dialkyle avec un composé de silanol, après quoi on traite le produit réactionnel avec un trichlorosilane et l'on traite le produit final avec un halogénure de titane.
Toutefois, ce catalyseur a été utilisé uniquement pour la polymersation de l'ethylene et la réaction avec un compose a base d'un silane et un composé à base de magnésium a été effectuée à la température ambiante. Les catalyseurs décrits dans ce brevet ne sont pas
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appropriés pour la Polymerisation du propylène ou d'autres tt-oléfines.
Selon le brevet des Etats-Unis dfAmérique 4. 335. 016, on prepare un composant catalytique pour la polymérisation de l'ethylene en faisant réagir tout d'abord une matière support poreuse telle que la silice avec un composé de magnésiumalkyle, puis le produit obtenu avec un hydrocarbyloxyhydrocarbylsilane. Le catalyseur décrit dans ce brevet n'est pas approprié pour la polymérisation du propylène.
Dans la demande de brevet européen 104. 374, on prépare un composant catalytique en faisant
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réagir un aryl-silanol avec un composé d'un metal de transition halogéné tel que le tétrachlorure de titane, après quoi on fait réagir le produit obtenu avec un compose d'organo-magnesium. On a déposé ce composant catalytique sur un support particulier et on l'a utilisé uniquement pour la Polymerisation de l'ethylene.
A present, la Demanderesse a trouvé que les composants catalytiques prepares selon EP 104. 374 ne donnaient pas des compositions catalytiques actives de Ziegler-Natta lorsqu'ils étaient utilises pour la Polymerisation du propylène.
On a trouve que la raison de cette caractéristique se situait dans l'ordre des étapes de préparation et des conditions réactionnelles. Dans la revendication 1 de la publication précitée de brevet européen, il est stipule exclusivement que la première étape consiste à faire réagir le composé de silanol avec un halogénure de titane, puis de faire réagir le produit réactionnel avec un composé d'organo-magnésium. De plus, la réaction du compose de silanol a été effectuée à basse temperature, de préférence, à la temperature ambiante.
Au cours des essais effectués par la Demanderesse, celle-ci a trouvé que les catalyseurs décrits dans cette publication n'étaient pas appropriés pour la polymérisation du propylene ou d'autres CI-oléfines.
Selon la présente invention, on a trouvé que, pour obtenir des composants catalytiques actifs pour des catalyseurs destinés à la polymérisation du propylène, il etait nécessaire de modifier les étapes de préparation décrites dans EP 104. 374 et d'adopter des températures essentiellement plus élevées au cours de la réaction avec
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le composé de silanol.
En conséquence, l'invention concerne un composant catalytique destiné à être utilisé dans des compositions catalytiques de ZieglerNatta non déposées sur un support pour la polymérisation d'α-oléfines contenant au moins trois atomes de carbone, ce catalyseur étant obtenu en traitant un composé d'organo-magnésium sans chlore avec des composés de silanes solides contenant un ou deux groupes hydroxyle, puis avec des composés constitués d'halogénures de titane, ce traitement du composé d'organo-magnesium étant caractérisé en ce qu'i il est effectué tout d'abord avec le composé précité de silane à une temperature se situant dans l'intervalle allant de 60 à 110 C, puis avec le composé d'halogénure de titane, facultativement conjointement avec un composé donneur
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d'electrons.
Le composé de Mg organique selon l'invention ne contient pas d'atomes d'halogènes. Parmi les composés de magnesium appropriés, il y a les composés de dialkyl-magnesium tels que J.'ethyl-butyl- magnésium, le dibutyl-magnésium, le diisobutylmagnesium, le diheyl-magnésium, le dioctyl- magnésium et le didecyl-magnésium. Parmi les composes préférés de dialkyl-magnésium, il y a l'éthyl-butylmagnesium et le n-butyl--méthylpropyl] magnésium
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plus le diethyl-magnesium.
Le composé de silane peut contenir un ou deux groupes hydroxyle et il ne contient pas de chlore.
C'est ainsi que le composé de silane est un silanol ou un silane-diol à substitution organique. Le groupe de substitution est un groupe aromatique, de preference, un groupe phényle.
