KR0142906B1 - 올레핀 중합용의 지지된 바나듐 촉매, 그의 제조방법 및 그의 사용방법 - Google Patents

올레핀 중합용의 지지된 바나듐 촉매, 그의 제조방법 및 그의 사용방법

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Description

올레핀 중합용의 지지된 바나듐 촉매, 그의 제조방법 및 그의 사용방법
본 발명은 지지된 바나듐 알룸옥산 촉매 복합체에 관한 것이다. 촉매 지지체는 약 6 내지 약 20중량%의 흡착수(adsorbed water)를 함유하는 실리카겔이다. 이러한 실리카겔을 트리알킬알루미늄 용액에 가하여 트리알킬알루미늄과 실리카겔에 함유된 흡착수와의 직접 반응에 의해 알룸옥산 피복된 실리카겔을 형성시킬 수 있다. 바나듐 함유 화합물을 알룸옥산 피복된 실리카겔에 가하고, 생성 물질을 자유 유동성 분말로 건조시킨다. 지지된 바나듐 알룸옥산 촉매 복합체를 포함하는 무수 자유 유동성 분말을 기상 및 액상 올레핀 중합공정에 사용하여 넓은 분자량 분포를 갖는 수지를 제조할 수 있다. 또한, 이러한 공정에 사용하는 경우, 본 발명의 촉매 복합체는 상업적으로 유용한 정도의 충분히 고수준의 생산성을 나타내기 위한 다른 바나듐함유 올레핀 중합촉매와 함께 할로겐화된 알칸 촉진제(promoter)를 사용할 필요가 없다.
[발명의 배경]
(a)메탈로센-알룸옥산 착화합물 또는 (b)전이금속(IVB족, VB족) 및 오가노알루미늄 화합물로부터 형성된 착화합물을 포함하는 올레핀 중합용 촉매는 당해 분야에 공지되어 있다. 호주 특허 제220436호에는 메탈로센[비스(사이클로펜타디에닐)] 바나듐 염과 각종 알루미늄 알킬 화합물과의 반응 생성물을 포함하는 촉매가 개시되어 있다. 선행기술에 묘사되어 있는 바와 같이, 알루미늄 알킬로 조촉매화시키는 경우, 비록 메틸로센이 약간의 촉매 활성을 나타낼지라도, 활성도가 너무 낮기 때문에 상업적으로 유용하지 못하다.
상업적으로 유용한 활성을 갖는 메탈로센계 촉매의 생산시에는 조촉매로서 알룸옥산을 사용할 필요가 있다. 지금까지는, 알룸옥산 조촉매에 대한 필요성이 추가의 제조단가 및/ 또는 메탈로센계 촉매를 제조하기 위한 생산 절차를 수반하여 왔다. 알룸옥산은 알루미늄 알킬과 물과의 매우 급속한 발열 반응에 의해 형성된다. 반응의 극렬함때문에, 알룸옥산 성분을 2가지 일반적인 방법중의 한 방법에 의해 미리 별도로 제조하여 왔다. 습식 용매 생산법(wet solvent production method)으로서 지칭되는 한가지 방법의 경우, 습윤용매의 형태와 같은 극히 미분할된 물을 벤젠 또는 다른 방향족 탄화수소중의 알루미늄 알킬의 용액에 가한다. 이러한 공정에 의한 알룸옥산의 생산법은 잠재적인 화재 및 폭발 위험성을 감소시키기 위하여 방폭(explosion-proof) 장치 및 매우 철저히 제어된 반응조건의 사용이 요구된다. 이러한 이유때문에, 보통 수화염법(hydrated salt method)으로서 지칭되는 제2방법으로 알룸옥산을 제조하는 것이 바람직하였다. 이 방법의 경우에는, 알루미늄 알킬을 수화 황산구리와 같은 수화 염과 반응시킨다. 미분할된 황산구리 5수화물 및 톨루엔의 슬러리를 형성시킨 다음, 불활성 개스하에 맨틀링(mantling)시킨다. 이어서, 알루미늄 알킬을 교반하면서 슬러리에 서서히 가한 다음, 반응 혼합물을 24 내지 40시간동안 실온에서 유지시킨다. 이때에 가수분해가 서서히 일어나 알룸옥산이 생성된다. 비록 수화염법에 의한 알룸옥산의 생산법이 습식 용매 생산법에 존재하는 고유의 폭발 위험성 및 화재 위험성을 중요하게 감소시킬지라도, 알룸옥산 생산법은 별도로 수행해야만 한다. 또한, 활성 촉매 착화합물 제조에 알룸옥산을 사용하기 전에 수화염 시약을 알룸옥산으로부터 분리하여 수화염 시약이 촉매 착화합물내에 비말 동반되어 생성되는 특정 중합체를 오염시키는 것을 방지해야만 한다. 또한, 상기 반응은 느리며, 처리 문제를 발생시키는 위험한 폐기물을 생성시킨다.
