DE1178603B - Verfahren zur Herstellung von Polyaethylen mit bestimmtem Polymerisationsgrad - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Polyaethylen mit bestimmtem Polymerisationsgrad

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DE1178603B
DE1178603B DEZ4375A DEZ0004375A DE1178603B DE 1178603 B DE1178603 B DE 1178603B DE Z4375 A DEZ4375 A DE Z4375A DE Z0004375 A DEZ0004375 A DE Z0004375A DE 1178603 B DE1178603 B DE 1178603B
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Dipl-Chem Dr Heinz Breil
Dipl-Chem Dr Heinz Martin
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    • C08F110/02Ethene
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Internat K].: CO8f
Deutsche Kl.: 39 c-25/01
Nummer: 1178 603
Aktenzeichen: Z 4375 IVd/39 c
Anmeldetag: 16. August 1954
Auslegetag: 24. September 1964
Die deutschen Patente 973 626, 1 004 810, 1 008 916, 1 012 460 und 1 016 022 betreffen Verfahren zur Herstellung von wertvollen, hochmolekularen, kunststoffartigen Polyäthylenen durch Polymerisation von Äthylen unter vergleichsweise sehr milden Bedingungen von Temperatur und Druck in Gegenwart von Katalysatoren, die aus Verbindungen der Schwermetalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadin, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Thorium und Uran durch Behandlung mit gewissen metallorganischen Verbindungen, insbesondere aluminiumorganischen Verbindungen, erhalten werden. Nach der deutschen Patentschrift 973 626 hängt das Mengenverhältnis zwischen der aluminiumorganischen Verbindung und der Schwermetallverbindung im einzelnen von der Art und der Wertigkeit des Schwermetalls ab. Für die Kombination TiCl4 und Aluminiumtrialkyl ist ein Verhältnis von Aluminium zu Titan von 8 bis 12:1 als besonders vorteilhaft empfohlen worden. Diese Empfehlung beruht auf folgender Überlegung:
Bei der Einwirkung des Aluminiumtrialkyls auf das Titantetrachlorid findet eine Reduktion statt, die jedoch sicher nicht bis zum Titanmetall selbst führt. Reagiert das Aluminiumtrialkyl, wie es allgemein der Reaktionsfähigkeit der organischen Aluminiumverbindungen entspricht, zunächst nur mit einer Alkylgruppe, so werden für die Reduktion des Titantetrachlorids vermutlich nicht mehr als 3 Moleküle Aluminiumtrialkyl verbraucht werden. Die Empfehlung, 8 bis 12 Moleküle zu verwenden, gibt also einfach die Anweisung, man möge die Polymerisationskatalysatoren in Gegenwart von überschüssigem Aluminiumtrialkyl wirken lassen. Diese Empfehlung ist insbesondere im Zusammenhang mit der Tatsache wesentlich, daß dem Äthylen häufig Mengen gewisser Verunreinigungen, z. B. geringe Feuchtigkeit, etwas Sauerstoff u. dgl., beigemischt sind, die die luftempfindlichen Katalysatoren zerstören und ihre Wirkung frühzeitig beenden würden. Der Überschuß an Aluminiumtrialkyl soll dem entgegenwirken und die jeweils durch derartige Verunreinigungen oxydierten Katalysatoren wieder reduzieren und außerdem überhaupt die etwa im Äthylen vorhandenen Verunreinigungen, die dem Katalysator gefährlich werden können, soweit sie mit Aluminiumalkylen reagieren, beseitigen.
Nach dem Polymerisationsverfahren gemäß den genannten Patenten wird Äthylen bei normalem Druck oder nur wenig erhöhtem Druck in eine geeignete Lösung oder Suspension der Katalysatoren eingeleitet. Bei einer gegebenen Katalysatorkonzentration werden nach dem Verfahren regelmäßig Verfahren zur Herstellung von Polyäthylen mit
bestimmtem Polymerisationsgrad
Anmelder:
Dr. Dr. e. h. Karl Ziegler,
Mülheim/Ruhr, Kaiser-Wilhelm-Platz 2
Als Erfinder benannt:
Dr. Dr. e. h. Karl Ziegler,
Dipl.-Chem. Dr. Heinz Breil,
Dipl.-Chem. Dr. Heinz Martin,
Dr. Erhard Holzkamp, Mülheim/Ruhr
Polyäthylene von einer Molekulargröße erhalten, die über derjenigen liegt, die bisher als obere Grenze für die technisch zugänglichen Polyäthylene angesehen wurde.
