DE2523098C3 - Verfahren zur Herstellung von Polyäthylen und dessen Copolymerisaten - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Polyäthylen und dessen Copolymerisaten

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DE2523098C3 DE19752523098 DE2523098A DE2523098C3 DE 2523098 C3 DE2523098 C3 DE 2523098C3 DE 19752523098 DE19752523098 DE 19752523098 DE 2523098 A DE2523098 A DE 2523098A DE 2523098 C3 DE2523098 C3 DE 2523098C3
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    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polyäthylen mit Hilfe eines neuen Katalysators von hoher Aktivität, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von Polyäthylen mit engerer Molekulargewichtsverteilung und höherer Schlagzähigkeit.
Polyäthylen wird in Abhängigkeit vom vorgesehenen Verwendungszweck nach verschiedenen Verfahren verformt. Es muß die den jeweiligen Verwendungszwekken und Formgebungsverfahren entsprechenden Eigenschaften aufweisen. Die Eigenschaften des Polymerisats hängen in erster Linie vom Molekulargewicht, von der Molekulargewichtsverteilung usw. ab. Demzufolge ist die Einstellung und Regelung von Faktoren wie Dichte, Molekulargewicht und Molekulargewichtsverteilung bei der Herstellung von Polyäthylen wesentlich.
Es wurden bereits Verfahren beschrieben, bei denen Äthylen bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen und Drücken mit Hilfe zahlreicher verschiedener Katalysatoren polymerisiert wird. Beispielsweise sind die von K. Ziegeler beschriebenen Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß ein Katalysator, der aus einem Gemisch einer Verbindung eines Metalls der Gruppe IV bis VlA des Periodensystems mit einem Aluminiumtrialkyl besteht (japanische Patentveröffentlichung 1545/ 1957), und ein Katalysator, der aus einem Gemisch einer Verbindung eines Metalls der Gruppe IV bis VIA des Periodensystems mit einer Aluminiumverbindung der allgemeinen Formel R2AlX besteht worin R ein Kohlenwasserstoffrest oder Wasserstoff und X ein Halogenatom oder ein Alkyloxyrest oder dergleichen ist (japanische Patentveröffentlichung 2045/1957), verwendet wird.
Von der Anmelderin wurde in der DE-OS 22 21 061 bereits ein Verfahren zur Herstellung von Hochpolymeren von Äthylen unter Verwendung eines Katalysators beschrieben, der hergestellt wird durch Kombinieren einer Organoaluminiumverbindung, die unter die weiter unten folgende Formel
R4R5Al(OR"), _„♦„,
fällt, und eines festen Reaktionsprodukts, das durch Umsetzung einer Organoaluminiumverbindung, die unter die weiter unten folgende Formel
RiRiAI(OR3J3 (α +μ
fällt mit einem Titanhologenid hergestellt wird.
Im Zusammenhang mit diesen Katalysatoren sind verschiedene Methoden zur Einstellung der Dichte und des Molekulargewichts von Polymerisaten bekannt Zur Einstellung der Molekulargewichtsverteilung ist jedoch keine leichtere und vorteilhaftere Methode bekannt Beispielsweise hat das nach dem Niederdruckpolymerisationsverfahren hergestellte Polyäthylen den Nachteil, daß seine Molekulargewichtsvertenung zu weit und daher seine Schlagzähigkeit für die Verwendung zum Spritzgießen ungenügend ist. Um diese Schwierigkeiten zu beheben, wurden von der Anmelderin weitere umfangreiche Untersuchungen mit dem Ziel der Entwicklung eines Verfahrens zur Einstellung der Molekulargewichlsverteilung durchgeführt Hierbei wurde gefunden, daß ein wirksamer Katalysator hergestellt werden kann, indem eine zusätzliche Umsetzung mit der im folgenden genannten Organoaluminiumverbindung (C) durchgeführt wird.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Polyäthylen oder Copolymerisaten von Äthylen mit einem anderen Monoolefin durch Polymerisation in Gegenwart eines Katalysators, welcher hergestellt worden ist durch Umsetzung von
