CN102718895B - 一种负载型茂金属催化剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种负载型茂金属催化剂，其特征在于，该催化剂包括载体和负载在载体上的烷基铝氧烷和茂金属化合物，所述载体为棒状大孔二氧化硅介孔载体。本发明还提供了一种制备上述的负载型茂金属催化剂的方法，该方法包括：在惰性气体保护下，先后在载体上负载烷基铝氧烷和茂金属化合物。根据本发明的负载型茂金属催化剂，所述茂金属化合物具有夹心结构，并且环戊二烯基上具有取代基，其中所述的棒状大孔介孔二氧化硅具有高度有序的大孔径(11-12纳米)和孔体积、良好的机械强度以及良好的大分子催化吸附性能，因此具有高的催化活性。

Description

一种负载型茂金属催化剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种负载型茂金属催化剂及其制备方法。

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。由于均相茂金属催化剂达到高活性所需的甲基铝氧烷(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。并且，茂金属催化剂的活性很高，在聚合反应过程中易于发生局部聚合速度较快，进而导致爆聚。

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，有关茂金属催化剂负载化研究报道非常多，其中以SiO₂为载体的报道研究最多，例如：CN1174848A、CN1174849A、CN1356343A、US4,808,561、US5,026,797、US5,763,543、US5,661,098均公开了以SiO₂为载体的负载型茂金属催化剂。然而，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。并且，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。

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。

与工业用硅胶相比，有序介孔分子筛具有较大的比表面积，可以处理较大的分子或基团，可使催化剂很好地发挥其应有的催化活性。目前常用孔径为5-7纳米的介孔分子筛作为催化剂载体，采用上述载体制得的催化剂的催化活性仍有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的负载型茂金属催化剂的催化活性较低的问题，提供一种催化活性较高的负载型茂金属催化剂及其制备方法。

本发明的发明人发现，通过采用孔径适当增大(如孔径为11-20纳米)的介孔材料作为载体，获得的催化剂的活性能够明显提高，究其原因，可能是现有的催化剂采用孔径为5-7纳米的介孔分子筛作为载体时，负载过程中茂金属进入孔道易于发生堵塞，导致催化剂的催化活性不能充分发挥出来。除此之外，在进行乙烯聚合时，由于负载茂金属主要是负载进入丰富的孔道内部，聚合时诱导期较长，不会出现有损于聚合反应釜的爆聚现象。

本发明提供了一种负载型茂金属催化剂，其特征在于，该催化剂包括载体和负载在所述载体上的烷基铝氧烷和茂金属化合物，所述载体为棒状大孔介孔二氧化硅，所述棒状大孔介孔二氧化硅的最可几孔径为11-20纳米，所述茂金属化合物具有式1所示的结构，

式1

其中，R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₁’、R₂’、R₃’、R₄’和R₅’各自独立地为氢或C₁-C₅的烷基，且R₁、R₂、R₃、R₄和R₅中的至少一个为C₁-C₅的烷基，R₁’、R₂’、R₃’、R₄’和R₅’中的至少一个为C₁-C₅的烷基，M为钛、锆和铪中的一种，X为卤素。

本发明还提供了一种制备上述的负载型茂金属催化剂的方法，该方法包括：在惰性气体保护下，先后在载体上负载烷基铝氧烷和茂金属化合物。

根据本发明的负载型茂金属催化剂，所述茂金属化合物具有夹心结构，并且环戊二烯基上具有取代基，载体为最可几孔径为11-20纳米的棒状大孔介孔二氧化硅，因此催化剂的催化活性明显提高。

具体地，根据本发明的负载型茂金属大孔催化剂在用于催化烯烃聚合时，催化效率可以达到1887gPE/gcat·h(即，3.4×10⁷gPE/mol Zr·h)，而在其他条件相同的情况下，工业用955硅胶负载具有式1所示的结构的茂金属化合物时的催化效率仅为1300gPE/gcat·h(即，2.9×10⁷gPE/mol Zr·h)。

附图说明

图1为棒状大孔介孔二氧化硅载体KKSBA-15的X-射线衍射图(a)，横坐标单位为2θ(°)，纵坐标为强度；

图2为负载型茂金属催化剂KKSBA-15-BU的X-射线衍射图(b)，横坐标单位为2θ(°)，纵坐标为强度；

图3和图4分别为棒状大孔介孔二氧化硅载体KKSBA-15(a)与负载型茂金属催化剂KKSBA-15-BU(b)的N₂吸脱附曲线图，其中，横坐标为相对压力，单位为p/p₀，纵坐标为孔体积吸附，单位为cm³/gSTP；

