DE1294012B - Verfahren zur Polymerisation von ungesaettigten Kohlenwasserstoffen - Google Patents
Verfahren zur Polymerisation von ungesaettigten KohlenwasserstoffenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Polymerisation von un- gruppe mit niedriger Wertigkeit als der seiner Stellung
gesättigten Kohlenwasserstoffen der allgemeinen ' im Periodischen System entsprechenden Wertigkeit
Formel CH2 = CHR, in der R einen Alkylrest mit bestehen. Es läßt sich erkennen, daß bei Verwendung
mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen bedeutet, von stereospezifischen Katalysatoren, hergestellt aus
Die Herstellung von linearen, regulären Kopf- 5 Triäthylaluminium und beispielsweise Titantrichlorid,
Schwanz-Polymeren von ungesättigten Kohlenwasser- die Polymerisation der ungesättigten Kohlenwasserstoffen
mit verschiedener sterischer Struktur, die man stoffe in einem Kohlenwasserstofflösungsmittel, in
als isotaktisch bzw. ataktisch bezeichnet, ist bekannt. dem der Katalysator unlöslich bis grob dispergierbar
Der Ausdruck »isotaktisch« bezeichnet die be- ist, so gelenkt wird, daß selektiv überwiegend bis hauptsondere
sterische Struktur in einem Makromolekül io sächlich isotaktische Polymeren hergestellt werden,
eines «-Olefinpolymeren, die dadurch gekennzeichnet Beispielsweise ißt es im Fall von Propylen möglich,
ist, daß in der Annahme, daß sich das Makromolekül ' die Polymerisation so zu lenken, daß lineare Hochvöllig in einer Ebene erstreckt, sich die an den tertiären polymere mit einem Gehalt von 70 bis 85 °/„ an hochasymmetrischen Kohlenstoffatomen gebundenen R- isotaktischen Makromolekülen, die aus dem Roh-Gruppen
auf der einen Seite der Ebene befinden, die 15 polymerisat mit kochendem n-Heptan nicht extrahierdie
Hauptkette des Polymeren enthält, und die Wasser- bar sind, bei Anwendung eines stereospezifischen
stoffatome, die an diese,Kohlenstoffatome gebunden Katalysators aus Aluminiumtriäthyl und Titantrisind,
sich auf der anderen Seite dieser Ebene befinden. chlorid erhalten werden. Unter Verwendung des
Der Ausdruck »isotaktisch« ist nicht gleichbedeutend gleichen Katalysators können Buten-1-polymere, die
mit »kristallin«, da die isotaktische Struktur unab- 20 60 bis 75 % isotaktisches kristallisierbares Polybuten-1
hängig vom physikalischen Zustand des Polymeren ist enthalten (aus dem Rohpolymerisat mit kochendem
und bestehenbleibt, wenn sich das Polymere im Äther nicht extrahierbar), erhalten werden,
flüssigen Zustand (in Lösung oder geschmolzen), Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur
oder im amorphen, instabilen Zustand befindet, der Polymerisation von ungesättigten Kohlenwasserdurch
Abschrecken der Schmelze erhalten wird. Die 25 stoffen der allgemeinen Formel CH2 = CHR, in der
vorwiegend (zu wenigstens 60°/0) bis hauptsächlich R einen Alkylrest mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen beisotaktischen
Polymeren sind kristallisierbar und deutet, in Gegenwart von Katalysatoren, die durch
unter bestimmten Bedingungen kristallin. Zusammenbringen von Alkylberylliumverbindungen
Ataktische hochmolekulare Polymere sind ebenfalls mit festen, in Kohlenwasserstoffen unlöslichen kristalnormalerweise
feste, linerae Kopf-Schwanz-Polymeren, 30 linen Verbindungen von Übergangsmetallen der IV.
