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Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen
Kohlenwasserstoffalumoxanzusammensetzungen und insbesondere die
Herstellung verbesserter trägergestützter Alumoxan/Metallocen-Olefinpolymerisationskatalysatoren.
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Kohlenwasserstoffalumoxane, die mit Übergangsmetallverbindungen
wie Metallocenen komplexiert sind, haben sich als sehr effektive
Olefinpolymerisationskatalysatoren erwiesen. Methylalumoxane sind
besonders effektive Katalysatorkomponenten zur Bildung von sowohl
homogenen als auch trägergestützten Katalysatoren.
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Die EP-Al-0 776 908 offenbart eine
trägergestützte Katalysatorzusammensetzung
zur Polymerisation von Olefin, welche Methylalumoxan und Metallocen
umfasst. Ein solcher trägergestützter Katalysator
wird durch Mischen von Methylalumoxan mit Toluol und Zugabe von
Siliciumdioxid hierzu produziert. Die resultierende Aufschlämmung wird
mehrere Stunden bei erhöhten
Temperaturen gerührt.
Dann wird die Aufschlämmung
auf Raumtemperatur abkühlen
gelassen und weiter gerührt.
Zu dieser Mischung wird eine Lösung
des Metallocens in Toluol gegeben. Die Lösung wird mehrere Stunden gerührt, und
anschließend
wird das Toluol entfernt. Alternativ werden Siliciumdioxid, Toluol
und MAO in Toluol in einen Kolben eingebracht. Der Inhalt wird dann
mehrere Stunden bei erhöhter
Temperatur gerührt.
Nachfolgend wird der Kolben auf Raumtemperatur abkühlen gelassen,
und Metallocen und Toluol werden zugefügt. Diese Mischung wird weiter
gerührt,
und anschließend
wird das Lösungsmittel
entfernt.
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Wir haben gefunden, dass die Aktivität und andere
Eigenschaften dieser trägergestützten Katalysatoren
durch Wärmebehandlung
der Methylalumoxane verbessert wird, bevor sie auf dem Träger angeordnet
werden.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung
eines trägergestützten Olefinpolymerisationskatalysators
mit erhöhter Aktivität geliefert,
wobei das Verfahren a) ein Erhitzen einer Lösung eines Alumoxans in einem
aromatischer Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel
bei einer Temperatur von 45 bis 150°C für mindestens 3 Stunden vor
einer Anordnung des Alumoxans auf dem Träger, und b) ein Anordnen von
(i) wärmebehandeltem
Alumoxan aus a) und (ii) einem Metallocen und/oder eine Übergangsmetallkatalysatorzusammensetzung auf
einem Katalysatorträger
in Gegenwart eines inerten anorganischen Lösungsmittels umfasst, um dadurch einen
trägergestützten Katalysator
mit erhöhter
Olefinpolymerisationsaktivität
zu bilden.
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Kohlenwasserstoffalumoxane werden
durch partielle Hydrolyse von Kohlenwasserstoffaluminiumverbindungen
und insbesondere Trialkylaluminiumverbindungen wie Trimethylaluminium
gebildet.
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Kohlenwasserstoffalumoxane können in
Form linearer, cyclischer, käfigförmiger oder
polymerer Strukturen vorliegen, wobei die einfachsten monomeren
Verbindungen Tetraalkylalumoxan sind, wie Tetramethylalumoxan (CH
3)
2AlOAl(CH
3)
2 oder Tetraethylalumoxan
(C
2H
5)
2AlOAl(C
2H
5)
2.
Die zur Verwendung in Olefinpolymerisationskatalysatoren bevorzugten
Verbindungen sind oligomere Materialien, mitunter als Polyalkylalumoxane
bezeichnet, die üblicherweise
4 bis 20 sich wiederholende Einheiten
enthalten, wobei R C
1- bis C
10-Alkyl
ist, und besonders bevorzugt sind Polymethylalumoxane (MAOs). Obwohl die
linearen und cyclischen Alumoxane oft mit den Strukturen
dargestellt werden, in denen
m und n ganze Zahlen von 4 oder mehr sind, bleibt die genaue Konfiguration
der Alumoxane unbekannt.