图5和图6分别为棒状大孔介孔二氧化硅载体KKSBA-15(a)与负载型茂金属催化剂KKSBA-15-BU的孔径分布图(b)，其中，横坐标为孔径，单位为nm，纵坐标为dv/dlog，单位为cm³/g；

图7中a为棒状大孔介孔二氧化硅载体KKSBA-15的扫描电镜照片，b负载型茂金属催化剂KKSBA-15-BU的扫描电镜照片。

具体实施方式

本发明提供了一种负载型茂金属催化剂，其中，该催化剂包括载体以及负载在所述载体上的茂金属化合物和烷基铝氧烷，所述载体为棒状大孔介孔二氧化硅载体，所述棒状大孔介孔二氧化硅的最可几孔径为11-20纳米，所述茂金属化合物具有式1所示的结构，

式1

其中，R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₁’、R₂’、R₃’、R₄’和R₅’各自独立地为氢或C₁-C₅的烷基，且R₁、R₂、R₃、R₄和R₅中的至少一个为C₁-C₅的烷基，R₁’、R₂’、R₃’、R₄’和R₅’中的至少一个为C₁-C₅的烷基，M为钛、锆和铪中的一种，X为卤素。

根据本发明的负载型茂金属催化剂，负载在所述载体上的茂金属化合物和烷基铝氧烷的量可以在很大的范围内变动。本发明的发明人发现，以所述负载型茂金属催化剂的总量为基准，所述茂金属化合物和烷基铝氧烷的总量为20-50重量％，所述载体的含量为50-80重量％时，不仅可以获得令人满意的催化效果，而且还可以降低成本。更优选地，以所述负载型茂金属催化剂的总量为基准，所述茂金属化合物和烷基铝氧烷的总量为30-40重量％，所述载体的含量为60-70重量％。最优选情况下，以所述负载型茂金属催化剂的总量为基准，所述茂金属化合物和烷基铝氧烷的总量为33-34重量％，所述载体的含量为66-67重量％。

根据本发明的负载型催化剂，所述烷基铝氧烷和茂金属化合物之间的比例可以为烯烃聚合领域的技术人员公知的含量。具体地，所述烷基铝氧烷中的铝与所述茂金属化合物中的M的摩尔比可以为50-200∶1，优选为80-120∶1，更优选为90-110∶1，最优选为100∶1。根据本发明的负载型茂金属催化剂，式1中的M可以为钛、锆和铪中的一种。不同茂金属化合物分子中的M可以相同或不同，优选地，M为锆。

根据本发明的负载型茂金属催化剂，式1中的X为卤素。具体地，式1中的X可以为氟、氯、溴和碘中的一种。优选地，式1中的X为氯或溴。不同茂金属化合物分子中的X可以相同或不同，更优选地，式1中的X为氯。

根据本发明，式1中，环戊二烯基为能够与中心金属形成η⁵键且带有烷基取代基的环戊二烯阴离子的衍生物。优选地，式1中的环戊二烯基上的R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₁’、R₂’、R₃’、R₄’和R₅’各自独立地为氢或C₁-C₅的烷基，且R₁、R₂、R₃、R₄和R₅中的至少一个为C₁-C₅的烷基，R₁’、R₂’、R₃’、R₄’和R₅’中的至少一个为C₁-C₅的烷基。

本发明中，所述C₁-C₅的烷基可以为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、叔戊基和新戊基中的一种或多种。

