KR20120048000A - 높은 용융 유동 및 높은 활성을 위한 혼합 공여체 시스템 - Google Patents

높은 용융 유동 및 높은 활성을 위한 혼합 공여체 시스템 Download PDF

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Abstract

고체 티타늄 촉매 및 2종의 외부 전자 공여체를 함유하는 올레핀 중합용 촉매 시스템 및 그의 사용 방법이 개시되어 있다. 외부 전자 공여체로서의 아미노실란 및 알킬실란의 사용은 높은 수소 반응, 높은 이소택틱성 및 높은 활성을 제공한다.

Description

높은 용융 유동 및 높은 활성을 위한 혼합 공여체 시스템 {MIXED DONOR SYSTEM FOR HIGH MELT FLOW AND HIGH ACTIVITY}
본 발명은 일반적으로 올레핀 중합 촉매 시스템, 촉매 시스템의 제조 방법, 및 촉매 시스템을 사용한 올레핀 중합체 및 공중합체에 관한 것이다.
폴리올레핀은 단순 올레핀으로부터 유도된 중합체 부류이다. 공지된 폴리올레핀의 제조 방법은 지글러-나타(Ziegler-Natta) 중합 촉매의 사용을 수반한다. 상기 촉매는 전이 금속 할라이드를 사용하여 비닐 단량체를 중합시켜 이소택틱 중합체를 제공한다.
다수의 지글러-나타 중합 촉매가 존재한다. 촉매는 상이한 특성을 가지고 있고/있거나 다양한 특성을 갖는 폴리올레핀의 생성을 야기한다. 예를 들어, 특정 촉매는 높은 활성을 갖는 반면, 다른 촉매는 낮은 활성을 갖는다. 더욱이, 지글러-나타 중합 촉매의 사용을 통해 제조된 폴리올레핀은 이소택틱성, 분자량 분포, 충격 강도, 용융-유동성, 강성, 가열 밀봉성, 이소택틱성 등에 있어서 다양하다.
본 발명의 일부 측면의 기본적인 이해를 제공하기 위해 본 발명의 간략한 요약이 하기에 제시되어 있다. 본 요약은 본 발명의 광범위한 개요는 아니다. 본 발명의 핵심 사항 또는 중요한 요소를 규명하거나 본 발명의 범주를 묘사하려는 것은 아니다. 오히려, 본 요약의 단 하나의 목적은 본 발명의 일부 개념을 하기에 나타내어진, 보다 상세한 설명에 대한 머리말로서 간략화된 형태로 나타내는 것이다.
본 발명은 올레핀 중합 촉매 시스템, 올레핀 중합 촉매 시스템의 제조 방법, 및 높은 활성, 높은 이소택틱성 및 높은 수소 반응 (수소 농도의 함수로서의 생성된 중합체의 용융 유동)을 갖는 촉매를 사용하는 올레핀의 중합 (및 공중합) 방법을 제공한다. 폴리올레핀의 제조 방법은 올레핀을 고체 티타늄 촉매 성분, 유기알루미늄 화합물 및 본원에 기재된 외부 전자 공여체와 접촉시키는 것을 수반할 수 있다. 본원에 기재된 바와 같이, 외부 전자 공여체의 특정한 조합은 고체 티타늄 촉매 시스템의 촉매 활성 및/또는 수소 반응을 개선시킨다.
본 발명의 한 측면은 폴리올레핀 형성을 위한 올레핀 중합용 촉매 시스템에 관한 것이다. 촉매 시스템은 고체 티타늄 촉매 성분을 가지며, 상기 고체 티타늄 촉매 성분은 티타늄 화합물 및 마그네슘 화합물로부터 제조된 지지체를 갖는다. 고체 티타늄 촉매 이외에, 촉매 시스템은 1개 이상의 알루미늄-탄소 결합을 갖는 유기알루미늄 화합물 및 규정된 몰비의 2종 이상의 유기규소 화합물을 가지며, 이때, 2종 이상의 유기규소 화합물 중 하나는 아미노실란이고 2종 이상의 유기규소 화합물 중 또 다른 하나는 알킬실란이다.
본 발명의 또 다른 측면은 지글러-나타 촉매 및 2종 이상의 유기규소 화합물을 규정된 몰비로 갖는 촉매 시스템에 관한 것이고, 이때, 2종 이상의 유기규소 화합물 중 하나는 아미노실란이고 2종 이상의 유기규소 화합물 중 또 다른 하나는 알킬실란이다. 촉매 시스템은 촉매 시스템이 약 3.0 Mpa 이하의 압력에서 올레핀 단량체와 접촉할 때, g (10분)-1의 단위로 표현된 폴리올레핀의 MFR 대 퍼센트 단위로 표현된 수소의 몰 백분율의 비가 약 14:1을 초과하는 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은 폴리올레핀을 제조하는 방법에 관한 것이다. 올레핀은 티타늄 화합물 및 지지체를 갖는 고체 티타늄 촉매 성분, 및 2종 이상의 유기규소 화합물 중 하나가 알킬실란인 2종 이상의 유기규소 화합물을 갖는 촉매 시스템과 접촉시킨다.
추가의 또 다른 측면은 티타늄 화합물 및 지지체를 포함하는 고체 티타늄 촉매 성분; 1개 이상의 알루미늄-탄소 결합을 갖는 유기알루미늄 화합물; 및 제1 외부 전자 공여체 및 제2 외부 전자 공여체를 갖는 다중공여체 촉매 시스템에 관한 것이다. 기준 시스템에 결합된 제1 외부 전자 공여체는 MFR(1)의 용융 유량을 갖는 제1 폴리올레핀을 제조하고, 기준 시스템에 결합된 제2 전자 공여체는 MFR(2)의 용융 유량을 갖는 제2 폴리올레핀을 제조하며, 여기서 기준 시스템은 고체 티타늄 촉매 및 유기알루미늄 화합물을 포함한다. 다중공여체 촉매 시스템에 존재하는 제1 외부 전자 공여체의 몰 양은 다중공여체 촉매 시스템에 존재하는 제2 외부 전자 공여체의 몰 양을 초과하고, 로그 [MFR (1)/MFR(2)]의 값은 약 0.5 내지 약 0.8이다.
상기 및 관련된 목표를 달성하기 위해, 본 발명은 하기에 완전히 기재되고 특히 청구범위에 나타낸 특징을 포함한다. 하기 설명 및 첨부된 도면은 본 발명의 상세한 특정 예시적인 측면 및 실시를 설명한다. 그러나, 이는 본 발명의 원리를 이용할 수 있는 다양한 방식 중 소수를 나타내는 것이다. 본 발명의 다른 대상, 장점 및 신규한 특징은 도면과 관련해서 고려될 때, 본 발명의 하기 상세한 설명으로부터 명확할 것이다.
도 1은 본 발명의 한 측면에 따른 올레핀 중합 시스템의 상위 수준 개략 다이아그램이다.
도 2는 본 발명의 한 측면에 따른 올레핀 중합 반응기의 개략 다이아그램이다.
도 3은 본 발명의 한 측면에 따른 충격 공중합체의 제조 시스템의 상위 수준 개략 다이아그램이다.
도 4는 본 발명의 측면에 따른 촉매의 수소 반응의 그래프를 도시한다.
도 5는 본 발명의 측면에 따른 중합 반응을 위해 순간적인 반응 활성 대 시간의 그래프를 도시한다.
본 발명은 촉매 시스템, 촉매 시스템의 제조 방법 및 폴리올레핀의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 측면은 티타늄 화합물을 함유하는 고체 티타늄 촉매 성분 및 마그네슘 화합물로부터 제조된 지지체, 및 외부 전자 공여체로서 기능하는 2종 이상의 유기규소 화합물을 함유하는 올레핀 중합용 촉매 시스템이다. 촉매 시스템 내에서의 외부 전자 공여체의 특정한 조합의 사용은 개별적으로 이용되는 임의의 성분 외부 전자 공여체와 비교하여, 개선된 촉매 활성 및 수소 반응을 갖는 촉매 시스템을 야기할 수 있다.
슬러리 촉매 시스템은 임의의 적합한 액체, 예컨대 불활성 탄화수소 매질을 함유할 수 있다. 불활성 탄화수소 매질의 예는 지방족 탄화수소, 예컨대 프로판, 부탄, 펜탄, 헥산, 헵탄, 옥탄, 데칸, 도데칸 및 케로센; 지환족 탄화수소, 예컨대 시클로펜탄, 시클로헥산 및 메틸시클로펜탄; 방향족 탄화수소, 예컨대 벤젠, 톨루엔 및 크실렌; 할로겐화 탄화수소, 예컨대 에틸렌 클로라이드 및 클로로벤젠; 및 그의 혼합물을 포함한다. 슬러리 매질은 전형적으로 헥산, 헵탄 또는 미네랄 오일이다.
촉매 시스템은 임의의 적합한 시스템/공정에서 올레핀의 중합에 사용할 수 있다. 올레핀의 중합을 위한 시스템의 예가 기재되어 있다. 도 1을 참조하면, 올레핀을 중합시키기 위한 시스템 (10)의 상위 수준의 개략 다이아그램이 나타나 있다. 촉매 시스템 성분을 반응기 (14)로 도입하기 위해 유입구 (12)를 사용하고, 촉매 시스템 성분은 올레핀, 임의적 공단량체, 수소 기체, 유체 매질, pH 조절제, 계면활성제 및 임의의 다른 첨가제를 포함할 수 있다. 단 하나의 유입구만이 나타나 있지만, 많은 유입구가 종종 이용된다. 반응기 (14)는 올레핀을 중합할 수 있는 임의의 적합한 비히클(vehicle)이다. 반응기 (14)의 예는 단일 반응기, 직렬로 연결된 둘 이상의 반응기들, 슬러리 반응기, 고정층 반응기, 기체 상 반응기, 유동화 기체 반응기, 루프 반응기, 다중구역 순환 반응기 등을 포함한다. 일단 중합이 완료되거나 또는 폴리올레핀이 제조됨에 따라, 유출구 (16)을 통해 중합체 생성물을 반응기 (14)로부터 제거하며, 이는 수집기 (18)로 유도된다. 수집기 (18)은 하류 프로세싱, 예컨대 가열, 압출, 성형 등을 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 폴리올레핀을 제조하기 위해 도 1의 반응기 (14) 또는 도 3의 반응기 (44)로서 이용할 수 있는 다중구역 순환 반응기 (20)의 개략 다이아그램이 나타나 있다. 다구역 순환 반응기 (20)은 일련의 개별 반응기를, 액체 배리어의 사용으로 인해 양면에서 상이한 기체 상 중합 조건을 허용하는 단일 반응기 루프로 대체한다. 다중구역 순환 반응기 (20)에서, 제1 구역은 올레핀 단량체 및 임의로 하나 이상의 공단량체가 풍부한 상태에서 작동한다. 제2 구역은 수소 기체가 풍부하고, 높은 속도의 기체 유동은 성장하는 수지 입자를 대략적으로 나눈다. 2개의 구역은 상이한 분자량 및/또는 단량체 조성의 수지를 제조한다. 중합체 과립은 이들이 루프 주위를 순환함에 따라 성장하며, 양파와 같은 방식으로 각각의 중합체 분획의 교호의 층이 축적된다. 각각의 중합체 입자는 두 중합체 분획의 친밀한 조합을 구성한다.
작동 시, 중합체 입자는 유동화 기체를 통해 루프의 상승면 (24)으로 상승하고 액체 단량체를 통해 하강면 (26)으로 하강한다. 동일하거나 또는 상이한 단량체(및 역시 임의로 하나 이상의 공단량체)를 2개의 반응기 다리에 첨가할 수 있다. 반응기는 상기 기재된 촉매 시스템을 사용한다.
액체/기체 분리 구역 (30)에서, 수소 기체는 제거되어 냉각 및 재순환된다. 이어서, 중합체 과립은 하강측 (26)의 상단에 패킹되고, 이어서, 하강한다. 단량체는 상기 구획에 액체로서 도입된다. 하강면 (26)의 상단에서의 조건은, 연속적인 수행에서 단량체들의 상이한 조합 및/또는 구성비율에 따라 달라질 수 있다.
도 3을 참조하면, 올레핀의 중합을 위한 또 다른 시스템 (40)의 상위 수준 개략 다이아그램이 나타나 있다. 시스템은 충격 공중합체를 제조하기에 이상적으로 적합하다. 반응기 (44), 예컨대 단일 반응기, 직렬로 연결된 반응기 또는 다중구역 순환 반응기를 상기 기재된 촉매 시스템을 함유하는 하류의 기체 상 또는 유동층 반응기 (48)와 짝을 지워서, 통상적인 촉매 시스템으로 제조된 공중합체보다 바람직한 충격 대 강성 균형 또는 더 큰 연성을 갖는 충격 공중합체를 제조한다. 유입구 (42)는 반응기 (44)에 촉매 시스템 성분, 올레핀, 임의의 공단량체, 수소 기체, 유체 매질, pH 조절제, 계면활성제 및 임의의 다른 첨가제를 도입하기 위해 사용된다. 단 하나의 유입구만을 나타내었지만, 종종 많은 유입구가 이용된다. 제1 반응기 (44)에서 제조된 폴리올레핀은 이송 수단 (46)을 통해 제2 반응기 (48)로 보내진다. 공급물 (50)은 촉매 시스템 성분, 올레핀, 임의의 공단량체, 유체 매질 및 임의의 다른 첨가제를 도입하기 위해 사용된다. 제2 반응기 (48)은 촉매 시스템 성분을 함유하거나 또는 함유하지 않을 수 있다. 또한, 단 하나의 유입구만을 나타내었지만, 종종 많은 유입구가 이용된다. 일단 제2 중합이 완료된 후, 또는 충격 공중합체가 제조됨에 따라, 중합체 생성물은, 수집기 (54)로 연결된 유출구 (52)를 통해 제2 반응기 (48)로부터 회수된다. 수집기 (54)는 하류 프로세싱, 예컨대 가열, 압출, 성형 등을 포함할 수 있다. 제1 반응기 (44) 및 제2 반응기 (48) 중 적어도 하나는 본 발명에 따른 촉매 시스템을 함유한다.
충격 공중합체의 제조시, 폴리프로필렌은 제1 반응기에서 형성될 수 있고, 에틸렌 프로필렌 고무는 제2 반응기에서 형성될 수 있다. 상기 중합에서, 제2 반응기에서 에틸렌 프로필렌 고무는 제1 반응기에서 형성된 폴리프로필렌의 매트릭스와 함께 (및 특히 기공 내에) 형성된다. 그 결과, 충격 공중합체의 친밀한 혼합물이 형성되며, 중합체 생성물은 단일 중합체 생성물로 나타난다. 이러한 친밀한 혼합물은 폴리프로필렌 생성물과 에틸렌 프로필렌 고무 생성물을 간단히 혼합함으로써 제조할 수 없다.
상기 임의의 도면에 나타나 있지는 않지만, 시스템 및 반응기는, 임의로는 연속적이거나 또는 간헐적인 시험을 기초로 한 피드백을 이용하여, 임의의 메모리 및 제어기가 구비된 처리장치를 사용하여 제어할 수 있다. 예를 들어, 처리장치는 반응기, 유입구, 유출구, 반응기와 결합된 시험/측정 시스템 등 중 하나 이상에 연결되어, 반응에 연관된 미리 설정한 데이터를 기준으로, 및/또는 반응 동안 발생한 시험/측정 데이터를 기준으로 중합 반응을 모니터링 및/또는 제어할 수 있다. 제어기는 밸브, 유량, 시스템에 유입되는 물질의 양, 반응 조건 (온도, 반응 시간, pH 등) 등을 처리장치에 의해 지시되는 바와 같이 제어할 수 있다. 처리장치는 중합 공정 및/또는 중합 공정에 수반된 시스템의 다양한 측면에 연관된 데이터를 함유하는 메모리를 함유하거나 또는 이에 연결될 수 있다.
