DE1520302C - Verfahren zur Herstellung von Poly meren von ungesättigten Kohlenwasserstoffen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Poly meren von ungesättigten KohlenwasserstoffenInfo
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Description
Zur Polymerisation von ungesättigten Kohlenwasserstoffen wurden bereits Katalysatoren vorgeschlagen,
die aus dem Produkt der Reaktion zwischen folgenden Komponenten bestehen:
a) Metallorganische Verbindungen von Elementen der I., II. und III. Gruppe des Periodischen
Systems,
b) Verbindungen von Übergangsmetallen der IV., V. und VI. Gruppe des Periodischen Systems.
Bei den bekannten Verfahren wird die Homo- bzw. Copolymerisation entweder in Gegenwart von als
Lösungsmittel dienenden Kohlenwasserstoffen, die inert gegenüber den zu polymerisierenden Monomeren
sind, oder unter Verwendung eines oder mehrerer der zu polymerisierenden, im flüssigen Zustand gehaltenen
Monomeren als Lösungsmittel durchgeführt.
Im Gegensatz zur Homopolymerisation von Äthylen und Butadien ist es bei der Homopolymerisation der
höheren a-Olefine und bei Copolymerisationen, an
denen ein oder mehrere höhere Λ-Olefine beteiligt sind,
zur Erzielung annehmbarer Polymerisationsgeschwindigkeiten und Ausbeuten erforderlich, daß eine der
vorstehend genannten Katalysatorkomponenten HaIosenatome
enthält.
Von G. B i e r (Angew. Chemie 73 [1961] S. 186 bis 197) wurde nachgewiesen, daß es unmöglich ist,
unter Verwendung des aus Aluminiumtriäthyl und VO(O — i-C4H9)3 bestehenden Katalysatorsystems
brauchbare Mengen an Äthylen-Propylen-Copolymeren herzustellen. Auch Natta und Mitarbeiter
(J. Polymer Science 51, S. 411 [1961]) wiesen darauf hin, daß bei Verwendung des aus Vanadintriacetylacetonat
(oder Vanadyldiacetylacetonat) und Aluminiumtriäthyl bestehenden Katalysatorsystems nur
Spuren des Äthylen-Propylen-Copolymeren erhalten werden. In den gleichen Arbeiten wurde ferner nachgewiesen,
daß die Äthylen-Propylen-Copolymerisation mit annehmbar guten Ergebnissen abläuft, wenn eine
oder beide Katalysatorkomponenten durch halogenhaltige Verbindungen ersetzt werden.
Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren zur Herstellung von Polymeren von ungesättigten Kohlenwasserstoffen
aus α-Olefinen der allgemeinen Formel R — CH = CH2, in der R ein Alkylrest mit 1 bis
6 Kohlenstoffatomen ist, oder aus Gemischen dieser «-Olefine miteinander und/oder mit Äthylen und/oder
Kohlenwasserstoffdienen oder -polyenen mit Hilfe von halogenfreien Katalysatoren, die aus halogenfreien
organischen Verbindungen von Übergangsmetallen der V. oder VI. Gruppe des Periodischen
Systems und halogenfreien organometallischen Verbindungen von Metallen der I. bis III. Gruppe oder
halogenfreien metallorganischen Komplexverbindungen von Metallen der I. und III. Gruppe erhalten
werden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Herstellung des Katalysators und/oder die Polymerisation
in Gegenwart von halogenhaltigen Kohlenwasserstoffverbindungen durchgeführt wird.
Dieses überraschende Ergebnis war keineswegs vorauszusehen, da im allgemeinen halogenhaltige organische
Verbindungen mit den aus organometallischen Verbindungen und Übergangsmetallverbindungen hergestellten
Katalysatoren reagieren und sie deaktivieren. Für die Zwecke der Erfindung geeignte halogenhaltige
Kohlenwasserstoffverbindungen sind beispielsweise Chloroform, Methylenchlorid, Trichloräthylen,
Tetrachloräthylen und Gemische dieser Verbindungen.
Die besten Ergebnisse werden mit Tetrachloräthylen erhalten.