die jedoch eine verschiedene sterische Struktur auf- bis VI. Nebengruppe des Periodischen Systems, in
weisen, da die tertiären asymmetrischen Kohlen- denen das Übergangsmetall eineunter "der Maximalstoffatome
der Hauptkette mit gleicher sterischer Wertigkeit liegende Wertigkeit aufweist, erhalten
Konfiguration im wesentlichen unregelmäßig verteilt werden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man
sind. Wenn die Hauptkette der Makromoleküle der 35 dem Katalysator einen Komplex einer Aluminiumataktischen
Polymeren sich voll in einer Ebene er- alkylverbindung mit einem Elektronengeber im Molstreckt,
sind die R-Gruppen und die Wasserstoffatome, verhältnis zwischen Alkylberylliumverbindung, Alkyldie
an die tertiären Kohlenstoffatome gebunden sind, aluminiumkomplex und Übergangsmetallverbindung
im wesentlichen unregelmäßig an den beiden Seiten von 0,05: 0,25:1,0 bis 0,5 5,0:1,0 zugibt,
der Ebene verteilt. Die ataktischen Polymeren sind 40 Diese aus der Übergangsmetallverbindung und der
amorph und nicht kristallisierbar. Alkylberylliumverbindung hergestellten Katalysatoren
Ataktische und isotaktische Polymeren kommen im sind stärker stereospezifisch als andere Katalysatoren,
allgemeinen in Mischung in den Rohpolymerisaten ; Die Polymerisate, die mit Hilfe der Katalysatoren aus
gesättigten Kohlenwasserstoffen der allgemeinen den Alkylberylliumverbindungen hergestellt werden,
vor, die durch Polymerisation der ungesättigten 45 bestehen fast völlig aus isotaktischen Makromole-Kohlenwasserstoffe
in einem inerten Kohlenwasser- külen.
Stofflösungsmittel und bei normalem atmosphärischem Wenn Propylen mit Hilfe eines Katalysators aus
oder nur leicht erhöhtem Druck mit Hilfe von Kataly- Diäthylberyllium und violettem kristallinem Titantrisatoren
aus Halogeniden von Übergangsmetallen mit chlorid polymerisiert wirdr werden gemäß der Erhöherer
Wertigkeit der Gruppe IVa bis VIa des 5° findung Rohpolymerisate erhalten, die einen außer-Periodischen
Systems der Elemente, d. h. mit Halo- ordentlich hohen Gehalt (95 % und mehr) an hochgeniden,
in denen das Metall die Maximalwertigkeit, isotaktischen Makromolekülen enthalten, die mit
die seiner Stellung im Periodischen System entspricht, kochendem n-Heptan nicht extrahierbar sind. Im
aufweist und Organometallverbindungen von Metallen Fall von Buten-1 enthält das rohe Polybuten-1 mehr
der II. und III. Gruppe des Periodischen Systems 55 als 90 °/o des mit kochendem Äther nicht extrahiererhalten
werden. baren isotaktischen Polymeren.
Es wurde bereits vorgeschlagen, die beiden verschie- Analoge Ergebnisse werden mit anderen a-Ole-
denen Polymerarten auf Grund ihrer verschiedenen finen erhalten.
sterischen Struktur durch Extraktion der Polymerisate Der als Schutzstoff für die Alkylberylliumver-
mit selektiven Lösungsmitteln zu trennen, wobei für 60 bindung zugesetzte Komplex der Aluminiumalkylrohes
Polypropylen nacheinander heißes Aceton, verbindung mit einem Elektronengeber ermöglicht
Äthyläther und n-Heptan verwendet werden und der es, die Menge der relativ teuren Alkylberylliumver-Rückstand
der n-Heptan-Extraktion die überwiegend bindungen, wie Diäthylberyllium, möglichst niedrig
bis hauptsächlich isotaktischen Polymeren enthält. zu halten.