본 발명은 임의의 적합한 지글러-나타 중합 촉매 시스템에 적용할 수 있다. 지글러-나타 촉매는 중합체를 형성하기 위해 1-알켄 (α-올레핀)의 중합을 촉매하는 기능을 하는 시약, 또는 시약의 조합으로 구성된다 (pro-키랄 1-알켄이 중합될 때 전형적으로 높은 이소택틱성을 갖게됨). 지글러-나타 촉매는 전이 금속 성분, 주족 금속 알킬 성분 및 전자 공여체를 가지며, 여기서 사용된 용어 "지글러-나타 촉매"는 전이 금속, 및 1-알켄의 중합을 지지할 수 있는 주족 금속을 갖는 임의의 조성물을 지칭한다. 전이 금속 성분은 전형적으로 티타늄 또는 바나듐과 같은 IV족 금속이고, 주족 금속 알킬은 전형적으로 탄소-Al 결합을 갖는 유기알루미늄 화합물이고, 전자 공여체는 방향족 에스테르, 알콕시실란, 아민 및 케톤을 포함하는 다수의 화합물 중 하나일 수 있고, 상기 성분의 합성 동안, 전이 금속 성분 및 주족 금속 알킬 성분에 첨가되는 외부 공여체 또는 전이 금속 성분 및 주족 금속 알킬 성분에 첨가되는 적절한 내부 공여체로서 사용할 수 있다. 지글러-나타 중합 촉매 시스템이, 본원에 기재된 바와 같이 외부 전자 공여체로서 작용하는 2종 이상의 유기규소 화합물을 갖는 경우에, 지글러-나타 중합 촉매 시스템의 구성성분, 구조 및 제조는 본 발명의 실행에 중요하지 않다. 지글러-나타 중합 촉매 시스템의 제조의 구성성분, 구조 및 제조는 예를 들어, 미국 특허 및 미국 특허 등록공보: 4771,023; 4,784,983; 4,829,038; 4,861,847; 4,990,479; 5,177,043; 5,194,531; 5,244,989; 5,438,110; 5,489,634; 5,576,259; 5,767,215; 5,773,537; 5,905,050; 6,323,152; 6,437,061; 6,469,112; 6,962,889; 7,135,531; 7,153,803; 7,271,119; 2004/242406; 2004/0242407; 및 2007/0021573에서 찾을 수 있으며, 이와 관련하여 이들 전체가 본원에 참조로 포함된다.
본 발명에서 사용되는 고체 티타늄 촉매 성분은, 적어도 티타늄, 임의적인 외부 전자 공여체, 및 촉매 지지체를 함유하는 마그네슘을 함유하는 활성이 강한 촉매 성분이다.
고체 티타늄 촉매 성분은 상기에 기재된 바와 같이, 마그네슘 화합물 및 티타늄 화합물로 제조된 촉매 지지체를 접촉시킴으로써 제조할 수 있다. 본 발명에서 고체 티타늄 촉매 성분의 제조에 사용되는 티타늄 화합물은 예를 들어, 하기 화학식 I에 의해 나타낸 4가 티타늄 화합물이다.
<화학식 I>
Figure pct00001
상기 식에서, 각각의 R은 독립적으로 탄화수소 기, 바람직하게는 1 내지 약 4개의 탄소 원자를 갖는 알킬 기를 나타내고, X는 할로겐 원자 및 0▶g≤4를 나타낸다. 티타늄 화합물의 특정 예는 티타늄 테트라할라이드, 예컨대 TiCl4, TiBr4 및 Til4; 알콕시티타늄 삼할로겐화물, 예컨대 Ti(OCH3)Cl3, Ti(OC2H5)Cl3, Ti(O n-C4H9)Cl3, Ti(OC2H5)Br3 및 Ti(O iso-C4H9)Br3; 디알콕시티타늄 디할라이드, 예컨대 Ti (OCH3)2Cl2, Ti(OC2H5)2Cl2, Ti(O n-C4H9)2Cl2 및 Ti(OC2H5)2Br2; 트리알콕시티타늄 모노할라이드, 예컨대 Ti(OCH3)3Cl, Ti(OC2H5)3Cl, Ti(O n-C4H9)3Cl 및 Ti(OC2H5)3Br; 및 테트라알콕시티타늄, 예컨대 Ti(OCH3)4, Ti(OC2H5)4, Ti(OC3H7)3Cl, Ti(OC3H7)2Cl2, Ti(OC3H7)Cl3 및 Ti(O n-O4H9)4를 포함한다.
이들 중, 티타늄 화합물, 특히 티타늄 테트라할라이드를 함유하는 할로겐이 일부 경우에 바람직하다. 이들 티타늄 화합물은 개별적으로 또는 2개 이상의 조합으로 사용할 수 있다. 이들 티타늄 화합물을 탄화수소 화합물 또는 할로겐화 탄화수소에서 희석물로서 사용할 수 있다.
고체 티타늄 촉매 성분을 제조할 때, 임의적인 내부 전자 공여체가 사용되고/첨가된다. 내부 전자 공여체는, 예를 들어, 산소-함유 전자 공여체, 예컨대 유기 산 에스테르, 폴리카르복실산 에스테르, 폴리히드록시 에스테르, 헤테로시클릭 폴리카르복실산 에스테르, 무기 산 에스테르, 지환족 폴리카르복실산 에스테르 및 2 내지 약 30개의 탄소 원자를 갖는 히드록시-치환된 카르복실산 에스테르 화합물, 예컨대 메틸 포르메이트, 에틸 아세테이트, 비닐 아세테이트, 프로필 아세테이트, 옥틸 아세테이트, 시클로헥실 아세테이트, 에틸 프로피오네이트, 메틸 부티레이트, 에틸 발레레이트, 에틸 스테아레이트, 메틸 클로로아세테이트, 에틸 디클로로아세테이트, 메틸 메타크릴레이트, 에틸 크로토네이트, 디부틸 말레에이트, 디에틸 부틸말로네이트, 디에틸 디부틸말로네이트, 에틸 시클로헥산카르복실레이트, 디에틸 1,2-시클로헥산디카르복실레이트, 디-2-에틸헥실 1,2-시클로헥산디카르복실레이트, 메틸 벤조에이트, 에틸 벤조에이트, 프로필 벤조에이트, 부틸 벤조에이트, 옥틸 벤조에이트, 시클로헥실 벤조에이트, 페닐 벤조에이트, 벤질 벤조에이트, 메틸 톨루에이트, 에틸 톨루에이트, 아밀 톨루에이트, 에틸 에틸벤조에이트, 메틸 아니세이트, 에틸 아니세이트, 에틸 에톡시벤조에이트, 디메틸 프탈레이트, 디에틸 프탈레이트, 디프로필 프탈레이트, 디이소프로필 프탈레이트, 디부틸 프탈레이트, 디이소부틸 프탈레이트, 디옥틸 프탈레이트, γ-부티로락톤, δ-발레로락톤, 쿠마린, 프탈리드, 에틸렌 카르보네이트, 에틸 실리케이트, 부틸 실리케이트, 비닐트리에톡시실란, 페닐트리에톡시실란 및 디페닐디에톡시실란; 지환족 폴리카르복실산 에스테르, 예컨대 디에틸 1,2-시클로헥산카르복실레이트, 디이소부틸 1,2-시클로헥산카르복실레이트, 디에틸 테트라히드로프탈레이트 및 나드산, 디에틸 에스테르; 방향족 폴리카르복실산 에스테르, 예컨대 모노에틸 프탈레이트, 디메틸 프탈레이트, 메틸에틸 프탈레이트, 모노이소부틸 프탈레이트, 모노-n-부틸 프탈레이트, 디에틸 프탈레이트, 에틸 이소부틸 프탈레이트, 에틸-n-부틸 프탈레이트, 디-n-프로필 프탈레이트, 디이소프로필 프탈레이트, 디-n-부틸 프탈레이트, 디이소부틸 프탈레이트, 디-n-헵틸 프탈레이트, 디-2-에틸헥실 프탈레이트, 디-n-옥틸 프탈레이트, 디네오펜틸 프탈레이트, 디데실 프탈레이트, 벤질부틸 프탈레이트, 디페닐 프탈레이트, 디에틸 나프탈렌디카르복실레이트, 디부틸 나프탈렌디카르복실레이트, 트리에틸 트리멜리테이트 및 디부틸 트리멜리테이트, 3,4-푸란디카르복실산 에스테르, 1,2-디아세톡시벤젠, 1-메틸-2,3-디아세톡시벤젠, 2-메틸-2,3-디아세톡시벤젠, 2,8-디아세톡시나프탈렌, 에틸렌 글리콜 디피발레이트, 부탄디올 피발레이트, 벤조일에틸 살리실레이트, 아세틸이소부틸 살리실레이트 및 아세틸메틸 살리실레이트이다.
장쇄 디카르복실산 에스테르, 예컨대 디에틸 아디페이트, 디이소부틸 아디페이트, 디이소프로필 세바케이트, 디-n-부틸 세바케이트, 디-n-옥틸 세바케이트 및 디-2-에틸헥실 세바케이트를 티타늄 촉매 성분 중에 포함될 수 있는 폴리카르복실산 에스테르로서 또한 사용할 수 있다. 이러한 다관능성 에스테르 중에서, 상기 일반 화학식에 의해 제공된 골격을 갖는 화합물이 바람직하다. 프탈산, 말레산 또는 치환된 말론산 및 적어도 약 2개의 탄소 원자를 갖는 알콜 사이에 형성된 에스테르가 또한 바람직하고, 프탈산 및 적어도 약 2개의 탄소 원자를 갖는 알콜 사이에 형성된 디에스테르가 특히 바람직하다. 모노카르복실산 에스테르는 RCOOR'의해 나타내고, 여기서 R 및 R'은 치환기를 가질 수 있는 히드로카르보닐 기이고, 이들 중의 적어도 하나가 분지형 또는 고리-함유 지방족 기 지환족이다. 구체적으로, R 및 R' 중 적어도 하나는 (CH3)2CH-, C2H5CH(CH3)-, (CH3)2CHCH2-, (CH3)3C-, C2H5CH2-, (CH3)CH2-, 시클로헥실, 메틸벤질, 파라-크실릴, 아크릴 및 카르보닐벤질일 수 있다. R 및 R' 중 어느 하나는 상기 기재된 기 중 하나이면, 다른 하나는 상기 기 또는 선형 또는 환형 기와 같은 또 다른 기일 수 있다. 모노카르복실산 에스테르의 특정 예는 디메틸아세트산, 트리메틸아세트산, 알파-메틸부티르산, 베타-메틸부티르산, 메타크릴산 및 벤조일아세트산의 모노에스테르; 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 이소부탄올 및 tert-부탄올과 같은 알콜로 형성된 모노카르복실산 에스테르를 포함한다.
추가의 유용한 내부 전자 공여체는 하나 이상의 에테르 기 및 하나 이상의 케톤 기를 함유하는 내부 전자 공여체를 포함한다. 즉, 내부 전자 공여체 화합물은 그의 구조 내에 하나 이상의 에테르 기 및 하나 이상의 케톤 기를 함유한다.
하나 이상의 에테르 기 및 하나 이상의 케톤 기를 함유하는 내부 전자 공여체의 예는 하기 화학식 II의 화합물을 포함한다.
<화학식 II>
Figure pct00002
상기 식에서, R1, R2, R3 및 R4는 동일하거나 또는 상이하고, 각각 치환되거나 또는 비치환된 탄화수소 기를 나타낸다. 한 실시양태에서, 치환되거나 또는 비치환된 탄화수소 기는 1 내지 약 30개의 탄소 원자를 포함한다. 또 다른 실시양태에서, R1, R2, R3 및 R4는 동일하거나 또는 상이하고, 각각 1개 내지 약 18개의 탄소 원자를 함유하는 선형 또는 분지형 알킬 기, 약 3 내지 약 18개의 탄소 원자를 함유하는 지환족 기, 약 6 내지 약 18개의 탄소 원자를 함유하는 아릴 기, 약 7 내지 약 18개의 탄소 원자를 함유하는 알킬아릴 기 및 약 7 내지 약 18개의 탄소 원자를 함유하는 아릴알킬 기를 나타낸다. 또 다른 실시양태에서, R1, C1 및 R2는 약 5 내지 약 14개의 탄소 원자를 함유하는 치환되거나 또는 비치환된 시클릭 또는 폴리시클릭 구조의 일부이다. 또 다른 실시양태에서, 시클릭 또는 폴리시클릭 구조는 1 내지 약 18개의 탄소 원자를 함유하는 선형 또는 분지형 알킬 기, 약 3 내지 약 18개의 탄소 원자를 함유하는 지환족 기, 약 6 내지 약 18개의 탄소 원자를 함유하는 아릴 기, 약 7 내지 약 18개의 탄소 원자를 함유하는 알킬아릴 기 및 약 7 내지 약 18개의 탄소 원자를 함유하는 아릴알킬 기로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환기를 갖는다.
하나 이상의 에테르 기 및 하나 이상의 케톤 기를 함유하는 내부 전자 공여체의 특정 예는 9-(메틸카르보닐)-9'-메톡시메틸플루오렌, 9-(메틸카르보닐)-9'-에톡시메틸플루오렌, 9-(메틸카르보닐)-9'-프로폭시메틸플루오렌, 9-(메틸카르보닐)-9'-부톡시메틸플루오렌, 9-(메틸카르보닐)-9'-펜톡시메틸플루오렌, 9-(에틸카르보닐)-9'-메톡시메틸플루오렌, 9-(에틸카르보닐)-9'-에톡시메틸플루오렌, 9-(에틸카르보닐)-9'-프로폭시메틸플루오렌, 9-(에틸카르보닐)-9'-부톡시메틸플루오렌, 9-(에틸카르보닐)-9'-펜톡시메틸플루오렌, 9-(프로필카르보닐)-9'-메톡시메틸플루오렌, 9-(프로필카르보닐)-9'-에톡시메틸플루오렌, 9-(프로필카르보닐)-9'-프로폭시메틸플루오렌, 9-(프로필카르보닐)-9'-부톡시메틸플루오렌, 9-(프로필카르보닐)-9'-펜톡시메틸플루오렌, 9-(부틸카르보닐)-9'-메톡시메틸플루오렌, 9-(부틸카르보닐)-9'-에톡시메틸플루오렌, 9-(부틸카르보닐)-9'-프로폭시메틸플루오렌, 9-(부틸카르보닐)-9'-부톡시메틸플루오렌, 9-(부틸카르보닐)-9'-펜톡시메틸플루오렌, 9-(펜틸카르보닐)-9'-메톡시메틸플루오렌, 9-(펜틸카르보닐)-9'-에톡시메틸플루오렌, 9-(펜틸카르보닐)-9'-프로폭시메틸플루오렌, 9-(펜틸카르보닐)-9'-부톡시메틸플루오렌, 9-(펜틸카르보닐)-9'-펜톡시메틸플루오렌, 9-(헥실카르보닐)-9'-메톡시메틸플루오렌, 9-(헥실카르보닐)-9'-에톡시메틸플루오렌, 9-(헥실카르보닐)-9'-프로폭시메틸플루오렌, 9-(헥실카르보닐)-9'-부톡시메틸플루오렌, 9-(헥실카르보닐)-9'-펜톡시메틸플루오렌, 9-(옥틸카르보닐)-9'-메톡시메틸플루오렌, 9-(옥틸카르보닐)-9'-에톡시메틸플루오렌, 9-(옥틸카르보닐)-9'-프로폭시메틸플루오렌, 9-(옥틸카르보닐)-9'-부톡시메틸플루오렌, 9-(옥틸카르보닐)-9'-펜톡시메틸플루오렌; 9-(i-옥틸카르보닐)-9'-메톡시메틸플루오렌, 9-(i-옥틸카르보닐)-9'-에톡시메틸플루오렌, 9-(i-옥틸카르보닐)-9'-프로폭시메틸플루오렌, 9-(i-옥틸카르보닐)-9'-부톡시메틸플루오렌, 9-(i-옥틸카르보닐)-9'-펜톡시메틸플루오렌; 9-(i-노닐카르보닐)-9'-메톡시메틸플루오렌, 9-(i-노닐카르보닐)-9'-에톡시메틸플루오렌, 9-(i-노닐카르보닐)-9'-프로폭시메틸플루오렌, 9-(i-노닐카르보닐)-9'-부톡시메틸플루오렌, 9-(i-노닐카르보닐)-9'-펜톡시메틸플루오렌; 9-(2-에틸-헥실카르보닐)-9'-메톡시메틸플루오렌, 9-(2-에틸-헥실카르보닐)-9'-에톡시메틸플루오렌, 9-(2-에틸-헥실카르보닐)-9'-프로폭시메틸플루오렌, 9-(2-에틸-헥실카르보닐)-9'-부톡시메틸플루오렌, 9-(2-에틸-헥실카르보닐)-9'-펜톡시메틸플루오렌, 9-(페닐케톤)-9'-메톡시메틸플루오렌, 9-(페닐케톤-9'-에톡시메틸플루오렌, 9-(페닐케톤)-9'-프로폭시메틸플루오렌, 9-(페닐케톤)-9'-부톡시메틸플루오렌, 9-(페닐케톤)-9'-펜톡시메틸플루오렌, 9-(4-메틸페닐케톤)-9'-메톡시메틸플루오렌, 9-(3-메틸페닐케톤)-9'-메톡시메틸플루오렌, 9-(2-메틸페닐케톤)-9'-메톡시메틸플루오렌을 포함하는 9-(알킬카르보닐)-9'-알콕시메틸플루오렌을 포함한다.