Les silanols de loin préférés sont le
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triphenyl-silanol et le diphényl-silane-diol.
La reactionentre le cenpose de silane et le conposss de magnésium-alkyle semble fixer ce dernier sur l'atome de silane via un pont oxygène, par exemple, "Si-O-MgR'-". Lors de la deuxième étape, il semble se produire une substitution entre le composé de magnésium-alkyle et le chlorure de titane avec formation d'un composé de type "Si-O-TiCl3", lequel est soluble dans du tétrachlorure de titane. en excès. Le temps de réaction est assez court et se situe entre quelques minutes et quelques heures.
Le point important réside dans le fait que la température est assez élevée (notamment au-delà de 60 C, de préférence, entre 60 et IIOOC). De
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préférence, la quantité molaire du composé de Mg est inférieure ä la quantité molaire du composé de silane lorsqu'on utilise un composé de magnesiumdialkyle et un diphenyl-silane-diol.
La titanation est effectuée ä une température se situant dans l'intervalle allant de 60 à 110oC, de préférence, à une température de 80oC.
Au cours de la titanation, au composant catalytique, on peut ajouter ce que l'on appelle un donneur d'électrons interne (base de Lewis).
De la sorte, on améliore le rendement et l'indice d'isotacticite. Parmi les donneurs appropries, il y a les esters d'acides aromatiques, de preference, de l'acide phtalique, de meme que les dérivés d'hydrosilaneS. Le donneur préféré est le phtalate de diisobutyle.
Les particules des composants catalytiques selon l'invention ont la forme du diphényl-silane- diol ou du triphényl-sila. nol utilisé lors de la préparation du catalyseur. Lorsque la matière de départ du dérivé est cristallisée sous forme
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d'aiguilles, on obtient un catalyseur sous forme d'aiguilles, ce qui est très inhabituel. Par suite de ce phénomène de répétition, lie catalyseur donnera, lors du procédé de polymérisation, des particules de polymere sous forme d'aiguilles et s'écoulant aisément.
Les composants catalytiques selon l'invention peuvent être utilisés pour la polymérisation d'd-olefines contenant au moins trois atomes de carbone. Les composants catalytiques peuvent être activés de façon connue avec un co-catalyseur tel qu'un composé de lithium-alkyle, un composé de magnésium-alkyle, un composé d'aluminium-alkyle, un halogénure d'aluminium-éthyle ou un composé de zinc-alkyle. L'activation peut avoir lieu ä l'interieur ou à l'extérieur du réacteur de polyme- risation.
Fondamentalement, les compositions catalytiques obtenues d'une manière très simple et nouvelle (ainsi qu'on l'a décrit) donnent un haut rendement et un haut indice d'isotacticité lors de la polymérisation d'-oléfines, de préférence, le propylene et le butène. Des modifications connues du procédé de polymérisation sont également possibles, par exemple, l'addition d'hydrogène ä la charge de monomères ou au réacteur de polyome- risation afin de modifier les propriétés du polymère, par exemple, l'indice d'écoulement en masse fondue.
Les exemples suivants sont donnés afin d'illustrer l'invention.
Exemple 1
On a préparé un composant catalytique dans un réacteur en verre de 700 : ml muni d'un systeme d'agitation et d'un système de réglage de température, tout en étant maintenu sous une atmosphere d'azote.
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Dans ce réacteur, on a introduit 20 g de diphenyl-silane-diol et 200 ml d'heptane séché (sans air) à la température ambiante, ainsi que 69 ml d'une solution de DBME (Dibutyl-magnésium- E,"Lithium Corporation of Europe Limited", mélange de n-butyl-1-méthylpropyl-Mg et de diethyl-Mg) dans de l'heptane (teneur en DBME = 9, 94 g).
Tout en agitant, on a ajoute goutte à goutte la solution au cours de périodes d'environ 15 minutes à la température ambiante. Après introduction de la quantité totale de DBME dans la solution de silane-diol, on a porté la température a 9SoC, température que l'on a maintenue pendant deux heures. Ensuite, on a refroidi la bouillie à la température ambiante et on a arrêté l'agitation.
Après siphonnage, on a ajouté 200 ml d'heptane sous une atmosphère d'azote et tout en agitant.