满足上述要求的环戊二烯基的具体实例包括：甲基环戊二烯基、乙基环戊二烯基、正丙基环戊二烯基、异丙基环戊二烯基、正丁基环戊二烯基、仲丁基环戊二烯基、异丁基环戊二烯基、叔丁基环戊二烯基、正戊基环戊二烯基、异戊基环戊二烯基、叔戊基环戊二烯基、新戊基环戊二烯基、1，2-二甲基环戊二烯基、1，3-二甲基环戊二烯基、1，2，3-三甲基环戊二烯基、1，2，4-三甲基环戊二烯基、1，2，3，4-四甲基环戊二烯基、五甲基环戊二烯基、1，2-二乙基环戊二烯基、1，3-二乙基环戊二烯基、1，2，4-三乙基环戊二烯基、1-甲基-2-乙基环戊二烯基、1-甲基-3-乙基环戊二烯基、1，3-二正丙基环戊二烯基、1-甲基-3-正丙基环戊二烯基、1，3-二异丙基环戊二烯基、1-甲基-3-异丙基环戊二烯基、1，3-二正丁基环戊二烯基、1-甲基-3-正丁基环戊二烯基、1，3-二仲丁基环戊二烯基、1-甲基-3-仲丁基环戊二烯基、1，3-二异丁基环戊二烯基、1-甲基-3-异丁基环戊二烯基、1，3-二叔丁基环戊二烯基、1-甲基-3-叔丁基环戊二烯基、1，3-二正戊基环戊二烯基、1-甲基-3-正戊基环戊二烯基、1，3-二异戊基环戊二烯基、1-甲基-3-异戊基环戊二烯基、1，3-二叔戊基环戊二烯基、1-甲基-3-叔戊基环戊二烯基、1，3-二新戊基环戊二烯基和1-甲基-3-新戊基环戊二烯基。

优选地，式1中的R₁、R₁’和各自独立地为C₁-C₅的烷基，R₂、R₃、R₄、R₅、R₂’、R₃’、R₄’和R₅’均为氢。

满足上述要求的环戊二烯基的具体实例包括：甲基环戊二烯基、乙基环戊二烯基、丙基环戊二烯基、异丙基环戊二烯基、正丁基环戊二烯基、仲丁基环戊二烯基、异丁基环戊二烯基、叔丁基环戊二烯基、正戊基环戊二烯基、异戊基环戊二烯基、叔戊基环戊二烯基和新戊基环戊二烯基。

更优选地，R₁和R₁’为C₄的烷基，R₂、R₃、R₄、R₅、R₂’、R₃’、R₄’和R₅’均为氢。具体地，所述环戊二烯基为正丁基环戊二烯基、仲丁基环戊二烯基、异丁基环戊二烯基、叔丁基环戊二烯基中的一种。

最优选地，所述环戊二烯基为正丁基环戊二烯基。

根据本发明的负载型茂金属催化剂，所述烷基铝氧烷可以为茂金属催化剂领域常用的各种烷基铝氧烷。一般地，所述烷基铝氧烷中的烷基为C₁-C₅的烷基。优选地，所述烷基铝氧烷为甲基铝氧烷。

本发明的发明人在研究过程中发现，在式1中的R₁和R₁’为正丁基，M为锆，X为氯，即所述茂金属化合物为双(正丁基环戊二烯基)二氯化锆，且烷基铝氧烷为甲基铝氧烷时，所述负载型茂金属催化剂用于催化烯烃的聚合反应时，显示出优异的催化活性。

根据本发明的负载型茂金属催化剂，其中，棒状载体的长度为2-20微米，长径比为2-8，比表面积为300-600平方米/克，孔容为0.3-1.5毫升/克，最可几孔径为11-20纳米；

优选情况下，棒状载体的长度为3-15微米，长径比为3-7，比表面积为300-500平方米/克，孔容为0.5-1.2毫升/克，最可几孔径为11-15纳米；

进一步优选情况下，棒状载体的长度为3-9微米，长径比为4-6，比表面积为300-400平方米/克，孔容为0.8-1.2毫升/克，最可几孔径为11-12纳米；

最优选情况下，棒状载体的长度为4微米，长径比为5，比表面积为351平方米/克，孔容为1.0毫升/克，最可几孔径为12纳米。

所述棒状大孔介孔二氧化硅可以通过包括以下步骤的方法制备得到：

(1)将模板剂、水和HCl在25-60℃温度下搅拌至溶解；

(2)将步骤(1)所得溶液与正硅酸乙酯在25-60℃温度下搅拌0.2小时以上；

(3)将步骤(2)所得产物在晶化条件下晶化；

(4)将步骤(3)所得晶化产物与碳原子数为1-4的醇溶剂接触，以脱除模板剂；

所述模板剂为聚氧化乙烯-聚氧化丙烯-聚氧化乙烯三嵌段共聚物。

所述晶化条件包括晶化温度为90-180℃，晶化时间为10-40小时。

所述晶化产物与碳原子数为1-4的醇溶剂接触的条件包括温度为90-120℃，时间为10-40小时。

所述晶化产物与碳原子数为1-4的醇溶剂的重量比为1∶100-300。

所述碳原子数为1-4的醇溶剂为乙醇。

按摩尔比计，聚氧化乙烯-聚氧化丙烯-聚氧化乙烯∶水∶氯化氢＝1∶9000-15000∶100-500，优选1∶10000∶290。其中，聚氧化乙烯-聚氧化丙烯-聚氧化乙烯的摩尔数根据聚氧化乙烯-聚氧化丙烯-聚氧化乙烯的平均分子量来计算。

