CN102040688A - 一种负载茂金属的六方介孔材料在乙烯聚合中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种负载茂金属催化剂的六方介孔材料在烯烃聚合中的应用，所述的六方介孔材料是一种粒径范围在3～20微米的六方介孔材料，在该六方介孔材料的外表面和/或内孔壁负载助催化剂甲基铝氧烷(MAO)和茂金属催化剂前体，该六方介孔材料负载后介孔结构稳定，微观形貌依旧为分散性较好的六方，和工业常用的硅胶的微观形貌类似，乙烯聚合活性明显高于MCM-41且与MCM-41的棒状结构相比，将更有益于工业应用。

Description

一种负载茂金属的六方介孔材料在乙烯聚合中的应用

技术领域

本发明涉及负载茂金属的六方介孔材料在聚烯烃反应中的应用，属于烯烃聚合领域。

背景技术

茂金属催化剂的开发应用是继传统的Ziegler-Natta催化剂之后，烯烃聚合催化剂领域的又一重大突破，特别是在80年代，Kaminsky和Sinn等人(Angew.Chem.，1980，19，390；Adv.Organoment.Chem.，1980，18，99.)开发出高效助催化剂甲基铝氧烷(MAO)，使得茂金属催化剂的研究进入到了一个迅速发展的阶段。由于均相茂金属催化剂达到高活性所需的MAO用量大，生产成本高，并且得到的聚合物无粒形，无法在应用广泛的淤浆法或气相法聚合工艺上使用，解决上述问题的有效办法就是把可溶性茂金属催化剂进行负载化处理。目前，有关茂金属负载化研究报道非常多，其中以SiO₂为载体的报道研究最多(CN1174848，CN 1174849，CN 1356343，US4,808,561，US5,026,797，US5,763,543，US5,661,098)。为深入研究新的载体/催化剂/助催化剂体系，有必要尝试不同的载体，以推动载体催化剂和聚烯烃工业的进一步发展。

分子筛是具有均匀规整的一维或立体网状筛孔的材料，表面活性较高、吸附性能好、具有明显的分子择形性能，它允许一定尺寸的单体及其形成的聚合物插入分子筛的孔道中。尤其是有序介孔分子筛(孔径＝2～50nm)((a)Tudor J，Willington L，O’Hare D，et al.Chem Commun，1996，17：2031.(b)Bergman J S，Chen H，Giannelis E P，et al.Chem Commun，1999，21：2179.(c)Beck J S，Vartuli J C，Roth WJ，et at.J Am Chem Soc，1992，114：10834.(d)Corma A.Chem Rev，1997，97：2373.(e)Ying J Y，Mehnert C P，Wong M S.Angew Chem Int Ed，1999，38：56.(f)徐如人.分子筛与多孔材料化学，北京.科学出版社.2004.)，与沸石分子筛相比，具有较大的比表面积和相对较大的孔径，可以处理较大的分子或基团，可使催化剂很好的发挥其应有的催化活性。由于分子筛具有纳米孔道，聚合过程中单体的插入方式和链增长过程与自由空间不同，有限的空间在一定程度上减少了双基终止的机会，使聚合反应表现出”活性聚合”的特征((a)Ng SM，Ogino S，Aida T，et al.Macromol Rapid Commun，1997，18：991.(b)Kageyama K，Ng SM，Ichikawa H，et al.Macromol Symp，2000，157：137.(c)Kageyama K，Ogino S，Tatsumi T，et al.Macromolecules，1995，28：1320.(d)Kageyama K，Ogino S，Aida T，Macromolecules，1998，31：4069.)。