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Methylalumoxane können einige höhere Alkylgruppen
enthalten, um ihre Löslichkeit
zu verbessern. Solche modifizierten Methylalumoxane sind beispielsweise
in der US-A-5 157 008 beschrieben. Neben MAO schließen nicht-einschränkende Beispiele
für Kohlenwasserstoffalumoxane
zur erfindungsgemäßen Verwendung
Ethylalumoxan (EAO), Isobutylalumoxan (IBAO), n-Propylalumoxan oder
n-Octylalumoxan ein. Die Kohlenwasserstoffalumoxane können auch
bis zu 20 Mol.% (bezogen auf Aluminium) von Aminen, Alkoholen, Ethern,
Estern, Phosphor- und Carbonsäuren,
Thiolen oder Alkyldisiloxanen abgeleitete Einheiten enthalten, um
ihre Aktivität,
Löslichkeit
und/oder Stabilität
zu verbessern.
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Die Alumoxane können, wie im Stand der Technik
bekannt ist, durch die partielle Hydrolyse von Trialkylaluminiumverbindungen
hergestellt werden. Die Trialkylaluminiumverbindungen können hydrolysiert
werden, indem sie mit entweder freiem Wasser oder wasserhaltigen
Feststoffen umgesetzt werden, die entweder Hydrate oder poröse Materialien
sein können,
die absorbiertes Wasser aufweisen. weil die Reaktion durch Zugabe
von Wasser als solches selbst unter kräftigem Durchmischen der Mischung
schwierig zu kontrollieren ist, wird das freie Wasser üblicherweise
in Form einer Lösung
oder Dispersion in organischem Lösungsmittel
zugegeben. Geeignete Hydrate schließen Salzhydrate ein, wie beispielsweise
CuSO4
·5H2O,
Al2(SO4)3
·18H2O, FeSO4
·7H2O,
AlCl3
·6H2O,
Al(NO3)3
·9H2O, MgSO4
·7H2O, MgCl2
·6H2O, ZnSO4
·7H2O, Na2SO4
·10H2O, NaP3O4
·12H2O, LiBr·2H2O, LiCl·1H2O, LiI·2H2O,
LiI·3H2O, KF·2H2O
oder NaBr·2H2O, und Alkalimetalloder Erdalkalimetallhydroxidhydrate,
wie beispielsweise NaOH·H2O,
NaOIH·2H2O, Ba(OH)2
·8H2O, KOH·2H2O, CsOH·1H2O oder LiOH·1H2O. Mischungen beliebiger der obigen Hydrate
können
verwendet werden. Die Molverhältnisse
von freiem Wasser oder Wasser in dem Hydrat oder in porösen Materialien,
wie Aluminiumoxid oder Siliciumdioxid, zu den gesamten Alkylaluminiumver bindungen
in der Mischung kann weit variieren, wie beispielsweise 2 : 1 bis
1 : 4, wobei Verhältnisse
von 4 : 3 bis 1 : 3,5 bevorzugt sind.
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Solche Kohlenwasserstoffalumoxane
und Verfahren zur Herstellung von Kohlenwasserstoffalumoxanen sind
beispielsweise in den US-A-4 908 463; US-A-4 924 018;. US-A-5 003
095; US-A-5 041
583; US-A-5 066 631; US-A-5 099 050; US-A-5 157 008; US-A-5 157 137; US-A-5
235 081; US-A-5 248 801 und US-A-5 371 260 beschrieben. Die Methylalumoxane
enthalten unterschiedliche Mengen, von 5 bis 35 Mol.%, des Aluminiumwerts
als nicht umgesetztes Trimethylaluminium. Der Aluminiumgehalt als
Trimethylaluminium beträgt vorzugsweise
weniger als 23 Mol.% des gesamten Aluminiumwerts und insbesondere
weniger als 20 Mol.%.