Diese Grenze liegt etwa bei Molekulargewichten von rund 50000, wobei diese Zahl nicht mehr bedeuten soll als die Angabe, daß Lösungen derartiger Polyäthylene eine bestimmte Viskosität zeigen. Die Berechnung der Viskositätszahl (η) daraus erfolgt in vorliegender Erfindung auf Grund einer Gleichung, die von Schulz und Blaschke (Journal für praktische Chemie, Bd. 158 [1941], S. 130 bis 135, Gleichung 5 b, S. 132) beschrieben wurde, wobei die darin erwähnte spezifische Viskosität gemäß Fox, F ο χ und F1 ο r y , J. Am. Soc, 73 (1951), S. 1901, korrigiert wurde. Aus dieser Viskositätszahl wurde das wie oben angegebene mittlere Molekulargewicht von 50 000 mit Hilfe einer abgewandelten Form der von R. H ο u w i η k , Journal für praktische Chemie, Neue Folge 157 (1940), S. 15/16, beschriebenen Formel (5) errechnet:
MG= Κ· (η)",
wobei mit den Konstanten K — 2,51 · 104 und a = 1,235 für diesen neuen Kunststoff gerechnet wurde.
Wenn somit in der Erfindung von Molekulargewichten die Rede ist, so sollen damit stets nur derartige »konventionellle« Molekulargewichte, ermittelt aus Viskositätsmessungen, gemeint sein, und es soll die Frage offenbleiben, ob die Zahlen im strengen Sinne des Wortes wirklich richtig sind oder nicht.
Im Sinne einer solchen Definition des Molekulargewichtes erhält man bei einer gegebenen Katalysator-
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3 4
konzentration Polyäthylene mit Molekulargewichten mit Titantetrachlorid wurden wie folgt durchgeführt:
von größenordnungsmäßig 300 000. Diese Zahl kann Die für jeden Versuch nötige Menge Aluminium-
aber bei Verwendung anderer Katalysatorkonzen- trialkyl wurde zunächst in 250 ecm über Natrium trationen auch anders sein, wobei in der Regel mit destilliertem Dieselöl vom Siedepunkt 180 bis 24O0C
größeren Katalysatormengen geringere, mit geringeren 5 gelöst, das durch Kohlenoxydhydrierung nach Katalysatormengen höhere Molekulargewichte der Fischer — Tropsch erhalten wurde. Dann ließ
Äthylenpolymeren gefunden werden. Diese Erschei- man bei Zimmertemperatur unter Rühren 4,75 g
nung ist nicht weiter auffällig und auch von anderen Titantetrachlorid zutropfen. Außerdem wurden in
Polymerisationen her bekannt. einer verschlossenen und mit Stickstoff gefüllten
Die Beeinflussung des Molekulargewichtes über die io Rührapparatur 2 1 des gleichen Dieselöls bei Raum-Änderung der Katalysatorkonzentration hat in der temperatur mit Äthylen gesättigt und dann die Technik ihre Grenze, da eine Erhöhung der Kataly- Katalysatorlösung zulaufen gelassen. Es wurdeÄthylen satorkonzentration zu einem erhöhten Katalysator- von Normaldruck eingeleitet. Die Menge entsprach verbrauch führt, also das Verfahren verteuert. Zudem der des absorbierten Äthylens. Die Temperatur während enthalten bei hohen Katalysatorkonzentrationen die 15 der Polymerisation wurde durch genügende Kühlung Polymeren mehr Asche als bei niedrigen Katalysator- auf 40 bis 650C gehalten.
