背景技术
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一种分子量在150万~600万的聚乙烯树脂。由于其比普通聚乙烯有着更大的分子量,因此,UHMWPE具有耐冲击、耐磨损、自润滑、耐低温、耐化学腐蚀等优良性能,并被广泛应用于机械、运输、造纸、矿业、电力、农业、化工、以及航空等领域。此外,UHMWPE最重要的一个应用领域是超强聚乙烯纤维,由UHMWPE所制备的超强聚乙烯纤维,可用于缆绳、鱼网及防弹军事装备。要制备超强聚乙烯纤维就对UHMWPE有着特殊要求,除了分子量要高于500万外,还要求催化活性高,这样所得UHMWPE的灰粉更低;同时所得聚乙烯的颗粒堆密度高,分布要均匀(即粒径分布窄),粒径不能太大也不能太小,平均粒径通常在100~200μm。
CN1033703C报道了一种制备UHMWPE的方法,主要在催化剂体系中添加ZnCl2组分,通过控制Zn/Ti摩尔比可在60~610万之间调节UHMWPE的分子量。用此催化剂可获得良好粒子分布的UHMWPE。但此催化剂制备比较烦琐,要通过研磨法制备,要制备不同分子量的UHMWPE就需要调节Zn/Ti摩尔比而制备不同的催化剂,且该体系催化活性较低。
CN1189486C提供了一种制备高堆密度、良好粒子形态的UHMWPE的催化体系,该催化剂通过卤化镁和铝化合物在醇存在下制备了镁-铝溶液,然后再与给电子体作用后加入钛化合物和硅化合物从而制备出催化剂,此催化剂制备也很烦琐,要经过两次载钛才能完成制备。尽管该催化体系具有较好的催化活性,但所得聚乙烯分子量不高,只有400万左右,特性粘度(dl/g)最大为23.8。
CN1034509C提供了一种高堆密度的UHMWPE的制备方法,该催化剂通过将Ti(IV)化合物用烷基铝处理并还原Ti而制备出催化剂,虽然可以制备出高堆密度的UHMWPE,但催化活性非常低,几乎没有实用价值。
CN1746197A提供了一种制备高堆密度的UHMWPE的催化体系,这种催化剂采用先制备载体然后载钛形成催化剂,从中可以看出其催化剂制备是比较烦琐的。在制备UHMWPE中添加了所谓性能调节剂有机硅化合物。虽然所制备的UHMWPE具有较高的分子量,但没有提供聚合物粒子的平均粒径,且催化活性也不是很高,聚合时间为4小时其催化活性也只有3万倍左右。
要制备UHMWPE通常要求催化剂有较高的催化活性,并具有动力学稳定和长效性,这样可以最大限度防止聚合物出现过大颗粒或过小颗粒并减少聚合物的灰份,这点尤其在制备超强聚乙烯纤维更为重要。同时,也要求聚合物分子量可控制,以及具有良好的形态,以使工艺稳定,提高运转效能。当前,超高分子量聚乙烯催化剂不仅要求活性高,聚合物分子量可控,更重要的是要求所得聚乙烯的堆密度要大、粒度分布要均匀、没有过大颗粒或过小颗粒等特点,这是未来超高分子量聚乙烯催化剂发展的方向。这就要求催化剂需具有较高的机械磨损强度并具有良好的颗粒形态。
本发明人在研究普通聚乙烯催化剂时,发现用在丙烯聚合时的外给电子体可以用于制备超高分子量聚乙烯,象聚丙烯通过调节Si/Ti比调节等规度一样,可以方便地调节Si/Ti比来调节聚乙烯的分子量。
本发明的催化活性组分可通过合适化学修饰氯化镁以得到形态良好的催化剂,这样减少了制备催化剂步骤,降低了催化剂成本。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种用于制备超高分子量聚乙烯的催化体系。
根据本发明的催化体系包括:
(1)活性组分,基于100重量份的所述活性组分,包括
(I)12.0~18.0重量份的镁;
(II)4.0~8.0重量份的钛;
(III)1.1~11.0重量份的烷氧基;以及
(IV)55.0~75.0重量份的卤素,
