CN112759680B - 一种烯烃聚合催化剂组分及烯烃聚合催化剂和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种催化剂组分,其是茂金属催化剂前体与有机铝化合物在溶剂中的预络合产物。本发明还提供了一种烯烃聚合催化剂,包括:主催化剂和助催化剂;所述主催化剂为上述催化剂组分,所述助催化剂包括有机铝化合物和有机硼化合物。本发明通过将茂金属催化剂前体与有机铝化合物预络合处理得到主催化剂,催化活性和共聚性能较现有技术直接加入茂金属催化剂的催化效果有明显提升。
Description
技术领域
本发明属于烯烃配位聚合领域,涉及一种烯烃聚合催化剂组分及烯烃聚合催化剂和应用。
背景技术
高共单体插入量的乙烯/α-烯烃共聚物—聚烯烃弹性体(POE)是一种具有高附加值的工业化产品。因具有良好的耐化学性、良好的耐候性、重量轻和可连续生产等优点,被广泛应用于汽车、电子、电气和日用品等领域。在POE生产中,各大公司均采用茂金属催化剂体系。
自80年代初期,Kaminsky教授正式提出茂金属催化剂体系后,典型的催化剂体系一般是由两大部分组成,即以各种位于元素周期IVB族过渡金属如锆、铪、钛等的茂金属化合物为主催化剂,和以铝氧烷(MAO)为助催化剂。在随后的技术发展中,大部分专利均是在主催化剂茂金属化合物的种类和结构上进行了大量的改进工作,而对于催化剂组合上的改进较少,一般都采用烷基铝的水解产物铝氧烷作为助剂,以甲基铝氧烷居多。仅有少量的专利报道了采用电离化离子活化剂或阳离子活化剂作为助催化剂的实例,例如硼化合物。
CN101864010A公开了双钛金属催化剂的乙烯均聚以及乙烯与己烯、辛烯等单体进行共聚,常压下聚合活性仅为104g·mol-1(Ti)·h-1数量级,共聚物分子量为30万左右,分散度为大于2。
CN102464751B公开了一种乙烯与α-烯烃共聚的方法,该方法由茂金属催化剂和烷基铝氧烷作用下发生乙烯与α-烯烃共聚,共聚物的支链单元摩尔含量为2–18mo1,重均分子量为1×104–1×106;分子量分布Mw/Mn为1–3,熔融指数为0.001–25g/10min,熔点为115–135℃。
CN108752526A公开了一种用于制备乙烯和/或α-烯烃与环烯烃共聚物的催化体系,具体为茂金属化合物,有机硼化合物和烷基铝的甲苯溶液。
现有的催化剂体系多为茂金属化合物,有机硼化合物和烷基铝的甲苯溶液的组合,其活性和共聚性能还有进一步提升的空间。催化剂溶剂使用甲苯,存在生产成本和安全环保问题,不利于其工业化的发展。
发明内容
针对现有技术存在的烯烃聚合过程中共聚性能较差、活性相对较低的问题,本发明提供一种烯烃聚合催化剂组分及烯烃聚合催化剂以及其在烯烃聚合反应中的应用。
为实现上述目的,本发明第一方面提供了一种烯烃聚合催化剂组分,其是茂金属催化剂前体与有机铝化合物的预络合产物。
在一些实施方式中,所述茂金属催化剂前体包括通式为Cp'XCp″MQ2的化合物;
式中,所述Cp'和Cp″可相同或不同,为环戊二稀衍生物基,优选选自取代或未取代的环戊二烯基、取代或未取代的茚基和取代或未取代的芴基;当所述Cp'和Cp″包含取代基时,所述取代基选自C1-C12的烷基、烷氧基、硅烷基、芳基或芳烷氧基中的一种或多种,优选选自C1-C12的烷基中的一种或多种,更优选选自甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基和异丁基中的一种或多种;
所述X选自碳桥、硅桥和锗桥,优选为-CR9R10-,其中R9、R10可相同或不同,选自H和取代或未取代的C1-C20的烷基或芳基,优选选自H、取代或未取代的C1-C6的烷基和C6-C10的芳基,更优选选自H和苯基;
