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JP2006518771A - 担持されたクロム触媒、ならびにエチレンのホモポリマーおよびコポリマーの製造のためのそれの使用 - Google Patents

担持されたクロム触媒、ならびにエチレンのホモポリマーおよびコポリマーの製造のためのそれの使用 Download PDF

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JP2006518771A
JP2006518771A JP2005502317A JP2005502317A JP2006518771A JP 2006518771 A JP2006518771 A JP 2006518771A JP 2005502317 A JP2005502317 A JP 2005502317A JP 2005502317 A JP2005502317 A JP 2005502317A JP 2006518771 A JP2006518771 A JP 2006518771A
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Abstract

下記の工程を含む、担持されたチタン添加クロム触媒の製造方法:A)チタン化合物およびクロム化合物を含むプロトン性媒質と、担体材料を接触させ、B)場合により、溶媒を除去し、C)場合により、工程B)の後に得られたプレ触媒を焼成し、そしてD)場合により、工程B)またはC)の後に得られたプレ触媒を酸素含有雰囲気で400〜1100℃において活性化する。

Description

本発明は、エチレンの単独重合およびエチレンとα−オレフィンの共重合のための新規な担持されたチタン添加クロム(titanized chromium)触媒、それらを製造する方法、ならびにオレフィンの重合のためのそれらの使用に関する。
エチレンのホモポリマー、およびエチレンと高級α−オレフィン、たとえば1−ブテン、1−ペンテン、1−ヘキセンまたは1−オクテンとのコポリマーは、たとえばチーグラー−ナッタ触媒として知られる担持チタン化合物を用いる重合、またはフィリップス触媒として知られる担持クロム化合物を用いる重合により製造できる。エチレンのホモポリマーおよびコポリマーをたとえばインフレート法に使用する場合、ポリマーは機械的特性と加工性の良好なバランスを備えていることが重要である。
担持クロム触媒は、良好な機械的特性をもつエチレンコポリマーの製造に非常に好適であることが知られている。重合に際して得られるポリマーの特性は、使用するクロム触媒の製造方法、特に担体材料のタイプ、たとえば担体材料の化学構造、組成、表面積または細孔容積、使用するクロム化合物のタイプ、他の化合物、たとえばチタン化合物、アルキルアルミニウムまたは一酸化炭素の存在、各種成分の付与順序、あるいは焼成および活性化の様式に依存する。したがって、個々の用途に要求される特性プロフィールを備えたポリマーの製造に望ましいクロム触媒をもたらすのは、使用される出発物質と担体に付与する手順との組合わせである。
担持されたクロム触媒は、しばしばチタン添加される。すなわちそれらはクロム化合物だけでなく、可変割合のチタン化合物をも含み、これにより、たとえば分子量分布およびHLMI(high load melt index)に影響を及ぼすことができる。担体へのチタン化合物の付与は、通常はヒドロゲルの調製中に行われ、SiO−TiO共ゲル(cogel)が得られる。その際、二酸化チタンが担体材料全体に均一に分布する。欠点は、重合に利用されるのは酸化チタン全体のうち触媒の細孔表面にある部分のみであるという点である。このため、通常はクロム化合物のドーピングとは別個の工程で、細孔表面に狙い通りにチタン化合物が付与されたチタン添加クロム触媒の多数の具体例が開発された。
たとえばEP−A−882740には、担体材料が450〜600m/gの比表面積をもち、クロム成分が最初に担体に付与され、チタン化合物が後に付与され、チタン添加が少なくとも300℃の温度で行われる、担持クロム触媒の製造方法が記載されている。