konzentrationen und müssen von dieser Asche erst Geht man beispielsweise von 12MoI Aluminiumdurch umständliches Auslaugen mit Lösungsmitteln verbindung pro Mol Titantetrachlorid aus und ver- und/oder Waschen befreit werden. Bei einer starken mindert dann bei gleichbleibender Titantetrachlorid-Verringerung der Katalysatorkonzentration zwecks 20 menge stufenweise die Menge der verwendeten Erhöhung des Molekulargewichtes nimmt dagegen organischen Aluminiumverbindung, so ist der Einfluß naturgemäß die Reaktionsgeschwindigkeit der Poly- dieser Maßnahme auf das Molekulargewicht der ermerisation ab, und die Raum-Zeit-Ausbeute geht haltenen Polymeren zunächst gering. Es findet bis zum herunter. Der für die Anwendungstechnik besonders Verhältnis von etwa 3: 1 nur ein ziemlich schwaches wichtige Bereich der Molekulargewichte untet 100 000 25 Ansteigen des durchschnittlichen Molekulargewichtes wird darüber hinaus durch diese Maßnahme nicht der Polyäthylene statt. Beim Verhältnis 2: 1 geht das zugänglich. Molekulargewicht nochmals etwas stärker herauf —
Es wurde nun gefunden, daß bei einem Verfahren unter den vorstehend angegebenen Verhältnissen auf zur Herstellung von Polyäthylen bestimmten Poly- rund 320 000. Es folgt dann ein Gebiet, in dem außermerisationsgrades durch Polymerisation von Äthylen 30 ordentlich geringfügige Änderungen des erwähnten mit Katalysatoren aus Organometallverbindungen des Verhältnisses einen ganz ungemein starken Einfluß Aluminiums, insbesondere von aluminiumorganischen auf das Molekulargewicht der erhaltenen Polymeren Verbindungen der allgemeinen Formel RAlX2, worin R ausübten. Geht man vom Verhältnis 2 Al: 1 Ti aus und WasserstoffodereinenKohlenwasserstoffrest,X Wasser- geht zum Verhältnis 1 : 1 bis 0,5: 1 über, so bewirkt stoff oder einen Kohlenwasserstoffrest oder einen 35 dies einen Absturz des Molekulargewichtes von beliebigen anderen Substituenten bedeutet, und Ver- 322 OCO auf 20 000, so daß man durch eine feine bindungen der Schwermetalle der IV. bis VI. Neben- Einstellung des Verhältnisses der organischen Alugruppe des Periodischen Systems der Polymerisations- miniumverbindung zum Titantetrachlorid innerhalb grad durch das Verhältnis von Schwermetallverbindung dieses empfindlichen Bezirks in der Lage ist, jedes bezu Organometallverbindung eingestellt werden kann. 40 liebige Molekulargewicht zwischen etwa 20 000 und
Erfindungsgemäß wird Äthylen mit Katalysatoren 320 000 einzustellen. Die in der Tabelle 1 angegebenen aus Mischungen der genannten Organometallverbin- Zahlen gelten nur für die angegebenen Versuchsdungen mit den genannten Schwermetallverbindungen bedingungen, da es, wie bereits erwähnt, auch noch polymerisiert, in denen das Molverhältnis von Organo- andere Faktoren gibt, die das Molekulargewicht der metallverbindung zu Schwermetallverbindung 0,3: 1 45 Polyäthylene beeinflussen. Je nach diesen sonstigen bis 2:1 beträgt, wobei zur Gewinnung von Poly- Verfahrensbedingungen haben die Polymerisationsäthylen mit höherem Molekulargewicht höhere Mol- kurven eine verschiedene Gestalt, insbesondere kann Verhältnisse und von Polyäthylen mit niedrigerem der Beginn des empfindlichen Bereiches auf der Seite Molekulargewicht niedrigere Molverhältnisse einzu- der Versuche mit hohem Molverhältnis zwischen halten sind. 50 Aluminiumtrialkyl und Titantetrachlorid verschieden