추가의 예는 1-(에틸카르보닐)-1'-메톡시메틸시클로펜탄, 1-(프로필카르보닐)-1'-메톡시메틸시클로펜탄, 1-(i-프로필카르보닐)-1'-메톡시메틸시클로펜탄, 1-(부틸카르보닐)-1'-메톡시메틸시클로펜탄, 1-(i-부틸카르보닐)-1'-메톡시메틸시클로펜탄, 1-(펜틸카르보닐)-1'-메톡시메틸시클로펜탄, 1-(i-펜틸카르보닐)-1'-메톡시메틸시클로펜탄, 1-(네오펜틸카르보닐)-1'-메톡시메틸시클로펜탄, 1-(헥실카르보닐)-1'-메톡시메틸시클로펜탄, 1-(2-에틸헥실카르보닐)-1'-메톡시메틸시클로펜탄, 1-(옥틸카르보닐)-1'-메톡시메틸시클로펜탄, 1-(i-옥틸카르보닐)-1'-메톡시메틸시클로펜탄, 1-(i-노닐카르보닐)-1'-메톡시메틸시클로펜탄, 1-(에틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2-메틸시클로펜탄, 1-(프로필카르보닐)-1'-메톡시메틸-2-메틸시클로펜탄, 1-(i-프로필카르보닐)-1'-메톡시메틸-2-메틸시클로펜탄, 1-(부틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2-메틸시클로펜탄, 1-(i-부틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2-메틸시클로펜탄, 1-(펜틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2-메틸시클로펜탄, 1-(i-펜틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2-메틸시클로펜탄, 1-(네오펜틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2-메틸시클로펜탄, 1-(헥실카르보닐)-1'-메톡시메틸-2-메틸시클로펜탄, 1-(2-에틸헥실카르보닐)-1'-메톡시메틸-2-메틸 시클로펜탄, 1-(옥틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2-메틸 시클로펜탄, 1-(i-옥틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2-메틸 시클로펜탄, 1-(i-노닐카르보닐)-1'-메톡시메틸-2-메틸 시클로펜탄, 1-(에틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2,5-디메틸시클로펜탄, 1-(프로필카르보닐)-1'-메톡시메틸-2,5-디메틸시클로펜탄, 1-(i-프로필카르보닐)-1'-메톡시메틸-2,5-디메틸-시클로펜탄, 1-(부틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2,5-디-시클로펜탄, 1-(i-부틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2,5-디메틸시클로펜탄, 1-(펜틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2,5-디메틸시클로펜탄, 1-(i-펜틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2,5-디메틸시클로펜탄, 1-(네오펜틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2,5-디메틸시클로펜탄, 1-(헥실카르보닐)-1'-메톡시메틸-2,5-디메틸시클로펜탄, 1-(2-에틸헥실카르보닐)-1'-메톡시메틸-2,5-디메틸시클로펜탄, 1-(옥틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2,5-디메틸시클로펜탄, 1-(i-옥틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2,5-디메틸시클로펜탄, 1-(i-노닐카르보닐)-1'-메톡시메틸-2,5-디메틸시클로펜탄, 1-(에틸카르보닐)-1'-메톡시메틸시클로헥산, 1-(프로필카르보닐)-1'-메톡시메틸시클로헥산, 1-(i-프로필카르보닐)-1'-메톡시메틸시클로헥산, 1-(부틸카르보닐)-1'-메톡시메틸시클로헥실, 1-(i-부틸카르보닐)-1'-메톡시메틸시클로헥산, 1-(펜틸카르보닐)-1'-메톡시메틸시클로헥산, 1-(i-펜틸카르보닐)-1'-메톡시메틸시클로헥산, 1-(네오펜틸카르보닐)-1'-메톡시메틸시클로헥산, 1-(헥실카르보닐)-1'-메톡시메틸시클로헥산, 1-(2-에틸헥실카르보닐)-1'-메톡시메틸시클로헥산, 1-(옥틸카르보닐)-1'-메톡시메틸시클로헥산, 1-(i-옥틸카르보닐)-1'-메톡시메틸시클로헥산, 1-(i-노닐카르보닐)-1'-메톡시메틸시클로헥산, 1-(에틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2-메틸시클로헥산, 1-(프로필카르보닐)-1'-메톡시메틸-2-메틸시클로헥산, 1-(i-프로판카르보닐)-1'-메톡시메틸-2-메틸-시클로헥산, 1-(부틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2-메틸시클로헥산, 1-(i-부틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2-메틸시클로헥산, 1-(펜틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2-메틸시클로헥산, 1-(i-펜틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2-메틸시클로헥산, 1-(네오펜틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2-메틸시클로헥산, 1-(헥실카르보닐)-1'-메톡시메틸-2-메틸 시클로헥산, 1-(2-에틸헥실카르보닐)-1'-메톡시메틸-2-메틸 시클로헥산, 1-(옥틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2-메틸 시클로헥산, 1-(i-옥틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2-메틸 시클로헥산, 1-(i-노닐카르보닐)-1'-메톡시메틸-2-메틸 시클로헥산, 1-(에틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2,6-디메틸시클로헥산, 1-(프로필카르보닐)-1'-메톡시메틸-2,6-디메틸시클로헥산, 1-(i-프로필카르보닐)-1'-메톡시메틸-2,6-디메틸-시클로헥산, 1-(부틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2,6-디메틸-시클로헥산, 1-(i-부틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2,6-디메틸시클로헥산, 1-(펜틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2,6-디메틸시클로헥산, 1-(i-펜틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2,6-디메틸시클로헥산, 1-(네오펜틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2,6-디메틸시클로헥산, 1-(헥실카르보닐)-1'-메톡시메틸-2,6-디메틸시클로헥산, 1-(2-에틸헥실카르보닐)-1'-메톡시메틸-2,6-디메틸 시클로헥산, 1-(옥틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2,6-디메틸 시클로헥산, 1-(i-옥틸카르보닐)-1'-메톡시메틸-2,6-디메틸 시클로헥산, 1-(i-노닐카르보닐)-1'-메톡시메틸-2,6-디메틸 시클로헥산, 2,5-디메틸-3-에틸카르보닐-3'-메톡시메틸펜탄, 2,5-디메틸-3-프로필카르보닐-3'-메톡시메틸펜탄, 2,5-디메틸-3-프로필카르보닐-3'-메톡시메틸펜탄, 2,5-디메틸-3-부틸카르보닐-3'-메톡시메틸펜탄, 2,5-디메틸-3-i-부틸카르보닐-1'-메톡시메틸시클로헥실, 2,5-디메틸-3-펜틸카르보닐-3'-메톡시메틸펜탄, 2,5-디메틸-3-i-펜틸카르보닐-3'-메톡시메틸펜탄, 2,5-디메틸-3-네오펜틸카르보닐-3'-메톡시메틸펜탄, 2,5-디메틸-3-헥실카르보닐-3'-메톡시메틸펜탄, 2,5-디메틸-3-2-에틸헥실카르보닐-3'-메톡시메틸펜탄, 2,5-디메틸-3-옥틸카르보닐-3'-메톡시메틸펜탄, 2,5-디메틸-3-i-옥틸카르보닐-3'-메톡시메틸펜탄 및 2,5-디메틸-3-i-노닐카르보닐-3'-메톡시메틸펜탄을 포함한다.
추가의 유용한 내부 전자 공여체는 에스테르 연결에 의해 연결된 3개의 아릴 기 (2개의 에스테르 연결에 의해 연결된 3개의 아릴 기, 예컨대 아릴-에스테르 연결-나프틸-에스테르 연결-아릴 화합물)를 갖는 1,8-나프틸 아릴로에이트 화합물을 포함한다. 1,8-나프틸 아릴로에이트 화합물은 나프틸 디알콜 화합물을 아릴 산 할라이드 화합물과 반응시켜 형성할 수 있다. 알콜 및 산 무수물의 반응을 통한 에스테르 생성물의 형성 방법은 당업계에 널리 공지되어 있다.
어떠한 이론에도 구애되는 것을 의도하지는 않지만, 1,8-나프틸 디아릴로에이트 화합물은, 티타늄 화합물 및 마그네슘 화합물 둘 다에 결합되게 하는 화학적 구조를 갖는 것으로 여겨지며, 이들 둘 다는 올레핀 중합 촉매 시스템의 고체 티타늄 촉매 성분 중에 전형적으로 존재하는 것이다. 1,8-나프틸 디아릴로에이트 화합물은 올레핀 중합 촉매 시스템의 고체 티타늄 촉매 성분에서, 또한 내부 전자 공여체로서 작용한다 (상기 화합물의 전자 공여 특성 때문임).
한 실시양태에서, 1,8-나프틸 디아릴로에이트 화합물은 화학식 III에 의해 나타낸다.
<화학식 III>
Figure pct00003
상기 식에서, 각각의 R은 독립적으로 수소, 할로겐, 1 내지 약 8개의 탄소 원자를 갖는 알킬, 페닐, 7 내지 약 18개의 탄소 원자를 갖는 아릴알킬 또는 7 내지 약 18개의 탄소 원자를 갖는 알킬아릴이다. 또 다른 실시양태에서, 각각의 R은 독립적으로 수소, 1 내지 약 6개의 탄소 원자를 갖는 알킬, 페닐, 7 내지 약 12개의 탄소 원자를 갖는 아릴알킬, 또는 7 내지 약 12개의 탄소 원자를 갖는 알킬아릴이다.
1,8-나프틸 디아릴로에이트 화합물의 일반적인 예는 1,8-나프틸 디(알킬벤조에이트); 1,8-나프틸 디(디알킬벤조에이트); 1,8-나프틸 디(트리알킬벤조에이트); 1,8-나프틸 디(아릴벤조에이트); 1,8-나프틸 디(할로벤조에이트); 1,8-나프틸 디(디할로벤조에이트); 1,8-나프틸 디(알킬할로벤조에이트) 등을 포함한다.
1,8-나프틸 디아릴로에이트 화합물의 특정 예는 1,8-나프틸 디벤조에이트; 1,8-나프틸 디-4-메틸벤조에이트; 1,8-나프틸 디-3-메틸벤조에이트; 1,8-나프틸 디-2-메틸벤조에이트; 1,8-나프틸 디-4-에틸벤조에이트; 1,8-나프틸 디-4-n-프로필벤조에이트; 1,8-나프틸 디-4-이소프로필벤조에이트; 1,8-나프틸 디-4-n-부틸벤조에이트; 1,8-나프틸 디-4-이소부틸벤조에이트; 1,8-나프틸 디-4-t-부틸벤조에이트; 1,8-나프틸 디-4-페닐벤조에이트; 1,8-나프틸 디-4-플루오로벤조에이트; 1,8-나프틸 디-3-플루오로벤조에이트; 1,8-나프틸 디-2-플루오로벤조에이트; 1,8-나프틸 디-4-클로로벤조에이트; 1,8-나프틸 디-3-클로로벤조에이트; 1,8-나프틸 디-2-클로로벤조에이트; 1,8-나프틸 디-4-브로모벤조에이트; 1,8-나프틸 디-3-브로모벤조에이트; 1,8-나프틸 디-2-브로모벤조에이트; 1,8-나프틸 디-4-시클로헥실벤조에이트; 1,8-나프틸 디-2,3-디메틸벤조에이트; 1,8-나프틸 디-2,4-디메틸벤조에이트; 1,8-나프틸 디-2,5-디메틸벤조에이트; 1,8-나프틸 디-2,6-디메틸벤조에이트; 1,8-나프틸 디-3,4-디메틸벤조에이트; 1,8-나프틸 디-3,5-디메틸벤조에이트; 1,8-나프틸 디-2,3-디클로로벤조에이트; 1,8-나프틸 디-2,4-디클로로벤조에이트; 1,8-나프틸 디-2,5-디클로로벤조에이트; 1,8-나프틸 디-2,6-디클로로벤조에이트; 1,8-나프틸 디-3,4-디클로로벤조에이트; 1,8-나프틸 디-3,5-디클로로벤조에이트; 1,8-나프틸 디-3,5-디-t-부틸벤조에이트 등을 포함한다.
