JP2019529667A - ポリエチレンを製造する方法 - Google Patents

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Abstract

チューブラー型反応器内で、エチレンの高圧重合を、任意選択で1つまたは複数のコモノマーと組み合わせて行うことにより、ポリエチレンホモまたはコポリマーを製造する方法であって、tert−アミルペルオキシイソブチラートを重合開始剤として使用する、方法。

Description

本発明は、チューブラー型反応器中での高圧重合によりポリエチレンを製造する方法に関する。
低密度ポリエチレン(LDPE)は一般に、オートクレーブ型反応器(高圧連続撹拌槽型反応器)またはチューブラー型反応器中で、高圧重合により製造される。反応器の選択は、LDPEの性質に影響を及ぼす。「オートクレーブLDPE」の分岐度は、「チューブラーLDPE」より高い。これは、反応器内での滞留時間が原因である。チューブラー型反応器はプラグ流条件下にて動作するが、これは、反応混合物全体の滞留時間が同じであることを意味する。オートクレーブ型反応器では、逆混合により滞留時間の広がりが発生する。その結果、オートクレーブLDPEの分岐度はチューブラーLDPEと比較して高くなる。
透明なLDPEシートを得るためには、分岐数Bn(1分子当たりの分岐の数)として表されるLDPEの分岐度を比較的低くすべきであり、好ましくは15未満であり、より好ましくは10未満である。オートクレーブLDPEの分岐数が一般に15より多いのに対し、チューブラーLDPEの分岐数は一般に10未満である。したがって、チューブラーLDPEは透明なLDPEシートの製造に好ましい。
反応器の型の他、重合開始剤の種類もまた分岐度に影響を及ぼす。モノマーに付加する代わりに主としてH引き抜きを引き起こす開始剤は、より多くの分岐を生じさせる。
ペルオキシ官能基の片側にアルキル基(最も一般的には、tert−ブチルまたはtert−アミル基)を有する有機ペルオキシドは、解離するとアルコキシラジカルを形成する。このアルコキシラジカルは、水素原子を引き抜いてアルコールを形成する、

またはβ開裂によりケトンおよびアルキルラジカルを生じさせることができる。
O−ラジカルおよびメチルラジカルのような反応性の高いラジカルに分解する有機ペルオキシドは、主として水素原子を引き抜き、その結果それぞれアルコールおよびメタンを形成する。
透明なLDPEシートを製造するには、水素引き抜きの量を比較的少なくすべきである。
エチレンの重合に頻繁に使用される有機ペルオキシドは、tert−ブチルペルオキシ−2−エチルヘキサノアートおよびtert−アミルペルオキシ−2−エチルヘキサノアートのようなペルオキシエステルである。
これらのペルオキシドのうち、tert−ブチルペルオキシ−2−エチルヘキサノアートがβ開裂により反応性の高いメチルラジカルを形成するのに対し、tert−アミルペルオキシ−2−エチルヘキサノアートはより選択的なエチルラジカルを生成する。したがって、tert−アミルペルオキシ−2−エチルヘキサノアートはtert−ブチルペルオキシ−2−エチルヘキサノアートより水素引き抜きを起こしにくい。
現在、驚くべきことに、tert−アミルペルオキシイソブチラートを開始剤として使用することにより、水素引き抜きをさらに減少させることができることが見出されている。
このペルオキシドはtert−アミルペルオキシ−2−エチルヘキサノアートと同じtert−アミルオキシラジカルを形成するため、これは驚くべきことである。
加えて、溶媒かご内部での一次ラジカルの停止反応が減少するという点で、tert−アミルペルオキシイソブチラートはtert−ブチルペルオキシ−2−エチルヘキサノアートおよびtert−アミルペルオキシ−2−エチルヘキサノアートより高効率であることが見出された。
したがって、このペルオキシドは、透明なポリエチレンフィルムの製造にきわめて適した低分岐度のポリエチレンを製造することができる。
したがって、本発明は、チューブラー型反応器内で、エチレンの高圧重合を、任意選択で1つまたは複数のコモノマーと組み合わせて行うことにより、ポリエチレンホモまたはコポリマーを製造する方法であって、tert−アミルペルオキシイソブチラートを重合開始剤として使用する、方法に関する。