충진된 폴리올레핀 수지를 제조하려는 특정한 경우, 필요한 알룸옥산 조촉매는 트리알킬알루미늄을 충진재 물질과 반응시킨 다음 충진재 물질의 표면상에 메탈로센-알룸옥산 촉매 복합체를 형성시켜 제조할 수 있다. 예를들면, 미합중국 특허 제4,431,788호에는 메탈로센 착화합물 및 전분을 포함하는 촉매가 개시되어 잇다. 이들 촉매는 트리알킬알루미늄을 수분 함량이 7중량% 미만인 전분 입자와 반응시켜 제조한다. 이어서, 전분 입자를 메탈로센으로 처리하여 전분 입자의 표면상에 메탈로센-알룸옥산 촉매 복합체를 형성시킨다. 이어서, 올레핀을 용액중합 또는 현탁중합 공정에 의해 전분입자상에서 중합시켜 폴리올레핀-피복된 전분 입자의 자유 유동성 분말을 형성시킨다.
메탈로센계 촉매의 경우와는 달리, 선행기술에는 바나듐 성분(예: VCl4또는 VOCl3)을 함유하는 촉매용의 조촉매가 알루이늄 알킬이어야만 하는 것으로 교시되어 있다. 특히, 미합중국 특허 제4,579,835호, 제4,607,019호 및 제4,607,751호에는 실리카겔 지지된 바나듐계 촉매의 제조방법이 개시되어 있으며, 달리 알루미늄 알킬과 반응시키려면 실리카겔을 1차로 탈수시켜 특정의 물을 제거하여 표면 하이드록실 그룹의 농도를 감소시켜야만 하는 것으로 기술되어 있다.
폴리올레핀의 상업적인 생산에 유용한 정도의 생산성을 얻기 위해서는, 이러한 선행기술의 지지된 바나듐 촉매는 추가로 중합 반응기내에 촉진제(promoter)의 존재를 필요로 한다. 전형적으로는 클로로포름 또는 프레온-11 과 같은 할로겐화 알칸을 촉진제로서 사용하여 선행기술의 바나듐계 촉매 조성물의 생산성을 상업적 생산에 충분한 수준까지 상승시킨다. 촉진제는 바나듐 양이온을 촉매를 가장 활동적으로 만드는 더 높은(III) 산화 상태로 산화시키지만, 반면에 알루미늄 알킬 조촉매는 중합도중 바나듐 양이온을 덜 활동적인(II) 산화상태로 감소시키는 것으로 믿어진다. 그러므로, 촉매의 생산성을 유용한 수준으로 유지시키기 위해서는 중합도중 촉진제를 계속적으로 공급하여 바나듐(III)을 필요한 농도로 유지시키는 것이 필요하였다.
결과적으로, 선행기술의 바나듐-알루미늄 알킬 착화합물에 의해 촉매화된 중합공정은 수가지의 심각한 단점을 갖는다. 선행기술의 바나듐 촉매는 단지 촉진제의 존재하에서만 효과적이기 때문에, 폴리올레핀의 제조공정은 추가의 단계가 필요하게 된다. 특히, 촉진제 및 바나듐-알루미늄 촉매를 도입하는 별도의 단계가 필요하다. 또한, 작업자는 선행기술의 바나듐 촉매 복합체의 효율을 수득하기 위하여 반응기내의 촉진제의 수준을 계속 모니터링해야만 한다.
선행기술의 바나듐 촉매 복합체용으로 가장 효과적인 촉진제는 일반적으로 할로겐화 알칸 화합물이다. 클로로포름 및 디클로로디플루오르에탄과 같은 적합한 촉진제는 중합체성 최종 생성물내에 바람직하지 못한 할로겐 잔사를 잔류시킨다. 결과적으로, 선행기술의 바나듐 촉매 복합체를 할로겐 촉진제와 함께 사용하면 고부식성의 폴리올레핀 생성물을 제공하거나, 할로겐 잔사를 제거하기 위하여 중합체 생성물의 후중합처리가 필요할 수 있다.
지지된 바나듐 촉매에 의해 제조된 수지는 전형적으로 다른 전이금속 촉매에 의해 제조된 수지에 비해 더 넓은 분자량 분포(MWD)에 의해 특징지워진다. 이러한 수지는 취입성형용으로 적합하다.
촉진제가 필요치 않고 고활성 및 고효율을 나타내는 올레핀 중합용으로 유용한 바나듐계 지지된 촉매를 개발하는 것이 유리하다. 또한, 넓은 분자량 분포를 갖는 비부식성 수지를 제공할 수 있는 촉매를 생산하는 것이 가장 바람직하다.
또한, 경제적인 절차를 고안함으로써 이러한 촉매를 안전하고 경제적으로 생산할 수 있는 것이 가장 바람직하다.