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Nicht einschränkende Beispiele für Olefinpolymerisationskatalysatoren
schließen
Metallocene und/oder Übergangsmetallverbindungen
ein. Wie in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet, schließt der Begriff "Metallocen" Metallderivate ein,
die mindestens einen Cyclopentadienylanteil enthalten. Geeignete
Metallocene sind in der Technik wohl bekannt und schließen die
Metallocene der Gruppen 3, 4, 5, 6, Lanthanid- und Actinidmetalle
ein, beispielsweise die Metallocene, die in den US-A-2 864 843;
US-A-2 983 740; US-A-4 665 046; US-A-4 874 880; US-A-4 892 851; US-A-4 931
417; US-A-4 952 713; US-A-5
017 714; US-A-5 026 798; US-A-5 036 034; US-A-5 064 802; US-A-5
081 231; US-A-5 145 819; US-A-5 162 278; US-A-5 245 019; US-A-5 268 495; US-A-5 276
208; US-A-5 304 253; US-A-5
324 800; US-A-5 329 031; US-A-5 329 033; US-A-5 330-948; US-A-5
347 025; US-A-5 347 026 und US-A-5 347 752 beschrieben sind.
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Nicht einschränkende, illustrierende Beispiele
für solche
Metallocene sind Bis(cyclopentadienyl)zirkoniumdimethyl, Bis(cyclopentadienyl)zirkoniumdichlorid;
Bis(cyclopentadienyl)zirkoniummonomethylmonochlorid, Bis(cyclopentadienyl)titandichlorid,
Bis(cyclopentadienyl)titandifluorid, Cyclopentadienylzirkoniumtri(2-ethylhexanoat),
(Biscyclopentadienyl)zirko niumhydrogenchlorid, Bis(cyclopentadienyl)hafniumdichlorid, racemisches
und meso-Dimethylsilanylen-bis(methylcyclopentadienyl)hafniumdichlorid,
racemisches Dimethylsilanylenbis(indenyl)hafniumdichlorid, racemisches
Ethylen-bis(indenyl)zirkoniumdichlorid, (η5-Indenyl)hafniumtrichlorid,
(η5-C5Me5)hafniumtrichlorid,
racemisches Dimethylsilanylen-bis(indenyl)thoriumdichlorid, racemisches
Dimethylsilanylenbis(4,7-dimethyl-1-indenyl)zirkoniumdichlorid,
racemisches Dimethylsilanylenbis(indenyl)urandichlorid, racemisches
Dimethylsilanylenbis(2,3,5-trimethyl-1-cyclopentadienyl)zirkoniumdichlorid,
racemisches Dimethylsilanylen(3-methylcyclopentadienyl)hafniumdichlorid,
racemisches Dimethylsilanylenbis(1-(2-methyl-4-ethyl)indenyl)zirkoniumdichlorid;
racemisches Dimethylsilanylenbis(2-methyl-4,5,6,7-tetrahydro-1-indenyl)zirkoniumdichlorid,
Bis(pentamethylcyclopentadienyl)thoriumdichlorid, Bis(pentamethylcyclopentadienyl)urandichlorid,
(tert.-Butylamido)dimethyl(tetramethyl-η5-cyclopentadienyl)silantitandichlorid,
(tert.-Butylamido)dimethyl(tetramethyl-η5-cyclopentadienyl)silanchromdichlorid,
(tert.-Butylamido)dimethyl(η5-cyclopentadienyl)silantitandichlorid, (tert.-Butylamido)dimethyl(tetramethyl-η5-cyclopentadienyl)silanmethyltitanbromid,
(tert.-Butylamido)(tetramethyl-η5-cyclopentadienyl)-1,2-ethandiylurandichlorid, (tert.-Butylamido)(tetramethyl-η5-cyclopentadienyl)-1,2-ethandiyltitandichlorid,
(Methylamido)(te-tramethyl-η5-cyclopentadienyl)-1,2-ethandiylcerdichlorid, (Methylamido)(tetramethyl-η5-cyclopentadienyl)-1,2-ethandiyltitandichlorid,
(Ethylamido)(tetramethyl-η5-cyclopentadienyl)methylentitandichlorid,
(tert.-Butylamido)dibenzyl(tetramethyl-η5-cyclopentadienyl)silanbenzylvanadiumchlorid,
(Benzylamido)dimethyl(indenyl)silantitandichlorid und (Phenylphosphido)dimethyl(tetramethyl-η5-cyclopentadienyl)silanbenzyltitanchlorid.