本发明还提供了一种制备所述负载型茂金属催化剂的方法，该方法包括：在惰性气体保护下，先后在载体上负载烷基铝氧烷和茂金属化合物。

根据本发明的方法，所述载体可以为棒状大孔介孔二氧化硅。

根据本发明的负载型茂金属催化剂的制备方法，所述载体、烷基铝氧烷、茂金属化合物已在上文中进行了描述，在此不再赘述。

根据本发明的方法包括在惰性气体保护下，先后在载体上负载烷基铝氧烷和茂金属化合物。可以采用本领域技术人员公知的方法将烷基铝氧烷和茂金属化合物负载在所述载体上。优选地，先后在载体上负载烷基铝氧烷和茂金属化合物的方法包括：在惰性气体保护下，将所述载体与第一溶液接触，所述第一溶液含有所述烷基铝氧烷和第一溶剂；将脱除了第一溶剂的载体与第二溶液接触，所述第二溶液含有所述茂金属化合物和第二溶剂，并脱除第二溶剂。所述第一溶剂和第二溶剂可以相同或不同，优选均为甲苯。

按摩尔比计，载体∶甲苯∶烷基铝氧烷的用量比为1∶10-100∶0.1-2。按摩尔比计，载体∶甲苯∶茂金属化合物的用量比为1∶20-150∶2×10^-3-19×10^-3。其中，烷基铝氧烷的摩尔数以RAlO计，其中R为烷基，例如甲基铝氧烷的摩尔数以CH₃AlO(即58)计，载体的摩尔数以二氧化硅计。

本发明对于将所述载体与第一溶液接触以及将脱除了所述第一溶剂的载体与第二溶液接触的方法没有特别限定，可以为本领域技术人员公知的各种方法，例如：浸渍、喷涂。采用浸渍的方法可以使得溶液更充分的进入载体上的孔道内，因此，本发明优选浸渍。

将载体与第一溶液和第二溶液接触的条件没有特别限定，例如：载体与所述第一溶液接触的条件可以包括：时间为1-10小时，温度为25-80℃；将所述脱除了第一溶剂的载体与所述第二溶液接触的条件可以包括：时间为0.3-2小时，温度为25-80℃。

根据本发明，甲苯在使用前优选采用本领域技术人员公知的方法进行精制，例如：可以通过将甲苯在钠上回流24-48小时来进行精制，以除去溶剂中水等杂质。

根据本发明的方法还可以包括在负载所述烷基铝氧烷和所述茂金属化合物之前，在惰性气体保护下，将所述载体在300-900℃的温度下加热7-10小时，以除去载体表面的羟基以及载体中含有的挥发性物质(例如：水)。优选地，根据本发明的方法包括在负载所述烷基铝氧烷和所述茂金属化合物之前，在惰性气体保护下，将所述载体在350-450℃的温度下加热9-10小时，更优选地，在400℃的温度下加热10小时。

根据本发明，所述惰性气体可以为不与载体、烷基铝氧烷、茂金属化合物发生化学相互作用的各种气体。例如，所述惰性气体可以为氮气、氩气。

根据本发明，所述烷基铝氧烷和茂金属化合物在所述载体上的负载量使得以所述负载型茂金属催化剂的总量为基准，所述茂金属化合物和烷基铝氧烷的总量可以为20-50重量％，更优选为30-40重量％，更进一步优选为33-34重量％；所述载体的含量可以为50-80重量％；更优选为60-70重量％，更进一步优选为66-67重量％；所述烷基铝氧烷中的铝与所述茂金属化合物中的M的摩尔比可以为50-200∶1，优选为80-120∶1，更优选为90-110∶1，最优选为100∶1。