Es sind auch bereits stereospezifische Katalysatoren 65 Ohne die Verwendung einer Schutzverbindung kann
bekannt, die aus einer Organometallverbindung und man zwar Ausbeuten an Polymeren bis zu 800 und
einem kristallinen, in Kohlenwasserstoffen unlöslichen 1000 g/g Diäthylberyllium erreichen. Größere Aus-Halogenid
der Übergangsmetalle der IV. bis VI. Neben- beuten können aber nicht erhalten werden, da, wenn
3 4
die Konzentration des Diäthylberylliums unter 0,4 hergestellt mit Hilfe der vorliegenden Katalysatoren,
bis 0,6 g/l des als Polymerisationsmedium verwendeten zeigt wesentlich verbesserte mechanische und ther-Lösungsmittels,
beispielsweise n-Heptan, gesenkt wird, mische Eigenschaften sowie Resistenz gegenüber
sowohl die Aktivität als auch die Stereospezifität Lösungsmitteln.
des Katalysators abnehmen und unkontrollierbar 5 Im allgemeinen soll das hochisotaktische Polymere,
werden. Das ist darauf zurückzuführen, daß die wie hochisotaktisches Polypropylen, eine Grenzgeringen
Mengen an Sauerstoff, Feuchtigkeit oder viskosität von nicht mehr als 1,5 aufweisen, um es
anderen reaktionsfähigen Verunreinigungen, die in leicht mit Hilfe von Schmelz-Strangpreßverfahren zu
den verschiedenen Reaktionskomponenten vor- verformen.
kommen oder in der Apparatur vorliegen, genügen, io Es ist aber nicht üblich, solche Gegenstände durch
um die Alkylberylliumverbindung teilweise oder Auspressen einer Schmelze des vorliegenden Polyvöllig
zu zerstören. propylens herzustellen. Das erhaltene Polymere hat
Als Schutzverbindungen sind besonders geeignet im allgemeinen ein sehr hohes Molekulargewicht
Alkylätherate, z. B. Triäthylaluminiumätherat, oder und weist somit auch im geschmolzenen Zustand
Komplexe von Aluminiunialkylverbindungen mit 15 eine Viskosität auf, die für ein leichtes Auspressen
organischen Basen, wie Pyridin und Chinolin. der geschmolzenen Masse zu hoch ist.
Besonders gute Ergebnisse werden mit einem Polymeren mit niedrigerem Molekulargewicht, die
Katalysator aus Diäthylberyllium, Triäthylaluminium- leichter aus der Schmelze stranggepreßt werden
ätherat und Titantrichlorid in molaren Verhältnissen können und damit zur Herstellung von Textilfasern
im Bereich von 0,05 : 0,25 :1,0 bis 0,5 : 5,0:1,0 er- 20 und Filmen geeignet sind, können unter Verwendung
halten. Ein solcher Katalysator ist höchst stereo- der erfindungsgemäßen Katalysatoren hergestellt werspezifisch
und außerdem sehr unempfindlich gegen- den, wenn die Polymerisation in Gegenwart von
über Verunreinigungen. _ Wasserstoff durchgeführt wird, wie dies im Zusammen-
Die Katalysatoren, die den Ätheratzusatz ent- hang mit der Polymerisation von «-Olefinen mit
halten, weisen den beträchtlichen praktischen Vorteil 25 Katalysatoren aus Aluminiumalkylen und Überauf,
daß hohe Ausbeuten an Polymerisat erhalten gangsmetallverbindungen beschrieben wurde. Die
werden, während die Katalysatorkosten beträchtlich zur Herstellung dieser erfindungsgemäßen Katalyerniedrigt
werden. Bei Verwendung von Katalysatoren satoren verwendete Alkylberylliumverbindung sind
aus Diäthylberyllium und Titantrichlorid, die als Organometallverbindungen, in denen Alkylradikale
Zusatz Triäthylaluminiumätherat enthalten, ist eine 30 mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen direkt an das Metall-Ausbeute
von 2500 bis 3500 g Polypropylen je Gramm atom gebunden sind. Die zur Herstellung der Kataly-Diäthylberyllium
leicht erhältlich, verglichen mit einer satoren verwendeten Übergangsmetallverbindungen
Ausbeute von 800 bis 1000 g Polymerisat je Gramm bestehen aus einer festen kristallinen Verbindung oder
Diäthylberyllium mit einem Katalysator aus Di- Mischungen von Verbindungen, beispielsweise HaIoäthylberyllium
und Titantrichlorid, wobei die den 35 geniden von Titan, Zirkon, Vanadin oder Chrom und
Katalysator bildenden Komponenten in sorgfältig niederwertige Verbindungen des Übergangsmetalls,
gereinigtem Zustand verwendet werden. die in dem Kohlenwasserstofflösungsmittel, das als
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Kataly- Polymerisationsmedium verwendet wird, unlöslich
satoren ist besonders vorteilhaft, wenn es notwendig sind.