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Geeignete Übergangsmetallverbindungen
schließen
die wohl bekannten Ziegler-Natta-Katalysatorverbindungen der Gruppe
4 bis 6 Metalle ein. Nicht einschränkende illustrierende Beispiele
für solche Übergangsmetalle
schließen
TiCl4, TiBr4, Ti(OC2H5)3Cl,
Ti(OC2H5)Cl3, Ti(OC4H9)3Cl, Ti(OC3H7)2Cl2, Ti(OC17)2Br2, VCl4, VOCl3, VO(OC2H5)3,
ZrCl4, ZrCl3 (OC2H5), Zr(OC2H5)4 oder
Cl(OC4H9)3 ein.
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Wie im Stand der Technik bekannt
ist, kann der feste Träger
jeder partikuläre
Feststoff und insbesondere poröse
Träger
sein. Nicht einschränkende
Beispiele schließen
Talkum, Magnesiumhalogenide, Zeolithe, anorganische Oxide und harzartige
Trägermaterialien
ein, wie Polyolefine. Ein bevorzugtes Trägermaterial ist ein anorganisches
Oxid in feinteiliger Form. Solche anorganischen Oxidträgermaterialien
schließen
Gruppe IIA, IIIA, IVA oder IVB Metalloxide ein, wie Siliciumdioxid,
Aluminiumoxid, Siliciumdioxid-Aluminiumoxid und Mischungen davon.
Andere anorganische Oxide, die allein oder in Kombination mit dem
Siliciumdioxid, Aluminiumoxid oder Siliciumdioxid-Aluminiumoxid
verwendet werden können,
sind Magnesiumoxid, Titandioxid oder Zirkoniumdioxid. Andere geeignete
Trägermaterialien
sind feinteilige Polyolefine, wie feinteiliges Polyethylen.
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Die spezielle Partikelgröße, die
spezielle Oberfläche,
der spezielle Porendurchmesser und das spezielle Porenvolumen des
Trägermaterials
werden wie im Stand der Technik bekannt gewählt. Beispielhaft sind Partikelgrößen von
0,1 bis 600 μm,
Oberfläche
von 50 bis 1000 m2/g, Porendurchmesser von
50 bis 500 Å und Porenvolumina
von 0,3 bis 5,0 cm3/g. Die Träger können entweder
chemisch oder durch Erwärmen
auf Temperaturen von –100° bis 1000°C in trockenem
Inertgas für
1 bis 24 Stunden dehydratisiert werden, wie in der Technik bekannt
ist.
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In einem Aspekt der Erfindung wird
das wärmebehandelte
Alumoxan mit dem Träger
in Gegenwart von inertem organischem Lösungsmittel kombiniert. Der
trockene Träger
kann zu einer Lösung
des Alumoxans gegeben werden, oder umgekehrt. Alternativ kann das
Alumoxan mit einer Aufschlämmung
des Trägers
in Lösungsmittel
kombiniert werden. Die Beschichtungstemperatur und der Beschichtungsdruck
sind nicht entscheidend, und es können Umgebungsbedingungen verwendet
werden, die Temperatur wird vorzugsweise jedoch auf 25 bis 250°C, insbesondere
60 bis 150°C
gehalten, und der Druck auf 135,8 bis 3548,9 kPa (5 bis 500 psig),
vorzugsweise 135,8 bis 446,1 kPa (5 bis 50 psig), wie durch Verwendung
eines geschlossenen Systems. Es kann Inertgas verwendet werden,
um den Druck weiter zu erhöhen.
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Nicht einschränkende Beispiele für organische
Lösungsmittel
zur Verwendung in dem Verfahren schließen aliphatische Kohlenwasserstoffe,
wie Pentan, Isopentan, Hexan, Cyclohexan, Heptan, Octan, Decan,
Dodecan, Hexadecan oder Octadecan, wobei jene mit Kohlenstoffzahlen
von 5 bis 10 bevorzugt sind, und aromatische Kohlenwasserstoffe
ein, wie Benzol, Chlorbenzol, Toluol, Xylol oder Cumol, wobei jene
mit Kohlenstoffzahlen von 6 bis 20 bevorzugt sind. Die aromatischen
Lösungsmittel
sind bevorzugt. Die Lösungsmittelmenge
ist nicht entscheidend, und es wird im Allgemeinen die 0,5- bis
50-fache, vorzugsweise 5- bis 50-fache Menge des Gesamtgewichts
von Beschichtungsmaterial und Träger
gewählt.