(2)外给电子体,所述外给电子体为具有以下所示结构式的有机硅氧烷化合物,
P(RI)Si(ORII)2
其中,P为环戊基,RI为直链或支链的C1~C8的烷基、C6~C10环烷基或C6~C10芳香基,R11为C1~C5的直链或支链的烷基,以及
(3)助催化剂,所述助催化剂为有机铝化合物R3-nAlXn,其中X为卤素,R为C1~C6烷基,n为0或小于3的整数,
其中,助催化剂中的Al与催化剂活性组分中的Ti的摩尔比为20~800、优选50~300,给电子体中的硅与催化剂活性组分中的钛的摩尔比为1~50、优选1~30。
根据本发明的催化体系,所述聚乙烯的分子量为200~700万。
根据本发明的催化体系的活性组分,其中,优选基于100重量份的催化剂活性组分,包括0.1~2.0重量份的甲氧基;基于100重量份的催化剂活性组分总重量,包括0.0~3.0重量份的乙氧基。
根据本发明的催化体系,所述有机硅氧烷化合物为选自包括二甲基二甲氧基硅烷、二丙基二甲氧基硅烷、二异丙基二甲氧基硅烷、二异丁基二甲氧基硅烷、二丁基二甲氧基硅烷、环己基甲基二甲氧基硅烷、环己基异丙基二甲氧基硅烷、环戊基异丁基二甲氧基硅烷、环戊基异丙基二甲氧基硅烷、环戊基丁基二甲氧基硅烷、环戊基丙基二甲氧基硅烷、二环戊基二甲氧基硅烷、二苯基二甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、丁基三甲氧基硅烷、异丁基三甲氧基硅烷及其混合物的组。
上述根据本发明的催化体系所包含活性组分,其中基于100重量份的催化剂活性组分总重量,1.0~6.0重量份的烷氧基由有机醇所生成,所述的有机醇选自包括乙醇、丙醇、丁醇、己醇、2-甲基戊醇、正庚醇、2-乙基己醇、正辛醇、及其混合物的组;并且,基于100重量份的催化剂活性组分总重量,0.1~2.0重量份烷氧基为由制备过程中的给电子分解而得的甲氧基,0.0~3.0重量份烷氧基为由制备过程中的给电子分解而得的乙氧基,根据所使用的给电子体的不同,所加入的给电子体也可能不产生乙氧基。
本发明的催化体系所包含的活性组分可以通过以下方法制备:
(1)、镁醇合物浆液的制备:在50~180℃下,在含有至少一种C6~12脂肪烃的惰性烃类溶剂中,镁化合物与含2~10个碳原子的有机醇反应0.5~3小时,形成均匀溶液,其中镁/醇的摩尔比为1∶0.5~6,每摩尔镁化合物使用0.2~5.0升惰性烃类溶剂;
(2)、将制备的镁醇合物浆液与给电子体反应,其中反应温度为20~100℃,基于每摩尔镁化合物,加入0.05~1.0摩尔的给电子体;
(3)、将钛化合物Ti(OR)4-nXn加入(2)中的反应液中进行预载钛反应,其中反应温度为-30~10℃,X为卤素,R为烷基,n为0或小于等于4的整数,基于每摩尔镁化合物加入1.0~80.0摩尔的所述钛化合物,加完钛化合物Ti(OR)4-nXn后保持在-10~0℃下0.5~3小时;
(4)、将(3)中的反应液与卤代烃进行载钛反应,其中在1~4小时内将反应温度升到70~130℃,继续反应1~6小时,卤代烃的摩尔用量为镁化合物的摩尔用量的2~20倍,所述卤代烃为卤代烷烃或卤代环烷烃;当体系温度升高至60~130℃、优选至90~110℃时,再加入含硅的给电子体,该步骤含硅的给电子体的用量为步骤(1)中含硅的给电子体的用量的1/10~1/2,优选为1/8~1/4;
(5)、过滤(4)中反应浆液,用溶剂洗涤、干燥,得到固体催化剂。
在步骤(1)中,优选每摩尔镁化合物使用1.8~5.0升、更优选2.0~3.0升惰性烃类溶剂;或优选0.2~1.0升、更优选0.5~0.8升惰性烃类溶剂。
在上述方法中,在步骤(1)中所使用的镁化合物可以为一种或多种选自包括MgCl2、MgBr2、MgI2、Mg(OEt)2、Mg(OPr)2、Mg(OBu)2的组的化合物。