重合は、好ましくは500〜5000bar、より好ましくは1500〜3500bar、最も好ましくは2000〜3300barの範囲の圧力で実施する。
反応温度は、好ましくは100〜350℃、より好ましくは130〜330℃、最も好ましくは160〜320℃の範囲である。
tert−アミルペルオキシイソブチラートは、純度100%のものとして、あるいはより好ましくは無臭ミネラルスピリット、イソドデカン、または1つもしくは複数の反応性希釈剤などの炭化水素中の溶液として、反応器に添加することができる。反応性希釈剤は、エチレンと共重合することができる液体の不飽和炭化水素である。反応性希釈剤の例はオレフィンであり、より好ましくはC6〜12アルファ−オレフィンである。
このような溶液中のtert−アミルペルオキシイソブチラート濃度は、好ましくは5〜50重量%、より好ましくは10〜30重量%の範囲である。
本発明によれば、tert−アミルペルオキシイソブチラートは、純ペルオキシドとして、かつポリエチレンの重量を基準にして計算した、好ましくは100〜1000ppm(重量百万分率)、より好ましくは100〜500ppmの量で反応器に加える。
本発明の方法は、エチレンの単独重合およびエチレンと他モノマーとの共重合(ただし、これらのモノマーが高圧下にてエチレンとフリーラジカル重合することを条件とする)の両方で使用することができる。好適な共重合性モノマーの例は、α,β−エチレン性不飽和C〜C−カルボン酸(例えば、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸、アクリル酸、メタクリル酸、またはクロトン酸)、α,β−エチレン性不飽和C〜C15−カルボン酸エステルまたは無水物(例えば、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸n−ブチル、もしくはメタクリル酸tert−ブチル、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸n−ブチル、アクリル酸2−エチルヘキシル、アクリル酸tert−ブチル、無水メタクリル酸、無水マレイン酸または無水イタコン酸)、α−オレフィン(例えば、プロペン、1−ブテン、1−ペンテン、1−ヘキセン、1−オクテンまたは1−デセン)である。加えて、カルボン酸ビニルエステル、特に好ましくは酢酸ビニルをコモノマーとして使用することができる。
反応混合物中のコモノマーの割合は、エチレンモノマーの重量を基準として、好ましくは0〜45重量%、より好ましくは3〜35重量%の範囲である。最も好ましくは、方法はエチレンホモポリマー、より特定すると低密度ポリエチレンホモポリマーの製造に使用される。
本発明の方法の結果として得られるポリマーは、好ましくは910〜940kg/m、より好ましくは918〜926kg/m、最も好ましくは、920〜925kg/mの範囲の密度を有する。密度は主として反応器圧力および温度プロファイルにより制御され、連鎖調整剤および/またはコモノマーによって影響を受けることもある。
低密度ポリエチレン(LDPE)は、0.910〜0.940g/cmの範囲の密度を有すると定義されている。
DIN 53 735(190℃/2.16kg)に従う、得られるポリマーのメルトフローインデックスは、好ましくは50g/10分未満であり、より好ましくは10g/10分未満であり、最も好ましくは5g/10分未満である。
好ましい実施形態では、重合が開始される1〜6個の反応ゾーンが得られるように、チューブの長さに沿って1〜6個の注入点からチューブラー型反応器内に重合開始剤を投入する。より好ましくは2〜6個、最も好ましくは3〜5個の開始剤注入点を使用し、好ましくは2〜6個、最も好ましくは3〜5個の反応ゾーンが作製される。
tert−アミルペルオキシイソブチラートを反応ゾーンの少なくとも1つに投入する。好ましくは、tert−アミルペルオキシイソブチラートを複数の反応ゾーンに投入する。最も好ましくは、tert−アミルペルオキシイソブチラートを全ての反応ゾーンに投入する。
本発明の方法では、tert−アミルペルオキシイソブチラートに加えて、1つまたは複数の共開始剤を使用することができる。好ましい実施形態では、特定の温度で、1つのこのような共開始剤が、tert−アミルペルオキシイソブチラートより高い反応性(すなわち、より短い半減期)を有し、このような共開始剤の1つまたは複数、好ましくは1つまたは2つが、tert−アミルペルオキシイソブチラートより低い反応性(すなわち、より長い半減期)を有する。