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Der Olefinpolymerisationskatalysator
kann vor, nach oder gleichzeitig mit dem Alumoxan mit dem Träger kombiniert
werden. Der Katalysator kann auch mit dem Alumoxan vorab umgesetzt
werden.
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Die Gesamtbeladung der Katalysatorsystemkomponenten
auf dem Träger
und die relativen Proportionen der Katalysatormaterialien können über einen
weiten Bereich variieren und werden bezogen auf die speziellen Materialien
und die Polymerisationsanwendung gewählt, um die es geht. Beispielsweise
werden Übergangsmetallkatalysatoren üblicherweise
in Mengen von 0,01 bis 10 mmol/g Träger verwendet, und die Katalysatorkomponenten
werden im Allgemeinen in Proportionen verwendet, um Molverhältnisse
von Metallatom in dem Katalysator zu Aluminiumatom in dem Alumoxan
von 0,0002 : 1 bis 0,2 : 1 zu liefern, obwohl größere oder kleinere Mengen verwendet
werden können.
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Die trägergestützten Katalysatorsysteme, die
gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt werden, sind zur Herstellung von Olefinpolymeren und
insbesondere Ethylenpolymeren, Propylenpolymeren, Ethylen/α-Olefin-Copolymeren
und Styrolpolymeren und -copolymeren brauchbar.
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Erfindungsgemäß wird eine Lösung des
Kohlenwasserstoffalumoxans bei einer Temperatur von mindestens 35°C und vorzugsweise
45 bis 150°C
mindestens 0,5 Stunden und vorzugsweise 1 bis 20 Stunden wärmebehandelt,
bevor es auf den Träger
aufgebracht wird.
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Die Erfindung wird durch die folgenden
Beispiele veranschaulicht, soll hierdurch jedoch nicht eingeschränkt werden.
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BEISPIEL 1 (HERSTELLUNG
VON METHYLALUMOXAN ZUR VERWENDUNG IN DEM ERFINDUNGSGEMÄBEN VERFAHREN)
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Ungefähr 600 g einer klaren 30 Gew.-%igen
Lösung
von Methylalumoxan (MAO) in Toluol wurde unter Stickstoff in einen
sauberen trockenen 2 L Reaktor überführt, der
mit einem Rührer
ausgestattet war. Der Rührer
wurde eingeschaltet und mittels eines zirkulierenden Ölheizbades
auf eine Temperatur von 55°C
erhitzt. Es wurden 1 Stunde, 3 Stunden und 7 Stunden, nachdem der
Reaktor 55°C
erreicht hatte, Proben genommen. Es wurde weder Gel noch irgendeine
nennenswerte Trübung
der MAO-Lösung
erhalten, eben nachdem die Proben genommen wurden, oder nachdem
sie eine Woche in einem Gefriergerät aufbewahrt worden waren. Jegliche
leichte Trübung
verschwand, nachdem die Proben auf Raumtemperatur erwärmt worden
waren.
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BEISPIEL 2
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Beispiel 1 wurde wiederholt, außer dass
die Behandlungstemperatur 85°C
betrug. Die 7 Stunden-Probe zeigte eine leichte Trübung, es
bildete sich jedoch kein Gel. Nach Lagerung im Gefriergerät bildete
sich in der 7 Stunden-Probe etwas Gel. Die Trübung und das Gel verschwanden,
nachdem die Proben auf Raumtemperatur erwärmt worden waren.
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BEISPIEL 3
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Beispiel 1 wurde wiederholt, außer dass
die Behandlungstemperatur ohne Rühren
80°C betrug.