내부 전자 공여체는 개별적으로 또는 조합으로 사용할 수 있다. 내부 전자 공여체를 이용할 때, 출발 물질로서 직접 사용할 필요는 없지만, 티타늄 촉매 성분의 제조 과정에서 전자 공여체로 전환가능한 화합물은 또한 출발 물질로서 사용할 수 있다.
마그네슘 지지체, 티타늄 화합물 및 전자 공여체로부터 활성이 높은 티타늄 촉매 성분을 제조하기 위해 사용되는 공지된 방법으로 촉매 지지체를 함유하는 마그네슘, 티타늄 화합물 및 내부 전자 공여체를 접촉시킴으로써 고체 티타늄 촉매 성분을 형성할 수 있다.
고체 티타늄 촉매 성분의 제조시 사용되는 구성성분의 양은 제조 방법에 따라 다양할 수 있다. 한 실시양태에서, 고체 티타늄 촉매 성분을 제조하기 위해 사용되는 마그네슘 화합물의 mol당 내부 전자 공여체 약 0.01 내지 약 5 mol 및 티타늄 화합물 약 0.01 내지 약 500 mol을 사용한다. 또 다른 실시양태에서, 고체 티타늄 촉매 성분을 제조하기 위해 사용되는 마그네슘 화합물의 mol당 내부 전자 공여체 약 0.05 내지 약 2 mol 및 티타늄 화합물 약 0.05 내지 약 300 mol을 사용한다.
한 실시양태에서, 본 발명에 따라 형성된 촉매 지지체 입자의 크기 (직경)는 약 20 ㎛ 내지 약 150 ㎛ (부피 기준으로 50%)이다. 또 다른 실시양태에서, 촉매 지지체 입자의 크기 (직경)는 약 25 ㎛ 내지 약 100 ㎛ (부피 기준으로 50%)이다. 또 다른 실시양태에서, 촉매 지지체 입자의 크기 (직경)는 (부피 기준으로 50%) 약 30 ㎛ 내지 약 80 ㎛이다.
생성된 고체 티타늄 촉매 성분은 일반적으로 상업용 마그네슘 할라이드보다 더 작은 결정 크기의 마그네슘 할라이드를 함유하고, 통상적으로 약 50 m2/g 이상, 예컨대 약 60 내지 1,000 m2/g 또는 약 100 내지 800 m2/g의 비표면적을 갖는다. 상기 성분이 통합되어 고체 티타늄 촉매 성분의 통합형 구조를 형성하기 때문에, 고체 티타늄 촉매 성분의 조성물은 용매, 예를 들어, 헥산으로 세척함으로써 실질적으로 변경되지 않는다.
고체 티타늄 촉매 성분은 규소 화합물 또는 알루미늄 화합물과 같은 무기 또는 유기 화합물로 희석된 후 사용할 수 있다. 본 발명은 추가로 대전방지제 및 임의로 유기알루미늄 화합물 및/또는 유기규소 화합물을 함유하는 올레핀 중합 촉매 시스템에 관한 것이다.
촉매 시스템은 고체 티타늄 촉매 성분 이외에 1종 이상의 유기알루미늄 화합물을 함유할 수 있다. 분자 내에 1개 이상의 알루미늄-탄소 결합을 갖는 화합물을 유기알루미늄 화합물로서 사용할 수 있다. 유기알루미늄 화합물의 예는 하기 화학식 IV 및 V의 화합물을 포함한다.
<화학식 IV>
Figure pct00004
화학식 IV에서, R11 및 R12는 동일하거나 또는 상이하고, 각각 통상적으로 1 내지 약 15개의 탄소 원자, 바람직하게는 1 내지 약 4개의 탄소 원자를 갖는 탄화수소 기를 나타내고; X1은 할로겐 원자를 나타내고, 0<q≤3, 0▶p≤3, 0▶n≤3이고, m + n + p + q = 3이다.
유기알루미늄 화합물은 화학식 V에 의해 나타낸 알루미늄 및 I족 금속 간의 복합 알킬화 화합물을 추가로 포함한다.
<화학식 V>
Figure pct00005
상기 식에서, M1은 Li, Na 또는 K를 나타내고, R11은 상기 정의한 바와 같다.
유기알루미늄 화합물 화학식 II의 예는 다음과 같다: 화학식 Rr 11Al(OR12)3-r의 화합물, 여기서 R11은 상기 정의한 바와 같고, m은 바람직하게는 1.5▶r▶3에 의해 나타낸 수이고; 화학식 Rr 11AlX3 -r의 화합물, 여기서 R11은 상기 정의한 바와 같고, X1은 할로겐이고, m은 바람직하게는 0<r<3에 의해 나타낸 수이고;
화학식 Rr11AlH3 -r의 화합물, 여기서 R11은 상기 정의한 바와 같고, m은 바람직하게는 2▶r<3에 의해 나타낸 수이고;
화학식 Rs 11Al(OR12)tXu 1에 의해 나타낸 화합물, 여기서 R11 및 R12는 정의한 바와 같고, X1은 할로겐이고, 0▶s≤3, 0▶t≤3, 0▶u≤3, s+t+u = 3이다.
화학식 IV에 의해 나타낸 유기알루미늄 화합물의 특정 예는 트리알킬 알루미늄, 예컨대 트리에틸 알루미늄 및 트리부틸 알루미늄; 트리알케닐 알루미늄, 예컨대 트리이소프레닐 알루미늄; 디알킬 알루미늄 알콕시드, 예컨대 디에틸 알루미늄 에톡시드 및 디부틸 알루미늄 부톡시드; 알킬 알루미늄 세스퀴알콕시드, 예컨대 에틸 알루미늄 세스퀴에톡시드 및 부틸 알루미늄 세스퀴부톡시드; R2 .5 11Al(OR12)0.5에 의해 나타낸 평균 조성을 갖는 부분 알콕실화 알킬 알루미늄; 디알킬 알루미늄 할라이드, 예컨대 디에틸 알루미늄 클로라이드, 디부틸 알루미늄 클로라이드 및 디에틸 알루미늄 브로마이드; 알킬 알루미늄 세스퀴할라이드, 예컨대 에틸 알루미늄 세스퀴클로라이드, 부틸 알루미늄 세스퀴클로라이드 및 에틸 알루미늄 세스퀴브로마이드; 부분 할로겐화 알킬 알루미늄, 예를 들어 알킬 알루미늄 디할라이드, 예컨대 에틸 알루미늄 디클로라이드, 프로필 알루미늄 디클로라이드 및 부틸 알루미늄 디브로마이드; 디알킬 알루미늄 히드라이드, 예컨대 디에틸 알루미늄 히드라이드 및 디부틸 알루미늄 히드라이드; 다른 부분 수소화 알킬 알루미늄, 예를 들어 알킬 알루미늄 디히드라이드, 예컨대 에틸 알루미늄 디히드라이드 및 프로필 알루미늄 디히드라이드; 및 부분 알콕실화 및 할로겐화 알킬 알루미늄, 예컨대 에틸 알루미늄 에톡시클로라이드, 부틸 알루미늄 부톡시클로라이드 및 에틸 알루미늄 에톡시브로마이드를 포함한다.
유기알루미늄 화합물은 추가로 2개 이상의 알루미늄 원자가 산소 또는 질소 원자를 통해 결합되는, 화학식 IV와 유사한 화합물을 포함한다. 예는 (C2H5)2AlOAl(C2H5)2, (C4H9)2AlOAl(C4H9)2,
Figure pct00006
및 메틸알루미녹산이다.
화학식 V에 의해 나타낸 유기알루미늄 화합물의 예는 LiAl(C2H5)4 및 LiAl(C7H15)4를 포함한다.
본 발명의 촉매 시스템에서 유기알루미늄 화합물 촉매 성분은 티타늄에 대한 알루미늄의 몰비 (고체 촉매 성분으로부터의)가 약 5 내지 약 1,000인 양으로 사용된다. 또 다른 실시양태에서, 촉매 시스템 내의 티타늄에 대한 알루미늄의 몰비는 약 10 내지 약 700이다. 또 다른 실시양태에서, 촉매 시스템에서 티타늄에 대한 알루미늄의 몰비는 약 25 내지 약 400이다.
본원에 교시된 촉매 시스템은 고체 티타늄 촉매 성분 이외에 2종 이상의 유기규소 화합물을 함유한다. 이러한 유기규소 화합물은 외부 전자 공여체로 불린다. 유기규소 화합물은 하나 이상의 탄화수소 리간드를 갖는 규소를 함유한다.
유기규소 화합물은 올레핀 중합을 위한 지글러-나타 촉매 시스템의 하나의 성분으로서 작용하는 외부 전자 공여체로서 사용될 때, 촉매 활성에 대한 고성능 및 이소택틱이 높은 중합체의 수율을 유지하면서 넓은 분자량 분포 및 제어가능한 결정화도를 갖는 중합체 (적어도 일부분은 폴리올레핀임)를 수득하는 능력에 기여한다.
유기규소 화합물은 유기규소 화합물에 대한 유기알루미늄 화합물의 몰비가 약 2 내지 약 90인 양으로 촉매 시스템에 사용된다. 또 다른 실시양태에서, 유기규소 화합물에 대한 유기알루미늄 화합물의 몰비는 약 5 내지 약 70이다. 또 다른 실시양태에서, 유기알루미늄 화합물에 대한 유기규소 화합물의 몰비는 약 7 내지 약 35이다.
한 실시양태에서, 2종 이상의 유기규소 화합물 중 하나는 질소-규소 결합을 함유하는 화합물이다. 한 실시양태에서, 질소-규소 결합을 함유하는 화합물은 화학식 VI의 구조를 갖는다.
<화학식 VI>
Figure pct00007
화학식 VI에서, R13, R14 및 R15는 독립적으로 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 알킬, 알콕시 또는 아릴 치환기이다. R16, R17 및 R18은 독립적으로 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자 또는 수소를 갖는 알킬 또는 아릴 치환기이다. 한 실시양태에서, R13, R14 및 R15는 동일하다. 또 다른 실시양태에서, R13, R14 및 R15 중 적어도 2개는 동일하다. 또 다른 실시양태에서, R13, R14 및 R15 중 적어도 2개는 상이하다. 한 실시양태에서, R16, R17, 및 R18 중 적어도 하나는 수소이다. 또 다른 실시양태에서, R16, R17, 및 R18 중 적어도 2개는 동일하다. 한 실시양태에서, R13, R14 및 R15는 알콕시 치환기이다. 또 다른 실시양태에서, R16, R17 및 R18은 알킬 치환기이다. 화학식 VI의 구조를 갖는 유기규소 화합물을 아미노실란으로서 지칭할 수 있다.
본원에 사용된 용어 알킬 및 알콕시는 이중 또는 삼중 탄소-탄소 결합을 갖는 불포화 치환기를 비롯하여, 본 발명의 맥락 내에서 주로 탄화수소 특징을 갖는 치환기를 지칭한다. 용어 "알킬"은 규소 원자에 직접적으로 결합된 탄소 원자를 갖는 치환기를 지칭하고; 용어 "알콕시"는 규소 원자에 직접적으로 결합된 산소 원자를 갖는 치환기를 지칭한다. 이들은 본질상 순수하게 탄화수소 (탄소 및 수소만을 함유) 뿐만 아니라, 주로 상기 기의 탄화수소 특징을 바꾸지 않는 치환기 또는 헤테로 원자를 함유하는 기를 또한 포함한다. 이러한 치환기는 할로-, 카르보닐-, 에스테르-, 히드록실-, 아민-, 에테르-, 알콕시- 및 니트로 기를 포함하나, 이에 한정되지는 않을 수 있다. 이들 기는 또한 헤테로 원자를 함유할 수 있다. 적합한 헤테로 원자는 당업자에게 명백하고, 예를 들어 황, 질소 및 특히 산소, 플루오린 및 염소를 포함할 것이다. 따라서, 상기 기는 본 발명의 맥락 내에서 탄화수소 특징을 주로 유지하면서, 탄소 원자로 구성되는 쇄 또는 고리에 존재하는 탄소 외에 원자를 함유할 수 있다. 일반적으로, 약 3개 이하, 바람직하게는 1개 이하의 비-탄화수소 치환기 또는 헤테로 원자는 본 개시내용의 맥락 내에서 "히드로카르빌"로서 기재된 임의의 화합물, 기 또는 치환기에서 5개의 탄소 원자 마다 존재할 것이다. 용어 알킬 및 알콕시는 명백히 C1-C10 알킬 및 알콕시 기, 예컨대 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 시클로프로필, 시클로부틸, 시클로펜틸, 시클로헥실 t-부틸, t-부톡시, 에톡시, 프로필옥시, t-아밀, s-부틸, 이소프로필, 옥틸, 노닐, 메톡시, 에톡시, 프로폭시, 부톡시, 펜톡시, 헥속시, 시클로프로폭시, 시클로부톡시, 시클로펜톡시 및 시클로헥속시, 뿐만 아니라, 수소가 히드록실, 아민 또는 할로 기 또는 원자로 치환된 상기 중 어느 하나를 포함하며, 여기서 알킬 치환기는 Si 원자에 결합된 탄소 원자를 갖고 알콕시 치환기는 Si 원자에 결합된 산소 원자를 갖는다. 용어 아릴은 방향족 기, 예컨대 페닐 및 푸라닐, 및 알킬, 알콕시, 히드록실, 아민 및/또는 할로 기 또는 원자로 치환된 방향족 기를 명백히 포함하나, 이에 제한되지는 않고, 여기서, 아릴 치환기의 임의의 원자는 Si 원자에 결합된다.
화학식 VI의 구조를 갖는 유기규소 화합물의 특정 예는 메틸아미노트리메톡시실란, 에틸아미노트리메톡시실란, 디메틸아미노트리메톡시실란, 디에틸아미노트리메톡시실란, 디프로필아미노트리메톡시실란, 디이소프로필아미노트리메톡시실란, 시클로헥실메틸아미노트리메톡시실란, 메틸아미노트리에톡시실란, 에틸아미노트리에톡시실란, 디메틸아미노트리에톡시실란, 디에틸아미노트리에톡시실란, 디프로필아미노트리에톡시실란, 디이소프로필아미노트리에톡시실란, 시클로헥실메틸아미노트리에톡시실란, 메틸아미노디에톡시메톡시실란, 에틸아미노디에톡시메톡시실란, 디메틸아미노디에톡시메톡시실란, 디에틸아미노디에톡시메톡시실란, 디프로필아미노디에톡시메톡시실란 및 디이소프로필아미노디에톡시메톡시실란을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.
한 실시양태에서, 2종 이상의 유기규소 화합물 중 하나는 화학식 VII의 구조를 갖는 실란이며, 여기서 R20, R21, R22 및 R23은 상기 정의된 바와 같이 독립적으로 알킬 또는 알콕시 기이다.
<화학식 VII>
Figure pct00008
한 실시양태에서, R20, R21, R22 및 R23 중 2개 이상은 알콕시 치환기이다. 또 다른 실시양태에서, R20, R21, R22 및 R23 중 2개 이상은 알킬 치환기이다. 또 다른 실시양태에서, R20, R21, R22 및 R23 중 2개 이상은 동일한 알콕시 치환기이다. 또 다른 실시양태에서, R20, R21, R22 및 R23 중 2개 이상은 동일한 알킬 치환기이다. 화학식 VII의 구조를 갖는 유기규소 화합물을 알킬실란으로서 언급할 수 있다.