在上述方法中,优选步骤(1)的反应温度为90~140℃、镁/醇的摩尔比为1∶2~4;优选步骤(2)的反应温度为40~80℃。
优选地,在上述方法中,步骤(2)中的所述给电子体为一种或多种选自包括具有分子式(R)nSi的化合物的组的有机硅化物,其中,n为1~4的整数,R为烷氧基、C1~C12的烷基、C6~C9烷芳基或C1~C12的烷氧基、C6~C9烷芳氧基或C1~C12的卤代烷基、C3~C6环氧基,这些基团可以相同或不相同。更优选所述给电子体选自包括二甲基二甲氧基硅烷、二丙基二甲氧基硅烷、二异丙基二甲氧基硅烷、二异丁基二甲氧基硅烷、二丁基二甲氧基硅烷、环己基甲基二甲氧基硅烷、环己基异丙基二甲氧基硅烷、环戊基异丁基二甲氧基硅烷、环戊基异丙基二甲氧基硅烷、环戊基丁基二甲氧基硅烷、环戊基丙基二甲氧基硅烷、二环戊基二甲氧基硅烷、二苯基二甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、丁基三甲氧基硅烷、异丁基三甲氧基硅烷、γ-氯丙基三甲氧基硅烷、γ-(2,3环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、二丙基二乙氧基硅烷、二异丙基二乙氧基硅烷、二异丁基二乙氧基硅烷、二丁基二乙氧基硅烷、环己基甲基二乙氧基硅烷、环己基异丙基二乙氧基硅烷、环戊基异丁基二乙氧基硅烷、环戊基异丙基二乙氧基硅烷、环戊基丁基二乙氧基硅烷、环戊基丙基二乙氧基硅烷、二环戊基二乙氧基硅烷、二苯基二乙氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、丁基三乙氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷、γ-氯丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、四甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷/及其混合物的组。
优选地,在上述方法中,在步骤(3)中,预载钛反应的温度为-30~10℃、更优选-20~0℃、最优选为-5℃。
在上述方法的步骤(3)中,优选地,基于每摩尔镁化合物加入1.0~50.0摩尔、更优选20.0~50.0摩尔的所述钛化合物。
优选地,根据上述方法,步骤(3)中的所述钛化合物Ti(OR)4-nXn为选自包括四氯化钛、四溴化钛、四碘化钛、四丁氧基钛、四乙氧基钛、一氯三乙氧基钛、二氯二乙氧基钛、三氯一乙氧基钛中、及其混合物的组。
优选地,根据上述方法,在步骤(4)中,在2~3小时内将反应温度升到90~110℃,继续反应2~4小时,卤代烃的摩尔用量为镁化合物的摩尔用量的5~20倍。
优选地,根据上述方法,步骤(4)中所使用的卤代烃为选自包括1,2-二氯乙烷、1,3-二氯丙烷、1,4-二氯丁烷、1,6-二氯己烷、一氯环己烷、二氯环己烷、一氯环戊烷、二氯环戊烷、及其混合物的组。
所述给电子体有机硅化合物选自包括具有分子式RIRIISi(ORIII)2的化合物的组的有机硅化物,其中,RI和RII为C1~C12的烷基、C6~C9烷芳基或C4~C12的环烷基、乙烯基、烯丙基等,这些基团可以相同或不相同。RIII为为C1~C4的烷基。选自二甲基二甲氧基硅烷、二丙基二甲氧基硅烷、二异丙基二甲氧基硅烷、二异丁基二甲氧基硅烷、二丁基二甲氧基硅烷、环己基甲基二甲氧基硅烷、环己基异丙基二甲氧基硅烷、环戊基异丁基二甲氧基硅烷、环戊基异丙基二甲氧基硅烷、环戊基丁基二甲氧基硅烷、环戊基丙基二甲氧基硅烷、二环戊基二甲氧基硅烷、二苯基二甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、丁基三甲氧基硅烷、异丁基三甲氧基硅烷/及其混合物的组,最优选的是二异丁基二甲氧基硅烷、环己基甲基二甲氧基硅烷、二环戊基二甲氧基硅烷、异丁基正丁基二甲氧基硅烷。有机硅化合物中硅与催化剂活性组分中的钛的摩尔比为1~30、优选2~20。