[발명의 개요]
본 발명은 넓은 분자량 분포(MWD)를 갖는 폴리올레핀 생산시에 유용한 신규의 바나듐계 지지 촉매에 관한 것이다. 이러한 수지들은 특히 취입성형 작업시에 사용된다. 또한, 본 발명의 촉매는 할로겐화 촉진제의 부재하에서도 높은 생산성을 나타낸다.
본 발명의 촉매 시스템은 트리알킬알루미늄과 비탈수된 실리카겔과의 반응에 의해 형성된 알룸옥산으로 조촉매화시킨 바나듐 화합물을 포함한다. 본 발명의 촉매 시스템은 지지물질로서 실리카겔을 사용한다. 바람직하게는, 실리카 입자는 약 10㎡/g 내지 약 700㎡/g, 바람직하게는 약 100 내지 500 ㎡/g, 더욱 바람직하게는 약 200 내지 400 ㎡/g 범위의 표면적, 약 3내지 약 0.5 ㏄/g, 바람직하게는 2 내지 1 ㏄/g 의 공극 부피 및 약 6 내지 약 20중량%, 바람직하게는 약 7 내지 약 15중량%의 함수율을 가질 것이다. 실리카의 입경은 약 0.1 내지 약 200μ이다. 상기 언급된 실리카 입자를 이후에는 비탈수된 실리카겔로서 칭한다.
실리카겔 지지된 바나듐 알룸옥산 촉매는 약 3:1내지 약 1:2, 바람직하게는 1.2:1 내지 약 0.8:1 의 트리알킬 알루미늄대 물의 몰비를 제공하는데 충분한 양의 트리알킬 알루미늄의 교반된 용액에 비탈수된 실리카겔을 첨가하고; 이어서 이 교반 용애게 약 1000:1 내지 1:1, 바람직하게는 약 300:1 내지 약 10:1, 가장 바람직하게는 약 150:1 내지 약 30:1의 알루미늄 대 바나듐 비를 제공하는데 충분한 양의 바나듐 함유 화합물을 가한 다음; 용매를 제거하고; 고체를 자유 유동성 분말로 건조시켜 제조한다. 건조는 적당한 가열 및 진공에 의해 달성할 수 있다.
건조된 자유 유동성 분말을 실리카겔 지지체의 표면상에 흡착된 바나듐 알룸옥산 촉매 복합체를 포함한다. 지지된 촉매 복합체는 개스상 또는 액상 중합 조건하에서 올레핀 중합용의 중합촉매로서 사용하기에 충분한 활성을 갖는다.
[바람직한 실시태양의 상세한 설명]
본 발명은 올레핀의 기상 또는 액상중합, 특히 에틸렌을 고분자량 폴리에틸렌 [예: 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE) 및 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)]으로 중합시키는데 사용되는 지지된 촉매 시스템에 관한 것이다. 이렇게 제조된 중합체들은 취업성형에 의해 가정용 및 상업용 콘테이너로 제작하기 위한 것이다.
활성 촉매 복합체는 실리카겔 지지 물질의 표면상에 흡착된 바나듐 화합물 및 알룸옥산을 포함한다. 알룸옥산은 환상 화합물로 여겨지는 일반식(R-Al-O)y의 올리고머성 알루미늄 화합물 및 선형 화합물로 여겨지는 일반식 R(R-Al-O-)y AlR2의 올리고머성 알루미늄 화합물이다. 상기 일반식에서, R 은 예를들면, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸 및 펜틸과 같은 C1-C10알킬 그룹이며, y는 2 내지 약 30 의 정수로서 알룸옥산의 올리고머화도를 나타낸다. 바람직하게는, R 은 메틸이며, y 는 약 4 내지 약 25, 가장 바람직하게는 6 내지 25 이다.
일반적으로, 예를들어 트리메틸 알루미늄과 물과의 반응에 의해 알룸옥산을 제조하는 경우, 선형 및 환상 화합물의 혼합물이 수득된다. 일반적으로, 보다 높은 올리고머화도를 갖는 알룸옥산은, 특정의 바나듐 화합물에 대해서, 보다 낮은 올리고머화도를 갖는 알룸옥산 보다 고활성의 촉매 복합체를 생성할 것이다. 그러므로, 트리알킬 알루미늄과 비탈수된 실리카겔과의 직접 반응에 의해 알룸옥산을 제조하는 공정은 대부분의 트리알킬 알루미늄을 높은 올리고머화도를 갖는 알룸옥산으로 전환시킬 수 있어야 한다. 본 발명에 따라, 후술하는 바와 같은 반응물의 첨가순서에 의해 원하는 올리고머화도를 이룩한다.