(A) einem in Kohlenwasserstoffen unlöslichen Reaktionsprodukt, das hergestellt worden ist durch Umsetzung von a) einer Organoaluminiumverbindung der allgemeinen Formel
RiRiAl(OR2)., ,„♦„,
in der R1, R2 und R3 gleich oder verschieden sein können, und Kohlenwasserstoffreste mit je 1 bis 8 C-Atomen bedeuten und a und b Zahlen von 0 oder mehr sind, wobei die Summe von a + b im Bereich von 2,20 bis 2,85 liegt, und b) einer Titanverbindung, die wenigstens ein Halogenatom für jedes Titanatom enthält, mit
(B) einer Organoaluminiumverbindung der allgemeinen Formel
in der R4, R5 und R6 gleich oder verschieden sein können und Kohlenwasserstoffreste mit je 1 bis 8 C-Atomen bedeuten und cund dZahlen von 0 oder mehr sind, wobei die Summe von c+d im Bereich von 1,50 bis 3,00 liegt, das
dadurch gekennzeichnet ist, daß der verwendete
Katalysator durch Umsetzung von (A) mit (B) und
(C) einer Organoaluminiumverbindung der allgemeinen Formel R7AlX2, in der R7 ein Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 8 C-Atomen und X ein Halogenrest ist, hergestellt worden ist
In der Organoaluminiumverbindung (a) der allgemeinen Formel
die zur Herstellung eines festen Reaktionsprodukts (Katalysatorkomponente A) dknt, das eine der Katalysatorkomponenten gemäß den. Verfahren der Erfindung ist, sind die Kohlenwasserstoffreste R1 und R2 mit 1 bis 8 C-Atomen zweckmäßig Alkylreste, z. B. Methylreste, Äthylreste, Propylreste, Butylreste, Hexylreste und Octylreste. Der Kohlenwasserstoffrest R3 mit 1 bis 8 C-Atomen ist ebenfalls zweckmäßig ein Alkylrest, Arylrest oder Cycloalkylrest, z. B. Methyl, Äthyl, Propyl, Butyl, Hexyl, Octyl, Phenyl, Methylphenyl, Äthylphenyl, Cyclohexyl, Methylcydohexyl und Äthylcyclohexyl. Diese Verbindungen können durch Umsetzung eines Aluminiumtrialkyls und Sauerstoff, Alkohol oder Trialkoxyaluminium unter milden Bedingungen hergestellt werden. Als Titanverbindungen (b), die wenigstens ein Halogenatom pro Titanatom enthalten, eignen sich beispielsweise Titantetrachlorid, Monoäthoxytitantrichlorid, Monopropyloxytitantrichlorid, Monobutoxytitantrichlorid, Dibutoxytitandichlorid, Tributoxytitanmonochlorid und Kombinationen dieser Verbindungen.
Die Reaktion zwischen der Organoaluminiumverbindung (a) und der Titanverbindung (b) wird in einem inerten Reaktionsmedium durchgeführt, beispielsweise in einem aliphatischen Kohlenwasserstoff, z. B. Hexan oder Heptan, einem aromatischen Kohlenwasserstoff, z. B. Benzol, Toluol oder Xylol, oder in einem acyclischen Kohlenwasserstoff, z. B. Cyclohexan oder Methylcyclohexan. Es ist zwingend, daß die Reaktion bei einer Temperatur unter 1000C durchgeführt wird. Um hohe katalytische Aktivität sicherzustellen, ist es zweckmäßig, daß das Molverhältnis der beiden verschiedenen umzusetzenden Komponenten, d. h. der Organoaluminiumverbindung zur Titanverbindung, 0,05 :1 bis 50 :1, vorzugsweise 0,2 :1 bis 20 :1 beträgt. Das erhaltene, in Kohlenwasserstoffen unlösliche Reaktionsprodukt kann unmittelbar oder nach seiner Isolierung mit gleicher Wirkung verwendet werden, vorausgesetzt, daß die Reaktion beendet ist.