所述M选自第IVB族元素,优选为Zr和/或Ti,最优选为Zr;
所述Q选自卤素,优选为氯。
在一些具体的实施方式中,所述茂金属催化剂前体包括二苯亚甲基二(环戊二烯基)二氯化锆、二苯亚甲基二(环戊二烯基)二氯化铪、二苯亚甲基二(环戊二烯基)二氯化钛、二苯亚甲基二(正丁基环戊二烯基)二氯化锆、二苯亚甲基二(五甲基环戊二烯基)二氯化锆、二苯亚甲基二(叔丁基环戊二烯基)二氯化锆、二苯亚甲基(环戊二烯基)(9-芴基)二氯化锆和二苯亚甲基(五甲基环戊二烯基)(9-芴基)二氯化锆中的至少一种,优选为二苯亚甲基(环戊二烯基)(9-芴基)二氯化锆。其中,二苯亚甲基(环戊二烯)(9-芴基)二氯化锆的结构如式I所示:
在一些实施方式中,所述有机铝化合物包括烷基铝化合物,优选包括三甲基铝、三乙基铝、三异丁基铝、三正己基铝中的一种或多种。
在一些具体的实施方式中,所述烷基铝化合物优选三异丁基铝。
在一些实施方式中,所述茂金属催化剂前体与有机铝化合物的摩尔比为1:(2-200),优选为1:(2-100),例如为1:2、1:5、1:6、1:12、1:15、1:40、1:100、1:200以及他们之间的任意值。
在一些具体的实施方式中,所述溶剂包括芳烃和烷烃中的一种或多种,优选包括苯、甲苯、二甲苯、乙苯、己烷、庚烷、异丁烷、环己烷中的一种或多种。
在一些实施方式中,所述预络合包括将茂金属催化剂前体与所述有机铝化合物在溶剂中混合5-30min,优选将混合后的混合溶液静置24-48h。
根据本发明的优选实施方式,先将茂金属催化剂前体与所述有机铝化合物接触,然后再加入溶剂混合5-30min,优选将混合后的混合溶液静置24-48h。
本发明第二方面提供了一种烯烃聚合催化剂,包括如下组分:
A.权利要求1-6中任一项所述的催化剂组分;
B.有机硼化合物;
C.烷基铝化合物。
在一些具体的实施方式中,所述组分A中的茂金属催化剂前体、组分B和组分C的摩尔比为1:(1-5):(100-500),优选为1:(1-2):(200-300),1:1.5:200。
在一些实施方式中,所述烷基铝化合物包括三甲基铝、三乙基铝、三异丁基铝、三正己基铝中的一种或多种。
在一些具体的实施方式中,所述烷基铝化合物优选三异丁基铝。
在一些实施方式中,所述有机硼化合物包括氟有机硼化合物或氟有机硼酸盐化合物中的一种。
在一些具体的实施方式中,所述氟有机硼化合物优选包括三(五氟苯基)硼或三[3,5-双(三氟甲基)苯基]硼中的一种或多种。
在一些具体的实施方式中,所述氟有机硼酸盐化合物优选包括N,N-二甲基苯铵四(五氟苯基)硼酸盐、三苯基四(五氟苯基)硼酸盐、四(五氟苯基)硼酸锂、N,N-二甲基苯铵四[3,5-双(三氟甲基)苯基]硼酸盐、三苯基碳四[3,5-双(三氟甲基)苯基]硼酸盐氟化芳基硼酸盐中的一种或多种。
本发明第三方面提供了上述第一方面的催化剂组分或上述第二方面的催化剂在烯烃聚合反应中的应用,尤其是在乙烯与α-烯烃共聚反应中的应用。
本发明第四方面提供了一种烯烃聚合方法,使烯烃与上述第二方面的催化剂接触发生聚合反应。
在一些实施方式中,所述烯烃聚合方法包括:
在反应容器中加入惰性溶剂,然后加入烯烃原料、上述第一方面的催化剂组分、有机铝化合物和有机硼化合物,反应一段时间,得到聚合物。
在反应过程中加入所述助催化剂有机铝化合物主要用于与聚合反应混合物中极性不纯物反应以防止催化剂减活化,也起到使催化剂烷基化的作用。有机硼化合物起到路易斯酸和质子酸的作用,使催化剂活化。
在一些实施方式中,所述烯烃聚合反应为乙烯与α-烯烃的共聚。
在一些实施方式中,所述惰性溶剂为己烷、庚烷、异丁烷、环己烷、苯、甲苯、二甲苯中的一种或多种,优选为己烷、庚烷、异丁烷、环己烷中的一种或多种。