본 발명의 바나듐 함유 촉매 성분을 제조하는 경우에 유용하게 사용할 수 있는 바람직한 바나듐 화합물은 당해분야에 널리 공지되어 있으며, 다음의 일반식으로 나타낼 수 있다 :
상기식에서, m 은 0 내지 3 이고, n 은 0 또는 3 내지 4 이며, p 는 2 내지 3 이고, q 는 0 또는 2 내지 3 이며, x 및 y 는 서로 다르며 1 내지 2 이고, R 은 바람직하게는 에틸렌성 불포화가 없는 C1내지 C8비환상 또는 환상 탄화수소 라디칼이고, R'는 아세틸아세토네이트이며, X 는 -Cl 또는 -Br 이고, B 는 VX3와 함께 탄화수소-가용성 착화합물을 형성할 수 있는 루이스 염기(예: 에테르)이다. 특히 바람직한 R 은 메틸, 에틸, 프로필, 이소-프로필, 부틸, n-부틸, i-부틸, t-부틸, 펜틸, 헥실, 옥틸, 사이클로헥실, 페닐, 벤질, 디메틸 페닐 및 나프틸 그룹이다.
바나듐 화합물의 대표적이지만 비제한적인 예는 바나딜 트리클로라이드, 바나딜 트리브로마이드, 바나듐 테트라클로라이드, 바나듐 테트라브로마이드, 바나듐 테트라부톡시, 바나듐 트리클로라이드, 바나듐 트리브로마이드, 바나딜 디아세틸아세토네이트, 바나듐 트리아세틸아세토네이트, 바나딜 디클로로아세틸아세토네이트, 바나딜 클로로디아세틸아세토네이트, 및 테트라하이드로푸란과 착화된 바나듐 트리클로라이드 또는 바나듐 트리브로마이드이다.
지금까지는, 올레핀 중합용의 활성 촉매 복합체의 알룸옥산 성분을 별도로 제조한 다음, 이어서 촉매 지지 물질에 첨가하고 금속화합물로 처리하여 활성 촉매 복합체를 형성시켜 왔다. 지금까지 별도로 알룸옥산을 제조하는데 이용된 한 공정은 벤젠 또는 방향족 탄화수소와 같은 적합한 유기 용매중의 트리알킬 알루미늄의 용액을 습윤 용매 형태의 물과 접촉시키는 방법이다. 이미 언급한 바와 같이, 상기 공정에는 방폭장치 및 주의깊게 제어된 반응조건의 사용을 필요로하는 화재 및 폭발 위험이 수반된다. 알룸옥산의 별도 제조에 지금까지 이용된 또다른 방법에서는, 알루미늄 알킬을 수화 황산구리와 같은 수화염과 접촉시킨다. 이 방법은 예를들면, 톨루엔중의 알루미늄 알킬의 묽은 용액을 황산구리 5수화물로 처리하는 것을 포함한다. 알루미늄 알킬의 알룸옥산으로의 느리고 제어된 가수분해가 일어나는데, 화재 및 폭발 위험을 실질적으로 제거하나, 처리해야 하는 위험한 폐기물을 생성시키고, 알룸옥산이 활성 촉매 복합체 제조에 사용하는데 적합하기 위해서는 미리 알룸옥산을 분리시켜야 하는 단점을 갖는다. 상기 공정 어느것에 의해 알룸옥산 성분을 별도로 제조하는 것은 시간 소비성이고 비용이 많이든다. 상응하게는, 알룸옥산을 별도로 제조하는 것은 알룸옥산의 촉매의 제조 비용을 크게 증가시킨다.
본 발명에 따라, 촉매 복합체의 알룸옥산 성분은 트리알킬알루미늄을 촉매 지지체로 사용되는 물질, 즉 비탈수된 실리카겔과 직접 반응시켜 제조한다. 촉매 지지체로서 유용한 실리카는 약 0.1μ내지 약 200μ, (1μ = 1.10-6m)의 평균 입경; 약 10 내지 약 700㎡/g, 바람직하게는 약 100 내지 약 500 ㎡/g, 더욱 바람직하게는 약 200 내지 400 ㎡/g 범위의 표면적; 약 3 내지 약 0.5 ㏄/g, 바람직하게는 2 내지 1 ㏄/g 의 공극 부피; 및 약 6 내지 약 20 중량%, 바람직하게는 약 7 내지 약 15중량%의 함수율을 갖는 것이다.