EP−A−882741は、担体材料が少なくとも400m/gの比表面積をもち、使用前に脱水され、その製造に際してクロム成分が最初に担体に付与され、チタン化合物が後に付与された担持クロム触媒を用いた場合に、好ましい極限引張強さをもつポリエチレンが得られることを教示する。
非プロトン性溶媒中におけるクロム化合物とチタン化合物の混合物を非プロトン性条件下で担体に付与することが、JP54141893およびJP57049605に記載されている。
しかし、非プロトン性条件下での有機金属化合物の調製および取扱いは、溶媒を使用前に乾燥させなければならないので繁雑であり、経費がかかる。さらに、非プロトン性媒質に可溶性のクロム化合物はごく少数である。非プロトン性溶媒中におけるクロム化合物の溶解度の増大は、複雑な合成法により達成されるにすぎない。
本発明の目的は、担持されたチタン添加クロム触媒を製造するための、より簡単な新規方法を提供することである。
本発明者らは、下記の工程を含む担持されたチタン添加クロム触媒の製造方法によりこの目的が達成されることを見いだした:
A)チタン化合物およびクロム化合物を含むプロトン性媒質と、担体材料を接触させ、
B)場合により、溶媒を除去し、
C)場合により、工程B)の後に得られたプレ触媒(precatalyst:触媒前駆体)を焼成し、そして
D)場合により、工程B)またはC)の後に得られたプレ触媒を酸素含有雰囲気で400〜1100℃において活性化する。
本発明はさらに、エチレンおよび所望により他のコモノマーの重合に適する、本発明方法により得られる新規な担持クロム触媒を提供する。エチレンの単独重合およびエチレンとα−オレフィンの共重合のためのこの新規な担持クロム触媒を、簡略化のために以下において”本発明のクロム触媒”と呼ぶ。
本発明は、本発明による少なくとも1種類のクロム触媒を用いてエチレンまたはエチレンとα−オレフィンの混合物を重合させることによりエチレンのホモポリマーおよびエチレンとα−オレフィンのコポリマーを製造する方法、それにより得られるエチレンホモポリマーおよびコポリマー、ならびにフィルムの製造のためのそれらの使用をも提供する。
したがって、本発明のクロム触媒を使用するとエチレンのホモポリマー、特にコポリマーが、特に良好な収率で得られることが見いだされた。それから得られるフィルム製品は、きわめて高い耐破壊性も備えている。
先行技術からみて、この新規方法により、フィルム製造のためにインフレートする際に特に良好な機械的特性を示すエチレンポリマーを生成するきわめて有効な触媒を得ることができるとは予想されなかった。
本発明のクロム触媒の1成分は、担体材料、特に無機固体であり、これは通常は多孔質である。酸化物系の担体材料が好ましく、これらはさらにヒドロキシ基を含んでもよい。無機金属酸化物は球状または顆粒状であってよい。そのような固体の例は当業者に既知であり、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素(シリカゲル)、二酸化チタン、およびそれらの混合酸化物または共ゲル、ならびにリン酸アルミニウムである。他の適切な担体材料は、細孔表面の改質により、たとえば下記の元素の化合物により得ることができる:ホウ素(BE−A−61,275)、アルミニウム(US4,284,527)、ケイ素(EP−A−0 166 157)またはリン(DE−A 36 35 715)。シリカゲルの使用が好ましい。球状または顆粒状シリカゲルの使用が好ましい。前者の場合、噴霧乾燥できる。
好ましい担体材料は、微細に粉砕されたシリカキセロゲルであり、これはたとえばDE−A 25 40 279の記載に従って調製できる。微細に粉砕されたシリカキセロゲルは、好ましくは下記工程により調製される:
a)固形分10〜25重量%(SiOとして計算)を含有し、概して(largely)球状であり、1〜8mmの粒子直径をもち、下記工程により得られる、粒子状シリカヒドロゲルを使用する:
a1)ナトリウム−またはカリウム−水ガラス溶液を、鉱酸水溶液の渦流中へ、流れの主方向に対して縦および接線の両方向に導入し、
a2)得られたシリカヒドロゾルを気体媒質中へ噴霧して小滴状にし、
a3)この噴霧ヒドロゾルを気体媒質中で凝固させ、
a4)得られた概して球状の塩類ヒドロゲル粒子を、予めエージングさせずに洗浄によりバラバラにする;
b)ヒドロゲル中に存在する水の少なくとも60%を有機液体により抽出する、
c)得られたゲルを、最高180℃および13ミリバールの減圧で30分間、それ以上の減量が起きなくなるまで乾燥させる(キセロゲルの生成)、
d)得られたキセロゲルの粒径を20〜2000μmに調整する。
担体材料調製の第1工程a)においては、10〜25重量%(SiOとして計算)、好ましくは12〜20重量%、特に好ましくは14〜20重量%の比較的高い固形分をもち、かつ概して球状であるシリカヒドロゲルを使用することが重要である。このシリカヒドロゲルは、工程a1)〜a4)に記載した特定の方式で調製される。工程a1)〜a3)は、DE−A 21 03 243に、より詳細に記載されている。工程a4)、すなわちヒドロゲルの洗浄は、いずれか任意の方式で、たとえば少量のアンモニアを含有し(最高で約10のpH)、最高80℃である水を用いる向流原理で実施できる。
ヒドロゲルからの水の抽出(工程b))は、好ましくはC−C−アルコール類および/またはC−C−ケトン類よりなる群からの有機液体、特に好ましくは水と混和性のものを用いて実施される。特に好ましいアルコール類は、t−ブタノール、i−プロパノール、エタノールおよびメタノールである。ケトン類のうちでは、アセトンが好ましい。有機液体は、前記有機液体の混合物からなるものでもよい;いずれにしろ、有機液体が抽出前に含有する水は5重量%未満、好ましくは3重量%未満である。抽出は、慣用の抽出装置、たとえばカラム抽出器中で実施できる。
乾燥(工程c))は、好ましくは30〜140℃、特に好ましくは80〜110℃、および好ましくは圧力1.3ミリバールないし大気圧で実施される。蒸気圧のため、温度上昇に伴って圧力が上昇するはずであり、逆の場合もまた同様である。
得られたキセロゲルの粒子直径の調整(工程d))は、いずれか任意の方式で、たとえばミリング(mill)およびふるい分けにより実施できる。
他の好ましい担体材料は、たとえばミリングし、適宜ふるい分けしたヒドロゲルを、噴霧乾燥の目的のために水または脂肪族アルコールと混合したものを、噴霧乾燥することにより調製される。一次粒子は、適宜ミリングおよびふるい分けしたヒドロゲルの多孔質顆粒状粒子であり、1〜20μm、好ましくは1〜5μmの平均粒子直径をもつ。ミリングおよびふるい分けしたSiOヒドロゲルを使用するのが好ましい。
一般に担体粒子の平均粒子直径は、1〜1000μm、好ましくは10〜500μm、特に好ましくは30〜150μmである。
使用される担体材料の平均細孔容積は、0.1〜10ml/g、特に0.8〜4.0ml/g、特に好ましくは1〜25ml/gである。
一般に担体粒子は、10〜1000m/g、特に100〜600m/g、特に200〜550m/gの比表面積をもつ。
比表面積および平均細孔容積は、BET法に従った窒素吸着により測定される:たとえばS.Brunauer, P.Emmet and E.Teller, Journal of American Chemical Society, 60, (1939), p.209-319に記載。
さらに、本発明により使用される担体粒子は、80〜250Å、好ましくは90〜210Å、特に好ましくは95〜200Åの平均細孔直径をもつ。平均細孔直径(Å)は、平均細孔容積の数値(cm/g)を比表面積の数値(m/g)で割り、その商を40000倍することにより計算される。適切な担体材料は市販もされている。
担体材料を、本発明方法に使用する前に部分改質または完全改質することもできる。担体材料を、たとえば酸化または非酸化条件下に200〜1000℃で、フッ素化剤、たとえばヘキサフルオロケイ酸アンモニウムの存在下または不存在下に処理することができる。こうして、たとえば水および/またはOH基の含量を変更することができる。担体材料を、本発明方法に使用する前に減圧下で100〜200℃で1〜10時間、乾燥させることが好ましい。