在一些实施方式中,所述聚合温度为20℃-120℃,优选为40℃-80℃。
与现有技术比,本发明具有如下特点:
本申请通过将茂金属催化剂前体与烷基铝化合物预络合处理得到的主催化剂,能增加催化剂的聚合活性、提高乙烯与α-烯烃的共聚性能,乙烯与α-烯烃共聚合活性达到106g·g-1(Zr)·h-1以上,聚合物的熔体流动速率为0.5-1000g/10min,密度为0.86-0.9g/cm3,在相同共聚单体加入量下,聚合物密度更低。聚合反应可采用烷烃作为溶剂,有利于降低成本及聚合产物的后续处理,减少了有毒溶剂的使用,可起到降本增效的作用,催化活性和共聚性能较现有技术直接加入茂金属催化剂的催化效果有明显提升。
具体实施方式
为使本发明更加容易理解,下面将结合实施例来详细说明本发明,这些实施例仅起说明性作用,并不局限于本发明的应用范围。
如无特殊说明,本发明中所涉及的操作和处理方法属于本领域常规方法。
如无特殊说明,本发明中所采用的仪器为本领域常规仪器。
本发明具体实施方式中涉及的检测方法如下:
熔体流动速率(MFR)的测试采用意大利Ceast公司生产的CEAST6942型熔体流动速率仪按GB/T 3682.2—2018测定。温度为190℃,负荷为2.16kg。
聚合物的密度测试采用密度梯度柱按照GB/T 1033.2—2010测量。
α-烯烃在聚合物中的含量采用高温核磁碳谱测得。
聚合反应的活性的采用所得聚合物质量与催化剂金属质量、反应时间的比值来表示,即活性=聚合物质量/(催化剂中金属质量×反应时间)。
实施例1
催化剂组分的制备在惰性气体保护的手套箱中进行,温度为室温,称取20μmol二苯亚甲基(环戊二烯基)(9-芴基)二氯化锆粉末置于玻璃瓶中,滴加0.3mL的浓度为0.4mol/L的三异丁基铝的己烷溶液,再加入11mL甲苯,并搅拌约5min,得到橙红色催化剂组分溶液。
反应器为带搅拌器的500mL反应釜。反应前进行常规的脱水脱氧处理,通入聚合级乙烯置换3遍。在反应釜中先加入300mL精制己烷,再依次加入8mL的浓度为0.4mol/L的三异丁基铝的己烷溶液,11mL精制己烯,8mL上述催化剂组分溶液,8mL的浓度为2mmol/L三苯甲基四(五氟苯基)硼酸盐的甲苯溶液。反应器温度升至70℃,连续通入乙烯,保持反应器压力3bar,计时反应18min后停止乙烯进料,加入乙醇终止反应,降温至30℃出料。蒸发除去溶剂,得聚合物21.6g,熔体流动速率为153g/10min,密度为0.892g/cm3,己烯含量18%,聚合活性为5.27×105g·g-1(Zr)·h-1。
实施例2
称取23μmol二苯亚甲基(环戊二烯基)(9-芴基)二氯化锆粉末置于玻璃瓶中,加入12mL甲苯,再滴加2.3mL的浓度为0.4mol/L的三异丁基铝的己烷溶液,并搅拌约5min,得到橙红色催化剂组分溶液。
其他聚合条件同实施例1,加入上述催化剂溶液8.5mL,反应器温度为80℃,反应时间10min。得聚合物11.7g,熔体流动速率为127g/10min,密度为0.881g/cm3,己烯含量25%,聚合活性为5.14×105g·g-1(Zr)·h-1。
实施例3
其他条件同实施例2,除了烯烃聚合时催化剂组分溶液为6.2mL,三异丁基铝的己烷溶液、三苯甲基四(五氟苯基)硼酸盐的甲苯溶液加入量均改为5mL。反应时间18min,得聚合物8.7g,熔体流动速率为0.7g/10min,密度为0.9g/cm3,己烯含量14%,聚合活性为3.19×105g·g-1(Zr)·h-1。
实施例4
其他条件同实施例2,反应温度70℃,反应时间23min。得聚合物19.7g,熔体流动速率为7.1g/10min,密度为0.909g/cm3,己烯含量8%,聚合活性为3.76×105g·g-1(Zr)·h-1。