이러한 비탈수된 실리카겔을 약 수분간에 걸쳐 약 3:1내지 1:2, 바람직하게는 약 1.2:1 내지 0.8:1 의 트리알킬 알루미늄 대 물의 몰비를 제공하기에 충분한 양으로 트리알킬 알루미늄, 바람직하게는 트리메틸 알루미늄 또는 트리에틸 알루미늄의 교반된 용액에 가한다. 촉매 시스템 제조에 사용되는 용매는 불활성 탄화수소, 특히 촉매 시스템에 불활성인 탄화수소이다. 이러한 용매들은 잘 알려져 있으며, 예를들면, 이소부탄, 부탄, 펜탄, 헥산, 헵탄, 옥탄, 사이클로헥산, 메틸사이클로헥산, 톨루엔, 크실렌 등이 있다. 트리알킬알루미늄중의 각각의 알킬 그룹은 독립적으로 1 내지 10개의 탄소원자를 함유한다. 또한 사용하기 적합한 트리알킬 알루미늄의 예는 트리프로필 알루미늄, 트리-n-부틸 알루미늄, 트리-이소부틸 알루미늄, 트리(2-메틸펜틸)알루미늄, 트리헥실 알루미늄, 트리-n-옥틸 알루미늄 및 트리-n-데실 알루미늄이다.
비탈수된 실리카겔을 트리알킬알루미늄의 용액에 첨가하자마자 실리카겔의 물함량은 트리알킬알루미늄과 제어적으로 반응하여 실리카겔 입자의 표면에 침착된 알룸옥산을 생성한다. 트리알킬알루미늄과 실리카겔의 물성분과의 반응은 비교적 빠르게(일반적으로는 약 5분 이내) 진행되지만, 유리수와의 반응시에 일어나는 폭발적인 빠른 속도로는 일어나지 않는다. 상기 반응은 불활성 가스의 맨틀하에 통상의 혼합장치 안에서 안전하게 수행할 수 있다.
이후, 바나듐 화합물을 약 1000:1 내지 약 1:1, 바람직하게는 약 300:1 내지 약 10:1, 가장 바람직하게는 150:1 내지 약 30:1 의 알루미늄 대 바나듐의 몰비를 제공하기에 충분한 양으로 알룸옥산 실리카겔 생성물의 교반된 현탁액에 가한다. 바람직하게는, 바나듐 화합물을 용액의 형태로 반응 혼합물에 가한다. 용매는 상기 알룸옥산의 제조시에 사용된 것과 같은 널리 공지된 불활성 탄화수소 용매중의 특정한 것일 수 있다. 상기 혼합물을 주위온도 또는 약 75℃ 의 승온에서 약 30 분 내지 약 1 시간 동안 교반하여 바나듐 화합물이 흡착된 알룸옥산과 완전한 착화 반응을 하도록 한다. 이후에 용매를 여과 또는 증발시켜 제거하고, 잔류 고체를 자유-유동성 분말로 건조시킨다. 건조된 자유 유동성 분말은 올레핀 중합시에 사용하기에 충분히 높은 촉매 활성을 갖는 실리카겔 지지체와의 바나듐-알룸옥산 촉매 복합체를 포함한다. 자유 유동성 분말의 평균 입경은 촉매 지지물질의 제조시에 사용된 실리카의 입경과 동등하다.
비탈수된 실리카겔과 트리알킬알루미늄의 첨가 순서는 바나듐 화합물의 첨가시 발생하는 지지촉매의 활성에 대해 중요하다. 트리알킬알루미늄을 비탈수된 실리카겔의 교반된 용매 현탁액에 첨가할때 활성이 빈약하거나 전혀 없는 지지된 촉매 조성물이 생선된다. 수용가능하거나 또는 고활성의 지지된 촉매 조성물을 제조하게 위해서는, 혼합순서가 비탈수된 실리카겔을 트리알킬알루미늄의 교반 용액에 첨가하는 순서이어야 함을 밝혀냈다. 상기 혼합순서는 일시적으로 편재된 부족한 양의 물에 비해 일시적으로 편재된 과잉량의 트리알킬알루미늄 존재하에 트리알킬알루미늄을 강제로 반응시키는 것으로 생각된다. 비탈수된 실리카겔을 트리알킬 알루미늄의 교반 용액에 서서히 첨가하는 혼합 조건하에서, 대량의 트리알킬알루미늄은 약 6 내지 25 의 올리고머화도(y= 6 내지 25)를 갖는 알룸옥산으로 전환된다. 상기와 같은 올리고머화도를 갖는 알룸옥산을 제조하면 유용하거나 또는 고활성의 최종 바나듐-알룸옥산 촉매 복합체가 생성된다. 반대 순서로 혼합하면, 즉 트리알킬 알루미늄을 비탈수된 실리카겔의 교반된 용매 현택액에 첨가하면 빈약한 촉매 활성을 갖는 촉매가 수득된다.
유용한 활성의 지지촉매를 얻기 위해서는 적절한 혼합 순서의 중요성 이외에도, 또한 비탈수된 실리카겔의 수분함량이 최종 촉매 활성에 영향을 미침을 밝혀냈다. 그러므로, 비탈수된 실리카겔은 약 6 내지 약 20중량%의 흡착수를 함유해야 한다. 바람직하게는 흡착수 함량은 약 7 내지 약 15중량%이어야 한다.