oder erwünscht ist, Rohpolymerisate herzustellen, 4° Der Katalysator kann durch Suspendieren der festen
die einen hohen Gehalt an isotaktischem kristallisier- Titanverbindung, z.B. gepulvertem Titantrichlorid,
barem Polymeren aufweisen und direkt für die Her- in einer Lösung des Alkyl berylliums, ζ. B. von Distellung
von Filmen, Fasern oder geformten Artikeln äthylberyllium, in einem Kohlenwasserstofflösungsohne
Lösungsmittelfraktionierung verwendet werden mittel, das gegenüber dem Katalysator inert ist,
sollen. 45 und anschließendes Erhitzen der Suspension auf 50
Es wurde weiterhin gefunden, daß die mit Hilfe bis 9O0C hergestellt werden.
der erfindungsgemäßen Katalysatoren gewonnenen An Stelle von violettem kristallinem Titantrichlorid
Polymeren mechanische und thermische Eigenschaften können auch andere niederwertige feste kristalline
aufweisen, die wesentlich besser sind als die Eigen- Verbindungen der Ubergangsmetalle verwendet werschaften
entsprechender Polymerer, bei denen zur 5° den. Beispielsweise ist die entsprechende Verbindung
Herstellung des Katalysators Triäthylaluminium ver- des zweiwertigen Titans (TiCl2) ebenso wirksam,
wendet wird. So schmelzen die mit Hilfe der er- Andere geeignete feste kristalline Übergangsmetallfindungsgemäßen
Katalysatoren gewonnenen Poly- verbindungen sind Vanadintrichlorid, Zirkontrichlorid
meren innerhalb eines engeren Temperaturbereiches, und Chromtrichlorid.
zeigen ein geringeres viskoses Kriechen und ver- 55 Das bei der Herstellung der Katalysatoren verstärkte
Härte und sind frei von der Fettigkeit, die wendete Verhältnis des Berylliumalkyls zur Überein
Charakteristikum von Rohpolymerisaten ist, die gangsmetallverbindung kann im Bereich von 0,05 Mol
amorphe Anteile enthalten. Sie neigen somit nicht Be : 1,0 Mol Ti bis 0,5 Mol Be: 1,0 Mol Ti liegen,
dazu, Staub an ihrer Oberfläche festzuhalten, wie Die bei der Durchführung der Polymerisation ver-
dies die Polymerisate tun, in denen wesentliche 60 wendete Katalysatormenge genügt, um die Reaktion
Mengen an amorphen Anteilen vorliegen. so zu beschleunigen, daß sie mit einer tragbaren Ge-
Die durch Polymerisation der ungesättigten Kohlen- schwindigkeit fortschreitet und leicht beherrscht
Wasserstoffe mit Hilfe der erfindungsgemäßen Kataly- werden kann.
satoren erhaltenen Polymeren sind besonders zur Die Polymerisation wird praktisch in Abwesenheit
Herstellung von Textilfasern mit hoher Zugfestigkeit 65 von Luft und Wasser durchgeführt, vorzugsweise in
und einem seidigen, nicht fettigen Griff sowie zur Her- einer inerten Gasatmosphäre, z. B. in Stickstoff.