所述助催化剂为有机铝化合物R3-nAlXn,其中X为卤素,R为C1~C6烷基,n为0~3的整数;助催化剂中的铝与催化剂活性组分中的钛的摩尔比为20~800、优选50~300。
上述根据本发明的催化体系可以用于制备超高分子量聚乙烯。并可适合现有乙烯聚合淤浆法工艺,可生产不同分子量的聚乙烯。
本发明为了克服现有技术中存在的缺点,提出一种用于烯烃聚合的催化剂,引入不易分解的给电子体,并将给电子体和卤代烃同时引入到含钛的活性组分当中。在根据本发明的方法中采用同时增加溶剂量,这样所得催化剂颗粒大;并且,在催化剂活性组分的制备过程中仅仅需要少量钛化合物;不需要在聚合的时候加入卤代烃以提高催化剂活性;本发明的催化剂再一个特点是,引入给电子体后可很大程度上提高催化剂的稳定性;本发明还有个特点就是无需用烷基铝脱醇,降低了成本减少了环境污染。
本发明的催化剂克服了现有技术中的不足,具有以下特点:
1)由于本发明制备的催化剂颗粒大,催化剂颗粒的沉降速度快,容易洗涤,因此使催化剂的制备更为简单,制备周期大大缩短,这对于催化剂的工业生产十分有利。
2)本发明制备的催化剂具有流动性好、聚合活性高、催化活性衰减非常缓慢、催化剂寿命长、聚合反应平稳、同时可以控制聚合动力学等特点。树脂的颗粒形态好,粒径分布均匀、堆密度高,可适应现有聚合工艺。
3)在催化剂制备过程中免除了用烷基铝脱醇,同时也减少了TiCl4用量,从而减少了对环境的污染。
4)本发明的催化剂具有良好的聚合性能,催化剂的聚合效率在3.5万倍以上,聚合物的颗粒形态和堆密度也好于现有技术。
5)给电子体的加入可以有两种方式,一种是在反应步骤(2)加入;第二种方式是先将反应温度控制到50~90℃时加入一部分给电子体,优选60~80℃;然后再按照反应步骤(2)中当加入另外一部分给电子体。
6)在现有技术中,卤代烃是在载钛反应完成后或在烯烃聚合时被加入,然而,本发明发现卤代烃可以在载钛反应过程被加入,也可以在载钛反应完成后被加入,但在载钛反应过程中被加入,对提高催化活性、增加聚合物堆密度效果更加明显,且操作也更为简单。
此外,上述背景技术中提及的用于制备超高分子量聚乙烯的催化剂由于催化活性太低,通常不适于制备普通分子量聚乙烯,并且,适于制备普通分子量聚乙烯的催化剂一般不适于制备超高分子量聚乙烯。这是因为对于要生产较低分子量聚乙烯产品需要氢气调节性能敏感性好的催化剂体系,而一般用于制备超高分子量聚乙烯催化剂体系的氢调敏感性较弱。本发明的催化体系能够克服上述矛盾,不但可以用于制备普通分子量聚乙烯,同时也可以用于制备超高分子量聚乙烯。
具体实施方式
下面通过实例详细说明本发明,应该清楚地理解,这里所描述的本发明形式仅仅是说明性的,不意味着限制本发明。本发明包括了在权利要求范围内的所有改进。
实施例1制备催化剂活性组分
把4.76克(0.05mol)MgCl2、100mL癸烷和26mL异辛醇(0.167mol),加热至130℃反应180分钟,降温至65℃,于此温度下加入15mmol二丙基二甲氧基硅烷给电子体、继续反应60分钟,冷却至室温后。在0℃下用90分钟时间缓慢滴加50mLTiCl4于混合溶液中,滴加完毕后保持温度0℃下60分钟,然后加入25mL氯代环己烷用120分钟时间缓慢升温至110℃,在此温度下加入2.5mmol相同硅烷给电子体后,继续反应120分钟,得到固体催化剂,停止搅拌后,会发现固体催化剂颗粒沉降速度很快。反应结束后热过滤出固体催化剂。用己烷洗涤,每次40mL,至滤液基本为无色,其中游离钛含量小于0.3mg/mL,干燥后得固体催化剂。