더우기, 최종 지지된 촉매 착화합물의 활성도에 영향을 미치는 요인은 비탈수된 실리카겔의 흡착수 함량에 대한 트리알킬 알루미늄의 몰비이다. 정해진 흡착수 함량을 갖는 비탈수된 실리카겔의 양과 비교한 트리알킬 알루미늄의 양은 약 3:1 내지 약 1:2, 바람직하게는 약 1.5:1 내지 약 0.8:1, 더욱 바람직하게는 약 1.2:1 내지 약 0.8:1 의 트리알킬알루미늄 대 물의 몰비를 제공하도록 선택해야 한다. 소정의 바나듐 화합물의 경우, 최대 촉매 활성은 일반적으로 트리알킬알루미늄 대 물의 몰비 약 1.2:1 내지 약 0.8:1 에서 관찰된을 알게 되었다. 사용하기 위해 선택된 특정의 트리알칼알루미늄에 따라, 상업적으로 허용가능한 촉매활성은 약 3:1 내지 약 1:2 의 트리알킬알루미늄 대 물의 몰비에서 나타낸다.
또한, 제조 단가 및 최종 지지된 촉매 착화합물에서 얻은 촉매 활성에 영향을 미치는 요인은 알루미늄 대 바나듐 화합물의 바나듐의 몰비이다. 실리카겔 고체가 흡착된 알룸옥산에 첨가된 바나듐 화합물의 양은 1000:1 내지 약 1:1, 바람직하게는 약 300:1 약 10:1, 가장 바람직하게는 약 150:1 내지 약 30:1 의 알루미늄 대 바나듐의 몰비를 제공하도록 선택해야 한다. 경제적인 관점에서는, 알루미늄 대 바나듐의 몰비의 범위를 보다 더 낮게 조절하여 촉매의 제조단가를 최소화시키는 것이 바람직하다. 본 발명의 방법은 트리알킬알루미늄 성분을 가장 효율적인 알룸옥산 형태로 최대로 전환시킴으로써 값비싼 트리알킬알루미늄 성분을 소량 함유한, 유용한 활성의 지지된 바나듐-알룸옥산 촉매를 안전하게 제조하도록 한다.
본원에 개시된 촉매 시스템의 존재하에 제조되는 중합체의 분자량은 당해 분야에 널리 공지된 수단으로 제어할 수 있다. 올레핀의 개스상 또는 액상 중합의 경우, 중합체성 최종 생성물의 목적하는 분자량을 제어하기 위해 수소를 사용한다. 중합은 일반적으로 25 내지 150℃ 사이의 온도에서 진행시킨다.
본 발명의 촉매 복합체 및 방법을 사용하여 제조한 중합체는 에틸렌의 단독중합체 및 에틸렌과 탄소수 3 내지 18, 바람직하게는 탄소수 3 내지 8 의 더 고급의 알파-올레핀과의 공중합체이다. 대표적인 더 고급의 알파-올레핀은 프로필렌, 부텐-1, 헥센-1 및 옥텐-1 이다. 또한, 에틸렌을 프로필렌 및 디엔, 바람직하게는 탄소수 20 이하의 디엔과 공중합시켜 탄성 중합체를 제조할 수도 있다.
[실시예]
실시예 1 은 탈수된 실리카겔상에 지지된 VOCl3-트리에틸알루미늄 촉매의 제조방법을 예시한 것이다. 촉매시험 A 및 B 는 각각 할로겐화 탄화수소의 존재하 및 부재하에 에틸렌을 중합시킨 경우의 실시예 1 의 촉매의 성능을 예시한 것이다.
실시예 2 내지 5 는 알룸옥산 촉매 성분을 트리알킬 알루미늄과 비탈수된 실리카겔과의 반응에 의해 형성시킨, 본 발명에 따른 지지된 바나듐-알룸옥산 촉매 복합체의 제조방법을 예시한 것이다. 촉매시험 C 및 D 는 실시예 2 내지 5 의 촉매의 성능을 예시한 것이다.
[실시예 1(비교)]
실리카겔[5.0g, 데이비슨(Davison) 948 실리카겔, 500℃에서 탈수]을 헥산 20㎖ 를 함유하는 바이알에 가한다. 이어서, 트리에틸알루미늄/헵탄 용액(1.58M) 4.3㎖ 를 바이알에 공급한다. 생성 혼합물을 주위온도에서 30분동안 반응시킨다. 반응후에 순수한 벤조일클로라이드 2.4㎖ 를 바이알에 가하고, 실온에서 1시간동안 반응을 진행시킨다. 이어서, 바이알에 VOCl3(0.7M)의 헥산용액 2.0㎖ 를 가한다. 이 혼합물을 주위온도에서 1시간동안 반응시키고 생성되는 고체를 침전시킨 후, 상등액을 바이알로부터 경사분리한다. 헥산 20㎖ 를 바이알에 가한 후, 혼합물을 10분동안 교반한다. 상등액을 경사하여 딸아버린 후, 질소 퍼어징시켜 촉매를 자유 유동성 분말로 건조시킨다.