Stellung von Plastikmaterialien, die als Ersatz für Die Kohlenwasserstofflösungsmittel, die zur Her-
Keramik dienen können, geeignet. Rohes Polybuten-1, stellung der Katalysatoren und als Polymerisations-
medium verwendet werden, können, sind vorzugsweise
paraffinische Kohlenwasserstoffe einschließlich Leichtbenzin (im wesentlichen frei von Olefinbindungen),
n-Heptan oder Isooctan. Es kann auch wasserfreies Benzol verwendet werden. Das Kohlenwasserstofflösungsmittel
kann auch das zu polymerisierende Monomere sein.
Die Polymerisation wird bei Temperaturen zwischen 20 und 1200C und unter atmosphärischem Druck oder
einem niedereren Druck bis zu 30 Atmosphären über normalem atmosphärischem Druck durchgeführt.
Das gewöhnlich feste, hochisotaktische Polymerisat, das sich von selbst aus dem Lösungsmittel abscheidet,
wird einfach mit Alkohol zur Entfernung des eingeschlossenen Katalysators gewaschen und ist nach dem
Trocknen fertig für die weitere Verwendung.
Die Erfindung wird in den nachfolgenden Beispielen erläutert.
B e i s ρ i e 1 1
1,8 g Titantrichlorid, suspendiert in einer Heptanlösung, die 0,9 g Triäthylaluminiumätherat und 0,07 g
Diäthylberyllium mit einem Reinheitsgrad von 85%» in 200 ecm wasserfreiem n-Heptan enthält, werden in
einen vorher evakuierten Schüttelautoklav aus rostfreiem Stahl von 1080 ecm Inhalt eingebracht und
bei 75°C gehalten.
. Unmittelbar darauf wird der Autoklav in Bewegung gesetzt und nach 5 Minuten aus einem Behälter gasförmiges
Propylen bis zu einem Druck von 2,4 Atmosphären eingepreßt. Druck, Temperatur und Bewegung
des Autoklavs werden dann 28 Stunden konstant gehalten. Die Polymerisationsgeschwindigkeit
wird in regelmäßigen Zwischenräumen durch Abnähme des Druckes im Vorratsbehälter des Monomeren
gemessen.
Nach dieser Zeit werden 100 ecm Methanol in den Autoklav eingebracht und das Reaktionsprodukt,
ein sehr feines violettes Pulver, entnommen. Die Reinigung des Polymeren wird durch wiederholte
Behandlung mit Methanol und Salzsäure und schließlich durch Waschen mit Methanol allein durchgeführt.
Nach dem Trocknen beträgt die Menge des Polymeren 153 g.
Die Ausbeute des Polymeren beträgt 2550 g/g Be (C2H5),.
Das Produkt wird durch Extraktion mit kochenden Lösungsmitteln in einem Kumagawa-Extraktor fraktioniert,
wobei Aceton, Äther und n-Heptan in dieser Reihenfolge verwendet werden. Der Acetonextrakt
entspricht 1,3 °/o des Gesamtpolymeren. Der Ätherextrakt (4,2 °/o des erhaltenen Polymerisats) besteht
aus linearem, ataktischem Kopf-Schwanz-Polypropylen mit einer Grenzviskosität von 0,67 in Tetrahydronaphthalinlösung
bei 135 0C. Der Heptanextrakt (4,3 % des Gesamtpolymerisats) besteht aus Polypropylen,
das sich bei der Röntgenanalyse als teilweise kristallin erweist und eine Grenzviskosität von
1,02 besitzt.
Der Rückstand nach der Heptanextraktion entspricht 90,2% des Gesamtpolymeren und besteht aus
im wesentlichen isotaktischem Polypropylen, das sieb,
bei der Röntgenanalyse als hochkristallin erweist und eine Grenzviskosität von 2,6 besitzt.
In der nachstehenden Tabelle sind die bei anderen Propylenpolymerisationsansätzen erhaltenen Ergebnisse
angegeben, die wie oben beschrieben durchgeführt wurden und mit Produkten verglichen, die
durch gleichartige Polymerisation von Propylen, aber unter Verwendung von verschiedenen katalytischen
Systemen erhalten wurden (Temperatur 750C;
Lösungsmittel 200 ecm n-Heptan; Druck 2,4 Atmosphären).