实施例5
称取60μmol二苯亚甲基(环戊二烯基)(9-芴基)二氯化锆粉末置于玻璃瓶中,加入24mL甲苯,再滴加6mL的浓度为0.4mol/L的三异丁基铝的己烷溶液,并搅拌约5min,得到橙红色催化剂组分溶液。
其他聚合条件同实施例1,三异丁基铝的己烷溶液、催化剂溶液、三苯甲基四(五氟苯基)硼酸盐的甲苯溶液加入量均改为5mL,反应温度80℃,反应时间30min。得聚合物17.8g,熔体流动速率为87g/10min,密度为0.902g/cm3,己烯含量12%,聚合活性为3.91×105g·g-1(Zr)·h-1。
实施例6
其他条件同实施例5,共聚单体为14mL精制辛烯,反应温度90℃,反应时间18min。得聚合物14.8g,熔体流动速率为406g/10min,密度为0.879g/cm3,辛烯含量31%,聚合活性为5.42×105g·g-1(Zr)·h-1。
实施例7
称取58μmol二苯亚甲基(环戊二烯)(9-芴基)二氯化锆粉末置于玻璃瓶中,加入19mL庚烷,再滴加0.29mL三异丁基铝,并搅拌约5min,静置预络合24h,得到橙红色催化剂溶液。
其他聚合条件同实施例1,三异丁基铝的己烷溶液加入量为3mL,精制己烯加入量为15mL,上述催化剂溶液加入量为3.3mL,三苯甲基四(五氟苯基)硼酸盐的甲苯溶液加入量改为5.5mL,反应温度80℃,反应时间30min。得聚合物17.9g,熔体流动速率为2.01g/10min,密度为0.88g/cm3,己烯含量26%,活性为3.93×105g·g-1(Zr)·h-1。
实施例8
称取10μmol二苯亚甲基(环戊二烯基)(9-芴基)二氯化锆粉末置于玻璃瓶中,加入2.5mL甲苯,再滴加2.5mL的浓度为0.4mol/L的三异丁基铝的己烷溶液,并搅拌约5min,静置预络合36h,得到橙红色催化剂组分溶液。
其他聚合条件同实施例1,三异丁基铝的己烷溶液加入量为1mL,精制己烯加入量为15mL,上述催化剂组分溶液加入量为5mL,三苯甲基四(五氟苯基)硼酸盐的甲苯溶液加入量为5.5mL,反应温度80℃,反应时间10min。得聚合物15.4g,熔体流动速率为33.19g/10min,密度为0.864g/cm3,己烯含量35%,聚合活性为10.15×105g·g-1(Zr)·h-1。
实施例9
称取66μmol二苯亚甲基(环戊二烯基)(9-芴基)二氯化锆粉末置于玻璃瓶中,加入14mL己烷,再滴加2.5mL三异丁基铝,并搅拌约5min,静置预络合24h,得到橙红色催化剂组分溶液。
其他聚合条件同实施例1,三异丁基铝的己烷溶液加入量为1mL,上述催化剂组分溶液加入量为2.5mL,三苯甲基四(五氟苯基)硼酸盐的甲苯溶液加入量为6mL,反应温度80℃,反应时间10min。得聚合物17.0g,熔体流动速率为217.5g/10min,密度为0.877g/cm3,己烯含量27%,聚合活性为11.21×105g·g-1(Zr)·h-1。
实施例10
其他条件同实施例9,共聚单体为15mL精制己烯,硼试剂为6mL的浓度为2mmol/LN,N-二甲基苯铵四(五氟苯基)硼酸盐的甲苯溶液。得聚合物15.5g,熔体流动速率为996g/10min,密度为0.87g/cm3,己烯含量31%,活性为10.22×105g·g-1(Zr)·h-1。
实施例11
称取20μmol二苯亚甲基(环戊二烯基)(9-芴基)二氯化锆粉末置于玻璃瓶中,滴加0.6mL的浓度为0.4mol/L三异丁基铝的己烷溶液,再加入11mL二甲苯,并搅拌约5min,得到橙红色催化剂组分溶液。