[촉매시험A]
새롭게 세정한 2.2ℓ 용량의 오토클레이브를 60℃ 로 가열하고, 질소로 30분동안 플러쉬한다. 실온으로 냉각시킨 후, 헵탄(1.67M) 용액중의 트리에틸알루미늄 0.6㎖ 및 프레온-11(액체) 0.9㎖ 를 산소가 없는 무수 헥산 850㎖ 를 함유하는 반응기에 공급한다. 반응기를 85℃로 가열한 후, 수소 31 밀리몰 및 1-헥센 100㎖ 를 가한다. 이어서, 150 psig 의 에틸렌 개스를 가하여 반응기를 압축시킨다. 실시예 1(비교)의 촉매 75mg 을 반응기내에 주입시킨다. 40분동안 반응시킨 후, 폴리에틸렌 83g 이 회수된다.
[촉매시험B]
반응기에 프레온-11을 전혀 가하지 않는다는 것 이외에는 실시예 2 의 절차에 따른다. 폴리에틸렌 1g이 회수된다.
[실시예2]
비탈수된 실리카겔을 본 발명의 절차에 따라 사용하여 다음과 같이 실리카겔 지지된 VOCl3메틸알룸옥산 촉매 복합체를 제조한다 :
자기 교반봉이 장착된 1ℓ 용량의 3구 플라스크를 건조되고 탈개스화된 헵탄 170㎖ 로 채운다. 이어서, 플라스크에 트리메틸알루미늄/헵탄 용액(1.5M) 130㎖ 를 공급한다. 투명한 용액이 형성된다. 이후에, 8.5중량% 의 물을 함유하는 비탈수된 실리카겔(평균 입경 50μ의 Davision 948) 50g 을 고체 부가 용기를 통하여 플라스크속으로 서서히 가한다. 생성 혼합물을 주위온도에서 교반하면서 1시간동안 반응시킨다. 플라스크의 함유물이 고체로 될때까지 플라스크를 오일욕중에서 건조온도 75℃ 로 가열하면서 질소 퍼어징시켜 휘발성 용매를 제거한다. 이어서, 혼합물을 주위온도에서 진공건조시켜 자유 유동성 분말로 건조시킨다. 이후, 자유 유동성 분말 5.0g 을 125㎖ 용량의 바이알로 옮긴다. 계속하여 헥산(0.7M)중에 용해된 VOCl32.0㎖및 헥산 30㎖ 를 바이알에 가한다. 생성 혼합물을 주위온도에서 30분동안 반응시킨다. 질소 퍼어징시켜 용매를 제거한 다음, 진공증발시켜 촉매 고형물을 분리한다.
[실시예3]
트리에틸알루미늄/헵탄 용액(1.5M) 130㎖ 를 건조된 3구 플라스크속에 공급하는 것을 제외하고는 실시예 2 의 절차에 따른다.
[실시예4]
비탈수된 실리카겔을 본 발명의 절차에 따라 사용하여 다음과 같이 실리카겔 지지된 VOCl3메틸알룸옥산 촉매 복합체를 제조한다 :
자기 교반봉이 장착된 1ℓ 용량의 3구 플라스크를 건조되고 탈개스화된 헵탄 300㎖ 로 채운다. 이어서, 트리메틸알루미늄/헵탄 용액(1.5M) 260㎖ 를 플라스크속에 공급한다. 8.7중량% 의 물을 함유하는 비탈수된 실리카겔(Davison 948) 100g 을 고체 부가관을 통해 플라스크속으로 서서히 가한다. 생성 혼합물을 주위온도에서 교반하면서 1시간동안 반응시킨다. 이후, 헥산(0.7M)중에 용해된 VOCl340.0㎖ 를 플라스크에 가하고, 생성 혼합물을 주위온도에서 30분동안 교반하면서 반응시킨다. 플라스크를 플라스크내의 함유물의 고체로 될 때까지 오일욕중에서 65℃ 의 온도로 가열하면서 질소 퍼어징시켜 휘발성 용매를 제거한다. 이어서, 혼합물을 주위온도에서 진공건조시켜 자유 유동성 분말로 건조시킨다.
[실시예5]
7.4중량% 의 물을 함유하는 비탈수된 실리카겔(Davison 948) 100g 을 트리에틸알루미늄/헵탄 용액(1.5M) 260㎖ 및 헵탄 360㎖ 를 함유하는 건조된 3구 플라스크에 가한 다음, 혼합물을 건조시킨다. 건조된 혼합물을 헥산 400㎖ 로 재슬러리화시킨 다음, 헥산(0.7M)중에 용해된 VOCl340.0㎖ 를 가한다. 이어서, 혼합물을 자유 유동성 분말로 건조시킨다.