工程A)において、好ましくはチタン化合物およびクロム化合物(好ましくはこれらの化合物のみ)を含むプロトン性媒質と、担体材料を接触させる。チタン化合物およびクロム化合物をプロトン性媒質に溶解または懸濁させることができ、好ましくは両方が溶解する。チタン化合物およびクロム化合物を、任意の順序で、同時に、または予め混合した混合物として、溶媒と接触させることができる。チタン化合物およびクロム化合物を、好ましくは別個に、任意の順序で溶媒と混合する。反応時間は、通常は、プロトン性媒質を担体材料と接触させる前の10秒ないし24時間、好ましくは1分ないし10時間、特に好ましくは10分ないし5時間である。
チタン化合物としては、式(RO)4−nTiの四価化合物を使用することが好ましい。式中の基Rは、同一でも異なってもよく、それぞれ有機ケイ素置換基であるか、あるいは1〜20個の炭素原子をもつ有機炭素置換基、たとえば直鎖、分枝鎖もしくは環式C−C20−アルキル基、たとえばメチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、sec−ブチル、イソブチル、t−ブチル、n−ペンチル、sec−ペンチル、イソペンチル、n−ヘキシル、シクロヘキシル、n−ヘプチルもしくはn−オクチル、C−C18−アリール基、たとえばフェニル、1−ナフチル、2−ナフチル、1−アントリル、2−アントリル、9−アントリルおよび1−ペナントリル、またはトリアルキルシリル基、たとえばトリメチルシリルもしくはトリエチルシリルである。Rは、好ましくは直鎖または分枝鎖C−C−アルキル基、たとえばメチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、sec−ブチル、イソブチル、t−ブチル、n−ペンチル、またはn−ヘキシルである。Xは、ハロゲン、たとえばフッ素、塩素、臭素またはヨウ素、好ましくは塩素である。nは、0〜4、好ましくは4である。各種チタン化合物の混合物も使用できる。チタン化合物は、好ましくはプロトン性溶媒に可溶性であり、したがってチタンテトラアルコキシドの使用が好ましい。それらはきわめて多数の溶媒中における良好な溶解度をもつからである。簡単な脂肪族アルコキシドを含む化合物のほか、二官能性配位子、たとえばビスアルコキシドまたはエトキシアミネート類が存在してもよい。特に有用な化合物は、水に可溶性のビス(トリエタノールアミン)ビス(イソプロピル)チタネートまたは乳酸−チタン錯体のアンモニウム塩である。
クロム化合物には、無機または有機のグループを含めることができる。無機クロム化合物が好ましい。クロム化合物の例には、三酸化クロムおよび水酸化クロム、ならびに三価クロムと有機酸および無機酸の塩類、たとえば酢酸クロム、シュウ酸クロム、硫酸クロムおよび硝酸クロム、ならびに三価クロムのキレート、たとえばクロムアセチルアセトネートが含まれる。これらのうち、硝酸クロム(III)9水和物およびクロムアセチルアセトネートの使用が特に好ましい。好ましいクロム化合物において、クロムの酸化状態は6未満であり、好ましくはクロムは2、3または4の酸化状態である。
プロトン性媒質は、1〜100重量%、好ましくは50〜100重量%、特に好ましくは100重量%のプロトン性溶媒またはプロトン性溶媒の混合物と、99〜0重量%、好ましくは50〜0重量%、特に好ましくは0重量%の非プロトン性溶媒または非プロトン性溶媒混合物とを含む溶媒または溶媒混合物である;それぞれの場合、プロトン性媒質を基準とする。
