CN104364273B - 聚乙烯组合物以及由其制备的制品 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种聚乙烯组合物,其包含粒状聚乙烯树脂,所述粒状聚乙烯树脂的特征在于树脂固体密度为0.91至0.97g/cm3,粒内孔隙率与粒间孔隙率的比值为0.33至0.67,和总树脂孔隙率Φ等于或大于0.45。本发明进一步提供了由所述聚乙烯组合物制备的制品。

Description

聚乙烯组合物以及由其制备的制品
发明领域
本发明涉及聚乙烯组合物以及由其制备的制品。
发明背景
为使补充反应器过程(如交联反应)有效进行,聚乙烯树脂的某些最终用途需要较高的聚合物不饱和度。此外,一些这样的最终用途还需要特定的空隙体积,或者树脂孔隙率,以便进一步促进补充反应器过程。
本发明提供了至少可在这样的最终用途中应用的聚乙烯组合物。
发明概述
本发明涉及聚乙烯组合物以及由其制备的制品。
在一个实施方式中,本发明提供了包含粒状聚乙烯树脂的聚乙烯组合物,该粒状聚乙烯树脂的特征在于,树脂固体密度为0.91至0.97g/cm3,粒内孔隙率与粒间孔隙率的比值为0.33至0.67,以及总树脂孔隙率Φ等于或大于0.45。
在一个供选择的实施方式中,本发明进一步提供了一种制品,该制品包含一个或多个本发明的聚乙烯组合物的实施方式。
发明详述
本发明涉及聚乙烯组合物以及由其制备的制品。
根据本发明的组合物包含粒状聚乙烯树脂,该粒状聚乙烯树脂的特征在于,树脂固体密度为0.91至0.97g/cm3,粒内孔隙率与粒间孔隙率的比值为0.33至0.67,以及总树脂孔隙率Φ等于或大于0.45。
用于本发明的粒状聚乙烯树脂的特征在于,树脂固体密度为0.91至0.97g/cm3。所有从0.91至0.97g/cm3的单个数值和子范围均包括于此并公开于此;例如,树脂固体密度可以是从0.91、0.92、0.93、0.94、0.95或0.96g/cm3的下限至0.92、0.93、0.94、0.95或0.96、或0.97g/cm3的上限。例如,树脂固体密度可以为0.91至0.97g/cm3,或者供选择地,树脂固体密度可以为0.935至0.96g/cm3,或者供选择地,树脂固体密度可以为0.95至0.96g/cm3,或者供选择地,树脂固体密度可以为0.955至0.96g/cm3
用于本发明的粒状聚乙烯树脂的特征在于,粒内孔隙率与粒间孔隙率的比值(Φ粒内粒间)为0.33至0.67。所有从0.33至0.67的单个数值和子范围均包括于此并公开于此;例如,粒内孔隙率与粒间孔隙率的比值可以是从0.33、0.45、0.52、或0.65的下限至0.4、0.56、0.62或0.67的上限。例如,粒内孔隙率与粒间孔隙率的比值可以为0.33至0.67,或者供选择地,粒内孔隙率与粒间孔隙率的比值可以为0.4至0.6,或者供选择地,粒内孔隙率与粒间孔隙率的比值可以为0.45至0.58。
用于本发明的粒状聚乙烯树脂的特征在于,总树脂孔隙率Φ等于或大于0.45。所有等于或大于0.45的单个数值和子范围均包括于此并公开于此;例如,总树脂孔隙率可以为自0.45、0.5或0.55的下限起。
在一些实施方式中,粒状聚乙烯树脂的进一步特征在于,树脂固体密度为0.955至0.96g/cm3,并且粒状树脂压实堆积密度(settled bulk density,SBDPE)为435至495kg/m3
所有从0.955至0.96g/cm3的单个数值和子范围均包括于此并公开于此;例如,树脂固体密度可以是从0.955、0.956、0.957、0.958、或0.959g/cm3的下限至0.956、0.957、0.958、0.959、或0.96g/cm3的上限。例如,树脂固体密度可以为0.955至0.96g/cm3,或供选择地,树脂固体密度可以为0.956至0.959g/cm3,或供选择地,树脂固体密度可以为0.957至0.96g/cm3