将烯烃聚合催化剂负载于分子筛，具有如下优点：

(1)人工合成的分子筛不含有易使聚合物降解的杂质，将提高聚烯烃材料的抗老化性能；

(2)分子筛纳米孔道具有载体与反应器的双重功能，催化剂负载效率高，聚合过程容易控制，并且可以在聚合反应器的骨架中键入活性中心，加快反应进程，提高产率；

(3)对单体插入与聚合反应有立体选择效应，能提高聚烯烃的分子量和熔点。

由此可见，分子筛负载烯烃聚合催化剂的出现为烯烃配位聚合开辟了一个新的领域。

目前文献上报道的负载茂金属催化剂的介孔材料为MCM-41，但催化乙烯聚合时活性仅为7.3×10⁵gPE/(mol Zr h)((a)Weckhuysen B M，Rao R R，Pelgrims J，et al.Chem Eur J，2000，6：2960.(b)Rao R R，Weckhuysen B M，Schoonheydt R A.Chem Commun，1999，445)，而以MAO处理后再负载茂金属的MCM-41进行乙烯聚合后催化活性为10⁶gPE/(mol Zr h)(Chen S T，Guo C Y，Lei L，et al.Polymer，2005，46：11093.)。介孔材料MCM-41负载催化剂后进行乙烯聚合活性较低的原因主要是MCM-41的孔壁结构热稳定性和水热稳定性较差，在负载过程孔壁就有部分坍塌，影响了负载效果，以至于影响了催化活性。因此本发明寻求一种介孔结构稳定的介孔材料，负载后依旧可以保持有序的介孔结构。实验结果表明该六方介孔材料负载后介孔结构稳定，微观形貌在助催化剂甲基铝氧烷(MAO)和主催化剂双(1-甲基-3-丁基-环戊二烯基)二氯化锆负载后依旧为分散性较好的六方形，说明这种新型六方催化剂是一种结构稳定，性能较好的新材料，在未来的工业应用中有着非常广泛的应用前景。本发明的催化剂负载后依旧保持分散，和工业常用的硅胶的微观形貌相接近，和MCM-41的棒状结构相比，更有益于工业应用。

针对上述问题，本发明合成出微米级别的六方介孔材料(Chengzhong Yu，Bozhi Tian，Jie Fan，G.D.Stucky，Dongyuan Zhao，J Am Chem Soc.2002，124(17)，4556-4457)，并在介孔孔道中负载了助催化剂甲基铝氧烷(MAO)和主催化剂双(1-甲基-3-丁基-环戊二烯基)二氯化锆。本发明的催化剂负载后依旧保持分散的六方形，和工业常用的硅胶的微观形貌类似，和MCM-41的棒状结构相比，更有益于工业应用。用于聚乙烯催化反应中(均聚和共聚)，催化活性远高于文献报道的介孔材料MCM-41作为催化剂应用在聚乙烯催化反应中的催化活性，与工业中常用的硅胶活性相当。

发明内容

本发明提供一种采用负载了助催化剂甲基铝氧烷(MAO)和主催化剂茂金属催化剂前体的微米级别的六方介孔材料在聚烯烃的应用方法。本发明合成出了微米级别的六方介孔材料，并在介孔孔道中负载了助催化剂甲基铝氧烷(MAO)和主催化剂茂金属催化剂前体后将其应用在聚烯烃的反应中，在进行乙烯聚合时的活性远高于文献上报到的常用的MCM-41负载催化后的活性。催化剂在负载后依旧保持分散的六方形，和工业常用的硅胶的微观形貌类似，与MCM-41的棒状结构相比，更有益于工业应用。

本发明负载茂金属的六方介孔材料在聚烯烃反应中的应用，使用的一种含助催化剂甲基铝氧烷(MAO)和主催化剂茂金属催化剂前体的六方介孔材料，是采用下述方法制备的：

(1)将三嵌段共聚物聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(EO₁₃₂PO₆₀EO₁₃₂，缩写为F108)和K₂SO₄，加入到盐酸水溶液中，按摩尔投料比计，三嵌段共聚物聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯∶K₂SO₄∶水∶氯化氢＝1∶100～800∶10000～30000∶100～900，在25～60℃温度下搅拌至溶解；