Als metallorganische Verbindungen eignen sich für die Katalysatorherstellung vorzugsweise Berylliumdialkyle,
Magnesiumdialkyle, Zinkdialkyle, Cadmiumdialkyle, Aluminiumtrialkyle, Lithium-Aluminiumtetralkyle,
Aluminiumalkenyle, Aluminiumalkylene, AIuminiumalkoxyalkyle, Aluminiumalkylacetylacetonate,
Aluminiumcycloalkyle, Aluminiumcycloalkylalkyle,
ίο Aluminiumaryle, Aluminiumalkylaryle, Komplexe dieser
organometallischen Verbindungen mit vorzugsweise schwachen Lewis-Basen.
Als Beispiele dieser organometallischen Verbindungen
seien genannt: Berylliumdiäthyl, Magnesiumdiäthyl, Zinkdiäthyl, Zinkdibutyl, Cadmiumdiäthyl,
Aluminiumtrimethyl, Aluminiumtriäthyl, Aluminiumtriisobutyl, Aluminiumtrihexyl, Aluminiumtrioctyl,
Aluminiumbutenyldiäthyl, Aluminiumisohexenyldiäthyl,
2-Methyl-l,4-di(diisobutylaluminium)-butan,
Aluminiumtri(cyclopentylmethyl),AIuminiumtri(dimethylcyclopentylmethyl),
Aluminiumtriphenyl, Aluminiumtritolyl, Aluminiumdiäthylmonoäthoxyd, Diisobutylaluminiumisopropoxyd,
Diäthylaluminiummonoacetylacetonat.
Als Verbindungen von Übergangsmetallen der V. und VI. Gruppe werden für die Katalysatorherstellung
vorzugsweise Vanadin- oder Chromacetylacetonate, Vanadyldiacylacetonate, Vanadyltrialkoholate, Alkylo-vanadate
und vanadin-organische Salze verwendet.
Beispiele solcher Verbindungen sind Vanadinacetylacetonat, Vanadinbenzoylacetonat, Vanadyldiacety!-
acetonat, Vanadyltriisopropylat, Chromacetylacetonat, Chrombenzoylacetonat, Äthyl-, Propyl-, Butyl-,
tert.-Butyl- und 2-Äthylhexyl-o-vanadate, Vanadintriacetat,
-tribenzoat und -tristearat. Besonders gute Ergebnisse werden erhalten, wenn Vanadinverbindungen
bei der Katalysatorherstellung verwendet werden.
Die beim erfindungsgemäßen Homo- und Copolymerisationsverfahren verwendeten a-Olefine haben die
allgemeine Formel R — CH = CH2, in der R ein Alkylrest mit 1 bis 6 C-Atomen ist. Bei der Copolymerisation
von Äthylen mit höheren a-Olefinen werden besonders gute Ergebnisse erhalten, wenn
Äthylen mit Propylen und/oder Buten-1 verwendet
wird. Zusammen mit Äthylen und/oder den höheren a-Olefinen können ein oder mehrere der folgenden
Monomeren polymerisiert werden:
a) Konjugierte lineare Diene (z. B. Butadien-1,3,
Isopren, Pentadien-1,3, Hexadien-1,3, Heptadien-1,3,
6-Methylheptadien-l,3);
b) konjugierte cyclische Diene (z. B. Cyclopentadien-1,3,
Methylcyclopentadien-1,3);
c) nichtkonjugierte lineare Diene (z. B. Pentadien-1,4,
Hexadien-1,5, Hexadien-1,4, 2-Methylpentadien-1,4,
2-Methylhexadien-l,5, 2-Phenylhexadien-1,5, Heptadien-1,5, 2-Methylheptadien-l,6,
Heptadien-1,6, Octadien-1,5 und 2,6-Dimethyloctadien-1,7);
d) nichtkonjugierte cyclische Diene oder Polyene (z. B. Cycloheptadien-1,4, Cyclooctadien-1,5,
Cyclooctadien-1,4, Cyclodecadien-1,6, Cyclododecadien-1,7,
Cyclododecatrien-1,5,9, 1-Methylcyclooctadien-1,5,
S-Methylcyclooctadien-l^,
3,4-Dimethylcyclooctad ien-1,5);