Nach 8 Stunden wurde eine leichte Trübung beobachtet. Nach 36 Stunden
bildete sich eine zweite klare Schicht oben auf dem Reaktor (ungefähr 1 bis
2 tief), die Masse des Materials war jedoch nicht geliert. Das Material wurde
nach 46 Stunden Erwärmen
entfernt und in einem Gefriergerät
aufbewahrt.
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HERSTELLUNG
DER TRÄGERGESTÜTZTEN KATALYSATOREN
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Trägergestützte Katalysatoren wurden hergestellt,
indem 18,6 g Proben des wärmebehandelten
MAO zusammen mit 0,62 g Metallocenkatalysator unter Verwendung von
87 g Toluol als Lösungsmittel
auf 11,1 g vakuumgetrocknetem (200°C) Siliciumdioxid angeordnet
wurden. Nach mehreren Waschvorgängen
wurden 16,4 bis 16,9 g Katalysatorprodukt gewonnen.
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TESTEN DER
POLYMERISATIONSAKTIVITÄT
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Proben der trägergestützten Katalysatoren wurden
verwendet, um Ethylen gemäß dem folgenden
Verfahren zu polymerisieren.
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Der Reaktor wurde unter einem Stickstoffstrom
mindestens eine Stunde vor der Polymerisation auf 130°C erhitzt.
Der Reaktor wurde dann verschlossen und drei Mal mit Hochdruckstickstoff
gespült
und auf 81,5°C
abgekühlt.
Isobutan (500 ml) wurde dann in den Reaktor gegeben und die Temperatur
auf 81,5°C
geregelt. Dann wurde Ethylen zu dem Reaktor gegeben, um den Gesamtdruck
auf 2169,9 kPa (300 psig) zu bringen. Der Katalysator wurde in der
Trockenbox hergestellt, indem 25 mg Katalysator in den Zylinder
einer Spritze eingewogen wurden. Der Kolben wurde ersetzt. 1 ml
25% (Gew./Gew.) TIBA in Toluol wurden in den Reaktor gegeben. Eine
Nadel der Stärke
14 wurde am Ende der Katalysatorspritze aufgesetzt und dann in eine
septumverschlossene Ampulle gestochen. Hexen (6,75 g) wurde in eine
Spritze eingewogen, die Nadel aufgesetzt und in derselben verschlossenen
Flasche aufbewahrt. Das Hexen wurde dann durch die Katalysatorzugabedruckgasflasche
in den Reaktor gegeben und mit etwa 250 ml Isobutan eingespült. Der
Katalysator wurde dann in ähnlicher
Weise zugegeben und mit dem restlichen Isobutan eingespült. Der
Druck des Reaktors wurde auf 3066,2 kPa (430 psig) erhöht und dort
gehalten, indem Ethylen nach Bedarf zugegeben wurde. Nachdem die
Temperatur wieder auf 81,5°C
abgesunken war, wurde die Polymerisationszeit auf eine Stunde festgesetzt.
Als die Polymerisation abgeschlossen war, wurden das Isobutan und
Ethylen abgelüftet,
der Reaktor geöffnet
und das Polymer herausgeschaufelt. Das Polymer wurde dann gewogen
und die Aktivität
berechnet.
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Die Tests wurden mit zwei Proben
Methylalumoxan verglichen, das nicht wärmebehandelt worden war. Die
Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
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Die Ergebnisse zeigen, dass unter
Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
in Abhängigkeit von
der Erwärmungszeit
und -temperatur bis zu 25% Aktivitätsanstieg gegenüber den
Vergleichsproben erreicht werden konnten.
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Es wird angenommen, dass das wärmebehandlungsverfahren
ein stabileres MAO-Produkt liefert. Es wurde gefunden, dass MAO
nach einer Zeit unter normalen Lagerungsbedingungen und rascher
bei erhöhten Temperaturen
geliert. Die Bildung von Gel führt
zu Schwankungen in der Leistung und zu undurchführbarer Verarbeitung in Anlagen.
Das Wärmebehandlungsverfahren
verringert die Menge der Gelbildung und erhöht die Aktivität der trägergestützten Katalysatoren,
die unter Verwendung der erfindungsgemäßen vorbehandelten MAO-Produkte
hergestellt wurden.