根据本发明的所述负载型茂金属催化剂的制备方法包括以下步骤：

第1步，将三嵌段共聚物聚氧化乙烯-聚氧化丙烯-聚氧化乙烯作为模板剂，加入到盐酸水溶液中，按摩尔投料比，三嵌段共聚物聚氧化乙烯-聚氧化丙烯-聚氧化乙烯∶水∶氯化氢＝1∶9000-15000∶100-500，优选1∶10000∶290，在25℃-60℃温度下搅拌至溶解；

第2步，在上一步所得溶液中加入正硅酸乙酯，在25℃-60℃温度下搅拌25分钟以上，优选在40℃下搅拌24小时；

第3步，将上步所得溶液置于密闭反应容器中，在90℃-180℃温度下晶化10小时-40小时，优选在150℃下晶化24小时；

第4步，将晶化后产物过滤、洗涤、干燥，得到棒状大孔介孔二氧化硅原粉；

第5步，将所得棒状大孔介孔二氧化硅原粉用乙醇在90℃-120℃温度下洗涤10小时-40小时，优选在100℃下洗涤10小时，脱除模板剂，得到棒状大孔介孔二氧化硅；

第6步，热活化步骤，将上步所得棒状大孔介孔二氧化硅在氮气保护下，于300-900℃煅烧7-10小时，优选在400℃下煅烧10小时，得到热活化后的棒状大孔介孔二氧化硅；

第7步，将热活化后的棒状大孔介孔二氧化硅转移至经氮气充分置换后的反应器中，加入甲苯和烷基铝氧烷，按摩尔比计，棒状大孔介孔二氧化硅(以二氧化硅计)∶甲苯∶烷基铝氧烷的用量比为1∶10-100∶0.1-2，优选用量比为1∶45∶1，再于25-80℃搅拌1-10小时，优选在50℃下搅拌4小时，完毕后，再用己烷洗涤3次，之后将固体用氮气吹干，得到负载甲基铝氧烷的棒状大孔介孔二氧化硅；

第8步，在氮气保护下，将负载甲基铝氧烷的棒状大孔介孔二氧化硅加入到反应器中，加入溶剂搅拌制成浆液；在预先用氮气置换过的容器中将茂金属化合物溶解制成溶液，在25-80℃搅拌条件下，优选在30℃搅拌下，缓慢将茂金属化合物溶液滴加到反应器中，按摩尔比计，棒状大孔介孔二氧化硅(以二氧化硅计)∶甲苯∶茂金属化合物双(正丁基环戊二烯基)二氯化锆BUCP的用量比为1∶20-150∶2×10^-3-19×10^-3，优选用量比为1∶45∶12.4×10^-3搅拌反应0.3-2小时，优选搅拌0.5小时，反应结束后，静置，滤出液体，用甲苯和己烷洗涤，用氮气吹干，得到所述负载型茂金属催化剂。

以下结合实施例对本发明进行详细的描述。

以下实施例中，X射线衍射分析在购自德国Bruker AXS公司公司的型号为D8Advance的X射线衍射仪上进行；透射电镜分析在购自荷兰FEI公司公司的型号为Tecnai 20的透射电子显微镜上进行；扫描电镜分析在购自美国FEI公司的型号为XL-30的扫描电子显微镜上进行。元素分析在购自美国安杰伦公司型号为7500CX的仪器上进行。氮气吸附-脱附实验条件包括：美国康塔公司Autosorb-1氮气吸脱附仪，样品在200℃脱气4小时。

实施例1

本实施例用于说明根据本发明的负载型茂金属催化剂及其制备方法。

第1步，将4.0克P123(在美国化学文摘的登记号为9003-11-6的物质，其平均分子量Mn＝5800)加入到16.4ml浓度为37重量％的盐酸和128ml水的溶液中，在40℃搅拌至P123完全溶解；

第2步，再将8.86克正硅酸乙酯加入到上述溶液中在40℃搅拌24小时；

第3步，将所得溶液转移到聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在150℃晶化24小时；

第4步，经过过滤、洗涤、干燥后得到原粉介孔二氧化硅；

第5步，将原粉介孔二氧化硅用乙醇在回流条件下洗涤24小时，脱除模板剂，得到棒状大孔介孔二氧化硅(命名为KKSBA-15)。

将棒状大孔介孔二氧化硅KKSBA-15在氮气保护下400℃煅烧10小时，以脱除羟基和残存水分，从而得到经热活化的棒状大孔介孔二氧化硅。

将0.25克经热活化的棒状大孔介孔二氧化硅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、0.25克甲基铝氧烷(购自美国雅宝公司)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，得到负载有甲基铝氧烷的棒状大孔介孔二氧化硅(命名为MAO/KKSBA-15)。