e) polycyclische Diene mit endomethylenischer Struktur,
(z. B. Bicyclopentadien, Bicyclo(2,2,l)heptadien-2,5, 2-Methylenbicyclo(2,2,l)hepten-5);
f) Alkenylcycloalkene (z. B. l-Vinylcyclohexen-l,
4-Vinylcyclohexen-l, l-HexenyI-5-cyclohexen-l,
S-Methyl-^allylcyclohexen-l, l-Butenyl-3-cyclohexen-1,
l-Allylcyclohexen-l, S-Butenyl-3-cyclopenten-1,
l-PentenyM-cyclopenten-l, 3-Methyll-butenyl-3-cyclopenten-l,
2,3, 3-Trimethyl-4-vinylcyclopenten-1);
g) Dialkenyl- oder Polyalkenylcycloalkene (z. B. trans-l^-Divinylcyclobutan, cis-l^-Divinylcyclobutan,
1,2-Divinylcyclopentan, trans-Divinylcyclopropan,
Trivinylcyclohexane, Diallylcyclohexan, l-Vinyl-2-isopropenylcyclobutan).
Das Polymerisationsverfahren gemäß der Erfindung kann bei Temperaturen zwischen —80 und +1250C
durchgeführt werden. Bevorzugt werden Temperaturen zwischen—50 und+500C.
Die Polymerisation kann in verschiedener Weise durchgeführt werden. Beispielsweise gibt es folgende
Möglichkeiten:
a) Die metallorganische Verbindung und die Übergangsmetallverbindung
werden in Gegenwart des Halogenkohlenwasserstoffs gemischt, und das Gemisch wird mit dem bzw. den zu polymerisierenden
Monomeren in Gegenwart eines als Lösungsmittel dienenden inerten Kohlenwasserstoffs
zusammengeführt.
b) Die metallorganische Verbindung und die Übergangsmetallverbindung
werden in Gegenwart eines als Lösungsmittel dienenden inerten Kohlenwasserstoffs
gemischt, und das Ganze wird mit dem bzw. den zu polymerisierenden Monomeren in Gegenwart des Halogenkohlenwasserstoffs zusammengeführt.
c) Die Umsetzung zwischen der metallorganischen Verbindung und der Übergangsmetallverbindung
wird in Gegenwart des bzw. der Monomeren und des Halogenkohlenwasserstoffs durchgeführt.
d) Die Polymerisation wird kontinuierlich durchgeführt,
wobei frischer Katalysator und/oder weiteres Monomeres (bzw. Monomere) periodisch
oder kontinuierlich dem System zugeführt werden.
Sollen Copolymere von sehr gleichmäßiger Zusammensetzung hergestellt werden, ist es zweckmäßig,
während der Copolymerisation das Mengenverhältnis der zu polymerisierenden Monomeren, die in der reagierenden
Flüssigphase vorliegen, konstant bzw. zumindest so konstant wie möglich zu halten. Zu diesem Zweck
kann es vorteilhaft sein, die Copolymerisation kontinuierlich unter kontinuierlicher Zufuhr und Entnahme
eines Monomerengemisches von konstanter Zusammensetzung durchzuführen und mit hoher Raumströmungsgeschwindigkeit
zu arbeiten.
Bei Copolymerisationen, bei denen eines der beiden Monomeren Äthylen ist, darf der Äthylengehalt im
rohen Copolymeren im allgemeinen nicht höher sein als 70 Molprozent, wenn amorphe Produkte gewünscht
werden, die in siedendem n-Heptan vollständig löslich sind. Zu diesem Zweck müssen bestimmte Verhältnisse
zwischen den zu polymerisierenden Monomeren in der reagierenden Flüssigphase eingehalten werden.