Als Organometallverbindung werden vorzugsweise hoch liegen. Regelmäßig kommt man aber, wenn man aluminiumorganische Verbindungen der allgemeinen mit dem Molverhältnis von Aluminiumtrialkyl zu Formel RAlXY verwendet, wobei R Wasserstoff oder Titantetrachlorid heruntergeht, in einen empfindlichen einen Kohlenwasserstoffrest, XR oder OR' und YR, Bezirk hinein, in dem weitere Änderungen des Mol-Halogen oder OR' bedeutet, worin R' seinerseits einen 55 Verhältnisses des Aluminiumtrialkyls zu Titantetra-Kohlenwasserstoffrest bedeutet. Vorzugsweise ver- chlorid bzw. ganz allgemein der metallorganischen wendet man aluminiumorganische Verbindungen der Komponente zur Schwermetallkomponente eine außerallgemeinen Formel R2AlY, worin Y Halogen bedeutet, ordentlich empfindliche Einstellung des gewünschten insbesondere Dialkylaluminiummonohalogenide oder Molekulargewichts des Polyäthylens gestatten. Die Diarylaluminiummonohalogenide. 60 Grenzen des empfindlichen Bereichs, in dem sich das
Als Schwermetallverbindung verwendet man Ver- Molekulargewicht des Polyäthylens bei einer Änderung
bindungen des Titans, Zirkons, Hafniums, Vanadins, des Molverhältnisses von metallorganischer Verbin-
Niobs, Tantals, Chroms, Molybdäns, Wolframs, dung zu Schwermetallverbindung besonders stark
Thoriums und Urans, wobei Verbindungen des verändert, liegen für den Fall der Tabelle 1 zwischen
Titans. Zirkons oder Chroms bevorzugt werden. 65 0,2: 1 und 2:1. Bei anderen Kombinationen liegen
In der Tabelle 1 sind die Versuchsergebnisse mit die Grenzen anders. Das Wesen der vorliegenden
dem System Aluminiumtrioctyl und Titantetrachlorid Erfindung besteht nicht so sehr in der Festlegung der
dargestellt. Diese Versuche und die weiteren Versuche genauen zahlenmäßigen Grenzen dieser empfindlichen
Bereiche für jede einzelne denkbare Kombination, als vielmehr in der grundlegenden Erkenntnis, daß es einen solchen empfindlichen Bereich überhaupt gibt. Seine Lage ist für den interessierten Fachmann, nachdem er diese Kenntnis hat, außerordentlich leicht durch eine kleine Versuchsserie und kurvenmäßige Erfassung der Versuchsergebnisse zu ermitteln.
Tabelle
Nr.
des
Molverhältnis Farbe des
Katalysators
Ausbeute nach
4 Stunden Reaktion
Viskosität
(μ)
Mittleres
Molekulargewicht
Versuchs Al(C8H17)S: TiCl4 Schwarz g Polyäthylen dl/g des Polyäthylens
1 12 Schwarz 440 6,9 272 000
2 6 Schwarz 430 7,3 292 000
3 3 Schwarzbraun 460 7,45 298 000
4 2 Rotbraun 530 7,9 322 000
5 1 Rotbraun 440 7,15 284 000
6 0,83 Rotbraun 450 5,95 226 000
7 0,63 Rotbraun 480 4,5 160 000
8 0,59 Rotbraun 440 3,75 127 000
9 0,53 Rotbraun 460 1,46 40 000
10 0,50 Rotbraun 300 0,87 21000
11 0,20 10 1,19 31000
Die Ergebnisse der Versuche der Tabelle 1 sind in F i g. 1 wiedergegeben. Man ersieht ohne weiteres, daß der empfindliche Bereich zwischen 0,2: 1 und 2: 1 liegt. Ist das Molverhältnis höher, so ändert sich das Molekulargewicht des Polyäthylens kaum. Geht man mit dem Molverhältnis Aluminiumtrioctyl zu Titantetrachlorid noch weiter unter 0,2: 1 herunter, so hat das keinen großen Einfluß mehr auf das Molekulargewicht des gebildeten Polyäthylens. Es nimmt jedoch dann die Raum-Zeit-Ausbeute sehr stark ab, und man kommt sehr bald in ein Gebiet, bei dem eine wirtschaftliche Erzeugung von Polyäthylen bei niedrigen Äthylendrücken nicht mehr möglich ist. Durch Erhöhung des Äthylendruckes kann man dem weit entgegenwirken. Besondere technische Vorteile sind aber mit einem solchen Verfahren nicht verbunden.