其他聚合条件同实施例1,三异丁基铝的己烷溶液加入量为2.5mL,上述催化剂组分溶液加入量为2.5mL,硼试剂为2.5mL 2mmol/L三(五氟苯基)硼的己烷溶液,反应时间8min。蒸发除去溶剂,得聚合物1.9g,聚合活性为3.13×105g·g-1(Zr)·h-1。
实施例12
称取30μmol二苯亚甲基(环戊二烯)(9-芴基)二氯化锆粉末置于玻璃瓶中,加入8.5mL庚烷,再滴加1.5mL的浓度为0.4mol/L三异丁基铝的己烷溶液,并搅拌约5min,静置预络合24h,得到橙红色催化剂溶液。
其他聚合条件同实施例1,三异丁基铝的己烷溶液加入量为3mL,精制己烯加入量为15mL,上述催化剂溶液加入量为3.3mL,三苯甲基四(五氟苯基)硼酸盐的甲苯溶液加入量改为5.5mL,反应温度80℃,反应时间30min。得聚合物16.6g,熔体流动速率为1.7g/10min,密度为0.882g/cm3,己烯含量24%,活性为3.65×105g·g-1(Zr)·h-1。
实施例13
称取66μmol二苯亚甲基(环戊二烯基)(9-芴基)二氯化锆粉末置于玻璃瓶中,加入14mL己烷,再滴加2.5mL三异丁基铝,并搅拌约5min,得到橙红色催化剂悬浊液。
其他聚合条件同实施例1,三异丁基铝的己烷溶液加入量为1mL,上述催化剂组分悬浊液加入量为2.5mL,三苯甲基四(五氟苯基)硼酸盐的甲苯溶液加入量为6mL,反应温度80℃,反应时间10min。得聚合物6.8g,熔体流动速率为42.3g/10min,密度为0.88g/cm3,己烯含量25%,聚合活性为4.48×105g·g-1(Zr)·h-1。
对比例1
反应器为带搅拌器的500mL反应釜。反应前进行常规的脱水脱氧处理,通入聚合级乙烯置换3遍。在反应釜中先加入300mL精制己烷,再依次加入5mL浓度为1mol/L的三异丁基铝的己烷溶液,15mL精制己烯,2.5mL浓度为2mmol/L的二苯亚甲基(环戊二烯基)(9-芴基)二氯化锆的甲苯溶液,2.5mL的浓度为2mmol/L的三苯甲基四(五氟苯基)硼酸盐的甲苯溶液。反应器温度升至70℃,连续通入乙烯,保持反应器压力3bar,计时反应15min后停止乙烯进料,加入乙醇终止反应,降温至30℃出料。蒸发除去溶剂,得聚合物5.4g,熔体流动速率为9.83g/10min,密度为0.886g/cm3,己烯含量20%,活性为4.75×105g·g-1(Zr)·h-1。
对比例2
其他聚合条件同对比例1,有机硼化合物改为添加8mL 2mmol/L三苯甲基四(五氟苯基)硼酸盐的甲苯溶液,反应时间18min,得聚合物6.1g,熔体流动速率为7.38g/10min,密度为0.894g/cm3,己烯含量17%,活性为4.47×105g·g-1(Zr)·h-1。
对比例3
其他聚合条件同对比例1,三异丁基铝的己烷溶液的加入量改为10mL浓度为1mol/L的甲基铝氧烷的庚烷溶液,反应时间10min。得聚合物2.4g,熔体流动速率为1.39g/10min,密度为0.895g/cm3,己烯含量16%,活性为3.16×105g·g-1(Zr)·h-1。
对比例4
称取70μmol二苯亚甲基(环戊二烯基)(9-芴基)二氯化锆粉末置于玻璃瓶中,加入14mL己烷,再滴加0.2mL浓度为0.4mol/L的三异丁基铝的己烷溶液,并搅拌约5min,静置预络合24h,得到橙红色催化剂悬浊液,有明显红色沉淀。
其他聚合条件同对比例1,上述催化剂悬浊液加入量为2mL(10μmol),反应时间10min。得聚合物2.7g,熔体流动速率为2.11g/10min,密度为0.876g/cm3,己烯含量24%,活性为1.78×105g·g-1(Zr)·h-1。
对比例5