Werden amorphe Äthylen-Propylen-Copolymere zusammen mit einem Dien oder Polyen gewünscht, ist es
zweckmäßig, das Äthylen/Propylen-Molverhältnis in der reagierenden Flüssigphase unter 1:4 oder höchstens
bei 1:4 zu halten. In dem zugeführten Gasgemisch
entspricht dies unter Normalbedingungen einem Äthylen/Propylen-Molverhältnis von 1: 1. Soll dagegen
Buten-1 an Stelle von Propylen verwendet werden, muß das Äthylen/Buten-1-Verhältnis unter
1: 20 oder höchstens bei 1: 20 gehalten werden. In dem zugeführten Gasgemisch entspricht dies unter
Normalbedingungen einem Äthylen/Buten-1-Molverhältnis
von 1:1,5.
Im allgemeinen ist es hauptsächlich aus wirtschaftlichen Gründen zweckmäßig, Diene oder Polyene in
ίο Mengen von weniger als 20% in das Copolymere einzuführen.
Unter Berücksichtigung der vorstehenden Ausführungen ist es jedoch möglich, durch Veränderung
der Zusammensetzung des Monomerengemisches die Zusammensetzung des Copolymeren innerhalb
weiter Grenzen zu variieren.
Die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung erhaltenen olefinischen Homopolymeren haben interessante
Anwendungsmöglichkeiten auf dem Kunststoffgebiet, wenn sie kristallin sind, z. B. zur Herstellung
von Formkörpern, Platten, Folien und Fasern. Wenn sie amorph sind, können sie zur Herstellung
von Klebmassen, Druckfarben und als Überzug für Polymerfolien dienen. Copolymere des Äthylens mit
einem oder mehreren höheren «-Olefinen, insbesondere amorphe Copolymere, können nach Vulkanisation mit
den entsprechenden Vulkanisationsmitteln als Elastomere eingesetzt werden. Als Elastomere eignen sich
ebenfalls amorphe Äthylen- und/oder a-Olefincopolymere
mit einem oder mehreren der obengenannten Diene oder Polyene.
In einen 100-cm3-Glaszylinder, aus dem vorher die
Luft entfernt wurde, und der in ein bei -2O0C gehaltenes
Bad gestellt ist, werden 50 cm3 wasserfreies Tetrachloräthylen sowie 2,8 Millimol Äthyl-o-vanadat
und 14 Millimol Aluminiumtriäthyl gegeben. Durch das Gemisch läßt man Propylen perlen, bis das Flüssigkeitsvolumen
um etwa 10 cm3 gestiegen ist. Das Gemisch wird 8 Stunden bei -2O0C stehengelassen. Die
Reaktion wird dann durch Zusatz von Methanol abgebrochen. Die Reaktionsmasse wird durch verschiedene
Behandlungen mit verdünnter Salzsäure und dann mit Wasser in einem Scheidetrichter gereinigt
und dann in einen Acetonüberschuß gegossen. Nach Trocknen im Vakuum werden 1,9 g Polypropylen
erhalten, das eine in Tetrahydronaphthalin bei 135°C
gemessene Grenzviskosität von 1,2 hat. Das Polymere erweist sich bei der Röntgenstrahlenuntersuchung als
amorph und weist nur eine schwache Kristallinität des isotaktischen Typs auf.
B e i spi el 2
In einen 100-cm3-GIaszylinder, aus dem vorher die
Luft entfernt wurde, und der in ein bei —20°C gehaltenes Bad gestellt ist, werden 2,8 Millimol Vanadintriacetylacetonat,
50 cm3 wasserfreies Tetrachloräthylen und 14 Millimol Aluminiumtriäthyl gegeben.
Dann läßt man Propylen durch das Gemisch zirkulieren, bis das Flüssigkeitsvolumen um etwa 10 cm3 gestiegen
ist. Das Gemisch wird für 8 Stunden der Reaktion überlassen, die dann durch Zusatz von Methanol
abgebrochen wird. Das Produkt wird auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise gereinigt und isoliert.
Auf diese Weise werden 1,1 g Polypropylen erhalten, das ähnliche Eigenschaften wie das im Beispiel 1 erhaltene
Produkt aufweist.