所有从435kg/m3至495kg/m3的单个数值和子范围均包括于此并公开于此;例如,SBDPE可以是从435、445、455、465、475、或485kg/m3的下限至445、455、465、475、485、或495kg/m3的上限。例如,SBDPE可以为435kg/m3至495kg/m3,或供选择地,SBDPE可以为445kg/m3至475kg/m3,或供选择地,SBDPE可以为435kg/m3至475kg/m3,或供选择地,SBDPE可以为455kg/m3至495kg/m3
在一些实施方式中,粒状聚乙烯树脂是高分子量树脂,其特征在于熔体指数I21为2至4dg/min,熔体指数比值I21/I5为20至40。
所有从2至4dg/min的单个数值和子范围均包括于此并公开于此;例如,I21可以是从2、2.4、2.8、3、3.2、3.6或3.8dg/min的下限至2.2、2.4、2.8、3、3.2、3.6、3.8、或4dg/min的上限。例如,粒状聚乙烯树脂I21可以为2至4dg/min,或供选择地,I21可以为2.2至4dg/min,或供选择地,I21可以为2.2至3.6dg/min,或供选择地,I21可以为2.8至4dg/min。
所有从20至40的单个数值和子范围均包括于此并公开于此;例如,I21/I5可以是从20、24、28、32、36或39的下限至21、25、30、35、或40的上限。例如,粒状聚乙烯树脂的I21/I5可以为20至40,或供选择地,I21/I5可以为30至40,或供选择地,I21/I5可以为20至30。
在一些实施方式中,粒状聚乙烯树脂的进一步特征在于,树脂颗粒尺寸分布多分散性为0.6至1.2。
所有从0.6至1.2的单个数值和子范围均包括于此并公开于此;例如,树脂颗粒尺寸分布多分散性可以是从0.6、0.7、0.8、0.9、1、或1.1的下限至0.7、0.8、0.9、1、1.1、或1.2的上限。例如,树脂颗粒尺寸分布多分散性可以为0.6至1.2;或供选择地,树脂颗粒尺寸分布多分散性可以为0.6至0.9;或供选择地,树脂颗粒尺寸分布多分散性可以为0.9至1.2;或供选择地,树脂颗粒尺寸分布多分散性可以为0.8至1。
在某些实施方式中,粒状聚乙烯树脂的进一步特征在于,树脂平均粒度(APSPE)为0.7mm至1.2mm。
所有从0.7mm至1.2mm的单个数值和子范围均包括于此并公开于此;例如,APSPE可以是从0.7、0.8、0.9、1、或1.1mm的下限至0.8、0.9、1、1.1、或1.2mm的上限。例如,APSPE可以为0.7至1.2mm;或供选择地,APSPE可以为0.9至1.2mm;或供选择地,APSPE可以为0.7至1mm;或供选择地,APSPE可以为0.8至1.1mm。
在某些实施方式中,粒状聚乙烯树脂的进一步特征在于,质量中数直径(D50PE)为0.45mm至0.85mm。
所有从0.45至0.85mm的单个数值和子范围均包括于此并公开于此;例如,D50PE可以是从0.45、0.55、0.65、或0.75mm的下限至0.55、0.65、0.75、或0.85mm的上限。例如,D50PE可以为0.45至0.85mm,或供选择地,D50PE可以为0.65至0.85mm,或供选择地,D50PE可以为0.45至0.65mm,或供选择地,D50PE可以为0.55至0.75mm。
在某些实施方式中,粒状聚乙烯树脂的进一步特征在于,粒状树脂总空隙体积(ν)等于或大于0.9cm3/g。