其他聚合条件同对比例1,三异丁基铝的己烷溶液的浓度为0.4mol/L加入量为3.5mL,二苯亚甲基(环戊二烯基)(9-芴基)二氯化锆的甲苯溶液加入量为5mL,三苯甲基四(五氟苯基)硼酸盐的甲苯溶液加入量为5.5mL,反应温度80℃,反应时间10min。得聚合物7.4g,熔体流动速率为6.7g/10min,密度为0.884g/cm3,己烯含量22%,聚合活性为4.88×105g·g-1(Zr)·h-1。
应当注意的是,以上所述的实施例仅用于解释本发明,并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述,但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇,而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改,以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例,但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例,相反,本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。
Claims (16)
2.根据权利要求1所述的催化剂,其特征在于,所述溶剂包括芳烃和烷烃中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的催化剂,其特征在于,所述溶剂包括苯、甲苯、二甲苯、乙苯、己烷、庚烷、异丁烷、环己烷中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的催化剂,其特征在于,所述组分A中的茂金属催化剂前体、组分B和组分C的摩尔比为1:(1-5):(100-500)。
5.根据权利要求1或4所述的催化剂,其特征在于,所述烷基铝化合物包括三甲基铝、三乙基铝、三异丁基铝、三正己基铝中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的催化剂,其特征在于,所述烷基铝化合物为三异丁基铝。
7.根据权利要求1或4所述的催化剂,其特征在于,所述有机硼化合物包括氟有机硼化合物和/或氟有机硼酸盐化合物。
8.根据权利要求7所述的催化剂,其特征在于,所述氟有机硼化合物包括三(五氟苯基)硼或三[3,5-双(三氟甲基)苯基]硼中的一种或多种。
9.根据权利要求7所述的催化剂,其特征在于,所述氟有机硼酸盐化合物包括氟化芳基硼酸盐。
10.根据权利要求7所述的催化剂,其特征在于,所述氟有机硼酸盐化合物包括N,N-二甲基苯铵四(五氟苯基)硼酸盐、三苯基四(五氟苯基)硼酸盐、四(五氟苯基)硼酸锂、N,N-二甲基苯铵四[3,5-双(三氟甲基)苯基]硼酸盐、三苯基碳四[3,5-双(三氟甲基)苯基]硼酸盐中的一种或多种。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的催化剂在烯烃聚合反应中的应用。
12.根据权利要求11所述的应用,其特征在于,所述应用是在乙烯与α-烯烃共聚反应中的应用。
13.一种烯烃聚合方法,包括使烯烃与权利要求1-10中任一项所述的催化剂接触发生聚合反应。
14.根据权利要求13所述的烯烃聚合方法,其特征在于,所述聚合反应在惰性溶剂中进行,所述惰性溶剂为芳烃或烷烃。
15.根据权利要求14所述的烯烃聚合方法,其特征在于,所述惰性溶剂包括己烷、庚烷、异丁烷、环己烷及其混合物。
16.根据权利要求13-15中任一项所述的烯烃聚合方法制备得到的烯烃聚合物。
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