B ei spi el 3
Die Reaktionsapparatur besteht aus einem Glaszylinder, der mit Gaszuf ührungs- und -abfuhrleitungen
und mit einem Rührer versehen ist. Das Gaseinführungsrohr ist bis zum Boden des Zylinders geführt und
läuft in eine Fritte aus. In den unter Stickstoff gehaltenen Reaktor, der in ein bei konstanter Temperatur
von —20° C gehaltenes Bad getaucht ist, werden 200 cm3 wasserfreies Tetrachloräthylen eingeführt.
Durch das Gaseinführungsrohr wird ein gasförmiges Gemisch von Propylen und Äthylen im Molverhältnis
von 4:1 eingeführt und in einer Menge von 200 Nl/Std.
umgewälzt.
In einem 100-cm3-Kolben wird der Katalysator bei
—20°C unter Stickstoff vorgebildet, indem 2,8 Millimol
Äthyl-o-vanadat und 14 Millimol Aluminiumtriäthyl in 50 cm3 wasserfreiem Tetrachloräthylen umgesetzt
werden. Der auf diese Weise hergestellte Katalysator wird 1 Minute bei —20° C gehalten und dann
unter Stickstoffdruck in den Reaktor gehebert. Das gasförmige Äthylen-Propylen-Gemisch wird kontinuierlich
in einer Menge von 200 Nl/Std. zugeführt und abgezogen. Die Reaktion wird 17 Minuten nach der
Einführung des Katalysators durch Zusatz von Methanol abgebrochen.
Das Reaktionsprodukt wird auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise gereinigt und isoliert. Nach dem
Trocknen werden 3,9 g eines festen, weißen Äthylen-Propylen-Copolymeren erhalten, das in siedendem
n-Heptan vollständig löslich ist und das Aussehen eines nicht vulkanisierten Elastomeren hat. Bei der
Röntgenstrahlenuntersuchung zeigt sich, daß das Produkt amorph ist und daß das Absorptionsmaximum
im Vergleich zu dem von amorphem Polypropylen verschoben ist. Bei der Untersuchung durch Infrarot-Spektrographie
wird die Anwesenheit von methylenischen Abschnitten mit Banden zwischen 13,4 und
13,8 μ festgestellt. Aus dem Infrarotspektrum läßt sich ein Propylengehalt von 57 Gewichtsprozent errechnen.
In die im Beispiel 3 beschriebene Reaktionsapparatur, die unter Stickstoff gehalten wird und in ein bei —20° C
gehaltenes Bad getaucht ist, werden 200 cm3 wasserfreies Tetrachloräthylen eingeführt. Durch das Gaseinführungsrohr
wird ein gasförmiges Gemisch von Äthylen und Propylen im Molverhältnis von 4:1 zugeführt
und in einer Menge von 200 Nl/Std. umgewälzt.
In einem 100-cm3-Kolben wird der Katalysator
unter Stickstoff bei —20° C vorgebildet, indem 2,8 Millimol Vanadintriacetylacetonat und 14 Millimol Aluminiumtriäthyl
in 50 cm3 wasserfreiem Tetrachloräthylen umgesetzt werden. Der auf diese Weise gebildete
Katalysator wird durch Stickstoffdruck in den Reaktor gehebert. Das gasförmige Äthylen-Propylen-Gemisch
wird kontinuierlich in einer Menge von 200 Nl/Std. zugeführt und abgezogen. Die Reaktion
wird 25 Minuten nach der Zugabe des Katalysators durch Zusatz von Methanol abgebrochen.
Das Reaktionsprodukt wird auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise gereinigt und isoliert. Nach dem
Trocknen im Vakuum werden 2,1 g eines weißen, festen Äthylen-Propylen-Copolymeren erhalten, das
mit siedendem n-Heptan vollständig extrahierbar ist und das Aussehen eines nicht vulkanisierten Elastomeren
hat. Die Röntgenstrahlenuntersuchung zeigt, daß das Produkt amorph ist und daß das Absorptionsmaximum im Vergleich zu amorphem Polypropylen
verschoben ist. Bei der Untersuchung durch Infrarot-Spektrographie zeigt sich die Anwesenheit von methylenischen
Abschnitten mit Banden zwischen 13,4 und 13,8 μ. Aus dem Infrarotspektrum läßt sich ein
Propylengehalt von 57 Gewichtsprozent errechnen.