한 실시양태에서, 알킬 치환기는 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는다. 또 다른 실시양태에서, 알킬 치환기 중 하나 이상은 직쇄형이다. 또 다른 실시양태에서, 알킬 치환기 중 하나 이상은 2개의 다른 탄소 원자 및 규소 원자에 결합된 탄소 원자를 함유한다. 추가 실시양태에서, 알킬 치환기 중 하나 이상은 시클로알킬 기 또는 알킬시클로알킬을 함유한다. 추가 실시양태에서, 알킬 치환기 중 하나 이상은 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 시클로프로필, 시클로부틸, 시클로펜틸, 시클로헥실 및 메틸시클로헥실로부터 선택되는 하나 이상이다. 추가 실시양태에서, 알킬 치환기 중 하나 이상은 알켄 및 알킨으로부터 선택되는 하나 이상이다.
화학식 VII의 구조를 갖는 유기규소 화합물의 특정 예는 디메틸디메톡시실란, 디에틸디메톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 디에틸디메톡시실란, 디프로필디메톡시실란, 디이소프로필디메톡시실란, 시클로헥실메틸디메톡시실란, 디메틸디에톡시실란, 디에틸디에톡시실란, 디메틸디에톡시실란, 디에틸디에톡시실란, 디프로필디에톡시실란, 디이소프로필디에톡시실란, 시클로헥실메틸디에톡시실란, 디메틸디에톡시프로폭시실란, 디에틸에톡시프로폭시실란, 디메틸에톡시메톡시실란, 디에틸에톡시메톡시실란, 디프로필에톡시메톡시실란, 디이소프로필에톡시메톡시실란 및 시클로헥실메틸에톡시메톡시실란을 포함한다.
한 실시양태에서, 화학식 VI의 유기규소 화합물 대 화학식 VII의 유기규소 화합물의 몰비는 약 1:1 내지 약 19:1이다. 또 다른 실시양태에서, 화학식 VI의 유기규소 화합물 대 화학식 VII의 유기규소 화합물의 몰비는 약 1:1 내지 약 4:1이다. 또 다른 실시양태에서, 화학식 VI의 유기규소 화합물 대 화학식 VII의 유기규소 화합물의 몰비는 약 2.3:1 내지 약 19:1이다. 또 다른 실시양태에서, 화학식 VI의 유기규소 화합물 대 화학식 VII의 유기규소 화합물의 몰비는 약 4:1 내지 약 19:1이다.
본 발명은 추가로 상기에 기재된 중합 촉매 시스템의 존재 하에 올레핀을 중합시키거나 또는 공중합시키는 것을 수반하는 중합 공정에 관한 것이다. 촉매 시스템은 제어되고/되거나 상대적으로 큰 크기와 형상을 갖는 중합체 생성물을 제조할 수 있다. 한 실시양태에서, 촉매 지지체, 촉매 시스템 및/또는 본 발명의 방법을 사용하여, 중합체 생성물은 실질적으로 약 300 ㎛ 이상의 평균 직경 (부피 기준으로 50%)을 갖는다. 또 다른 실시양태에서, 중합체 생성물은 약 1,000 ㎛ 이상 (부피 기준으로 50%)의 평균 직경을 갖는다. 또 다른 실시양태에서, 중합체 생성물은 약 1,500 ㎛ 이상 (부피 기준으로 50%)의 평균 직경을 갖는다. 중합체 생성물의 상대적으로 큰 크기는 중합체 생성물이 유동 특성에 유해하게 영향을 미치지 않고, 많은 양의 고무를 함유하게 한다.
본 발명에 따른 올레핀의 중합은 상기 기재된 촉매 시스템의 존재 하에 수행한다. 일반적으로 말하자면, 바람직한 중합체 생성물을 형성하기 위해, 적합한 조건 하에서, 상기 기재된 촉매 시스템과 올레핀을 접촉시킨다. 한 실시양태에서, 하기 기재된 예비 중합은 주요 중합 이전에 수행한다. 또 다른 실시양태에서, 예비 중합 없이 중합을 수행한다. 또 다른 실시양태에서, 충격 공중합체의 형성은 2개 이상의 중합 구역을 사용하여 수행한다.
예비 중합에서, 고체 티타늄 촉매 성분의 농도는 하기 기재된 불활성 탄화수소 매질의 리터당 티타늄 원자로 계산하여, 통상적으로 약 0.01 내지 약 200 mM, 바람직하게는 약 0.05 내지 약 100 mM 이다. 한 실시양태에서, 올레핀 및 상기 촉매 시스템 성분을 불활성 탄화수소 매질에 첨가하고 온화한 조건 하에서 올레핀을 반응시킴으로써 예비 중합을 수행한다.
불활성 탄화수소 매질의 특정 예는 지방족 탄화수소, 예컨대 프로판, 부탄, 펜탄, 헥산, 헵탄, 옥탄, 데칸, 도데칸 및 케로센; 지환족 탄화수소, 예컨대 시클로펜탄, 시클로헥산 및 메틸시클로펜탄; 방향족 탄화수소, 예컨대 벤젠, 톨루엔 및 크실렌; 할로겐화 탄화수소, 예컨대 에틸렌 클로라이드 및 클로로벤젠; 및 그의 혼합물을 포함한다. 본 발명에서, 액체 올레핀을 불활성 탄화수소 매질의 부분 또는 전체를 대신하여 사용할 수 있다.
예비 중합에 사용되는 올레핀은 주요 중합에서 사용하고자 하는 올레핀과 동일하거나 또는 상이할 수 있다.
예비 중합을 위한 반응 온도는 충분히 낮으며, 이는 생성된 예비 중합체가 불활성 탄화수소 매질에 용해되지 않도록 하기 위함이다. 한 실시양태에서, 온도는 약 -20℃ 내지 약 100℃이다. 또 다른 실시양태에서, 온도는 약 -10℃ 내지 약 80℃이다. 또 다른 실시양태에서, 온도는 약 0℃ 내지 약 40℃이다.
임의로, 분자량 조절제, 예컨대 수소를 예비 중합에 사용할 수 있다. 분자량 조절제는, 예비 중합에 의해 수득된 중합체가 135℃에서 데칼린에서 측정 시, 약 0.2 ㎗/g 이상, 바람직하게는 약 0.5 내지 10 dl/g의 고유점도를 갖는 양으로 사용한다.
한 실시양태에서, 예비 중합은 바람직하게는 촉매 시스템의 티타늄 촉매 성분의 그램당 약 0.1 g 내지 약 1,000 g의 중합체가 형성되도록 수행한다. 또 다른 실시양태에서, 예비 중합은 바람직하게는 티타늄 촉매 성분의 그램당 약 0.3 g 내지 약 500 g의 중합체가 형성되도록 수행한다. 예비 중합에 의해 형성되는 중합체의 양이 지나치게 많은 경우, 주요 중합에서 올레핀 중합체의 제조 효율이 때때로 감소할 수 있고, 생성된 올레핀 중합체를 필름 또는 또 다른 물품으로 성형하는 경우, 성형품에서 은점(fish eye)이 발생하는 경향이 있다. 예비 중합은 회분식으로 또는 연속식으로 수행할 수 있다.
상기와 같이 예비 중합을 수행한 후, 또는 임의의 예비 중합의 실행 없이, 올레핀의 주요 중합은 유기알루미늄 화합물 및 유기규소 화합물 (외부 전자 공여체)을 함유하는 고체 티타늄 촉매 성분으로부터 형성된 상기 기재된 올레핀 중합 촉매 시스템의 존재 하에 수행한다.
주요 중합에 사용할 수 있는 올레핀의 예는 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-펜텐, 1-옥텐, 1-헥센, 3-메틸-1-펜텐, 3-메틸-1-부텐, 1-데센, 1-테트라데센, 1-에이코센 및 비닐시클로헥산과 같은 2 내지 20개의 탄소 원자를 갖는 알파-올레핀이다. 본 발명의 방법에서, 이러한 알파-올레핀을 갖는 올레핀-올레핀은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 사용할 수 있다.
한 실시양태에서, 프로필렌 또는 1-부텐을 단독중합시키거나, 또는 프로필렌 또는 1-부텐을 주요 성분으로 함유하는 혼합 올레핀을 공중합한다. 혼합 올레핀을 사용할 때, 주요 성분으로서 프로필렌 또는 1-부텐의 비율은 통상적으로 약 50 mol% 이상, 바람직하게는 약 70 mol% 이상이다.
예비 중합을 실행함으로써, 주요 중합에서의 촉매 시스템은 활성도를 조절할 수 있다. 이러한 조절은 우수한 형태학 및 높은 벌크 밀도를 갖는 중합체 분말이 되게 한다. 또한, 예비 중합을 수행할 때, 생성된 중합체의 입자 형상은 더욱 원형이거나 또는 둥글게 된다. 슬러리 중합의 경우에, 슬러리는 기체 상 중합의 경우에, 촉매 베드가 우수한 특성을 얻는 동안 우수한 특성을 얻는다. 또한, 상기 실시양태에서, 약 3개 이상의 탄소 원자를 갖는 알파-올레핀을 중합시켜 높은 이소택틱성 지수를 갖는 중합체를 높은 촉매 효율로 제조할 수 있다. 따라서, 프로필렌 공중합체의 제조시, 생성된 공중합체 분말 또는 공중합체는 취급이 용이해진다.
이러한 올레핀의 단독중합 또는 공중합에서, 공액 디엔 또는 비-공액 디엔과 같은 다중불포화 화합물을 공단량체로서 사용할 수 있다. 공단량체의 예는 스티렌, 부타디엔, 아크릴로니트릴, 아크릴아미드, 알파-메틸 스티렌, 클로로스티렌, 비닐 톨루엔, 디비닐 벤젠, 디알릴프탈레이트, 알킬 메타크릴레이트 및 알킬 아크릴레이트를 포함한다. 한 실시양태에서, 공단량체는 열가소성 플라스틱 및 엘라스토머 단량체를 포함한다.
본 발명의 방법에서, 올레핀의 주요 중합은 통상적으로 기체 상 또는 액체 상으로 수행한다.
한 실시양태에서, 중합 (주요 중합)은 중합 구역 부피의 리터당 Ti 원자로 계산하여 약 0.001 내지 약 0.75 mmol의 양의 티타늄 촉매 성분, 티타늄 촉매 성분 내의 티타늄 원자의 mol당 약 1 내지 약 2,000 mol의 양의 유기알루미늄 화합물, 및 유기알루미늄 화합물 내의 금속 원자의 mol당 유기규소 화합물 내의 Si 원자로 계산하여 약 0.001 내지 약 10 mol의 양의 유기규소 화합물 (외부 공여체)을 함유하는 촉매 시스템을 이용한다. 또 다른 실시양태에서, 중합은 중합 구역의 부피의 리터당 Ti 원자로서 계산하여 약 0.005 내지 약 0.5 mmol의 양의 티타늄 촉매 성분, 티타늄 촉매 성분 내의 티타늄 원자의 mol 당 약 5 내지 약 500 mol의 양의 유기알루미늄 화합물, 및 유기알루미늄 화합물 내의 금속 원자의 몰당 유기규소 화합물 내의 Si 원자로서 계산하여 약 0.01 내지 약 2 mol의 양의 유기규소 화합물을 함유하는 촉매 시스템을 이용한다. 또 다른 실시양태에서, 중합은 유기알루미늄 화합물 내의 금속 원자의 mol당 유기규소 화합물 내의 Si 원자로서 계산하여 약 0.05 내지 약 1 mol의 양의 유기규소 화합물을 함유하는 촉매 시스템을 이용한다.
유기알루미늄 화합물 및 유기규소 화합물을 예비 중합에서 부분적으로 사용할 때, 예비 중합되는 촉매 시스템을 나머지의 촉매 시스템 성분과 함께 사용한다. 예비 중합되는 촉매 시스템은 예비 중합 생성물을 함유할 수 있다.
중합시 수소의 사용은 생성된 중합체의 분자량의 제어를 촉진하고 이에 기여하며, 수득한 중합체는 높은 용융 유량을 가질 수 있다. 이 경우에, 생성된 중합체의 이소택틱성 지수 및 촉매 시스템의 활성은 본 발명의 방법에 따라 증가한다.
한 실시양태에서, 중합 온도는 약 20℃ 내지 약 200℃이다. 또 다른 실시양태에서, 중합 온도는 약 50℃ 내지 약 180℃이다. 한 실시양태에서, 중합 압력은 전형적으로 약 대기압 내지 약 100 kg/cm2이다. 또 다른 실시양태에서, 중합 압력은 전형적으로 약 2 kg/cm2 내지 약 50 kg/cm2이다. 주요 중합은 회분식으로, 반연속식으로 또는 연속식으로 수행할 수 있다. 중합은 또한 상이한 반응 조건 하에서 2개 이상의 단계로 수행할 수 있다.
이와 같이 수득한 올레핀 중합체는 단독중합체, 랜덤 공중합체, 블록 공중합체 또는 충격 공중합체일 수 있다. 충격 공중합체는 폴리올레핀 단독중합체 및 폴리올레핀 고무의 친밀한 혼합물을 함유한다. 폴리올레핀 고무의 예는 에틸렌 프로필렌 고무 (EPR), 예컨대 에틸렌 프로필렌 단량체 공중합체 고무 (EPM) 및 에틸렌 프로필렌 디엔 단량체 삼원공중합체 고무 (EPDM)를 포함한다.
촉매 시스템을 사용함으로써 수득된 올레핀 중합체는 매우 적은 양의 무정형 중합체 성분, 따라서 적은 양의 탄화수소-가용성 성분을 갖는다. 따라서, 상기 생성된 중합체로부터 성형된 필름은 낮은 표면 점착성을 갖는다.
중합 공정에 의해 수득된 폴리올레핀은 입자 크기 분포, 입자 직경 및 벌크 밀도에 있어서 탁월하고, 수득된 코폴리올레핀은 좁은 조성 분포를 갖는다. 충격 공중합체에서, 탁월한 유동성, 저온 내성 및 강성과 탄성 사이의 바람직한 균형을 얻을 수 있다.
한 실시양태에서, 프로필렌 및 2개 또는 약 4 내지 약 20개의 탄소 원자를 갖는 알파-올레핀을 상기 기재된 촉매 시스템의 존재 하에 공중합한다. 촉매 시스템은 상기 기재된 예비 중합되는 것일 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 프로필렌 및 에틸렌 고무는 직렬로 연결된 2개의 반응기에서 형성되어 충격 공중합체를 형성한다.
2개의 탄소 원자를 갖는 알파-올레핀은 에틸렌이고, 약 4 내지 약 20개의 탄소 원자를 갖는 알파-올레핀의 예는 1-부텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-옥텐, 1-헥센, 3-메틸-1-펜텐, 3-메틸-1-부텐, 1-데센, 비닐시클로헥산, 1-테트라데센 등이다.
주요 중합에서, 프로필렌을 2종 이상의 이러한 알파-올레핀과 공중합할 수 있다. 예를 들어, 프로필렌을 에틸렌 및 1-부텐과 공중합시키는 것이 가능하다. 한 실시양태에서, 프로필렌을 에틸렌, 1-부텐 또는 에틸렌 및 1-부텐과 공중합한다.