实施例2~50
除所使用的给电子体的用量和组分如表1所示外,用与实施例1相同的方法制备固体催化剂组分。
表1
测试各实施例制备的催化剂活性组分的组成,结果如以下表2所示。
表2各实施例的催化剂活性组分的组成
①2-乙基己氧基基团;②丁氧基基团
制备实施例1聚合乙烯
在10升不锈钢高压釜中,经氮气置换后,依次加入脱水己烷3升,三乙基铝的己烷溶液(按Al/Ti摩尔比为200),以及上述实施例1制备的催化剂20mg及二环戊基二甲氧基硅烷(按Si/Ti摩尔比为15),升温至60℃,再通入乙烯至釜压为0.6Mpa(表压),在70℃,保持釜压为0.6Mp下聚合反应2小时,得到UHMWPE聚乙烯产品。
各实施例所用催化剂、催化活性和UHMWPE聚乙烯物性见表3。方法测定,表观密度用ASTM-D-1895方法测定。聚乙烯粒度是由激光粒子分析器(Mastersizer X,Malvern)测定,其中d10、d50和d90分布是指各百分率10、50和90下的粒子的大小。d50定义为平均粒子分布,粒度分布定义为(d90-d10)/d50。
表3
催化剂 |
催化活性×10<sup>-4</sup>gPE/gCat |
堆密度g/cm<sup>3</sup> |
特性粘度(dl/g) |
平均粒度d50(μm) |
粒度分布(d90-d10)/d50 |
实施例1 |
3.60 |
0.38 |
32.32 |
164.2 |
0.8 |
实施例2 |
3.65 |
0.39 |
34.25 |
165.3 |
0.7 |
实施例3 |
3.70 |
0.39 |
33.26 |
164.6 |
0.9 |
实施例4 |
3.71 |
0.39 |
32.68 |
168.2 |
0.8 |
实施例5 |
3.80 |
0.39 |
33.15 |
162.1 |
0.9 |
实施例6 |
3.90 |
0.39 |
34.34 |
163.2 |
0.8 |
实施例7 |
3.95 |
0.39 |
33.33 |
161.4 |
0.6 |
实施例8 |
3.80 |
0.40 |
32.64 |
166.3 |
0.7 |
实施例9 |
3.83 |
0.39 |
33.46 |
167.3 |
0.7 |
实施例10 |
4.10 |
0.40 |
34.29 |
164.2 |
0.8 |
实施例11 |
3.45 |
0.38 |
34.31 |
160.4 |
0.6 |
实施例12 |
3.55 |
0.39 |
33.73 |
162.8 |
0.6 |
实施例13 |
3.85 |
0.40 |
32.74 |
161.4 |
0.6 |
实施例14 |
3.75 |
0.40 |
33.39 |
169.2 |
0.7 |
实施例15 |
3.81 |
0.40 |
34.14 |
168.1 |
0.9 |
实施例16 |
4.15 |
0.40 |
33.24 |
165.3 |
0.7 |
实施例17 |
4.35 |
0.40 |
32.96 |
168.8 |
0.8 |
催化剂 |
催化活性×10<sup>-4</sup>gPE/gCat |
堆密度g/cm<sup>3</sup> |
特性粘度(dl/g) |
平均粒度d50(μm) |
粒度分布(d90-d10)/d50 |
实施例18 |
4.49 |
0.41 |
34.37 |
166.8 |
0.8 |
实施例19 |
4.47 |
0.42 |
33.86 |
164.6 |
0.7 |
实施例20 |
4.25 |
0.42 |
32.97 |
166.4 |