プロトン性溶媒は、例えばアルコール類R−OH、アミン類NR 2−xX+1、C−C−カルボン酸、および無機水性酸(たとえば希塩酸または硫酸)、水、アンモニア水、またはその混合物、好ましくはアルコール類R−OHである。これらにおいて、Rはそれぞれ互いに独立して下記のものである:C−C20−アルキル、C−C20−アルケニル、C−C20−アリール、アルキルアリール(アルキル基中に1〜10個の炭素原子をもち、アリール部分に6〜20個の炭素原子をもつ)またはSiR :ここで、Rはそれぞれ互いに独立してC−C20−アルキル、C−C20−アルケニル、C−C20−アリール、アルキルアリール(アルキル基中に1〜10個の炭素原子をもち、アリール部分に6〜20個の炭素原子をもつ)である;xは、1または2である。可能な基RまたはRの例は下記のものである:C−C20−アルキル、これらは直鎖または分枝鎖であってよい:たとえばメチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、イソブチル、t−ブチル、n−ペンチル、n−ヘキシル、n−ヘプチル、n−オクチル、n−ノニル、n−デシルまたはn−ドデシル、5〜7員シクロアルキル、これらが置換基としてC−C10−アリール基を含むことができる:たとえばシクロプロピル、シクロブチル、シクロペンチル、シクロヘキシル、シクロヘプチル、シクロオクチル、シクロノニルまたはシクロドデシル;C−C20−アルケニル、これらは直鎖、環式または分枝鎖であってよく、二重結合は内部または末端にあってよい:たとえばビニル、1−アリル、2−アリル、3−アリル、ブテニル、ペンテニル、ヘキセニル、シクロペンテニル、シクロヘキセニル、シクロオクテニルまたはシクロオクタジエニル;C−C20−アリール、これらが置換基としてさらにアルキル基を含むことができる:たとえばフェニル、ナフチル、ビフェニル、アントラニル、o−、m−、p−メチルフェニル、2,3−、2,4−、2,5−または2,6−ジメチルフェニル、2,3,4−、2,3,5−、2,3,6−、2,4,5−、2,4,6−または3,4,5−トリメチルフェニル、;あるいはアリールアルキル、これらが置換基としてさらにアルキル基を含むことができる:たとえばベンジル、o−、m−、p−メチルベンジル、1−または2−エチルフェニル;それぞれの場合、2つのRまたは2つのRが結合して5または6員環を形成してもよく、有機基RおよびRはハロゲン、たとえばフッ素、塩素または臭素で置換されていてもよい。好ましいカルボン酸は、C−C−カルボン酸、たとえばギ酸または酢酸である。好ましいアルコール類R−OHは、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、1−ペンタノール、2−ペンタノール、1−ヘキサノール、2−エチルヘキサノール、2,2−ジメチルエタノールまたは2,2−ジメチルプロパノール、特にメタノール、エタノール、1−プロパノール、1−ブタノール、1−ペンタノール、1−ヘキサノールまたは2−エチルヘキサノールである。プロトン性媒質の含水率は、好ましくは20重量%未満である。
非プロトン性溶媒の例は、脂肪族および芳香族炭化水素、たとえばペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、イソオクタン、ノナン、ドデカン、シクロヘキサン、ベンゼンおよびC−C10−アルキルベンゼン、たとえばトルエン、キシレンまたはエチルベンゼンである。
担体材料をいずれか任意の順序で、チタン化合物およびクロム化合物を含むプロトン性媒質と接触させることができる。たとえばプロトン性媒質、チタン化合物およびクロム化合物の混合物を担体材料に添加し、あるいは担体材料をこの混合物に導入することができる。担体材料を予め懸濁媒質に懸濁させておくこともできる。用いる懸濁媒質とプロトン性媒質の混合物は、1〜100重量%、好ましくは50〜100重量%、特に好ましくは100重量%のプロトン性溶媒またはプロトン性溶媒混合物、および99〜0重量%、好ましくは50〜0重量%、特に好ましくは0重量%の非プロトン性溶媒または非プロトン性溶媒混合物を含む;それぞれの場合、用いる懸濁媒質とプロトン性媒質の混合物を基準とする。この懸濁媒質も、好ましくは本発明により使用されるプロトン性媒質である。