프로필렌 및 또 다른 알파-올레핀의 블록 공중합은 2개의 단계로 수행할 수 있다. 제1 단계에서의 중합은 프로필렌의 단독중합 또는 프로필렌과 다른 알파-올레핀과의 공중합일 수 있다. 한 실시양태에서, 제1 단계에서 중합되는 단량체의 양은 약 50 내지 약 95 중량%이다. 또 다른 실시양태에서, 제1 단계에서 중합되는 단량체의 양은 약 60 내지 약 90 중량%이다. 본 발명에서, 상기 제1 단계 중합은 필요에 따라 동일하거나 또는 상이한 중합 조건 하에서 2개 이상의 단계로 수행할 수 있다.
한 실시양태에서, 제2 단계에서의 중합은 바람직하게는 프로필렌 대 다른 알파-올레핀(들)의 몰비가 약 10/90 내지 약 90/10이도록 수행한다. 또 다른 실시양태에서, 제2 단계에서의 중합은 바람직하게는 프로필렌 대 다른 알파-올레핀(들)의 몰비가 약 20/80 내지 약 80/20이도록 수행한다. 또 다른 실시양태에서, 제2 단계에서의 중합은 바람직하게는 프로필렌 대 다른 알파-올레핀(들)의 몰비가 약 30/70 내지 약 70/30이도록 수행한다. 또 다른 알파-올레핀의 결정질 중합체 또는 공중합체는 제2 중합 단계에서 제조할 수 있다.
이와 같이 수득한 프로필렌 공중합체는 랜덤 공중합체 또는 상기 기재된 블록 공중합체일 수 있다. 상기 프로필렌 공중합체는 전형적으로 2개 또는 약 4 내지 약 20개의 탄소 원자를 갖는 알파-올레핀으로부터 유도된 단위의 약 7 내지 약 50 mol%를 함유한다. 한 실시양태에서, 프로필렌 랜덤 공중합체는 2개 또는 약 4 내지 약 20개의 탄소 원자를 갖는 알파-올레핀으로부터 유도된 단위의 약 7 내지 약 20 mol%를 함유한다. 또 다른 실시양태에서, 프로필렌 블록 공중합체는 2개 또는 4 내지 20개의 탄소 원자를 갖는 알파-올레핀으로부터 유도된 단위의 약 10 내지 약 50 mol%를 함유한다.
또 다른 한 실시양태에서, 촉매 시스템으로 제조된 공중합체는 약 50 중량% 내지 약 99 중량%의 폴리-알파-올레핀 및 약 1 중량% 내지 약 50 중량%의 공단량체 (예컨대 열가소성 또는 엘라스토머 단량체)를 함유한다. 또 다른 실시양태에서, 촉매 시스템으로 제조된 공중합체는 약 75 중량% 내지 약 98 중량%의 폴리-알파-올레핀 및 약 2 중량% 내지 약 25 중량%의 공단량체를 함유한다.
사용될 수 있는 다중불포화 화합물, 중합 방법, 촉매 시스템의 양 및 중합 조건에 대한 언급이 없는 경우, 상기 실시양태에서와 동일한 설명이 적용가능함을 이해하여야 한다.
본 발명의 촉매/방법은 일부 경우에 약 0.5% 내지 약 10%의 크실렌 가용성 (XS)을 갖는 ICP를 포함하는 폴리-알파-올레핀의 제조를 야기할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 약 1% 내지 약 6%의 크실렌 가용성 (XS)을 갖는 폴리-알파-올레핀을 본 발명에 따라 제조한다. 또 다른 실시양태에서, 약 2% 내지 약 5%의 크실렌 가용성 (XS)을 갖는 폴리-알파-올레핀을 본 발명에 따라 제조한다. XS는 크실렌에 용해되는 고체 중합체의 백분율을 지칭한다. 낮은 XS% 값은 일반적으로 이소택틱이 높은 중합체 (즉, 더 높은 결정화도)에 상응하는 반면, 높은 XS% 값은 일반적으로 이소택틱이 낮은 중합체에 상응한다.
한 실시양태에서, 본 발명의 촉매 시스템의 촉매 효율 (시간당 촉매의 그램당 생성된 중합체의 킬로그램으로 측정함)은 약 10 이상이다. 또 다른 실시양태에서, 본 발명의 촉매 시스템의 촉매 효율은 약 30 이상이다. 또 다른 실시양태에서, 본 발명의 촉매 시스템의 촉매 효율은 약 50 이상이다.
본 발명의 촉매/방법은 일부 경우에 약 5 내지 약 250 g (10분)-1의 용융 유량 (MFR)을 갖는 것을 포함하여 폴리올레핀의 제조를 야기할 수 있다. MFR은 ASTM 표준 D 1238에 따라 측정한다.
합성된 중합체의 MFR은 수소의 양 (수소의 몰 퍼센트)이 증가함에 따라 증가한다. 수소 반응은 수소 농도의 기능적 범위에 걸쳐 형성된 올레핀 중합체의 MFR 대 수소 양의 플롯의 도함수의 평균 슬로프 또는 평균값에 대한 것일 수 있다. 본 발명의 한 측면은, 수소의 몰 퍼센트 변화에 따른 MFR의 변화를 측정할 때 높은 반응을 갖는 제1 유기규소 화합물과, 개별적으로 사용시 높은 이소택틱성 (공통 입체중심을 갖는 펜타드(mmmm)가 97% 초과함) 및 제1 유기규소 화합물보다 더 낮은 수소 반응 및 더 높은 활성을 갖는 제2 유기규소 화합물을 결합시키는 것에 관한 것이다. 한 실시양태에서, 제1 유기규소 화합물의 수소 반응은 제2 유기규소 화합물의 수소 반응보다 약 25% 이상 높다. 또 다른 실시양태에서, 제1 유기규소 화합물의 수소 반응은 제2 유기규소 화합물의 수소 반응보다 약 50% 이상 높다. 또 다른 실시양태에서, 제1 유기규소 화합물의 수소 반응은 제2 유기규소 화합물의 수소 반응보다 약 100% 이상 높다. 한 실시양태에서, 수소 농도의 기능적 범위에 걸쳐 관찰한 제2 유기규소 화합물의 가장 높은 활성은 수소 농도의 기능적 범위에 걸쳐 관찰한 제1 유기규소 화합물의 가장 높은 활성보다 약 25% 이상 높다. 또 다른 실시양태에서, 수소 농도의 기능적 범위에 대해 관찰된 제2 유기규소 화합물의 가장 높은 활성은 수소 농도의 기능적 범위에 대해 관찰된 제1 유기규소 화합물의 가장 높은 활성보다 약 50% 이상 높다. 또 다른 실시양태에서, 수소 농도의 기능적 범위에 대해 관찰된 제2 유기규소 화합물의 가장 높은 활성은 수소 농도의 기능적 범위에 대해 관찰된 제1 유기규소 화합물의 가장 높은 활성보다 약 200% 이상 높다.
본 발명의 촉매/방법은 상대적으로 좁은 분자량 분포를 갖는 제조를 야기한다. 한 실시양태에서, 상기 촉매 시스템으로 제조된 폴리프로필렌 중합체의 Mw/Mn은 약 2 내지 약 6이다. 또 다른 실시양태에서, 상기 촉매 시스템으로 제조된 폴리프로필렌 중합체의 Mw/Mn은 약 3 내지 약 5이다.
하기 실시예는 본 발명을 예시한다. 하기 실시예 및 명세서 및 특허청구범위에서 달리 언급되지 않는 한, 모든 부 및 백분율은 중량이며, 모든 온도는 ℃이고, 압력은 대기압 또는 대기압 근처이다.
실시예
본원에 기록된 모든 중합 시행을 위해 상업적으로 입수가능한 촉매, 링스(Lynx) 1000 (미국 뉴저지주 플로햄 파크 바스프 코포레이션; BASF Corp.)을 사용하였다. 링스 1000 촉매는 대략 Ti 1.6 중량% 및 Mg 19.9 중량%을 함유하였고, 고체 촉매 23.0 중량%을 함유하는 미네랄 오일 중 슬러리로서 공급되었다. 지글러-나타 촉매가 공기에 민감하기 때문에 절차는 산소에 대한 노출을 피해야 한다. 외부 전자 공여체를 중합의 실행 바로 전에 촉매의 다른 성분에 첨가하였다.
미네랄 오일, 또는 촉매 슬러리를 포함하는 다른 액체 (즉, 헥산 또는 다른 비-극성 유기 용매)의 양이 중합에 대해 최소한의 영향을 갖도록 촉매 충전 절차를 설계하였다. 미네랄 오일 슬러리로서 공급된 촉매를 테플론(Teflon)® 스톱콕을 갖는 유리 용기에서 헥산으로 희석하였다 (스톱콕은 질소 기체로 연속적 퍼지를 하기 위한 유입구를 가짐). 유리 용기는 촉매 충전 장치로서 기능하였다.
첫번째로, 헥산 또는 유사한 비-극성 용매 중의 25% 트리에틸 알루미늄 (TEA) 1.5 ml를 55℃에서 2 l 반응기에 도입하였고, 질소 퍼지로 공기 및 수분을 제거하였다. 두번째로, 외부 공여체를 2 l 반응기에 첨가하였다. 질소로 퍼징하고 산소와 물에 의한 오염을 막기 위해 설계된 유리 용기에서 헥산으로 공여체를 희석하였다. 외부 공여체가 잘 용해되는 한, 외부 공여체의 희석의 정확한 양은 중요하지 않았다. 이어서, 질소 블랭킷 하에서 주사기 또는 마이크로피펫으로 외부 공여체를 2 l 반응기에 첨가하였다. 2종의 외부 공여체를 유리 용기에 첨가하고, 희석하고 반응기에 개별적으로 첨가하여, 이들과 TEA와의 상호작용 전에 2종의 별개의 외부 공여체 간의 상호작용 시간을 최소화할 수 있었다. N-디에틸아미노트리에톡시실란을 디이소프로필디메톡시실란 전에 반응기에 첨가하였다. 세번째로, Ti-함유 촉매를 2L 반응기에 첨가하였다. 미네랄 오일 (0.0301 mL) 중의 Ti-함유 촉매 6.5 mg을 질소 블랭킷 하에서 마이크로피펫을 사용하여 테플론® 스톱콕을 갖는 유리 용기에 첨가하고, 이어서, 프로필렌 스트림 45 g과 함께 2L 반응기에 밀어 넣었다. 중합 반응기에 충전된 총 프로필렌 용량은 Ti-함유 촉매를 반응기에 밀어 넣기 위해 사용한 프로필렌의 45 g 또는 다른 양을 포함하여 140 g이었다.
전체 중합 시간에 걸쳐 일정한 GC 수소 반응을 달성하기 위해 수소 기체를 연속 공급에 의해 반응기로 충전하고; H2-GC의 값을 평균 몰 백분율로 기록하였다. Ti 고체 촉매 성분, 유기알루미늄 화합물 및 외부 공여체를 반응기에 도입했을 때, 전 중합 반응이 응축된 액체 상에서 발생하였다. 반응기의 온도는 촉매 시스템 및 올레핀 단량체의 반응기로의 도입 후, 프로필렌 단량체의 기화점을 지나 약 8에서 약 15분까지 올랐다. 프로필렌의 중합을 80℃에서 약 3.0 Mpa의 압력에서 2시간 동안 진행하였다. 중합이 끝났을 때, 반응기를 20℃로 냉각시켰다. 폴리프로필렌을 진공 오븐에서 완전히 건조시켰다.
다양한 중합 시행에 대한 중합체 생성물의 특성 및 제조 방법을 표 1에 요약하였다. 외부 공여체의 유형을 나타냈으며, 여기서 혼합물은, 사용된 외부 공여체의 총 몰수의 몰 퍼센트로 나타내었다. 예를 들어, 총 외부 공여체 1 mmol을 사용한 경우, 80:20의 비는 제1 외부 공여체 0.8 mmol에 이어서 제2 외부 공여체 0.2 mmol을 첨가하였다는 것을 나타낸다. 실시예 1은 90:10/U-공여체:P-공여체이고, 실시예 2는 80:20/U-공여체:P-공여체이다. 비교 실시예 1은 U-공여체를 사용하였고, 비교 실시예 2는 P-공여체를 사용하였으며, 비교 실시예 3은 C-공여체를 사용하였다. MFR은 용융 유동 지수를 지칭하고, XS는 크실렌 가용물을 지칭하고, D는 맬번 인스트루먼트(Malvern Instrument)에 의해 측정된 바와 같이 부피 기준으로 50%에 대해 중합체 생성물의 평균 직경을 지칭한다. U-공여체는 N-디에틸아미노트리에톡시실란이고; P-공여체는 디이소프로필디메톡시실란 (DIPDMS)이고; C-공여체는 시클로헥실메틸디메톡시실란이다. D는 첨가된 외부 공여체의 총량을 나타낸다. U-공여체를, U-공여체 및 C-공여체의 조합을 포함하는 높은 활성 및 높은 이소택틱성을 나타내는 임의의 알킬실란과 배합함으로써 개선된 활성을 갖는 높은 수소 반응의 특성을 수득할 수 있었다. 전형적으로, 높은 수소 반응 및 높은 활성의 이점을 달성하기 위해, 사용된 U-공여체의 약 5%를 외부 전자 촉매로서 대체하는 것 (약 19:1 초과의 U-공여체 대 알킬실란의 비)이 단지 필요하였다.
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표 1에 기록한 데이터는 U-공여체 및 P-공여체 (실시예 1 및 2)의 혼합물이 놀랍게도 개별적으로 사용된 U-공여체 또는 P-공여체 (비교 실시예 1 및 2)보다 우수한 특성을 갖는다는 것을 증명하였다. 또한, 실시예 1 및 2의 혼합물의 촉매 특성은 개별적 특성의 가중된 평균을 나타내는 특성을 갖지 않았다. 비교 실시예 1을 사용하는 시행은 탁월한 수소 반응을 가졌다. U-공여체만을 외부 전자 공여체로서 사용할 때, MFR은 수소 기체 0.35 내지 3.09 mol%의 범위에 대해 17.9에서 231.5 g 10분-1까지 증가하였다. 그러나, 비교 실시예 1의 촉매의 전반적인 활성은 수소 기체 0.35 내지 3.09 mol%의 전체 범위에 있어서 17 내지 21.5 kg/(g촉매*hr)의 값을 가지며 낮았다. 비교 실시예 2에서, 수소의 몰 분획이 증가함에 따라 활성이 증가한 반면, 비교 실시예 1에서의 활성 피크는 수소의 몰 분획이 증가함에 따라 감소된다는 점이 주목되었다.
비교 실시예 2는 비교 실시예 1과 비교하여 현저하게 더 낮은 수소 반응을 나타냈다. 비교 실시예 2에서는 7.6%의 수소 몰 분획이 244.1 g (10분)-1의 MFR로의 도달에 요구되었지만, 비교 실시예 1에서는 단지 3.09%의 수소 몰 분획이, 필적하는 231.5 g (10분)-1의 MFR 수준으로의 도달에 요구되었다. 즉, 비교 실시예 2의 수소 반응은 비교 실시예 1의 수소 반응의 절반 미만이었다. 그러나, 비교 실시예 2는 시행에서 사용한 수소 몰 분획의 낮은 범위에서 더 높은 순 촉매 활성을 가졌으며, 예를 들어, 비교 실시예 1의 21.5 kg/(g촉매*hr)의 관찰된 최대 촉매 활성과 비교하여 1.65 또는 2.19%의 수소 몰 백분율에 대해서 31.4 kg/(g촉매*hr)이었다. 비교 실시예 2의 경우에 수소의 몰 백분율이 증가함에 따라 순 촉매 활성이 감소된다는 점이 주목되었다.