In der Tabelle 2 sind die Ergebnisse der Versuche der Kombination Diäthylaluminiumchlorid und Titantetrachlorid dargestellt. Sie zeigen, daß der empfindliche Bereich, in dem das Molekulargewicht des Polyäthylens durch Einstellung des Molverhältnisses von Diäthylaluminiumchlorid zu Titantetrachlorid beeinflußt werden kann, zwischen 0,67: 1 und 3: 1 liegt. Die Ergebnisse dieses Versuchs sind in der oberen Kurve der F i g. 2 dargestellt.
Tabelle
Nr.
des
Molverhältnis Farbe des
Katalysators
Ausbeute nach
4 Stunden Reaktion
Viskosität
(μ)
Mittleres
Molekulargewicht
Versuchs ClAl(C2Hs)2: TiCl4 Dunkelbraun g Polyäthylen dl/g des Polyäthylens
1 12 Dunkelbraun 470 7,5 302 000
2 6 Braunrot 500 7,65 309 000
3 3 Rotbraun 480 7,85 318 000
4 2 Rotbraun 400 6,8 268 000
5 1,7 Rotbraun 440 6,7 262 000
6 1,5 Rotbraun 450 5,15 188 000
7 1,3 Rotbraun 450 3,75 132 000
8 1,0 Rotbraun 510 1,87 54000
9 0,67 107 0,96 24 000
Tabelle 3 zeigt die Versuchsergebnisse mit dem System Alumim'umtridecyl und Titantetrachlorid. In diesem Falle liegt der empfindliche Bereich des Molverhältnisses von Aluminiumtridecyl zu Titantetrachlorid zwischen 0,5: 1 und 2:1. Auch diese Ergebnisse sind in F i g. 1 kurvenmäßig dargestellt.
Tabelle
Nr.
des
Molverhältnis Farbe des
Katalysators
Ausbeute nach
50 Minuten Reaktion
Viskosität
(μ)
Mittleres
Molekulargewicht
Versuchs Al(C10Hj1),: TiCl4 Schwarz g Polyäthylen dl/g des Polyäthylens
1 5,6 Schwarz 178 6,60 258 000
2 4 Schwarz 193 7,68 310 000
3 2 Schwarz 262 8,12 330 000
4 1,5 Schwarz 213 7,45 298 000
5 1 Schwarzbraun 177 4,75 170 000
6 0,5 250 1,03 26 000
Tabelle 4 gibt die Verhältnisse im System Alu- sind besonders interessant, da im vorliegenden Falle
miniumtriisobutyl—Titantetrachlorid wieder. Hier läßt das Molekulargewicht des Polyäthylens zwischen rund
sich das Molekulargewicht des Polyäthylens durch 50 000 und rund 1 000 000 geregelt werden kann.
Einstellung des Molverhältnisses von Aluminium- F i g. 1 zeigt den außerordentlich steilen Verlauf der
triisobutyl zu Titantetrachlorid zwischen 0,5: 1 und 5 Kurve im empfindlichen Bereich.
3: 1 beeinflussen. Die Ergebnisse dieses Versuchs
Tabelle
Nr.
des
Molverhältnis Farbe des Ausbeute nach
50 Minuten Reaktion
Viskosität
(μ)
Mittleres
Molekulargewicht
Versuchs Al(-iC4He)3: TiCl1 JvelldlYaatOrS g Polyäthylen dl/g des Polyäthylens
1 0,7 Schwarz 281 1,97 58 000
2 0,9 Schwarz 303 4,15 145 000
3 0,98 Schwarz 211 6,4 250 000
4 1 Schwarz 230 7,45 300 000
5 1,5 Schwarz 280 11,56 510000
6 2 Schwarz 281 13,3 600 000
7 2 Schwarz 316 13,57 620 000
8 3 Schwarz 152 21,25 1090 000
9 4 Schwarz 195 20,0 1030 000
10 6 Schwarz 110 19,2 960 000
11 6 Schwarz 56 20,2 1030 000
Schließlich geben die Tabellen 5 und 6 einige Werte für weitere aluminiumorganische Verbindungen und Titantetrachlorid wieder.