所有自等于或大于0.9起的单个数值和子范围均包括于此并公开于此;例如,总树脂空隙体积可以自0.9、1.1或1.3的下限起。在一些实施方式中,粒状聚乙烯树脂的进一步特征在于,乙烯基每根聚合物链为等于或大于0.85。如本文所使用,术语“乙烯基每根聚合物链”是用以下方程定义的:
(乙烯基每根聚合物链)=(乙烯基/1000个碳)·(Mn/MCH2)/1000,
其中:(乙烯基/1000个碳)是用红外(IR)结构分析确定的,Mn为用GPC分析确定的数均聚合物分子量,MCH2为聚乙烯重复单元(–CH2–)的分子量,其为14amu(g/g-mole)。
所有自等于或大于0.85起的单个数值和子范围均包括于此并公开于此;例如,乙烯基每根聚合物链可以自0.85、1.05或1.25的下限起。
在某些实施方式中,粒状聚乙烯树脂的进一步特征在于,Cr含量小于或等于0.5ppmw。如本文所用的,ppmw是指基于粒状聚乙烯树脂的总重的按重量计百万分之一。
所有小于或等于0.5ppmw的单个数值和子范围均包括于此并公开于此;例如,Cr含量可以自0.5、0.4、0.3、0.2或0.1ppmw的上限起。
在一些实施方式中,粒状聚乙烯树脂的进一步特征在于,能够吸收基于粒状聚乙烯树脂的体积计等于或大于45体积%的丁醇。所有自等于或大于45体积%起的单个数值和子范围均包括于此并公开于此;例如,粒状聚乙烯树脂可以能够吸收自45、50、55、或60体积%的下限起的丁醇。
本发明的聚乙烯组合物的各个实施方式均可以任选地进一步包含一种或多种添加剂。示例性的添加剂包括稳定剂、填料、加工助剂、酸中和剂、UV稳定剂、抗氧化剂、工艺稳定剂、金属去活化剂、润滑剂、防结块剂、防静电剂、抗微生物剂、化学发泡剂、偶联剂、成核剂、提高抗氧化性或耐氯性的添加剂、颜料或着色剂、及其组合。典型的添加剂组合的选择可以含有酚类和亚磷酸盐类抗氧化剂的混合物。在一个实施方式中,聚乙烯组合物进一步包含选自IRGANOX 1010和IRGANOX 1076(IRGANOX产品可获得自BASF)的一种或多种。
在某些实施方式中,粒状聚乙烯树脂是通过颗粒成型聚合工艺来制备的。用于成型粒状聚乙烯树脂的颗粒成型聚合工艺包括公开于PCT公开号为WO 2009088701、WO2010017393和WO2009085922的那些,将其公开内容引入本文作为参考。
在某些实施方式中,粒状聚乙烯树脂是采用经喷雾干燥的Cr基催化剂通过颗粒成型聚合工艺来制备的。任意适合的喷雾干燥Cr基催化剂的方法均可以在本文中使用。例如,用于制备Cr基催化剂的方法被公开于第6,806,221号美国专利申请和PCT公开WO2007023057中,将其公开内容引入本文作为参考。
在一个优选的实施方式中,粒状聚乙烯树脂是采用Cr基催化剂通过聚合来制备的。Cr基催化剂优选为氧化铬催化剂。氧化铬催化剂可以是CrO3或在所采用的活化条件下能转化成CrO3的任意化合物。能转化成CrO3的化合物被公开于第2,825,721、3,023,203、3,622,251、和4,011,382号美国专利中(每一个均被引入本文作为参考),并包括乙酰丙酮铬(chromic acetyl acetone)、氯化铬、硝酸铬、乙酸铬、硫酸铬、铬酸铵、重铬酸铵、或其它可溶性含铬的盐。乙酸铬(III)为优选的铬化合物。
在制备粒状聚乙烯树脂中使用的铬基催化剂是沉积至常规催化剂载体或基质(bases),如无机氧化物材料上的。无机氧化物材料(其可用作催化剂组合物中的载体)是具有例如50至1000平方米/克的高表面积和通常20至200微米的粒度的多孔材料。无机氧化物包括氧化硅、氧化铝、氧化钍、氧化锆、磷酸铝和其它可比较的无机氧化物,以及这样的氧化物的混合物。优选的载体是喷雾干燥的硅胶,特别是孔中大于70%的孔体积具有大于100埃的直径的那些。该载体还必须具有足够的热稳定性,以便在500℃至高达1000℃的活化温度下不发生表面烧结。特别优选的硅胶由Ineos/Philadelphia Quartz和WR Grace制备,并且以各种级别名称上市。