하기에 더 상세하게 논의할 것처럼, 표 1에 기록한 데이터는 U-공여체와 함께 소량의 P-공여체를 포함시키는 것이, 크게 개선된 순 촉매 활성을 갖는 개별적으로 사용된 U-공여체 (비교 실시예 1)에 거의 필적하는 수소 반응 프로파일을 갖는 촉매 시스템을 산출한다는 것을 증명하였다. 실시예 1의 경우, 1.08의 수소 mol%가 사용되었을 때 순 활성 31.3 kg중합체/(g촉매*hr)의 최대 활성을 관찰하였다. 상기 시스템이 U-공여체를 사용하는 촉매 (비교 실시예 1) 및 P-공여체를 사용하는 촉매 (비교 실시예 2)의 단순한 가중된 평균으로 작용한다면, 1.08 mol%에서의 실시예 1 시스템의 예측된 순 활성은 대략 0.9 x 21.1 kg중합체/(g촉매*hr) (1.18 mol% H2에서의 U-공여체 활성) 및 0.1 x 32.6 kg중합체/(g촉매*hr) (1.44 mol% H2에서의 P-공여체 활성)의 합계 또는 22.3 kg/(g촉매*hr)로 추정될 것이다. 실제로 관찰된 순 촉매 활성은 예측된 활성을 훨씬 초과하는 31.3 kg중합체/(g촉매*hr)이었다. 즉, 첨가된 전자 공여체(U-공여체)의 밸런스 분량에 소량 구성성분으로서의 P-공여체를 포함시키는 것은, 100% P-공여체를 사용하는 시스템 (비교 실시예 2)과 필적하는 순 촉매 활성을 갖는 시스템을 산출시켰다.
심지어 더욱 주목할 만한 것은, U-공여체와 함께 외부 공여체의 소량 구성성분으로서 P-공여체를 포함시키는 것이, 단독으로 사용된 P-공여체 (비교 실시예 2)의 수소반응보다 우수한 수소 반응을 산출한다는 것이었다. 예를 들어, 1.89% 실시예 1 시스템의 수소 몰 분획이 55.1 g (10분)-1의 MFR을 산출하는 반면, 단독으로 사용된 P-공여체 (비교 실시예 2)는 2.19%의 필적하는 수소 몰 백분율을 사용했을 때 단지 30.1 g*(10분)-1의 MFR을 산출하였다.
특히, 본원에 기술한 본 발명은 상업적 용도에 적합한 수준으로 순 촉매 활성을 유지하면서 탁월한 수소 반응을 갖는 지글러-나타 촉매에 관한 것이다. 한 실시양태에서, 상업적 용도에 적합한 촉매 활성은 약 3.0 Mpa 이하의 압력에서 순 촉매 활성이 약 20 kg중합체/(g촉매*hr)이었다. 또 다른 실시양태에서, 상업적 용도에 적합한 촉매 활성은 약 3.0 Mpa의 압력에서 순 촉매 활성이 약 25 kg중합체/(g촉매*hr)이었다. 또 다른 실시양태에서, 상업적 용도에 적합한 촉매 활성은 순 촉매 활성이 약 3.0 Mpa 이하의 압력에서 약 30 kg중합체/(gc 촉매*hr)이었다. 당업자는 촉매 반응이 반응물 종의 농도에 따라 좌우되는 속도로 진행된다는 것을 쉽게 인식할 것이다.
본원에 기재된 촉매의 수소 반응 특성을 예시하기 위해, 표 1에 나타난 실시예의 수소 반응을 도 4의 그래프에 나타냈다. 도 4에서 관찰할 수 있는 바와 같이, 단독으로 사용된 U-공여체의 경우의 수소 반응 (MFR 대 수소 몰 퍼센트의 증가)은 단독으로 사용된 P-공여체보다 몇 배 높았다. 소량의 P-공여체와 함께 사용된 U-공여체의 경우에, 수소 반응은 단독으로 사용된 U-공여체 및 P-공여체의 중간이었지만, 표 1에 설명한 바와 같이 수소 반응은 허용할 수 있는 수준이었고, 실시예 1 및 2의 촉매 활성은 제조된 올레핀 중합체의 MFR 및 수소 몰 퍼센트의 기록 범위 전체가 상업적 용도에 적합한 수준이었다.
당업자는 순 촉매 활성 및 수소 반응의 정확한 크기가 Ti 고체 촉매 성분, 유기알루미늄 성분 및 외부 전자 공여체 조합의 정확한 짝지음에 따라 좌우된다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 수소의 임의의 몰 퍼센트에서 진행되는 중합 반응의 수소 반응은 g (10분)-1의 단위로 표현된 MFR 및 퍼센트 단위로 표현된 수소의 몰 퍼센트 간의 비로 기재할 수 있다. 한 실시양태에서, 수소의 몰 퍼센트가 약 0.2 내지 약 2%일 때, g (10분)-1의 단위로 표현된 MFR 대 퍼센트 단위로 표현된 수소의 몰 백분율의 비는 약 14:1을 초과하고, 수소의 몰 퍼센트가 약 2 내지 약 3%일 때, g (10분)-1의 단위로 표현된 MFR의 대 퍼센트 단위로 표현된 수소의 몰 백분율의 비는 약 25:1을 초과하고, 수소의 몰 퍼센트가 약 3 내지 약 6%일 때, g (10분)-1의 단위로 표현된 MFR 대 퍼센트 단위로 표현된 수소의 몰 백분율의 비는 약 35:1을 초과하였다. 또 다른 실시양태에서, 수소의 몰 퍼센트가 약 0.2 내지 약 2%일 때, g (10분)-1의 단위로 표현된 MFR 대 퍼센트 단위로 표현된 수소의 몰 백분율의 비는 약 14:1 내지 약 40:1이었고, 수소의 몰 퍼센트가 약 2 내지 약 3%일 때, g (10분)-1의 단위로 표현된 MFR 대 퍼센트 단위로 표현된 수소의 몰 백분율의 비는 약 25:1 내지 약 60:1이었고, 수소의 몰 퍼센트가 약 3 내지 약 6%일 때, g (10분)-1의 단위로 표현된 MFR 대 퍼센트 단위로 표현된 수소의 몰 백분율의 비는 40:1 내지 약 70:1이었다.
한 실시양태에서, 촉매 시스템에 의해 제조된 올레핀 중합체의 MFR은 수소 몰 퍼센트가 약 0.5%에서 약 1%까지인 범위에 걸쳐 약 2배 이상만큼 증가하였다. 또 다른 실시양태에서, 촉매 시스템에 의해 제조된 올레핀 중합체의 MFR은 수소 몰 퍼센트가 약 1%에서 약 2%까지인 범위에 걸쳐 약 2배 이상만큼 증가하였다. 또 다른 실시양태에서, 촉매 시스템에 의해 제조된 올레핀의 MFR은 수소 몰 퍼센트가 약 2%에서 약 4%까지인 범위에 걸쳐 약 3배 이상만큼 증가하였다.
한 실시양태에서, 촉매 시스템에 의해 제조된 폴리프로필렌 중합체의 MFR은 약 1%의 평균 수소 몰 백분율에서 약 15 내지 약 30 g (10분)-1이었다. 또 다른 실시양태에서, 촉매 시스템에 의해 제조된 폴리프로필렌 중합체의 MFR은 약 1%의 평균 수소 몰 백분율에서 약 25 내지 약 30 g (10분)-1이었다. 또 다른 실시양태에서, 촉매 시스템에 의해 제조된 폴리프로필렌 중합체의 MFR은 약 2%의 평균 수소 몰 백분율에서 약 45 내지 약 70 g (10분)-1이었다. 또 다른 실시양태에서, 촉매 시스템에 의해 제조된 폴리프로필렌 중합체의 MFR은 약 2%의 평균 수소 몰 백분율에서 약 50 내지 약 65 g (10분)-1이었다. 추가 실시양태에서, 촉매 시스템에 의해 제조된 폴리프로필렌 중합체의 MFR은 약 3.5%의 평균 수소 몰 백분율에서 약 120 g (10분)-1을 초과하였다. 추가 실시양태에서, 촉매 시스템에 의해 제조된 폴리프로필렌 중합체의 MFR은 약 3.5%의 평균 수소 몰 백분율에서 약 140 g (10분)-1을 초과하였다.
본원에 기재된 유리한 촉매 특성은 2종 이상의 외부 전자 공여체를 이용하는 지글러-나타 촉매를 이용함으로써 달성할 수 있고, 이때, 지글러-나타와 함께 개별적으로 사용된 각각의 2종 이상의 전자 공여체는 다른 외부 전자 공여체의 특정 범위 내에서 수소 반응을 가졌다. 즉, 각각의 2종 이상의 외부 전자 공여체는 올레핀 단량체의 중합에 개별적으로 사용될 때, 동일한 반응 조건 하에서 개별적으로 사용되는 다른 외부 전자 공여체에 대한 이들의 성능을 근거로 하여 선택하였다. 상기에 기재된 바와 같이, 2종 이상의 외부 전자 공여체의 몰비는 약 1:1 내지 약 19:1 또는 상기에 인용된 다른 범위일 수 있으며, 여기서, 상기 비는 제1 외부 전자 공여체의 몰 양:제2 외부 전자 공여체의 몰 양으로 표현하였다.
제1 전자 공여체는 기준 시스템의 성분으로서 개별적으로 사용될 때, MFR(1)의 용융 유량을 갖는 폴리올레핀을 생성하였다. 제2 전자 공여체는 기준 시스템의 성분으로서 개별적으로 사용될 때, MFR(2)의 용융 유량을 갖는 폴리올레핀을 생성하였다. 본원 및 하기 특허청구범위에 사용된 용어 "기준 시스템"은 실질적으로 동일한 조건 하에서 상이한 외부 전자 공여체의 성능을 비교하기에 유용한 공지된 성분, 시약 및 폴리올레핀을 제조하기 위한 조건을 지칭한다. 즉, "기준 시스템"은 실질적으로 동일한 촉매 시약, 폴리올레핀 시약 및 반응 조건을 사용하여 제1 전자 공여체와 제2 전자 공여체의 수소 반응을 직접적으로 비교하는 기능을 하였다. 기준 시스템은 유기-알루미늄 화합물, 고체 Ti 촉매 성분 및 올레핀 또는 올레핀들을 포함하였다.
기준 시스템과 각각 결합된 1 외부 전자 공여체 또는 제2 외부 전자 공여체를 사용하여 MFR(1) 및 MFR(2)의 값을 측정하였다. 즉, 올레핀은 제1 외부 전자 공여체 또는 제2 외부 전자 공여체에 결합된 기준 시스템을 사용하여 폴리올레핀으로 중합되었고, 수소 기체의 특정 평균 몰 퍼센트에 대하여 각각 MFR(1) 또는 MFR(2)의 MFR을 가졌다. 제1 및 제2 외부 전자 공여체는 MFR(1) 및 MFR(2)가 0.5≤log [MFR(1)/MFR(2)]≤0.8인 값을 가지도록 선택하였으며, 여기서 수소의 몰 분획은 중합 반응에서 약 1 내지 약 10 몰 퍼센트 수소 기체이었다. 또 다른 실시양태에서, MFR(1)과 MFR(2) 사이의 관계는 수소의 평균 몰 분획이 약 1 내지 약 5 몰 퍼센트일 때, 관계를 충족시켰다. 표 2는 외부 전자 공여체로서 U-공여체 (제1 외부 전자 공여체) 또는 P-공여체 (제2 외부 전자 공여체)를 사용하는 지글러-나타 촉매 시스템에 의해 제조된 폴리프로필렌의 MFR을 나타낸다. 나타난 바와 같이, 로그 [MFR(1)/MFR(2)]의 값은 약 0.5 내지 약 0.8의 범위였다. 또 다른 실시양태에서, 로그 [MFR(1)/MFR(2)]의 값은 약 0.6 내지 약 0.75의 범위였다.
본원에 기재된 다중공여체 촉매 시스템의 유리한 특성은, 미로(Miro) 등의 미국 특허 6,087,459의 공개와 상이한 MFR(1) 및 MFR(2) 사이의 관계를 가진다는 것이 주목할만하다. 미로 등은, 전자 공여체 "a" 및 전자 공여체 "b"가 방정식 1.2≤log [MFR(b)/MFR(a)]≤1.4를 충족시키는 폴리올레핀을 별도로 제조하는, 다중공여체 지글러-나타 시스템을 논의한 것으로 보인다.
Figure pct00011
표 2에 기재된 실시예로 제조한 선택된 올레핀 중합체의 추가적인 물리적 특성을 표 3 (입자 크기 분포), 표 4 (중합 및 점도) 및 표 5 (NMR에 의해 측정한 이소택틱성)에 나타냈다.
Figure pct00012
표 3에서, d30은 입자의 크기 (직경)를 나타내며, 이때, 입자의 30%는 상기 크기보다 작고, d50은 입자의 크기를 나타내며, 이때, 입자의 50%는 상기 크기보다 작고, 기타 그와 같고, 반면, 어떠한 입자도 100 ㎛ 미만의 직경을 갖지 않았다. 표 4는 U-공여체 및 P-공여체의 혼합물에 의해 생성된 중합체의 분자량 (Mw) 및 점도는 단독으로 사용된 U-공여체 또는 P-공여체의 중간이지만, Mw는 소량 성분 P-공여체의 값에 더 가깝다는 것을 나타냈다. 표 5는 모든 외부 전자 공여체가 이소택틱성이 높은 중합체 (올레핀 중합체의 97% 초과가 동일한 입체중심 배위를 갖는 테트라드로 구성됨)를 제조한다는 것을 나타냈다.
Figure pct00013
Figure pct00014
외부 전자 공여체 (g촉매)의 부재 하에, 생성된 올레핀 중합체의 양 (kg)을 Ti계 촉매의 질량으로 나누고, 얻어진 값을 1시간의 기간으로 기준화시킴으로써 kg중합체/(g촉매*hr)의 단위로 기록된 순 촉매 활성을 계산하였다. 회수한 중합체의 총 질량으로부터, 올레핀 단량체가 증발하기 전에, 그때의 응축된 상에 형성될 것으로 계산되는 중합체의 양을 뺌으로써 중합체 생성물의 양을 측정하였다. 중합 반응의 임의의 특정한 지점에서, 올레핀 중합체 제조의 순간적인 반응 활성 (RP)는 변화하였다.
주어진 특성에 대한 임의의 숫자 또는 수치 범위에 대해서, 한 범위로부터 유래된 숫자 또는 파라미터를 동일한 특성에 대한 상이한 범위로부터 유래된 또 다른 숫자 또는 파라미터와 서로 조합하여 수치 범위를 생성할 수 있다.
작업 실시예 외에도, 또는 달리 지시된 경우에, 명세서 및 특허청구범위에 사용된 성분의 양, 반응 조건 등을 지칭하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은 모든 경우에서 용어 "약"에 의해 변경되는 것으로서 이해하여야 한다.
본 발명을 특정 실시양태와 관련해서 설명하였지만, 그의 다양한 실시양태가 명세서를 읽음으로써 당업자에게 명백할 것이라는 점을 이해하여야 한다. 따라서, 본원에 개시된 본 발명이 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 변경을 포괄하기 위해 의도된 것임을 이해하여야 한다.