Tabelle 5
Nr.
des
Molverhältnis Mittleres
Molekulargewicht
Versuchs FAl(C8Hj)2: TiCl4 des Polyäthylens
1 12 290 000
2 4,0 305 000
3 3,5 310 000
4 3,0 300 000
5 2,8 290 000
6 2,5 272 000
7 2,0 255 000
8 1,5 170 000
9 1,0 62 000
Auch diese Tabelle zeigt, daß die Werte bis zu einem Verhältnis 3: 1 etwa konstant bleiben. Erst darunter fällt die Kurve stetig ab.
Tabelle 6
Nr.
des
Molverhältnis Mittleres
Molekulargewicht
Versuchs CH3OAI(C2Hs)2 : TiCl4 des Polyäthylens
1 8 306 000
2 4,0 315000
3 3,5 308 000
4 3,0 310 000
5 2,8 288 000
6 2,5 275 000
7 2,0 247 000
8 1,5 178 000
9 1,2 110 000
Die durch diese Erkenntnis gewonnenen Möglichkeiten zur Einstellung des Molekulargewichtes der Polyäthylene können natürlich nur bei einem sehr reinen Ausgangsäthylen voll ausgenutzt werden. Enthält das Äthylen gewisse Verunreinigungen, so werden diese entweder den Titananteil, d. h. die Schwermetallverbindung oder das in der Lösung noch vorhandene Aluminiumalkyl (oder die entsprechende Organometallverbindung) inaktivieren und damit in aller Regel auch das Verhältnis zwischen Titan und Aluminium bzw. allgemein den Reaktionsbestandteilen in der Lösung, soweit die katalytisch wirkenden Verbindungen oder Verbindungskombinationen in Frage kommen, ändern. Außerdem begibt man sich natürlich mit dem Verzicht auf die überschüssige Organometallverbindung in der Lösung der vorstehend erwähnten besonderen Vorteile, die mit dem Arbeiten in Gegenwart von überschüssiger, metallorganischer Verbindung unzweifelhaft verbunden sind. Diese Schwierigkeit läßt sich aber sehr leicht umgehen, wenn man vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Einstellung von Mengenverhältnissen zwischen metallorganischer Komponente und Schwermetallkomponente zwischen 0,3 : 1 und 2: 1 besonders charakteristisch ist, das für die Polymerisation zu verwendende Äthylen bzw. die äthylenhaltige Gasmischung mit metallorganischen Verbindungen, insbesondere organischen Verbindungen des Aluminiums, vor Eintritt in das eigentliche Reaktionsgefäß wäscht. Das heißt, man zieht die endgültige Beseitigung von Verunreinigungen aus dem Äthylen und die Polymerisation des Äthylens, wie sie gemäß den Patenten 973 626, 1004 810, 1008 916, 1 012460 und 1 016022 in einer einzigen Stufe kombiniert sind, zu zwei getrennten Verfahrensmaßnahmen auseinander.

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Polyäthylen bestimmten Polymerisationsgrades durch Polymerisation von Äthylen mit Katalysatoren aus Organometallverbindungen des Aluminiums und Verbindungen der Schwermetalle der IV. bis VI. Nebengruppe des Periodischen Systems, dadurch gekennzeichnet, daß man Äthylen mit Katalysatoren aus Mischungen der genannten Organometallverbindungen mit den genannten Schwermetallverbindungen polymerisiert, in denen
das Molverhältnis von Organometallverbindung zu Schwermetallverbindung 0,3 : 1 bis 2: 1 beträgt, wobei zur Gewinnung von Polyäthylen mit höherem Molekulargewicht höhere Molverhältnisse einzuhalten sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als aluminiumorganische Verbindungen solche der Formel RAlX2 verwendet werden, worin R Wasserstoff oder einen Kohlenwasserstoffrest und X Wasserstoff, einen Kohlen-
wasserstoffrest, Halogen oder einen beliebigen anderen Substituenten bedeutet.
3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zu polymerisierende verunreinigte Äthylen vor Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 und 2 in Abwesenheit von Schwermetallverbindungen mit den metallorganischen Verbindungen, insbesondere aluminiumorganischen Verbindungen, vermischt worden ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
409 688/416 9.64 ® Bundesdruckerei Berlin
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