在氮气保护下，将得到的MAO/KKSBA-15全部加入到250毫升玻璃反应器中，加入20毫升精制的甲苯，30℃下，缓慢滴加20.9毫克的双(正丁基环戊二烯基)二氯化锆(购自Alfa Aesar，货号H27576)，搅拌反应0.5小时。反应结束后，静置，分层后滤出液体，用10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，得到根据本发明的负载型茂金属催化剂(命名为KKSBA-15-BU)。用XRD、氮气吸附-脱附实验、扫描电镜、X射线能谱仪和ICP元素分析来对该负载型茂金属催化剂进行表征。

图1是棒状大孔介孔二氧化硅载体KKSBA-15的小角X-射线衍射图，图2是负载型茂金属催化剂KKSBA-15-BU的小角X-射线衍射图。由XRD谱图可以明显看出，KKSBA-15和负载型茂金属催化剂KKSBA-15-BU均出现小角度谱峰，说明负载茂金属的棒状大孔介孔二氧化硅KKSBA-15-BU具有介孔材料所特有的二维六方孔道结构。

图3和和图4分别为棒状大孔介孔二氧化硅载体KKSBA-15与负载型茂金属催化剂KKSBA-15-BU的N₂吸脱附曲线图，其中，横坐标为相对压力，单位为p/p₀。图4表明KKSBA-15-BU具有尖锐的毛细管冷凝速率的Ⅳ型等温线，该等温线拥有H1滞后环，这表明KKSBA-15-BU具有均一的孔径尺寸分布。

图5和图6分别为棒状大孔介孔二氧化硅载体KKSBA-15与负载型茂金属催化剂KKSBA-15-BU的孔径分布图，其中，横坐标为孔径，单位为nm。由图可以看出，KKSBA-15和KKSBA-15-BU具有六方的介孔结构，并且孔道非常均匀。

图7是扫描电镜照片，a为棒状大孔介孔二氧化硅载体KKSBA-15的扫描电镜照片，b负载型茂金属催化剂KKSBA-15-BU的扫描电镜照片。由图可以看出，KKSBA-15和KKSBA-15-BU的微观形貌均为棒状，在负载过程中KKSBA-15-BU具有较好的机械性能。

表1为棒状大孔介孔二氧化硅载体KKSBA-15和负载型茂金属催化剂KKSBA-15-BU的孔结构参数，

表1孔结构参数

由上表1的数据可以看出，棒状大孔介孔二氧化硅载体KKSBA-15在负载茂金属后，孔体积，比表面积和孔径均有所减小，这说明在负载反应过程中茂金属进入到大孔的内部。

元素分析ICP结果显示，负载了甲基铝氧烷(MAO)和茂金属化合物双(正丁基环戊二烯基)二氯化锆BUCP的棒状大孔介孔二氧化硅KKSBA-15-BU的铝含量为14.6重量％，Zr的含量为0.5重量％，Al/Zr的摩尔比为100∶1。经换算得知，以催化剂的总量为基准，甲基铝氧烷(MAO)和茂金属化合物的总含量为33.6重量％，载体的含量为66.4重量％。

实验实施例1

本实验实施例用来说明根据本发明的负载型茂金属催化剂的催化活性。

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，将釜温升至80℃，再加入800毫升己烷，随着己烷的加入，加入2毫升的浓度为1摩尔/升的三乙基铝(TEA)己烷溶液，接着加入47.7毫克KKSBA-15-BU，通入乙烯将压力升至1.0MPa并维持为1.0MPa，在70℃反应1小时。得到90克聚乙烯颗粒粉料，该聚乙烯颗粒粉料的堆密度(BD)为0.222g/ml，熔融指数MI_2.16＝0.025g/10min。经计算确定，催化剂的效率为1887gPE/gcat·h(即，3.4×10⁷g PE/mol Zr·h)。

实验实施例2

本实验实施例用来说明根据本发明的负载型茂金属催化剂的催化活性。

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，将釜温升至70℃，再加入800毫升己烷，随着己烷的加入，加入2毫升的浓度为1摩尔/升的三乙基铝(TEA)己烷溶液和10毫升己烯，接着加入44.6毫克的KKSBA-15-BU，通入乙烯将压力升至1.0MPa并维持为1.0MPa，在70℃反应1小时。得到68克聚合物，该聚合物的堆密度(BD)为0.205g/ml，熔融指数MI_2.16＝0.058g/10min。经计算确定，催化剂的效率为1525gPE/gcat·h(即，2.8×10⁷gPE/mol Zr·h)。