0.8 |
实施例21 |
4.35 |
0.42 |
34.37 |
165.3 |
0.7 |
实施例22 |
4.46 |
0.41 |
34.11 |
164.2 |
0.7 |
实施例23 |
4.17 |
0.41 |
33.35 |
166.4 |
0.7 |
实施例24 |
4.23 |
0.42 |
32.86 |
165.1 |
0.6 |
实施例25 |
4.31 |
0.41 |
33.56 |
164.7 |
0.7 |
实施例26 |
4.26 |
0.42 |
34.19 |
165.2 |
0.8 |
实施例27 |
4.35 |
0.42 |
33.38 |
164.9 |
0.7 |
实施例28 |
4.41 |
0.39 |
33.67 |
164.5 |
0.8 |
实施例29 |
4.25 |
0.39 |
32.86 |
164.7 |
0.7 |
实施例30 |
4.33 |
0.40 |
33.77 |
164.4 |
0.6 |
实施例31 |
4.40 |
0.41 |
34.28 |
164.7 |
0.6 |
实施例32 |
3.75 |
0.39 |
33.35 |
163.8 |
0.6 |
实施例33 |
3.90 |
0.42 |
32.86 |
164.4 |
0.6 |
实施例34 |
3.92 |
0.42 |
33.39 |
164.5 |
0.6 |
催化剂 |
催化活性×10<sup>-4</sup>gPE/gCat |
堆密度g/cm<sup>3</sup> |
特性粘度(dl/g) |
平均粒度d50(μm) |
粒度分布(d90-d10)/d50 |
实施例35 |
3.85 |
0.41 |
34.36 |
164.2 |
0.6 |
实施例36 |
4.39 |
0.40 |
34.23 |
164.0 |
0.6 |
实施例37 |
4.27 |
0.40 |
33.96 |
164.1 |
0.6 |
实施例38 |
3.59 |
0.39 |
34.31 |
164.1 |
0.6 |
实施例39 |
3.47 |
0.41 |
32.95 |
165.0 |
0.6 |
实施例40 |
3.63 |
0.42 |
32.85 |
164.0 |
0.6 |
实施例41 |
3.55 |
0.42 |
33.45 |
163.7 |
0.6 |
实施例42 |
3.76 |
0.41 |
34.09 |
163.9 |
0.6 |
实施例43 |
3.71 |
0.42 |
34.35 |
164.7 |
0.6 |
实施例44 |
3.75 |
0.41 |
34.06 |
164.1 |
0.6 |
实施例45 |
3.65 |
0.41 |
34.24 |
165.0 |
0.6 |
实施例46 |
3.79 |
0.41 |
34.09 |
164.0 |
0.6 |
实施例47 |
3.67 |
0.41 |
34.15 |
164.8 |
0.6 |
改变Si/Ti摩尔比对催化性能的影响。
用实施例47催化剂,采用制备实施例1的方法进行聚合,不同Si/Ti摩尔比、催化活性和UHMWPE聚乙烯物性见表4。
表4
Si/Ti摩尔比 |
催化活性×10<sup>-4</sup>gPE/gCat |
堆密度g/cm<sup>3</sup> |
特性粘度(dl/g) |
15 |
3.67 |
0.41 |
34.15 |
10 |
4.22 |
0.41 |
28.15 |
5 |
4.71 |
0.39 |
25.39 |
2 |
5.80 |
0.39 |
15.47 |
从表4的结果可以看出,通过改变Si/Ti摩尔比可以调节聚合物的分子量。