用于将铬化合物(可氧化成Cr+6价态)沉积至载体上的方法是本领域中已知的,可以在先前公开的出版物中找到。通常将铬化合物从其溶液中并且以这样的数量沉积至载体上,以便在活化步骤后,提供催化剂中所希望水平的铬。将所述化合物置于载体上并活化后,得到粉状、自由流动的微粒材料。
经负载的氧化铬催化剂的活化可以在几乎任意温度,最高达其烧结温度实现。在活化期间,干燥空气流或氧气流通过经负载的催化剂,有助于置换任何来自载体的水,并至少部分地将铬种类转化成Cr+6。可以接受活化温度为300至900℃,持续时间大于1小时到高达48小时。使用充分干燥的空气或氧气,并且将温度保持低于载体的烧结温度。
在活化工艺期间,还可以添加氟化物源。例如,使用HF或者降解成HF和SiF4的化合物。已知这些化合物将起部分烧结载体表面的作用,特别是当使用硅胶作为载体时。该氟化优先地使凝胶中最小的孔收缩,导致所得到的聚合物中分子量分布和组成分布较窄。这在线性低密度聚合物的制备中是特别重要的。
可将其它化合物添加至含铬催化剂载体。特别地,添加不含卤化物的钛化合物,以改进催化剂对反应条件的分子量响应。特别优选的化合物是可溶解于烃的钛酯,即Ti(OR)4,其中R为2至8个碳的饱和烃基。特别优选的是乙基、异丙基和丁基。钛化合物可以直接地添加至流化床催化剂活化剂,或者在分开的步骤中通过在浆料中混合烃溶剂中的铬催化剂载体与钛酯并随后从溶剂中回收反应混合物来添加。当使用较后的添加钛的方法时,优选地预干燥该铬催化剂载体,以从载体中去除吸附的水。如果后来将添加氟化物源,则该较后的添加钛的方法是非常优选的。
在某些实施方式中,粒状聚乙烯树脂可以采用Cr含量大于或等于0.08重量%的喷雾干燥的Cr基催化剂来制备。所有大于或等于0.08重量%的单个数值和子范围均包括于此并公开于此;例如,粒状聚乙烯树脂可以采用Cr含量自0.08、0.1、0.12、0.14、0.16、0.18、0.2、0.22、0.24、0.26、0.28、0.3、0.32、0.34、0.36、0.38、0.4、0.42、0.44、0.46或0.49重量%的下限起的喷雾干燥的Cr基催化剂。
在另一个实施方案中,粒状聚乙烯树脂可以采用Cr含量大于0.5重量%的喷雾干燥Cr基催化剂来制备。所有小于、等于、或大于0.5重量%的单个数值和子范围均包括于此并公开于此;例如粒状聚乙烯树脂可以采用Cr含量自0.1、0.12、0.14、0.16、0.18、0.2、0.22、0.24、0.26、0.28、0.3、0.32、0.34、0.36、0.38、0.4、0.42、0.44、0.46、0.48、0.5重量%的上限起的喷雾干燥的Cr基催化剂。
在供选择的实施方式中,粒状聚乙烯树脂可以采用这样的喷雾干燥Cr基催化剂来制备,该催化剂的Cr含量具有0.05至0.5重量%的范围内的任意上限和下限。例如,粒状聚乙烯树脂可以采用这样的喷雾干燥Cr基催化剂来制备,该催化剂的Cr含量为0.05至0.5重量%,或供选择地,为0.08至0.4重量%,或供选择地,为0.1至0.25重量%,或供选择地,为0.1至0.45重量%。
在一些实施方式中,喷雾干燥Cr基催化剂的质量中数直径(D50CAT)为45至65μm。