对比例1

该对比例用于制备载体为ES955硅胶的负载型茂金属催化剂。

将ES955硅胶在氮气保护下400℃煅烧10小时，以脱除羟基和残存水分，从而得到经热活化的ES955硅胶。

在氮气保护下，将0.9克ES955硅胶加入到250毫升玻璃反应器中，再加入1.0克甲基铝氧烷和10mL甲苯，在50℃条件下，搅拌反应4小时后，用甲苯洗涤3次，再用20毫升己烷洗涤三次，最后将固体用氮气吹干，得到负载有甲基铝氧烷的ES955(命名为MAO/ES955)。

在氮气保护下，将MAO/ES955加入到250毫升玻璃反应器中，加入20毫升精制的甲苯(用钠回流24小时)，30℃下，缓慢滴加44毫克的茂金属化合物双(正丁基-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10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，得到负载型茂金属催化剂(命名为MAO/ES955-BU)。

元素分析结果显示，ES955-BU中的铝的含量为32.4重量％，Zr的含量为0.41重量％，Al/Zr的摩尔比为270∶1。

对比例2

本对比例用于制备茂金属化合物为双环戊二烯基二氯化锆的负载型茂金属催化剂。

采用与实施例1相同的方法制备负载型茂金属催化剂，不同的是，采用双环戊二烯基二氯化锆CpZrCl₂作为茂金属化合物，得到负载型茂金属催化剂(命名为KKSBA-15-Cp)。元素分析结果显示，KKSBA-15-Cp中的铝含量为24重量％，Zr的含量为1重量％，Al/Zr的摩尔比为81∶1。

将棒状大孔介孔二氧化硅载体KKSBA-15在氮气保护下400℃煅烧10小时，以脱除羟基和残存水分，从而得到经热活化的棒状大孔介孔二氧化硅载体KKSBA-15；

将0.56克经活化的KKSBA-15转移至经氮气充分置换后的250毫升玻璃反应器中，加入10毫升精制的甲苯(用钠回流24小时)和1克甲基铝氧烷，并在50℃搅拌4小时。反应完成后，静置，分层后滤出液体，并用20毫升己烷洗涤三次，最后将固体用氮气吹干，得到负载有甲基铝氧烷的KKSBA-15(命名为MAO/KKSBA-15)。

在氮气保护下，将MAO/KKSBA-15加入到250毫升玻璃反应器中，加入20毫升精制的甲苯(用钠回流24小时)，搅拌30分钟，30℃下，缓慢滴加60毫克的CpZrCl₂，搅拌反应0.5小时。反应结束后，静置，分层后滤出液体，用10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，得到根据本发明的负载型茂金属催化剂(命名为KKSBA-15-Cp)。

实验对比例1

采用与实验实施例1相同的方法进行乙烯的均聚，不同的是，采用的催化剂为对比例1制备的ES955-BU，加入50毫克ES955-BU，结果得到65g聚乙烯颗粒粉料。该聚乙烯颗粒粉料的堆密度(BD)为0.331g/ml，熔融指数：MI_2.16＝0.119g/10min。经计算确定，催化剂的效率为1300gPE/gcat·h(即，2.9×10⁷gPE/mol Zr·h)。

实验对比例2

采用与实验实施例2相同的方法将乙烯与己烯进行共聚合，不同的是，采用的催化剂为对比例1制备的ES955-BU，加入60毫克ES955-BU，得到60克聚合物。该聚合物堆的密度(BD)为0.299g/ml，熔融指数为MI_2.16＝0.679g/10min。经计算确定，催化剂的效率为1000gPE/gcat·h(即，2.2×10⁷gPE/molZr·h)。

实验对比例3

采用与实验实施例1相同的方法进行乙烯的均聚，不同的是，采用的催化剂为对比例2制备的KKSBA-15-Cp，加入93毫克KKSBA-15-Cp，结果得到36g聚乙烯颗粒粉料。该聚乙烯颗粒粉料的堆密度(BD)为0.30g/ml，熔融指数：MI_2.16＝0.011g/10min。经计算确定，催化剂的效率为387gPE/gcat·h(即，3.5×10⁶gPE/mol Zr·h)。