On a arrêté l'agitation 30 minutes plus tard et l'on a éliminé le diluant. On a répété deux fois cette Operation de lavage. Après la dernière élimination d'heptane, on a ajoute 250 ml de TiC14 à la température ambiante. La couleur de la bouillie a viré légèrement du blanc au brun. Ensuite, on a introduit goutte à goutte 1, 95 ml de DIBF (phtalate de di-isobutyle). On a porté la température a 80oC, temperature que l'on a maintenue pendant deux heures sous agitation.
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Après avoir arrêté l'agitation, la Sedimen- tation de la bouillie a été très rapide. On a éliminé le liquide par siphonnage et on a ajouté 250 ml de Tical4. On a maintenu la bouillie sous agitation à 80 C pendant deux heures. Ensuite, on a éliminé le liquide comme décrit ci-dessus.
Enfin, on a lavé le produit avec de l'heptane.
On a effectue deux traitements avec 250 ml d'heptane
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pendant deux heures à 80oC, puis encore trois fois à la température ambiante.
Dans un réacteur de polymérisation de deux litres contenant 1300 ml d'heptane sec, on a introduit 30 mg du système catalytique que l'on a soumis à un traitement préalable en mélangeant,
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dans de l'heptane, le compose d'alkyl-Al (triethyle Al) et la base de Lewis (donneur d'electrons externe), lequel était le diphényl-dimétoxy-silane.
Le rapport molaire Al/donneur était de 10 : 1 et le composant catalytique a été préparé comme décrit ci-dessus.
Le rapport molaire Al/Ti était de 200 : 1.
On a polymerise le propylène dans les conditions
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suivantes : pression partielle de propylène : 9, 7 bars ; pression partielle d'hydrogène : 0, 3 bar ; temperature : 70 C et temps de polymérisation : trois heures.
Le tableau 1 ci-après donne la composition et les propriétés du composant catalytique, ainsi que du polymere obtenus.
Exemple 2
On a préparé un composant catalytique comme décrit à l'exemple 1, avec cette exception que l'on a utilisé du magnésium-butyl-octyle comme composé de magnesium-alkyle. On a polymérisé le propylène comme décrit à l'exemple 1. La composition et les propriétés du composant catalytique, ainsi que du polymere obtenus sont données dans le tableau 1.
Exemple 3
On a prepare un composant catalytique comme décrit à l'exemple 1, avec cette exception que l'on a effectué la reaction entre le silanediol et le compose de magnesium-alkyle à 60 C.
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On a polymérisé le propylène comme décrit & l'exemple 1. La composition et les propriétés du composant catalytique et du polymere obtenus sont données dans le tableau 1.
Exemple 4
On a préparé un composant catalytique comme décrit A l'exemple 1, avec cette exception que l'on a effectué la réaction entre le silanediol et le composé de magnésium-alkyle, de même que la titanation à 60 C. On a polymerise le propylène comme décrit à l'exemple 1. La composition et les propriétés obtenues concernant le composant catalytique et le polymere sont données dans le tableau 1.
Exemple 5
On a prepare un composant catalytique comme décrit à l'exemple 1. avec cette exception que la réaction entre le silane-diol et le composé de magnésium-alkyle a été effectuée A 60 c, tandis que la titanation a été effectuée à 110 C. On a polymerise du propylene comme décrit & l'exemple 1. La composition et les propriétés obtenues concernant le composant catalytique et le polymère, sont données dans le tableau 1.
Exemple 6
On a préparé un composant catalytique comme décrit A l'exemple 1, avec cette exception que, comme composé de silane, on a utilise le triphenyl-silanol. On a polymérisé le propylène comme décrit AL l'exemple 1. La. composition et les propriétés obtenues concernant le composant catalytique et le polymère sont données dans le tableau 1.
Exemple 7
On a préparé un composant catalytique
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comme aecril a l'exemple 3, avec cette exception que, comme composé de silane, on a utilisé le triphenyl-silanol, tandis que l'on n'a pas utilisé le donneur interne. On a polymérisé le propylene comme décrit à l'exemple 1. La composition et les propriétés des composants catalytiques et du polymère obtenus sont données dans le tableau 1.