TiCl3
Mol
Mol
metallorganische
Verbindung
Verbindung
Mol
Schutzstoff
Komplexverbindung Mol
Zeit
Stunden
Stunden
Gramm
Polymerisat
pro
MeRn
Polymerisatrückstand nach
Extraktion mit kochendem
Heptan
0?)
0,0016
0,0116
0,0116
0,0116
0,0116
Be(C2Hg)2
Be(C2Hs)2
Be(C2H5),
Be(C2Hs)2
Be(C2H5),
0,0009
0,0009
0,0009
0,0009
0,0009
Al(C2Hs)3-O(CaH5)2
Al(C2Hs)3 · O(C2H5)2
A1(C2H5)3-O(C2H5)2
0,0042
0,0042
0,0042
0,0042
0,0042
(η) — Grenzviskosität, gemessen in Tetrahydronaphthalin bei 1350C.
28
20
114
2550
1800
3180
1800
3180
90,2 96,0 94,0
2,60 2,55 2,90
In eine bei 8O0C gehaltene Apparatur wird eine
Suspension von 1 g TiCl3 in 350 ecm einer Heptanlösung
von 0,126 g Be(C2H5)2 und 0,8 g Triäthylaluminiumätherat
eingebracht. Es wird mit dem ,Schütteln begonnen und nach wenigen Minuten
Wasserstoff bis zu einem Druck von 1,4 Atmosphären und dann Propylen bis zu einem Gesamtdruck
von 6 Atmosphären eingeführt. Der Druck wird während des Verfahrens durch kontinuierlichen
Zusatz von Propylen aufrechterhalten. Nach 12 Stunden wird das Reaktionsprodukt entnommen.
Es werden nach der im Beispiel 1 beschriebenen Arbeitsweise 52 g eines pulvrigen,
weißen Polymeren mit einer Grenzviskosität von 0,91 isoliert.
1 g Titantrichlorid und eine Lösung von 0,136 g Berylliumäthylmonochlorid und 0,8 g Triäthylaluminiumätherat
in 250 ecm n-Heptan werden in einen Schüttelautoklav mit ungefähr 11 Inhalt eingebracht.
Nach Erhitzen auf 8O0C wird Propylen bis zu einem Druck von 6 Atmosphären (Manometer) eingebracht.
Druck und Temperatur werden ungefähr 4 Stunden konstant gehalten.
Das Reaktionsprodukt wird dann entnommen und nach der Reinigung 110 g pulvriges Polypropylen
isoliert, wovon 90% in kochendem n-Heptan unlöslich sind.
Claims (3)
1. Verfahren zur Polymerisation von ungesättigten Kohlenwasserstoffen der allgemeinen
Formel CH2 = CHR, in der R einen Alkylrest
mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen bedeutet, in Gegenwart von Katalysatoren, die durch Zusammenbringen
von Alkylberylliumverbindungen mit festen, in Kohlenwasserstoffen unlöslichen kristallinen Verbindungen von Ubergangsmetallen
der IV. bis VI. Nebengruppe des Periodischen Systems, in denen das Übergangsmetall eine unter
der Maximalwertigkeit liegende Wertigkeit aufweist, erhalten werden, dadurch gekennzeichnet,
daß man dem Katalysator einen Komplex einer Aluminiumalkylverbindung mit einem Elektronengeber im Molverhältnis zwischen
Alkylberylliumverbindung, Alkylaluminiumkomplex und Übergangsmetallverbindung von
0,05: 0,25:1,0 bis 0,5: 5,0:1,0 zugibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Schutzstoff ein Alkylaluminiumätherat
verwendet.
3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man einem Katalysator aus
Titantrichlorid, Diäthylberyllium und Triäthylaluminiumätherat verwendet.
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