(2)在上一步所得溶液中加入正硅酸乙酯，在25～60℃温度下搅拌10分钟以上后在25～60℃温度下静置10小时以上；按摩尔投料比计，三嵌段共聚物聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯∶正硅酸乙酯＝1∶20～200；

(3)将晶化后产物洗涤、干燥，得到六方介孔材料原粉；

(4)将所得介孔材料原粉在300～600℃煅烧8～20小时，脱除模版剂，得到六方介孔材料；

(5)将六方介孔材料在氮气保护下300～900℃煅烧7～10小时(热活化)，得到热活化后的六方介孔材料；

(6)将热活化后的六方介孔材料转移至经氮气充分置换后的玻璃反应器中，加入精制的甲苯、MAO助催化剂，于25～80℃搅拌1～10小时，完毕后，用己烷洗涤，最后将固体用氮气吹干，得到具有很好的流动性的甲基铝氧烷/FDU6络合物载体(MAO/FDU6)。六方介孔材料、甲苯和甲基铝氧烷的用量，按摩尔比计，为1∶10～15∶0.5～1.5。

(7)在氮气保护下，将甲基铝氧烷/FDU6络合物载体加入到反应器中，加入精制的甲苯搅拌制成浆液，25～80℃搅拌条件下，缓慢滴加的茂金属催化剂前体，搅拌反应0.3～2小时。反应结束后，静置，滤出液体，用甲苯和己烷洗涤，将固体用氮气吹干，得到负载助催化剂甲基铝氧烷(MAO)和主催化剂茂金属催化剂前体的六方介孔材料。六方介孔材料、甲苯和茂金属化合物的用量，按摩尔比计，为1∶10～20∶5×10^-3～20×10^-3。所述的精制的甲苯是经过除水除氧步骤后得到的甲苯。所述的茂金属催化剂前体优选双(1-甲基-3-丁基-环戊二烯基)二氯化锆或双(正丁基环戊二烯基)二氯化锆等。

本发明一种负载助催化剂甲基铝氧烷(MAO)和主催化剂茂金属催化剂前体的六方状介孔材料在乙烯聚合中的应用：

在聚合时，负载助催化剂甲基铝氧烷(MAO)和主催化剂茂金属催化剂前体的六方状介孔材料加入聚合反应器中。其中聚合所使用的溶剂选自烷基或芳香烃或卤代烃。优选为己烷、戊烷、庚烷、苯、甲苯、二氯甲烷、氯仿、二氯乙烷中的一种或它们的混合物，最优选为己烷、甲苯、庚烷中的一种或它们的混合物。负载助催化剂甲基铝氧烷(MAO)和主催化剂茂金属催化剂前体的六方介孔材料在聚合时的浓度为1×10^-8摩尔/升～1×10^-3摩尔/升，优选浓度范围为1×10^-8摩尔/升～1×10^-5摩尔/升。

聚合温度为-78℃～100℃，优选为0℃～90℃。

聚合压力为0.01～10.0MPa，优选0.01～2.0MPa。

本发明所述的催化剂体系可用于烯烃的聚合或共聚合反应，特别适用于乙烯均聚合或乙烯与其它α-烯烃的共聚合反应，其中α-烯烃采用丙烯、丁烯、戊烯、己烯、辛烯、4-甲基戊烯-1等。

本发明的有益效果是：

提供一种负载了助催化剂甲基铝氧烷(MAO)和主催化剂茂金属催化剂前体的微米级别的六方介孔材料在聚烯烃的应用方法。将该材料应用在聚烯烃的反应中，再进行乙烯聚合时的活性远高于文献上报到的常用的介孔材料MCM-41负载催化后的活性。