tert−アミルペルオキシイソブチラートより反応性が高い共開始剤の例は、ジ(2−エチルヘキシル)ペルオキシジカルボナート、tert−ブチルペルオキシネオデカノアート、tert−アミルペルオキシネオデカノアート、tert−アミルペルオキシピバラート、およびtert−ブチルペルオキシピバラートである。tert−ブチルペルオキシピバラートはより反応性が高く、特にエチレンホモポリマーの製造にきわめて好ましい共開始剤である。エチレンコポリマーの製造に関しては、ジ(2−エチルヘキシル)ペルオキシジカルボナートおよびtert−ブチルペルオキシネオデカノアートが、より反応性が高くきわめて好ましい共開始剤である。
tert−アミルペルオキシイソブチラートより反応性が低い共開始剤の例は、tert−ブチルペルオキシ−3,3,5−トリメチルヘキサノアート、tert−ブチルペルオキシベンゾアート、2,2−ジ(tert−ブチルペルオキシ)ブタン、tert−ブチルペルオキシアセタート、tert−ブチルペルオキシイソプロピルカルボナート、ジ−tert−ブチルペルオキシド、および3,3,5,7,7−ペンタメチル−1,2,4−トリオキセパンである。ジ−tert−ブチルペルオキシドおよびtert−ブチルペルオキシ−3,3,5−トリメチルヘキサノアートはより反応性が低くきわめて好ましい共開始剤であり、ジ−tert−ブチルペルオキシドが最も好ましい。
本発明の方法にて使用するための開始剤の特に好ましい組み合わせは、
− tert−ブチルペルオキシピバラート、tert−アミルペルオキシイソブチラート、tert−ブチルペルオキシ−3,3,5−トリメチルヘキサノアート、およびジ−tert−ブチルペルオキシドの組み合わせ、
− tert−ブチルペルオキシピバラート、tert−アミルペルオキシイソブチラート、tert−ブチルペルオキシベンゾアート、およびジ−tert−ブチルペルオキシドの組み合わせ、
− tert−ブチルペルオキシピバラート、tert−アミルペルオキシイソブチラート、2,2−ジ(tert−ブチルペルオキシ)ブタン、およびジ−tert−ブチルペルオキシドの組み合わせ、
− tert−ブチルペルオキシピバラート、tert−アミルペルオキシイソブチラート、tert−ブチルペルオキシアセタート、およびジ−tert−ブチルペルオキシドの組み合わせ、
− tert−ブチルペルオキシピバラート、tert−アミルペルオキシイソブチラート、tert−ブチルペルオキシベンゾアート、およびtert−ブチルペルオキシ−3,3,5−トリメチルヘキサノアートの組み合わせ、
− tert−ブチルペルオキシピバラート、tert−アミルペルオキシイソブチラート、2,2−ジ(tert−ブチルペルオキシ)ブタン、およびtert−ブチルペルオキシ−3,3,5−トリメチルヘキサノアートの組み合わせ、
− tert−ブチルペルオキシピバラート、tert−アミルペルオキシイソブチラート、tert−ブチルペルオキシアセタート、およびtert−ブチルペルオキシ−3,3,5−トリメチルヘキサノアートの組み合わせ、
− ジ(2−エチルヘキシル)ペルオキシジカルボナート、tert−アミルペルオキシイソブチラート、tert−ブチルペルオキシ−3,3,5−トリメチルヘキサノアート、およびジ−tert−ブチルペルオキシドの組み合わせ、
− ジ(2−エチルヘキシル)ペルオキシジカルボナート、tert−アミルペルオキシイソブチラート、tert−ブチルペルオキシベンゾアート、およびジ−tert−ブチルペルオキシドの組み合わせ、
− ジ(2−エチルヘキシル)ペルオキシジカルボナート、tert−アミルペルオキシイソブチラート、2,2−ジ(tert−ブチルペルオキシ)ブタン、およびジ−tert−ブチルペルオキシドの組み合わせ、
− ジ(2−エチルヘキシル)ペルオキシジカルボナート、tert−アミルペルオキシイソブチラート、tert−ブチルペルオキシアセタート、およびジ−tert−ブチルペルオキシドの組み合わせ、
− ジ(2−エチルヘキシル)ペルオキシジカルボナート、tert−アミルペルオキシイソブチラート、tert−ブチルペルオキシベンゾアート、およびtert−ブチルペルオキシ−3,3,5−トリメチルヘキサノアートの組み合わせ、