Claims (26)

  1. 티타늄 화합물 및 지지체를 포함하는 고체 티타늄 촉매 성분;
    1개 이상의 알루미늄-탄소 결합을 갖는 유기알루미늄 화합물; 및
    2종 이상의 유기규소 화합물 중 하나가 하기 화학식 VI에 따른 구조를 가지며, 2종 이상의 유기규소 화합물 중 또 다른 하나가 하기 화학식 VII에 따른 구조를 갖는, 2종 이상의 유기규소 화합물
    을 포함하며,
    화학식 VI의 유기규소 화합물 대 화학식 VII의 유기규소 화합물의 몰비가 약 1:1 내지 약 19:1인,
    올레핀 중합용 촉매 시스템.
    <화학식 VI>
    Figure pct00015

    <화학식 VII>
    Figure pct00016

    상기 식에서, R13, R14 및 R15는 독립적으로 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 알킬 치환기, 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 알콕시 치환기 및 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 아릴 치환기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1개의 치환기이고, R16, R17 및 R18은 독립적으로 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 알킬 치환기, 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 아릴 치환기, 및 수소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1개의 치환기이고, R20, R21, R22 및 R23은 독립적으로 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 알킬 치환기 및 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 알콕시 치환기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1개의 치환기이다.
  2. 제1항에 있어서, 촉매 시스템이 약 3.0 Mpa 이하의 압력에서 올레핀 단량체와 접촉할 때, 촉매 시스템에 의해 제조된 올레핀 중합체의 MFR이 약 0.5%에서 약 1%로 변하는 수소 몰 퍼센트에 따라 약 2배 이상만큼 증가하고, 순 활성이 약 20 kg/(g촉매*h) 이상이라는 특성을 갖는 촉매 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 촉매 시스템이 약 3.0 Mpa 이하의 압력에서 올레핀 단량체와 접촉할 때, 촉매 시스템에 의해 제조된 올레핀 중합체의 MFR이 약 2%에서 약 4%까지의 수소 몰 퍼센트 범위에 걸쳐 약 3배 이상만큼 증가하고, 순 활성이 약 20 kg/(g촉매*h) 이상이라는 특성을 갖는 촉매 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 촉매 시스템이 약 3.0 Mpa 이하의 압력에서 올레핀 단량체와 접촉할 때, 촉매 시스템에 의해 제조된 올레핀 중합체의 MFR이 약 1%에서 약 2%까지의 수소 몰 퍼센트 범위에 걸쳐 약 2배 이상만큼 증가하는 특성을 갖는 촉매 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 화학식 VI의 유기규소 화합물 대 화학식 VII의 유기규소 화합물의 몰비가 약 4:1 내지 약 19:1인 촉매 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 화학식 VI의 유기규소 화합물 대 화학식 VII의 유기규소 화합물의 몰비가 약 2.3:1 내지 약 19:1인 촉매 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 화학식 VI의 유기규소 화합물 대 화학식 VII의 유기규소 화합물의 몰비가 약 1:1 내지 약 19:1인 촉매 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 슬러리 형태 또는 건조 형태인 촉매 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 유기알루미늄 화합물이 화학식 IV 및 화학식 V로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 촉매 시스템.
    <화학식 IV>
    Figure pct00017

    <화학식 V>
    Figure pct00018

    상기 식에서, R11 및 R12는 독립적으로 1 내지 약 15개의 탄소 원자를 갖는 탄화수소 기이고, X1은 할로겐 원자를 나타내고, 0<q≤3, 0▶p≤3, 0▶n≤3, 0<r≤3이고, m + n + p + q = 3이고,
    여기서, M1은 Li, Na 또는 K 및 R11로 이루어진 군으로부터 선택된다.
  10. 지글러-나타 촉매; 및
    2종 이상의 유기규소 화합물 중 하나가 하기 화학식 VI에 따른 구조를 가지고, 2종 이상의 유기규소 화합물 중 또 다른 하나가 하기 화학식 VII에 따른 구조를 갖는, 2종 이상의 유기규소 화합물
    을 포함하며,
    약 3.0 Mpa 이하의 압력에서 올레핀 단량체와 접촉할 때, g (10분)-1의 단위로 표현된 폴리올레핀의 MFR 대 퍼센트 단위로 표현된 수소의 몰 백분율의 비가 약 14:1을 초과하는 특성을 갖는,
    폴리올레핀 형성을 위한 올레핀 중합용 촉매 시스템.
    <화학식 VI>
    Figure pct00019

    <화학식 VII>
    Figure pct00020

    상기 식에서, R13, R14 및 R15는 독립적으로 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 알킬 치환기, 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 알콕시 치환기 및 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 아릴 치환기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1개의 치환기이고, R16, R17 및 R18은 독립적으로 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 알킬 치환기, 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 아릴 치환기 및 수소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1개의 치환기이고, R20, R21, R22 및 R23은 독립적으로 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 알킬 치환기 및 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 알콕시 치환기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1개의 치환기이다.
  11. 제10항에 있어서, g (10분)-1의 단위로 표현된 폴리올레핀의 MFR 대 퍼센트 단위로 표현된 수소의 몰 백분율의 비가 약 25:1을 초과하는 것인 촉매 시스템.
  12. 제10항에 있어서, g (10분)-1의 단위로 표현된 폴리올레핀의 MFR 대 퍼센트 단위로 표현된 수소의 몰 백분율의 비가 약 35:1을 초과하는 것인 촉매 시스템.
  13. 티타늄 화합물 및 지지체를 포함하는 고체 티타늄 촉매 성분, 및 2종 이상의 유기규소 화합물 중 하나가 하기 화학식 VI에 따른 구조를 갖는, 2종 이상의 유기규소 화합물을 포함하는 촉매 시스템과 올레핀을 접촉시키는 것을 포함하며,
    수소의 몰 퍼센트가 약 0.2 내지 약 2%일 때, g (10분)-1의 단위로 표현된 폴리올레핀의 MFR 대 퍼센트 단위로 표현된 수소의 몰 백분율의 비가 약 14:1을 초과하고, 수소의 몰 퍼센트가 약 2 내지 약 3%일 때, g (10분)-1의 단위로 표현된 폴리올레핀의 MFR 대 퍼센트 단위로 표현된 수소의 몰 백분율의 비가 약 25:1을 초과하고, 수소의 몰 퍼센트가 약 3 내지 약 6%일 때, g (10분)-1의 단위로 표현된 폴리올레핀의 MFR 대 퍼센트 단위로 표현된 수소의 몰 백분율의 비가 약 35:1을 초과하는 것인,
    폴리올레핀의 제조 방법.
    <화학식 VI>
    Figure pct00021

    상기 식에서, R13, R14 및 R15는 독립적으로 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 알킬 치환기, 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 알콕시 치환기 및 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 아릴 치환기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1개의 치환기이고, R16, R17 및 R18은 독립적으로 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 알킬 치환기, 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 아릴 치환기 및 수소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1개의 치환기이다.
  14. 제13항에 있어서, 순 활성이 약 20 kg/(g촉매*h) 이상인 방법.
  15. 제14항에 있어서, 2종 이상의 유기규소 화합물 중 또 다른 하나가 화학식 VII의 구조를 갖는 것인 방법.
    <화학식 VII>
    Figure pct00022

    상기 식에서, R20, R21, R22 및 R23은 독립적으로 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 알킬 치환기 및 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 알콕시 치환기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1개의 치환기이다.
  16. 제14항에 있어서, 화학식 VI의 유기규소 화합물 대 화학식 VII의 유기규소 화합물의 몰비가 약 1:1 내지 19:1인 방법.
  17. 제14항에 있어서, 화학식 VI의 유기규소 화합물 대 화학식 VII의 유기규소 화합물의 몰비가 약 4:1 내지 19:1인 방법.
  18. 제14항에 있어서, 화학식 VI의 유기규소 화합물 대 화학식 VII의 유기규소 화합물의 몰비가 약 2.3:1 내지 약 19:1인 방법.
  19. 제13항에 있어서, 폴리올레핀의 이소택틱성은, 동일한 입체중심을 갖는 mmmm 펜타드가 폴리올레핀의 97% 이상을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제13항에 있어서, 올레핀이 프로필렌을 포함하는 것인 방법.
  21. 제13항에 있어서, 촉매 시스템과 접촉한 올레핀이 기체 상 및 액체 상 중 하나 이상인 방법.
  22. 티타늄 화합물 및 지지체를 포함하는 고체 티타늄 촉매 성분;
    1개 이상의 알루미늄-탄소 결합을 갖는 유기알루미늄 화합물; 및
    제1 외부 전자 공여체 및 제2 외부 전자 공여체
    를 포함하며,
    여기서, 올레핀 중합을 위해 기준 시스템과 결합된 제1 외부 전자 공여체가 MFR(1)의 용융 유량을 갖는 제1 폴리올레핀을 제조하고, 올레핀 중합을 위해 기준 시스템과 결합된 제2 전자 공여체가 MFR(2)의 용융 유량을 갖는 제2 폴리올레핀을 제조하며, 여기서 기준 시스템은 고체 티타늄 촉매 및 유기알루미늄 화합물을 포함하고,
    다중공여체 촉매 시스템에 존재하는 제1 외부 전자 공여체의 몰 양은 다중공여체 촉매 시스템에 존재하는 제2 외부 전자 공여체의 몰 양을 초과하고, 로그 [MFR(1)/MFR(2)]의 값이 약 0.5 내지 약 0.8인, 올레핀 중합용 다중공여체 촉매 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 제1 외부 전자 공여체가 하기 화학식 VI의 구조를 가지며, 제2 외부 전자 공여체가 하기 화학식 VII의 구조를 갖는 것인 다중공여체 촉매 시스템.
    <화학식 VI>
    Figure pct00023

    <화학식 VII>
    Figure pct00024

    상기 식에서, R13, R14 및 R15는 독립적으로 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 알킬 치환기, 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 알콕시 치환기 및 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 아릴 치환기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1개의 치환기이고, R16, R17 및 R18은 독립적으로 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 알킬 치환기, 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 아릴 치환기, 및 수소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1개의 치환기이고, R20, R21, R22 및 R23은 독립적으로 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 알킬 치환기 및 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 알콕시 치환기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1개의 치환기이다.
  24. 제23항에 있어서, 제1 외부 전자 공여체 대 제2 외부 전자 공여체의 몰비가 약 1:1 내지 약 19:1인 다중공여체 촉매 시스템.
  25. 제23항에 있어서, 제1 외부 전자 공여체 대 제2 외부 전자 공여체의 몰비가 약 4:1 내지 약 19:1인 다중공여체 촉매 시스템.
  26. 제23항에 있어서, 제1 외부 전자 공여체 대 제2 외부 전자 공여체의 몰비가 약 2.3:1 내지 약 19:1인 다중공여체 촉매 시스템.
KR1020127005762A 2009-08-06 2010-08-03 높은 용융 유동 및 높은 활성을 위한 혼합 공여체 시스템 KR20120048000A (ko)

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