所有从45至65μm的单个数值和子范围均包括于此并公开于此;例如,D50CAT可以是从45、47、49、51、53、55、57、59、61、或63μm的下限至46、48、50、52、54、56、58、60、62、64或65μm的上限。例如,D50CAT可以为45至65,或供选择地,D50CAT可以为45至55μm,或供选择地,D50CAT可以为55至65μm,或供选择地,D50CAT可以为48至62μm。
在一些实施方式中,喷雾干燥Cr基催化剂的粒度分布多分散性为0.6至1.2。
所有从0.6至1.2的单个数值和子范围均包括于此并公开于此;例如,催化剂粒度分布多分散性可以是从0.6、0.7、0.8、0.9、1、或1.1的下限至0.7、0.8、0.9、1、1.1、或1.2的上限。例如,催化剂粒度分布多分散性可以为0.6至1.2;或供选择地,催化剂粒度分布多分散性可以为0.6至0.9;或供选择地,催化剂粒度分布多分散性可以为0.9至1.2;或供选择地,催化剂粒度分布多分散性可以为0.8至1。
在一些情况下,为了针对特定最终用途获得所希望性能的平衡,粒状聚乙烯树脂是按照一种或多种控制策略来制备的。
例如,使熔体指数、I21、和粒状树脂压实堆积密度(SBDPE)最佳化且平衡的控制策略在制备用于生产交联聚乙烯管的本发明聚乙烯组合物的实施方式中是特别有用的。控制SBDPE同等于控制粒状聚乙烯树脂的总树脂空隙体积(ν)和总树脂孔隙率(Φ)。该相互关系式用以下方程定义,其示出了ν和Φ可以如何计算:
SBDPE=(ρPE -1)-1=(1-Φ)·ρPE
因此:Φ=1-SBDPEPE=1-(1+ρPE·ν)-1
ν=SBDPE -1PE -1=[(1-Φ)-1-1]·ρPE -1
在高密度均聚聚乙烯的情况下,树脂固体密度(ρPE)是未控制的,并且是I21的弱函数(ρPE随着增加的I21而略微增加)。SBDPE可以通过向该工艺供入少量不可逆催化剂毒物来控制。优选的不可逆毒物是氧(O2)。随着该工艺的氧与乙烯进料比(O2/C2)的升高,SBDPE降低(ν和Φ升高)。最后,I21是通过调节反应器温度(RxT)来控制的,而I21随着RxT的升高而升高。因为在恒定的反应器停留时间(τRx)下O2/C2也升高I21,所以为保持I21恒定,升高的O2/C2应当通过降低RxT来补偿。这样的控制策略可以说明如下:
O2/C2↑和RxT↓对应于SBDPE↓和
在供选择的控制策略中,粒内空隙体积(ν粒内)、粒内孔隙率(Φ粒内)、和粒状树脂粒度(APSPE、D50PE)是通过控制催化剂中的Cr含量和反应器停留时间(τRx)来平衡的。ν粒内和Φ粒内随着降低的τRx而升高。降低τRx(这提高了生产率)的额外益处是,更好的资产利用和改进的运营经济性。降低τRx也降低了催化剂生产能力(CP)和粒状树脂粒度(D50PE)。CP随着催化剂中升高的Cr含量而升高。因此,控制Cr含量和τRx可用于平衡SBDPE、D50PE、(ν粒内粒间)和(Φ粒内粒间)。
在供选择的实施方式中,本发明进一步提供一种制品,该制品包含该聚乙烯组合物的任意一个或多个前述实施方式。示例性的制品可以包括管、表面活性剂、颜料、管内衬(pipe liners)、水管附件(plumbing appurtenances)以及线材和缆材应用。
在某些实施方式中,该聚乙烯组合物是用一种或多种可吸收的交联剂来交联的,该交联剂选自过氧化物、叠氮化物、和硅烷。如本文所用的,术语“可吸收的交联剂”是指可以作为交联过程中的一个步骤在粒状聚合物颗粒中或在粒状聚合物颗粒上吸收的任意交联剂或交联剂的任意组合。
实施例
以下实施例说明了本发明但无意于限制本发明的范围。表1-4提供了本发明实施例1-6的反应条件和树脂性能。表4-7提供了对比实施例1-7的反应条件和树脂性能。
表1
表2
表3
表4
*对于同一样品,分别测量两次。
表5
表6
表7
测试方法
测试方法包括如下所述:
树脂颗粒的粒度分布是采用ASTM D1921-06e1测试方法A测量的。
树脂颗粒的外观是通过光学显微镜检测的。
树脂的密度是根据ASTM D-792测量的。
熔体指数是ASTM D-1238-04测量的,测量条件为190℃/2.16kg、190℃/5kg和190℃/21.6kg(分别称为I2、I5和I21)。
聚乙烯(固体)密度(ρPE)是根据ASTM D792-08测试方法A,“通过置换(水)用于塑料的密度和比重(相对密度)的标准测试方法”来测量的。粒状树脂压实堆积密度(SBDPE)是采用ASTM D1895-96(2010)e1测试方法A(倾倒漏斗法),“塑料材料的表观密度、体积因数、和可浇注性的标准测试方法”来测量的。
压实堆积密度是如下测量的:将聚合物树脂缓慢地倒入不锈钢标准圆筒并确定所填充圆筒的给定体积的树脂重量。
屈服时拉伸应力和断裂时伸长率是根据ASTM D638-10,“塑料拉伸性能的标准测试方法”来测量的。
本发明在不背离其精神和实质属性的情况下可以以其它方式实施,并且相应地,在指示本发明范围时应当参照所附权利要求,而非前述说明书。

Claims (14)

1.一种聚乙烯组合物,其包含粒状聚乙烯树脂,所述粒状聚乙烯树脂的特征在于树脂固体密度为0.91至0.97g/cm3,粒内孔隙率与粒间孔隙率的比值为0.33至0.67,和总树脂孔隙率Φ等于或大于0.45,其中所述粒状聚乙烯树脂为高分子量树脂,其特征在于,熔体指数I21为2至4dg/min和I21/I5的比值为20至40。
2.根据权利要求1的聚乙烯组合物,其中所述粒状聚乙烯树脂的进一步特征在于树脂固体密度为0.955至0.96g/cm3和粒状树脂压实堆积密度SBDPE为435kg/m3至495kg/m3
3.根据权利要求1所述的聚乙烯组合物,其中所述粒状聚乙烯树脂的进一步特征在于树脂颗粒尺寸分布多分散性为0.6至1.2。
4.根据权利要求1所述的聚乙烯组合物,其中所述粒状聚乙烯树脂的进一步特征在于树脂平均粒度APSPE为0.7mm至1.2mm。
5.根据权利要求1所述的聚乙烯组合物,其中所述粒状聚乙烯树脂的进一步特征在于质量中数直径D50PE为0.45mm至0.85mm。
6.根据权利要求1所述的聚乙烯组合物,其中所述粒状聚乙烯树脂的进一步特征在于粒状树脂总空隙体积v等于或大于0.9cm3/g。
7.根据权利要求1所述的聚乙烯组合物,其中所述粒状聚乙烯树脂的进一步特征在于,能够吸收基于所述粒状聚乙烯树脂的体积计等于或大于45体积%的丁醇。
8.根据权利要求1所述的聚乙烯组合物,其中所述粒状聚乙烯树脂是采用喷雾干燥的Cr基催化剂通过颗粒成型聚合工艺制备的。
9.根据权利要求8所述的聚乙烯组合物,其中所述喷雾干燥的Cr基催化剂的Cr含量等于或大于0.1重量%和等于或小于0.25重量%。
10.根据权利要求8所述的聚乙烯组合物,其中所述喷雾干燥的Cr基催化剂的质量中数直径D50CAT为45μm至65μm。
11.根据权利要求1所述的聚乙烯组合物,其中所述聚乙烯树脂是采用氧化铬催化剂使用气相聚合工艺制备的,所述氧化铬催化剂包含喷雾干燥的氧化硅载体和等于或大于0.1wt%的铬,其中所述聚合工艺包括氧的反向添加,并且具有小于9小时的稳态停留时间。
12.一种包含根据权利要求1所述的聚乙烯组合物的制品,所述聚乙烯组合物用一种或多种选自过氧化物、叠氮化物、和硅烷的可吸收的交联剂交联。
13.根据权利要求12所述的制品,其中所述制品为管。
14.根据权利要求12所述的制品,其中所述制品选自表面活性剂、颜料、管内衬、水管附件以及线材和缆材应用。
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