− ジ(2−エチルヘキシル)ペルオキシジカルボナート、tert−アミルペルオキシイソブチラート、2,2−ジ(tert−ブチルペルオキシ)ブタン、およびtert−ブチルペルオキシ−3,3,5−トリメチルヘキサノアートの組み合わせ、
− ジ(2−エチルヘキシル)ペルオキシジカルボナート、tert−アミルペルオキシイソブチラート、tert−ブチルペルオキシアセタート、およびtert−ブチルペルオキシ−3,3,5−トリメチルヘキサノアートの組み合わせ、
− tert−ブチルペルオキシネオデカノアート、tert−アミルペルオキシイソブチラート、tert−ブチルペルオキシ−3,3,5−トリメチルヘキサノアート、およびジ−tert−ブチルペルオキシドの組み合わせ、
− tert−ブチルペルオキシネオデカノアート、tert−アミルペルオキシイソブチラート、tert−ブチルペルオキシベンゾアート、およびジ−tert−ブチルペルオキシドの組み合わせ、
− tert−ブチルペルオキシネオデカノアート、tert−アミルペルオキシイソブチラート、2,2−ジ(tert−ブチルペルオキシ)ブタン、およびジ−tert−ブチルペルオキシドの組み合わせ、
− tert−ブチルペルオキシネオデカノアート、tert−アミルペルオキシイソブチラート、tert−ブチルペルオキシアセタート、およびジ−tert−ブチルペルオキシドの組み合わせ、
− tert−ブチルペルオキシネオデカノアート、tert−アミルペルオキシイソブチラート、tert−ブチルペルオキシベンゾアート、およびtert−ブチルペルオキシ−3,3,5−トリメチルヘキサノアートの組み合わせ、
− tert−ブチルペルオキシネオデカノアート、tert−アミルペルオキシイソブチラート、2,2−ジ(tert−ブチルペルオキシ)ブタン、およびtert−ブチルペルオキシ−3,3,5−トリメチルヘキサノアートの組み合わせ、
− tert−ブチルペルオキシネオデカノアート、tert−アミルペルオキシイソブチラート、tert−ブチルペルオキシアセタート、およびtert−ブチルペルオキシ−3,3,5−トリメチルヘキサノアートの組み合わせ
である。
一実施形態では、モノマーおよび所望であればコモノマーの全量を反応器の注入口から投入する。別の実施形態では、チューブラー型反応器は少なくとも2つの反応ゾーンを有し、各反応ゾーンの開始前に、追加の冷却もしくは予熱したモノマーおよび/または冷却もしくは予熱したコモノマーを各反応ゾーン内に新鮮なガス流として投入する。少なくとも3つの連続した反応ゾーンが好ましい。
好適なチューブラー型反応器の例は、米国特許第4,135,044号明細書および第4,175,169号明細書に開示されている。これらの反応器は、開始剤投入点から温度最大までの各反応ゾーンにおいて、後に続く冷却ゾーン(温度最大から次の開始剤投入点まで)における大きなチューブ径と比較して比較的小さいチューブ径を有する。これにより、反応器の長さにわたり比較的低い圧力損失で高転化率を達成することができる。
チューブラー型反応器は通常、反応熱を除くための冷却ジャケットを備える。
チューブラー型反応器の長さ/直径の比は、好ましくは10000〜50000、より好ましくは15000〜35000の範囲である。
チューブラー型反応器内の反応混合物の平均滞留時間は、一般には30〜300秒、さらに特に30〜120秒の範囲である。
本発明の方法では、製造されるポリエチレンのモル質量を、分子量調整剤を加えることによる従来の方法で調整することができる。このような調整剤の例は、脂肪族およびオレフィン系炭化水素(例えば、ペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、プロペン、ペンテン、またはヘキセン)、ケトン(例えば、アセトン、ジエチルケトン、またはジアミルケトン)、アルデヒド(例えば、ホルムアルデヒドまたはアセトアルデヒド)、ならびに飽和脂肪族アルコール(例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、またはブタノール)である。飽和脂肪族アルデヒド、特にプロピオンアルデヒドまたはプロペンもしくはヘキセンなどのα−オレフィンを使用することが特に好ましい。分子量調整剤は、好ましくはチューブラー型反応器の上流の反応混合物に加える、または反応器に沿ったいくつかの注入点から重合開始剤と一緒に加える。