实验对比例4

采用与实验实施例2相同的方法将乙烯与己烯进行共聚合，不同的是，采用的催化剂为对比例2制备的KKSBA-15-Cp，加入98毫克KKSBA-15-Cp，得到43克乙烯与己烯的共聚物。该乙烯与己烯的共聚物堆的密度(BD)为0.304g/ml，熔融指数为MI_2.16＝0.077g/10min。经计算确定，催化剂的效率为439gPE/gcat·h(即，4.0×10⁶gPE/(mol Zr·h))。

Claims (14)

1.一种负载型茂金属催化剂，其特征在于，该催化剂包括载体和负载在所述载体上的烷基铝氧烷和茂金属化合物，所述载体为棒状大孔介孔二氧化硅，所述棒状大孔介孔二氧化硅的最可几孔径为11-20纳米，所述茂金属化合物具有式1所示的结构，

式1

其中，R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₁’、R₂’、R₃’、R₄’和R₅’各自独立地为氢或C₁-C₅的烷基，且R₁、R₂、R₃、R₄和R₅中的至少一个为C₁-C₅的烷基，R₁’、R₂’、R₃’、R₄’和R₅’中的至少一个为C₁-C₅的烷基，M为钛、锆和铪中的一种，X为卤素。

2.根据权利要求1所述的负载型茂金属催化剂，其中，以所述负载型茂金属催化剂的总量为基准，所述茂金属化合物和烷基铝氧烷的总量为20-50重量%，所述载体的含量为50-80重量%。

3.根据权利要求1或2所述的负载型茂金属催化剂，其中，所述烷基铝氧烷中的铝与所述茂金属化合物中的M的摩尔比为50-200：1。

4.根据权利要求1所述的负载型茂金属催化剂，其中，M为锆，X为氯。

5.根据权利要求1所述的负载型茂金属催化剂，其中，所述茂金属化合物中的R₁、R₁’为C₁-C₅的烷基，且R₂、R₃、R₄、R₅、R₂’、R₃’、R₄’和R₅’均为氢；所述烷基铝氧烷中的烷基为C₁-C₅的烷基。

6.根据权利要求5所述的负载型茂金属催化剂，其中，所述茂金属化合物为双(正丁基环戊二烯基)二氯化锆，所述烷基铝氧烷为甲基铝氧烷。

7.根据权利要求1或2所述的负载型茂金属催化剂，其中，所述载体的长度为2-20微米，长径比为2-8，比表面积为300-600平方米/克，孔容为0.3-1.5毫升/克。

8.根据权利要求7所述的负载型茂金属催化剂，其中，所述载体由包括以下步骤的方法制得：

（1）将模板剂、水和HCl在25-60℃温度下搅拌至溶解；

（2）将步骤（1）所得溶液与正硅酸乙酯在25-60℃温度下搅拌0.2小时以上；

（3）将步骤（2）所得产物在晶化条件下晶化；

（4）将步骤（3）所得晶化产物与碳原子数为1-4的醇溶剂接触，以脱除模板剂；

所述模板剂为聚氧化乙烯-聚氧化丙烯-聚氧化乙烯三嵌段共聚物。

9.根据权利要求8所述的负载型茂金属催化剂，其中，所述晶化条件包括：晶化温度为90-180℃，晶化时间为10-40小时。

10.根据权利要求8所述的负载型茂金属催化剂，其中，所述晶化产物与碳原子数为1-4的醇溶剂接触的条件包括温度为90-120℃，时间为10-40小时，晶化产物与碳原子数为1-4的醇溶剂的重量比为1：100-300。

11.根据权利要求8或10所述的负载型茂金属催化剂，其中，所述碳原子数为1-4的醇溶剂为乙醇。

12.根据权利要求8所述的负载型茂金属催化剂，其中，按摩尔比计，聚氧化乙烯-聚氧化丙烯-聚氧化乙烯：水：氯化氢=1：9000-15000：100-500。

13.一种制备权利要求1-12中任意一项所述的负载型茂金属催化剂的方法，其特征在于，该方法包括：在惰性气体保护下，先后在载体上负载烷基铝氧烷和茂金属化合物。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，该方法还包括在负载烷基铝氧烷之前，在惰性气体保护下，将所述载体在300-900℃温度下加热7-10小时。

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