附图说明

图1是六方介孔材料FDU6与FDU6-MB的XRD结构对比图。

图2是六方介孔材料FDU6与FDU6-MB的孔径分布和N2吸脱附曲线图。

图3是六方介孔材料FDU6与FDU6-MB的孔结构示意图(透射电镜TEM)。

图4是六方介孔材料FDU6与FDU6-MB的微观形貌图(扫描电镜SEM)。

图5是六方介孔材料FDU6与FDU6-MB的微观形貌图(SEM)。

图6是六方介孔材料FDU6与FDU6-MB的能量色散谱仪分析结果图。

具体实施方式

实施例1

制备负载助催化剂甲基铝氧烷(MAO)和茂金属催化剂前体双(1-甲基-3-丁基-环戊二烯基)二氯化锆的六方介孔材料：

(1)将2.0克F108(Fuka公司商品名为

的物质)与5.24克K₂SO₄加入到60克的2当量(2N)的盐酸溶液中，在38℃搅拌至F108完全溶解；

(2)再将4.2克正硅酸乙酯加入到上述溶液中，在38℃搅拌15分钟，在38℃静置24小时；

(3)经过加入100克去离子水稀释、过滤、洗涤、干燥后得到原粉介孔材料；

(4)将原粉介孔材料用400℃煅烧10小时，脱除模版剂，得到六方介孔材料；

(5)将六方介孔材料在氮气保护下400℃煅烧10小时(热活化)，脱除羟基和残存水分，得到热活化后的六方介孔材料；

(6)将热活化后的六方介孔材料0.88克转移至经氮气充分置换后的250毫升玻璃反应器中，加入精制的甲苯20毫升，MAO助剂0.88克于50℃搅拌4小时。完毕后，再用20毫升己烷洗涤三次，最后将固体用氮气吹干，得到甲基铝氧烷/FDU6络合物载体(MAO/FDU6)。

(7)在氮气保护下，将烷基铝氧烷/FDU6络合物载体加入到反应器中，加入精制的甲苯20毫升，搅拌制成浆液，30℃下，缓慢滴加60毫克的茂金属催化剂前体双(1-甲基-3-丁基-环戊二烯基)二氯化锆，搅拌反应0.5小时。反应结束后，静置，滤出液体，用20毫升甲苯洗涤三次，接着，用40毫升己烷洗涤两次，将固体用氮气吹干，得到催化剂并将所得的负载催化剂命名为FDU6-MB。

实施例2

制备负载助催化剂甲基铝氧烷(MAO)和茂金属催化剂前体双(正丁基环戊二烯基)二氯化锆BUCP的六方介孔材料：

制备负载助催化剂甲基铝氧烷/FDU6络合物载体(MAO/FDU6)步骤同实施例1。制备负载茂金属催化剂前体双(正丁基环戊二烯基)二氯化锆BUCP的六方介孔材料：

在氮气保护下，将甲基铝氧烷/FDU6络合物载体加入到反应器中，加入精制的甲苯20毫升，搅拌制成浆液，30℃下，缓慢滴加43毫克的茂金属催化剂前体双(正丁基环戊二烯基)二氯化锆)BUCP，搅拌反应0.5小时。反应结束后，静置，滤出液体，用20毫升甲苯洗涤三次，接着，用40毫升己烷洗涤两次，将固体用氮气吹干，得到催化剂并将所得的负载催化剂命名为FDU6-UB。

实施例3

FDU6-MB乙烯均聚合

在2升的不锈钢高压聚合釜中，用氮气和乙烯各置换三次，然后加入200毫升己烷溶剂，将釜温升至80℃，再加入其余800毫升己烷溶剂，随着己烷的加入，将2毫升浓度为1摩尔/升的三乙基铝(TEA)己烷溶液加入，接着加入FDU6-MB157.6毫克，将压力升至并维持1.0MPa，在80℃反应1小时。聚合反应结束后，收集聚乙烯颗粒粉料，称重得311克，催化剂的效率为1973g PE/gcat·h(1.7×10⁸gPE/(mol Zr h))，堆密度(BD)为0.34g/ml，熔融指数：MI_2.16＝0.017g/10min。