In der Organoaluminiumverbindung (Katalysatorkomponente B) der allgemeinen Formel
50
55
60
sind die Kohlenwasserstoffreste R4 und R5 mit je 1 bis 8 C-Atomen Alkylreste, z. B. Methyl, Äthyl, Propyl, Butyl. Hexyl und Octyl. Der Kohlenwasserstoffrest R6 mit 1 bis 8 C-Atomen ist ein Alkylrest, Arylrest oder Cycloalkylrest, z. B. Methyl, Äthyl, Propyl, Butyl, Hexyl, Octyl, Phenyl, Methylphenyl, Äthylphenyl, Cyclohexyl, Methylcydohexyl und Äthylcyclohexyl.
In der Organoaluminiumverbindung (Katalysatorkomponente C) der allgemeinen Formel R7A1X2 ist der Kohlenwasserstoffrest R7 mit 1 bis 8 C-Atomen ein Alkylrest, z. B. Methyl, Äthyl, Propyl, Butyl, Hexyl und Octyl. Das Halogenatom X kann Fluor, Chlor, Brom oder Jod sein. Die drei genannten verschiedenen Komponenten des Katalysators, d. h. das in Kohlenwasserstoffen unlösliche Reaktionsprodukt (A), die Organoaluminiumverbindung (B) und die Organoaluminiumverbindung (C) können mit fortschreitender Polymerisation durch Zusatz zum Polymerisationssystem unter den Polymerisationsbedingungen oder auch vor der Polymerisation miteinander umgesetzt werden. Durch Umsetzung der Komponenten (A) und (C) vor der Polymerisation kann ein weiterer verbesserter Effekt der Erfindung erzielt werden.
Die Umsetzung der Komponente (A) mit der Komponente (C) wird in einem inerten Reaktionsmedium, z. B. in einem aliphatischen Kohenwasserstoff wie Hexan oder Heptan, einem aromatischen Kohlenwasserstoff wie Hexan oder Heptan, einem aromatischen Kohlenwasserstoff wie Benzol, Toluol oder Xylol oder in einem alicyclischen Kohlenwasserstoff, z. B. Cyclohexan oder Methylcyclohexan, durchgeführt Die Reaktionstemperatur liegt hierbei unter 1000C, vorzugsweise unter 500C. Nach beendeter Reaktion kann die gebildete feste Komponsnte, die in Kohlenwasserstoffen unlöslich ist, nach Isolierung vom Reaktionsgemisch oder auch ohne Isolierung verwendet werden. Um die Vorteile des Verfahrens der Erfindung sicherzustellen, werden die umzusetzenden Katalysatorkomponenten vorzugsweise in den folgenden Mengen verwendet: 0,5 bis 1000 mMol, insbesondere 2,0 bis 10OmMoI der Organoaluminiumverbindung (Katalysatorkomponente B) und 0,5 bis 500 mMol, insbesondere 1,0 bis 50 mMol der Organoaluminiumverbindung (Katalysatcrkomponente C) pro Gramm des in Kohlenwasserstoffen unlöslichen Reaktionsproduktes (Katalysatorkomponente A). Durch Zusatz der Komponente C ist ein weiterer Bereich von (c+ d) bei der Organoaluminiumkomponente B der Formel
R*RÜA1(OR6)3 „♦*
möglich. Wenn (c+d) im Bereich von 1,5 bis 3,0 liegt, werden gute Ergebnisse im Bezug auf Aktivität und Molekulargewichtsverteilung erhalten. Ein Wert unter 1,5 ist ungünstig, da hierbei eine wesentlich schlechtere Aktivität erreicht wird.
Der Katalysator kann in den für die Polymerisation von Äthylen üblichen Mengen verwendet werden. Im allgemeinen beträgt die Katalysatormenge 0,1 mg bis 10 g/l Polymerisationsrekationssystem.