ίο In die im Beispiel 3 beschriebene Reaktionsapparatur,
die unter Stickstoff gehalten wird und in ein bei konstanter Temperatur von 25° C gehaltenes Bad getaucht
ist, werden 200 cm3 wasserfreies Tetrachloräthylen
eingeführt. Durch das Gaseinführungsrohr wird ein gasförmiges Gemisch von Äthylen und Propylen
im Molverhältnis von 4:1 eingeführt und in einer Menge von 200 Nl/Std. umgewälzt.
In einem 100-cm3-Kolben wird der Katalysator bei
25°C vorgebildet, indem unter Stickstoff 2,8 Millimol
Äthyl-o-vanadat und 14 Millimol Aluminiumtriäthyl in 50 cm3 wasserfreiem Tetrachloräthylen umgesetzt
werden. Der auf diese Weise gebildete Katalysator wird 1 Minute bei 25° C gehalten und dann unter
Stickstoffdruck in den Reaktor gehebert. Das gasförmige Äthylen-Propylen-Gemisch wird kontinuierlich
in einer Menge von 400 Nl/Std. zugeführt und abgezogen.
Die Reaktion wird 5 Minuten nach der Zugabe des Katalysators durch Zusatz von Methanol abgebrochen.
Das Reaktionsprodukt wird auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise gereinigt und abgetrennt. Nach dem
Trocknen im Vakuum werden 4,5 g eines festen, weißen Äthylen-Propylen-Copolymeren erhalten, das mit siedendem
n-Heptan vollständig extrahierbar ist und das Aussehen eines nicht vulkanisierten Elastomeren hat.
Die Röntgenstrahlenuntersuchung zeigt, daß das Produkt amorph ist und das Absorptionsmaximum im
Vergleich zu amorphem Polypropylen verschoben ist. Die Untersuchung durch Infrarot-Spektrographie ergibt
die Anwesenheit von methylenischen Abschnitten mit Banden zwischen 13,4 und 13,8 μ.
In die im Beispiel 3 beschriebene Reaktionsapparatür,
die unter Stickstoff gehalten wird und in ein bei konstanter Temperatur von —20°C gehaltenes Bad
getaucht ist, werden 200 cm3 wasserfreies Tetrachloräthylen und 15 cm3 2-Methylpentadien-l,4 gegeben.
Durch das Gaseinführungsrohr wird ein gasförmiges Gemisch von Propylen und Äthylen im Molverhältnis
von 4:1 zugeführt und in einer Menge von 200 Nl/Std.
umgewälzt.
Der Katalysator wird bei —20° C unter Stickstoff in einem 100-cm3-Kolben vorgebildet, indem 2,8 Millimol
Äthyl-o-vanadat und 14 Millimol Aluminiumtriäthyl in 50 cm3 wasserfreiem Tetrachloräthylen umgesetzt
werden. Der auf diese Weise gebildete Katalysator wird 1 Minute bei —20° C gehalten und dann unter
Stickstoffdruck in den Reaktor gehebert.
Das gasförmige Äthylen-Propylen-Gemisch wird kontinuierlich in einer Menge von 200 Nl/Std. zugeführt
und abgezogen. Die Reaktion wird 35 Minuten nach der Zugabe des Katalysators durch Zusatz von
20 cm3 Methanol, das 0,2 g Phenyl-/?-naphthylamin enthält, abgebrochen. Das Produkt wird auf die im
Beispiel 1 beschriebene Weise unter Stickstoff gereinigt und isoliert. Nach dem Trocknen im Vakuum werden
2,4 g eines festen, weißen Produkts erhalten, das in
Claims (1)
1. Verfahren zur Herstellung von Polymeren 25 Temperaturen zwischen —80 und +125° C, vor-
von ungesättigten Kohlenwasserstoffen aus α-Öle- zugsweise zwischen —50 und +5O0C, durchführt.
con/nno
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