重合開始剤の最後の投入後、生成物を反応器から放出させるために反応混合物を冷却する。適切な高圧降下弁システム(high-pressure let-down valve system)を用いて、反応混合物をチューブラー型反応器の排出端から排出させる。反応混合物を放出させた後、減圧により全未反応モノマーからポリマーを分離し、その後、モノマーを反応器に再循環させることができる。
得られるポリエチレンは、ポリエチレンフィルムおよびフィルム製品を製造するのにきわめて適している。
この実施例では、エチレンの重合プロセスの条件と同等の条件下でのtert−ブチルペルオキシ−2−エチルヘキサノアート、tert−アミルペルオキシ−2−エチルヘキサノアート、およびtert−アミルペルオキシイソブチラートの分解について研究した。
ペルオキシドのn−ノナン溶液(0.1M)を調製し、ペルオキシドを連続流通反応器中で175℃の温度および2000barの圧力にて完全に分解した。
選択したペルオキシドを比較するため、ペルオキシドが全て分解される間に形成されたアセトンの量をβ開裂の量の尺度として採用した。結果を表1に示す。表1は、tert−アミルペルオキシイソブチラートでは他2つのペルオキシドより著しく多くのβ開裂が起こっていることを示している。したがって、tert−アミルペルオキシイソブチラートはより多くの選択的なアルキルラジカルを形成し、水素引き抜きの減少をもたらす。この結果、分岐がより少なくなる。
かご内での停止反応は、ペルオキシドの効率に影響を与える。ペルオキシドの解離により形成されたラジカルが溶媒かご内部で直接消費されて、エーテル(かご内での脱炭酸により)およびアルケン(かご内での不均化により)を形成する場合、単にこれらのラジカルは重合開始に利用できないという理由で、効率が低下する。したがって、アルケンおよびエーテルの形成は効率の指標である。
表2はtert−アミルペルオキシイソブチラートでは他2つのペルオキシドよりかご内反応が少ないことを示し、これはより高い効率を示す。

Claims (10)

  1. チューブラー型反応器内で、エチレンの高圧重合を、任意選択で1つまたは複数のコモノマーと組み合わせて行うことにより、ポリエチレンホモまたはコポリマーを製造する方法であって、tert−アミルペルオキシイソブチラートを重合開始剤として使用する、方法。
  2. 前記重合を160〜350℃の範囲の温度で行う、請求項1に記載の方法。
  3. 前記重合を500〜5000barの範囲の圧力で行う、請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記ポリエチレンが低密度ポリエチレン(LDPE)である、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 1つまたは複数の共開始剤を使用する、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 共開始剤として、ジ(2−エチルヘキシル)ペルオキシジカルボナート、tert−ブチルペルオキシネオデカノアート、tert−アミルペルオキシネオデカノアート、tert−アミルペルオキシピバラート、およびtert−ブチルペルオキシピバラートからなる群から選択されるペルオキシドを使用する、請求項5に記載の方法。
  7. 前記共開始剤がtert−ブチルペルオキシピバラートである、請求項6に記載の方法。
  8. 前記共開始剤がジ(2−エチルヘキシル)ペルオキシジカルボナートまたはtert−ブチルペルオキシネオデカノアートである、請求項6に記載の方法。
  9. 共開始剤として、tert−ブチルペルオキシ−3,3,5−トリメチルヘキサノアート、tert−ブチルペルオキシベンゾアート、2,2−ジ(tert−ブチルペルオキシ)ブタン、tert−ブチルペルオキシアセタート、tert−ブチルペルオキシイソプロピルカルボナート、ジ−tert−ブチルペルオキシド、および3,3,5,7,7−ペンタメチル−1,2,4−トリオキセパンの群から選択されるペルオキシドを使用する、請求項5から8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記共開始剤がジ−tert−ブチルペルオキシドまたはtert−ブチルペルオキシ−3,3,5−トリメチルヘキサノアートである、請求項9に記載の方法。
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