Die Polymerisation kann als übliche Suspension- und Lösungspolymerisation durchgeführt werden. Bei diesen Verfahren wird der Kataysator mit einem Polymerisationsmedium (das im wesentlichen keine Spuren von Katalysatorgiften, z. B. Wasser, enthält), z. B. mit einem aliphatischen Kohlenwasserstoff, z. B. Hexan oder Heptan, einem aromatischen Kohlenwasserstoff, z. B. Benzol, Toluol oder Xylol, oder mit einem alicyclischen Kohlenwasserstoff, z. B. Cyclohexan oder Methylcyclohexan, in den Reaktor gegeben. Dann wird Äthylen bis zu 1 bis 50 kg/cm2 in inerter Atmosphäre aufgedrückt. Das Gemisch wird dann unter Rühren bei Raumtemperatur bis 1500C der Reaktion überlassen. Zur Einstellung des Molekulargewichts des Polymerisats kann Wasserstoff, ein Halogenkohlenwasserstoff oder eine Organometallverbindung, die leicht eine Kettenübertragung bewirken, zugesetzt werden.
Das Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich für die Polymerisation von Äthylen sowie die Copolymerisation von Äthylen mit einem Monoolefin, z. B. Propylen, Buten-1 und Hexen-1.
Um die hervorragenden Ergebnisse des Verfahrens der Erfindung zu veranschaulichen, werden nachstehend die Verfahren der folgenden Beispiele 1 und 6 mit dem Verfahren der DE-OS 22 21 061 (Vergleichsversuch) verglichen.
I 25
5
23 098 Mw
(104)
6 I
ti
I
I
Polymerisationsverfahren Katalytische
Aktivität
7,3
7,9
9,3
MwIMn I
§
I Verfahren gemäß der Erfindung (Beispiel 1)
(Beispiel 6)
Verfahren gemäß Vergleichsversuch
1930
1780
1760
8,7 I
6,2 I
14,2 I
') Die katalytische Aktivität wird ausgedrückt als Polymerausbeute in g/g-Komponente A X Partial-
druck des Monomeren in kg/cra2 x Polymerisationszeit in Stunden. 2) Mw bedeutet das Gewichtsmittel des Molekulargewichts.
·") MwIMn ist ein Maß der Molekulargewichtsverteilung.
Die vorstehenden Ergebnisse zeigen, daß das Verfahren gemäß der Erfindung (Beispiele 1 und 6) dem Verfahren des Vergleichsversuchs unter den gleichen Polymerisationsbedingungen überlegen ist Zwar ist die katalytische Aktivität fast die gleiche, aber das gebildete Polymerisat hat ein niedrigeres Mw/Mn-Verhältnis und eine engere Molekulargewichtsverteilung.
Mivwurde mit Hilfe der Gleichung
0?]=6,8 χ
bestimmt (Journal of Polymer Science 36 (1959) 91).
Der Wert Mw/Mn basierte auf der durch GPC (Gelpermeationschromatographie) ermittelten Molekulargewichtsverteiilungskurve. Je höher der Wert, umso weiter ist die Molekulargewichtsverteilung.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele weiter erläutert
Beispiel 1
Die Katalysatorkomponente der Formel
(C2H5)z4oAI(OC2H5)o.60
wurde wie folgt hergestellt: In einen 300-ml-Kolben wurden 80 mMol Triäthylaluminium, 20 mMol Triäthoxyaluminium und 100 ml raffiniertes n-Pentan unter einer Stickstoffatmosphäre gegeben. Das Gemisch wurde 3 Stunden bei 4O0C gerührt, worauf das n-Pentan durch Vakuumdestillation bei 00C vollständig entfernt wurde. Das Reaktionsprodukt wog 12,4 g (100%). Die Ergebnisse der Elementaranalyse sind in der folgenden Tabelle genannt.