[촉매시험C]
실시예 2 내지 5 의 촉매 분말의 활성을 다음 절차에 따라 주위온도 및 5 psig 의 에틸렌 압력에서 측정된다. 자기 교반봉이 장착된 150㎖ 바이알에 촉매 조성물 4g 을 공급한다. 주위온도에서 5 psig 의 에틸렌 개스를 바이알속으로 공급한다. 1시간동안 에틸렌의 중합반응을 진행시킨다. 각 촉매 조성물을 사용하여 수득한 폴리에틸렌의 수율을 하기 표I에 기록하였다.
[촉매시험 D]
실시예 4 의 촉매의 활성을 연속식 유동상 개스상 종합 반응기중 전압 300 psig 및 165℉ 에서 측정한다. 에틸렌을 헥센-1 과 공중합시킨다.
중합도중, 에틸렌, 헥센-1, 수소 및 질소를 반응기속으로 연속 공급하여 하기와 같은 일정한 개스농도를 유지시킨다 :
질소 62.0몰%
에틸렌 30.0몰%
헥센-1 2.0몰%
수소 6.0몰%
반응기내의 개스의 속도는 0.7 ft/sec 이다. 촉매를 주기적으로 필요한 만큼 반응기속으로 주입시켜 약 200g 중합체/hr 의 일정한 생산속도를 유지시킨다. 중합체 생성물을 주기적으로 밸브를 통하여 반응기로부터 제거하여 반응기내에 일정한 베드 중량을 유지시킨다.
중합 반응을 24시간 이상 수행한다. 표II는 생성된 중합체의 특성을 기록한 것이다.
본 발명을 그의 바람직한 실시태양을 참고로 기술하여 왔다. 이러한 기술내용으로부터, 당해분야의 전문가들은 상술하고 이후에 특허청구된 바와 같은 본 발명의 범주 및 정신을 벗어나지 않고서도 본 발명을 적당히 변화시킬 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. (a) 비탈수된 실리카겔을 3:1 내지 1:2 의 트리알킬알루미늄 대 물의 몰비를 제공하는데 충분한 양으로 트리알킬알루미늄의 교반된 용액에 가한 다음, 혼합물을 반응시키고; (b) 반응 혼합물에 바나듐 화합물을 가하며; (c) 용매를 제거한 다음; (d) 고체를 건조시켜 자유 유동성 분말을 형성시킴으로써 제조한, 지지된 바나듐 알룸옥산 촉매 복합체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비탈수된 실리카겔의 함수율이 6 내지 20중량% 인 촉매.
  3. 제1또는 2항에 있어서, 상기 바나듐 화합물중의 알루미늄 대 바나듐의 몰비가 1000:1 내지 1:1 인 촉매.
  4. 제1항에 있어서, 트리알킬알루미늄이 트리메틸알루미늄 또는 트리에틸알루미늄인 촉매.
  5. 제1항에 있어서, 상기 비탈수된 실리카겔이 200 내지 400 ㎡/g 의 표면적, 1 내지 2 ㏄/g 의 공극부피 및 0.1 내지 200μ 의 입경을 갖는 촉매.
  6. 제1항에 있어서, 상기 바나듐 화합물이 하기 일반식(i) 내지 (v)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 촉매:
    상기식에서, m 은 0 내지 3 이고, n 은 0 또는 3 내지 4 이며, p 는 2 내지 3 이고, q 는 0 또는 2 내지 3 이며, x 및 y 는 서로 다르며 1 내지 2 이고, R 은 C1내지 C8탄화수소 라디칼이고, R' 는 아세틸아세토네이트이며, X 는 -Cl 또는 -Br 이고, B 는 VX3와 탄화수소-가용성 착화합물을 형성할 수 있는 루이스 염기이다.
  7. 제6항에 있어서, 상기 바나듐 화합물이 바나딜 트리클로라이드, 바나딜 트리브로마이드, 바나듐 테트라클로라이드, 바나듐 테트라브로마이드, 바나듐 테트라부톡시, 바나듐 트리클로라이드, 바나듐 트리브로마이드, 바나딜 아세틸아세토네이트, 바나듐 아세틸아세토네이트, 바나딜 디클로로아세틸아세토네이트, 바나딜 클로로디아세틸아세토네이트, 및 테트라하이드로푸란과 착화된 바나듐 트리클로라이드 또는 바나듐 트리브로마이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 촉매.
  8. 적어도 하나의 알파 올레핀을 촉진제(promoter)의 부재하에 20° 내지 350℃ 의 온도, 1 내지 3,000 기압의 압력에서 및 0.1 내지 200u 의 평균 입경을 갖는 실리카 입자의 표면상에 흡착된 지지된 바나듐-알룸옥산 촉매 복합체의 존재하에 중합시킴으로써, 적어도 하나의 알파 올레핀으로부터 유도된 중합체를 제조하는 방법.
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