Exemple 8
On a polymérisé du l-butène dans un réacteur en phase gazeuse de 2 litres muni d'un verre-écran et d'un agitateur en spirale. Comme matière pour le lit fluidisé, on a utilisé du polypropylène (30 mg de "ICI GW 521 E") que l'on a séché dans un four sous vide A 600C pendant 1-2 jours. Pour la prepolymensation, dans le rdacteur, on a chargé 51, 4 mg du composant catalytique d'un métal de transition de l'exemple 1 contenant 0, 017 mmole de titane, 863,2 l d'un cocatalyseur d'Altriisobutyle contenant 3,434 millimoles d'aluminium, et 39, 2 ill de diphenyl-methoxysilane dans un donneur externe de pentane. Le rapport molaire Al/Ti était de 200 : 1, tandis que le rapport molaire Al : donneur était de 20 : 1.
On a chauffe le mélange à 40 C, puis on a évaporé le pentane pendant environ 10 minutes. On a refroidi le réacteur et on a entamé la charge de butylène dans ce dernier sous une pression partielle de 2 bars. La polymérisation a duré 30 minutes à 300C et la vitesse de l'agitateur a été regelée à 750 tours/minute.
Pour la polymérisation, on a porte la température à 540C et la pression partielle de butylène, à 5 bars. On a introduit de l'hydrogène sous une pression partielle de 0, 1 bar. La vitesse de l'agitateur a été réglée à 900 tours/minute au cours de la Polymerisation.
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Après un temps de polymérisation de 3 heures, on a obtenu 73 g de polybutylène, l'indice d'isotacticite étant de 96, 8%. L'activite du catalyseur était de 1, 4 kg de PB/g de catalyseur ou de 89 kg de PB/g de Ti.
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TABLEAU 1
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<tb>
<tb> Exemple <SEP> Silane <SEP> Composé <SEP> de <SEP> Composition <SEP> du <SEP> composant <SEP> Activité <SEP> Indice <SEP> Indice
<tb> Mg-alkyle <SEP> catalytique <SEP> kg <SEP> pol./g <SEP> d'iso- <SEP> d'écouMg <SEP> Ti <SEP> cl <SEP> Si <SEP> cat. <SEP> tacticité <SEP> lement
<tb> en <SEP> Masse
<tb> fondue
<tb> 1 <SEP> Ph2Si(OH)2 <SEP> DEME# <SEP> 15,5 <SEP> 3,0 <SEP> 46,7 <SEP> 0,14 <SEP> 9,04 <SEP> 94,2 <SEP> 22,7#
<tb> 2 <SEP> " <SEP> MgBuOct <SEP> 15,6 <SEP> 2,8 <SEP> 47,0 <SEP> 5,51 <SEP> 98,2
<tb> 3 <SEP> " <SEP> DBME <SEP> 10,7 <SEP> 1,6 <SEP> 33,0 <SEP> 1,23 <SEP> 5,10 <SEP> 97,5 <SEP> 12,5
<tb> 4 <SEP> " <SEP> " <SEP> 14,1 <SEP> 3,2 <SEP> 48,0 <SEP> 0,15 <SEP> 7,6 <SEP> 98,0 <SEP> 37,2
<tb> 5 <SEP> " <SEP> " <SEP> 17,5 <SEP> 2,1 <SEP> 53,0 <SEP> 0,08 <SEP> 7,2 <SEP> 98,0
<tb> 6 <SEP> Ph3SiOH <SEP> " <SEP> 14,4 <SEP> 3,3 <SEP> 46,
0 <SEP> < 0,1 <SEP> 4,53 <SEP> 98,5
<tb> 7 <SEP> " <SEP> " <SEP> 4,9 <SEP> 7,4 <SEP> 34,0 <SEP> 0,4 <SEP> 3,0 <SEP> 95,8 <SEP> 30,0
<tb> DBME <SEP> : <SEP> Magnésium-dibutyle-ER <SEP> = <SEP> (C4H3)3Mg(CH5)
<tb> MgBuOct <SEP> = <SEP> Magnésium-butyloctyle
<tb> PhpSi <SEP> (OH) <SEP> p <SEP> = <SEP> Diphényl-silane-diol
<tb> Ph3SiOH <SEP> = <SEP> Triphényl-silanol
<tb>
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Exemple comparatif 1
Selon la méthode décrite A la page 10 de la demande de brevet européen EP 104374, on suit les polymérisations en utilisant ou non un donneur
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d'electrons interne. On a traité Ph3SiOH par BOMAG j (= Mg-butyl-octyle) dans la proportion molaire de 1 : 1 dans une solution d'heptane (environ 5 g de composants dans 100 ml d'heptane) pendant 2 heures a la température ambiante.