FDU6-MB乙烯共聚合

在2升的不锈钢高压聚合釜中，用氮气和乙烯各置换三次，然后加入200毫升己烷溶剂，将釜温升至80℃，再加入其余800毫升己烷溶剂，随着己烷的加入，将2毫升浓度为1摩尔/升的三乙基铝(TEA)己烷溶液和10毫升己烯加入，接着加入FDU6-MB134.6毫克，将压力升至并维持1.0MPa，在80℃反应1小时。聚合反应结束后，收集聚乙烯颗粒粉料，称重得320克，催化剂的效率为2377g PE/gcat·h(2.4×10⁸gPE/(mol Zrh))，堆密度(BD)为0.3g/ml，熔融指数：MI_2.16＝0.048g/10min。

实施例4

FDU6-UB乙烯均聚合

在2升的不锈钢高压聚合釜中，用氮气和乙烯各置换三次，然后加入200毫升己烷溶剂，将釜温升至80℃，再加入其余800毫升己烷溶剂，随着己烷的加入，将2毫升浓度为1摩尔/升的三乙基铝(TEA)己烷溶液加入，接着加入FDU6-UB87.4毫克，将压力升至并维持1.0MPa，在70℃反应1小时。聚合反应结束后，收集聚乙烯颗粒粉料，称重得314克，催化剂的效率为3500PE/gcat·h(1.8×10⁸gPE/(mol Zrh))，堆密度(BD)为0.3g/ml，熔融指数：MI_2.16＝0.23g/10min。

对比例

硅胶(ES757)负载茂金属催化剂的制备

在氮气保护下，将1.0克ES757硅胶加入到反应器中，加入5毫升精制甲苯，搅拌制成浆液，加入5克MAO甲苯溶液(MAO含量为10wt％)的30℃下，搅拌反应4小时后，用甲苯洗涤3次，压滤出液体，再加入5毫升甲苯，缓慢滴加10毫升浓度为1.0×10^-5摩尔/升的茂金属催化剂前体双(1-甲基-3-丁基-环戊二烯基)二氯化锆的甲苯溶液，搅拌反应1小时。反应结束后，静置，滤出液体，用5毫升甲苯洗涤两次，接着，用40毫升己烷洗涤两次，将固体用氮气吹干，得到具有很好的流动性的负载茂金属催化剂。将所得的负载催化剂命名为ES757-1。催化剂的效率为961g PE/gcat·h，堆密度(BD)为0.30g/ml，熔融指数：MI_2.16＝0.038g/10min。

图1是六方介孔材料FDU6与FDU6-MB的XRD结构对比图(横坐标为2θ，单位为°)。其中图(1)a为六方介孔材料FDU6的XRD谱图，图(1)b为FDU6-MB的XRD谱图。从XRD谱图中可以明显地看出样品FDU6与FDU6-MB均在小角区出现1个与立方体心Im3m相符的(110)面的衍射峰(2θ＝0.6°)和(200)面的衍射肩峰(2θ＝1.2°)。(110)面的衍射峰强度高、峰形窄，说明六方介孔材料FDU6具有很好的长程有序结构，这和文献报道的介孔材料XRD谱图相一致(Chengzhong Yu，Bozhi Tian，Jie Fan，Galen D.Stucky，Dongyuan Zhao，J.Am.Chem.Soc.2002，124，4556-4557)。

图2是六方介孔材料FDU6(a)与FDU6-MB(b)的孔径分布(横坐标为孔径，单位为0.1nm)和氮气吸附-脱附曲线图(横坐标为相对压力，单位为p/p₀)，由孔径分布图可以看出六方介孔材料FDU6具有窄孔径分布，并且孔道非常均匀，负载后的样品FDU6-MB保持窄的孔径分布和均匀孔道。图2中氮吸附脱-附等温线表明六方介孔材料FDU6和FDU6-MB是典型的IUPAC定义的第IV类吸附-脱附等温线，样品具有H2型滞后环，证明了六方介孔材料FDU6和FDU6-MB具有文献报道的特有的立方笼形结构的介孔结构(Chengzhong Yu，Bozhi Tian，Jie Fan，Galen D.Stucky，Dongyuan Zhao，J.Am.Chem.Soc.2002，124，4556-4557)。在相对分压0.4-0.5之间的脱附分支亦表明该材料具有笼状的孔穴结构。