Al
insgesamt
Berechnet 22,38 59,77 12,54 5,31 100,00
(Gew.-%)
Gefunden 22,35 59,76 12,56 5,35 100,02
(Gew.-%)
Anschließend wurden in einen 300-ml-Kolben 20 mMol TiCl4,20 mMol des Produkts
(C2H5)ZIoAl(OC2H5)OiO so
und 50 ml n-Heptan gegeben. Das Gemisch wurde 3 Stunden der Reaktion unter Rühren bei 10° C unter einer Stickstoffatmosphäre überlassen. Der hierbei gebildete, in Kohlenwasserstoffen unlösliche Feststoff wurde isoliert. In einen evakuierten 7,0-1-Autoklav wurden 110 mg dieses in Kohlenwasserstoffen unlöslichen Feststoffs, 10 mMol der Verbindung der Formel
wurde auf 80° C erhitzt, worauf Wasserstoff bis zu einem Innendruck von 3,0 kg/cm2 und anschließend Äthylen bis zu einem Innendruck von 7,5 kg/cm2 aufgedrückt wurden. Unter diesen Bedingungen wurde die Polymerisation 1,5 Stunden unter Rühren durchgeführt Nach Beendigung der Polymerisation wurde die Polyäthylenaufschlämmung filtriert und das Polyäthylen getrocknet. Hierbei wurden 1310 g eines feinteiligen weißen Pulvers erhalten. Das Molekulargewicht Mw betrug 7,3x104 und die Molekulargewichtsverteilung Mw/Mn 8,7.
die in der gleichen Weise wie die Verbindung
(C2H5)i4oAI(OC2H5)o.6o
hergestellt worden war, und 5 mMol C2HsAlCl2 gegeben. Dann wurden 4,51 vorher entgastes und dehydratisieirtes n-Heptan zugesetzt. Der Autoklav
Beispiele2bis5
Äthylen wurde unter Verwendung verschiedener Katalysatcrkomponenten und Anwendung verschiedener Polymerisationsbedingungen, die in Tabelle I genannt sind, polymerisiert Die Katalysatorherstellung und die Polymeristaion von Äthylen wurden auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise unter Verwendung der gleichen Apparaturen durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle I genannt.
Tabelle I
Beispiel
Komponente A
In Kohlenwasserstoffen unlösliches
Reakitionsprodukt
Al-Komponente Ti-Kompo- Reak.-nente Bedin
gungen Komponente B
Konz. Al-Komponente
bei PoIy-
meris. Komponente C
Al-Komponente
Ergebnisse der Polymerisation
Polymer- Mw X
ausbeute
CxStd. mg 10"
MwI Mn
Et240Al(OEt)060 TiCl4
(20) ' (20)
desgl. TiCi4
(20)
desgl. TiCl4
(20)
TiCl4(15)
desgl. TiCl3(QBu) 10X3
(5)
Die Klammerzahlen bedeuten mMol.
»ET« = C2H5.
»Bu« = C3H7.
»Oct« = C8Hn.
»Hex« =
10X3 110 Et15Al(OEt)I5 AIiBuCl2 670 9,3 8,1
(10) ' (5)
i0X3 HO El220Ai(OEi)080 AlOCtCl2 1390 7,8 7,6
10X3 110 Et2I0Al(OBu)090 AlHeXCl2 1390 9,5 8,7
(20) ' (4)
Et,9Al(OEt)n AlEtCl2 1200 8,8 7,7 (10) ' (5)
30
Beispiel 6
In einen 300-ml-Kolben wurden 2 g des gemäß Beispiel 1 hergestellten, in Kohlenwasserstoffen unlöslichen Reaktionsprodukts, 10 mMol C2H5AlCl2 und 200 ml n-Heptan gegeben. Das Gemisch wurde 6 Stunden der Reaktion bei 40°C überlassen. Nach beendeter Reaktion wurde das Reaktionsgemisch zur Isolierung der festen Komponente filtriert. Unter Verwendung von 110 mg dieser festen Komponente und 20 mMol (C2Hs)2^oAl(OCH3)OiO, hergestellt auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise, wurde die Polymerisation von Äthylen auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise in der gleichen Apparatur durchgeführt. Nach Beendigung der Reaktion wurde die Polyäthylenaufschlämmung filtriert und das Polymerisat getrocknet Hierbei wurden 1200 g weißes feinteiliges Polymerisat mit einem Molekulargewicht Mwvon 7,9 χ ΙΟ4 und einer Molekulargewichtsverteilung Mw/Mn von 4,7 erhalten.