On a siphonné l'excès de solvant, on a ajoute la quantité excédentaire de TiCl4 et on
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a agit6 la solution pendant 15 minutes A 100"C.
On a séparé le liquide surnageant en le siphonnant et on a lav6 trois fois le précipité avec de l'heptane.
On a effectué une seule fois le traitement avec TiC14. On a effectué la Polymerisation du propylène comme décrit à l'exemple 1. Les résultats sont donnés dans le tableau 2.
TABLEAU 2
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<tb>
<tb> Catalyseur <SEP> Teneurs <SEP> des <SEP> elements <SEP> du <SEP> Donneur <SEP> Activité
<tb> n <SEP> catalyseur/% <SEP> d'élelc- <SEP> du <SEP> catalyTi <SEP> Mg <SEP> Cl <SEP> Si <SEP> trons <SEP> seur
<tb> kgPP/g <SEP> de
<tb> catalyseur
<tb> 2 <SEP> 4, <SEP> 9 <SEP> 3, <SEP> 7 <SEP> 39 <SEP> 0, <SEP> 15-1, <SEP> 32
<tb> 3 <SEP> 10, <SEP> 0 <SEP> 8, <SEP> 1 <SEP> 48 <SEP> 0, <SEP> 17 <SEP> Benzoate <SEP> 0, <SEP> 41
<tb> d'éthyle
<tb> 0, <SEP> 02 <SEP> mole
<tb>
Exemple comparatif 2
Pour polymériser le propylène, on a adopte le catalyseur nO 1 du tableau 1 de la demande de brevet EP 104374.
On a préparé le composant catalytique comme suit : on a traité
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0, 07 mole de Ph3SiOH avec 100 ml de toluène, j après quoi on a ajouté 5, 5 g de silice ("Davidson } ;.
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952"). On a traité la silice ä une température de 700 à 8000C.
On a ajoute 0, 07 mole de BOMAG (solution ä 20% dans l'heptane) au melange que l'on a ensuite laissé refroidir ä la température ambiante et on a lavé trois fois le produit obtenu, avec de
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l'heptane l'heptane, afin d'élimines l'excès de T1C14.
Le composant catalytique obtenu contenait les elements suivants : Mg = 118%, Ti = 2, 7%, Cl = 13, 7% et Si = 14, 2%. Lorsqu'on a utilise ce composant lors de la polymérisation du propylène
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conformément au procédé décrit a l'exemple 1, l'activité du catalyseur obtenu était de 0, 32 kg de PP/g de catalyseur.
Exemple comparatif 3
Conformément à l'exemple 7 du brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4. 525. 557, on a préparé un composant catalytique de la manière suivante : on a traité 2, 7 g (= 12,5 millimoles) de Ph2Si (OH) 2 dans 60 ml d'heptane avec 36 ml (= 25, 7 millimoles) de BOMAG pendant 2 heures à la température ambiante et l'on a ajouté goutte à goutte 2, 38 g (= 12, 5 millimoles) de TiCI. dans 10 ml d'heptane, formant ainsi immédiatement un précipité de couleur foncée. On a agité la bouillie à la température ambiante pendant 2 heures, on l'a lavée trois fois avec 30 ml d'heptane et on l'a séchée sous vide.
Les teneurs des éléments du composant catalytique étaient les suivantes : Mg = 7, 6% ; Ti = 7, 8% ; Cl : 21, 8% et Si = 2, 84%. Lors de la. polymérisation du propylene en utilisant ce composant catalytique, on a trouvé que l'activité du catalyseur était d'environ 0 kg de PP/g de catalyseur.