图3为样品六方介孔材料FDU6与FDU6-MB的透射电镜照片。其中图(3)a为六方介孔材料FDU6的透射电镜图，图(3)b为FDU6-MB的透射电镜图。从图3中可清楚看到样品六方介孔材料FDU6与FDU6-MB的(100)晶面的孔的形状。由图可知样品均具有立方体心的Im3m结构。

图4是六方介孔材料FDU6与FDU6-MB的微观形貌图(SEM)。其中图(4)a为六方介孔材料FDU6的微观形貌图，图(4)b为FDU6-MB的微观形貌图。图5是六方介孔材料FDU6与FDU6-MB的微观形貌图(SEM)。其中图(4)a为六方介孔材料FDU6的局部放大微观形貌图，图(4)b为FDU6-MB的局部放大微观形貌图。由图可知，六方介孔材料FDU6与FDU6-MB的微观形貌图均为六方形，粒径大小为微米级别，经过负载和催化反应后六方介孔材料的微观形貌基本保持不变，依旧保持较好的六方形。图6是六方介孔材料FDU6与FDU6-MB的能量色散谱仪分析结果。由图中显示结果看出负载了茂金属催化剂的样品FDU6-MB中出现了FDU6中所没有的Al和Zr，证明样品六方介孔材料的负载上助催化剂甲基铝氧烷(MAO)和主催化剂双(1-甲基-3-丁基-环戊二烯基)二氯化锆。

表1为六方介孔材料FDU6和FDU6-MB孔结构参数，与文献报道的介孔材料的孔结构参数相一致(Chengzhong Yu，Bozhi Tian，Jie Fan，Galen D.Stucky，Dongyuan Zhao，J.Am.Chem.Soc.2002，124，4556-4557)。

表1六方介孔材料FDU6孔结构参数

通过元素分析ICP结果显示，负载了助催化剂甲基铝氧烷(MAO)和主催化剂双(1-甲基-3-丁基-环戊二烯基)二氯化锆的六方介孔材料的铝的质量含量为17.5％，Zr的质量含量为0.68％。

Claims (5)

1.一种负载茂金属的六方介孔材料在乙烯聚合中的应用，其特征在于，在乙烯聚合中采用负载了助催化剂甲基铝氧烷(MAO)和主催化剂茂金属催化剂前体的微米级别的六方介孔材料作为烯烃聚合催化剂的应用方法。

2.根据权利要求1所述负载茂金属的六方介孔材料在乙烯聚合中的应用，其特征在于，聚合所使用的溶剂为己烷、戊烷、庚烷、苯、甲苯、二氯甲烷、氯仿、二氯乙烷中的一种或它们的混合物。

3.根据权利要求2所述负载茂金属的六方介孔材料在乙烯聚合中的应用，其特征在于，聚合所使用的溶剂为己烷、庚烷、甲苯中的一种或它们的混合物。

4.根据权利要求2所述负载茂金属的六方介孔材料在乙烯聚合中的应用，其特征在于，在聚合反应中负载助催化剂甲基铝氧烷和主催化剂茂金属催化剂前体的六方介孔材料的浓度为1×10^-8摩尔/升～1×10^-3摩尔/升，聚合温度为-78℃～100℃，聚合压力为0.01～10.0MPa。

5.根据权利要求4所述负载茂金属的六方介孔材料在乙烯聚合中的应用，其特征在于，在聚合反应中负载助催化剂甲基铝氧烷和主催化剂茂金属催化剂前体的六方介孔材料的浓度为1×10^-8摩尔/升～1×10^-5摩尔/升，聚合温度为0℃～90℃，聚合压力为0.01～2.0MPa。

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