Beispiele7bislO
Die Polymerisation wurde mit verschiedenen Katalysatorkomponenten und unter verschiedenen Polymerisationsbedingungen, die in Tabelle II genannt sind, durchgeführt Die Katalysatorherstellung und die Polymerisation von Äthylen wurden auf die in Beispiel 6 beschriebene Weise in der gleichen Apparatur durchgeführt Die Ergebnisse sind nachstehend in Tabelle II genannt.
Tabelle II
Bei Komponente A Ti-Kompo- Reakt- Konz. Komponente B Kompo Ergebnisse der Poly 10" MwI
spiel nente Bedin- bei PoIy- nente C merisation Mn
gungen meris.
In Kohlenwasserstoffen unlösliches CXStd. mg Al-Komponente Al-Kompo 7,9
Reaktionsprodukt TiCL
f20)
0X3 110 nente Polymer- MwX 7,5 8,0
Al-Komponente TiCl4 -5X3 110 aus 6,0
(20) beute 8,8
7 TiCl4
(30)
-10X3 110 Et2-20Al(OMe)080
(20)
AlEtCl2
2,5
9,2 6,3
8 TiCl4 -10X3 110 1Bu3 OA1 AIiBuCl2 1200 4,8
Et2180AI(OEt)0-20
f20)
(30) (10)" 5 980
9 Et2-20Al(OEt)0-80 Klammerzahlen bedeuten mMol. Et2-0Al(OEt)10
(7 0)
AlHeXCl2
1 0
10 (20) »Me« bedeutet CH3. V ' iW
Et1 7Al(OMe)1 3
AlOCtCl2 1340
Et2-30Al(OBu)0-70
GO)
(7,0) 1,5 820
Die BUi25Al(OOCt)0-75
(30)
Vergleichsversuch
Die Polymerisation wurde wie in Beispiel 1, jedoch ohne AlC2H5Cl2 (Komponente C) durchgeführt. Die Katalysatorherstellung und die Polymerisation von Äthylen erfolgten in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise in der gleichen Apparatur. Die Ausbeute an Polymerisat betrug 1190 g, das Molekulargewicht Mw 9,3 χ 104 und die Molekulargewichtsverteilung Mw/Mn 14,2.
Beispiel 11
Die Polymerisation wurde auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise durchgeführt mit dem Unterschied, daß ein 0,4% Propylen enthaltendes Gasgemisch von Äthylen und Propylen anstelle von Äthylen allein verwendet wurde. Die Ausbeute an Polymerisat betrug 980 g, das Molekulargewicht Mw 5,4x104 und die Molekulargewichtsverteilung Mw/Mn 6,7.

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Verfahren zur Herstellung von Polyäthylen und dessen Copolymerisaten mit einem anderen Monoolefin durch Polymerisation in Gegenwart eines Katalysators, der hergestellt worden ist durch Umsetzung von
    (A) einem in Kohlenwasserstoffen unlöslichen Reaktionsprodukt, das hergestellt worden ist durch Umsetzung von a) einer Organoaluminiumverbindung der allgemeinen Formel
    RiRiAI(OR3J3-,„+/,,
    in der R1, R2 und R3 gleich oder verschieden sein können und Kohlenwasserstoffreste mit je 1 bis 8 C-Atomen bedeuten und a und b Zahlen von 0 oder mehr sind, wobei die Summe von a+b im Bereich von 2,20 bis 2,85 liegt, und b) einer Titanverbindung, die wenigstens ein Halogenatom für jedes Titanatom enthält, mit
    (B) einer Organoaluminiumverbindung der allgemeinen Formel
    in der R4, R5 und R6 gleich oder verschieden sein können und Kohlenwasserstoffreste mit je 1 bis 8 C-Atomen bedeuten und cund dZahlen von 0 oder mehr sind, wobei die Summe von c+ d im Bereich von 1,50 bis 3,00 liegt,
    dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Katalysator durch Umsetzung von (A) mit (B) und
    (C) einer Organoaluminiumverbindung der allgemeinen Formel R7AlX2, in der R7 ein Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 8 C-Atomen und X ein Halogenatom ist, hergestellt worden ist.
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