クロム化合物は通常は、プロトン性媒質を基準として、0.05〜20重量%、好ましくは0.1〜15重量%、特に好ましくは0.5〜10重量%の濃度で存在する。チタン化合物は通常は、プロトン性媒質を基準として、0.05〜30重量%、好ましくは0.1〜20重量%、特に好ましくは0.5〜15重量%の濃度で存在する。クロム化合物とチタン化合物のモル比は、通常は10:1〜1:10、好ましくは5:1〜1:7、特に好ましくは4:1〜1:5である。
担体材料は、一般に、担持するゲル粒子:チタン化合物中のTiの重量比を100:0.1〜100:12、特に100:1〜100:6、および担持するゲル粒子:クロム化合物中のクロムの重量比を100:0.1〜100:10、特に100:0.3〜100:3として装填される。
反応工程A)は、0〜150℃で実施できる。コスト面での理由から、室温が好ましい。
場合により後続の工程B)において、好ましくは20〜150℃および圧力10〜1ミリバールで溶媒を除去することができる。溶媒の一部または全部を除去することが好ましい。こうして得られるプレ触媒は完全に乾燥していてもよく、若干の残留水分を含有してもよい。なお存在する揮発性成分は、まだ活性化していないクロム含有プレ触媒を基準として、好ましくは20重量%を超えない量、特に10重量%を超えない量で存在する。
反応工程B)から得られるプレ触媒を直ちに工程D)で処理してもよく、あるいは予め工程C)において280℃より高い温度で、水を含まない不活性ガス雰囲気で、焼成してもよい。焼成は、好ましくは280〜800℃で流動床において10〜1000分間、実施される。
こうして工程B)またはC)から得られる中間体を、次いで工程D)において酸化条件下で、たとえば酸素含有雰囲気で400〜1000℃において、活性化する。工程B)またはC)で得られる中間体を、好ましくは流動床において不活性ガスを酸素含有ガスで交換し、温度を活性化温度に高めることにより、そのまま活性化する。中間体を、有利には400〜1100℃、特に500〜800℃で、水を含有せず酸素が10容量%を超える濃度で存在するガス流中において、10〜1000分間、特に150〜750分間加熱し、次いで室温に冷却すると、本発明により用いられるフィリップス触媒が得られる。活性化の最高温度は、工程B)またはC)から得られる中間体の焼結温度より低く、好ましくは少なくとも20〜100℃低い。この酸化は、適切なフッ素化剤、たとえばヘキサフルオロケイ酸アンモニウムの存在下で実施することもできる。
担持されたチタン添加クロム触媒を調製するための好ましい方法は、下記の工程を含む:
A)チタン化合物およびクロム化合物を含むプロトン性媒質と、担体材料を接触させ、
B)溶媒を除去し、
C)工程B)の後に得られたプレ触媒を焼成し、そして
D)工程C)の後に得られたプレ触媒を酸素含有雰囲気で400〜1100℃において活性化する。
工程A)〜D)から構成される方法が特に好ましい。
本発明のクロム触媒は、有利には0.1〜5重量%、特に0.3〜2重量%のクロム含量、および0.5〜10重量%、特に1〜5重量%のチタン含量をもつ。
本発明の触媒系は、1−アルケンの重合における誘導期が短かい。
本発明により使用するために得られるクロム触媒を、使用前にたとえばエチレンおよび/またはα−オレフィン、一酸化炭素またはトリエチルボランにより、懸濁液中または気相で還元することもでき、シリル化により改質してもよい。還元剤と(還元すべき本発明によるクロム触媒の)クロムのモル比は、通常は0.05:1〜500:1、好ましくは0.1:1〜50:1、特に0.5:1〜5.0:1である。
懸濁液の場合、還元温度は一般に10〜200℃、好ましくは10〜100℃であり、圧力は0.1〜500バール、好ましくは1〜200バールである。
流動床法における還元温度は、通常は10〜1000℃、好ましくは10〜800℃、特に10〜600である。一般に気相還元は、0.1〜500バール、好ましくは1〜100バール、特に5〜20バールの圧力範囲で実施される。
気相還元の場合、還元すべきクロム触媒を一般に流動床反応器内で、不活性キャリヤーガス流、たとえば窒素またはアルゴンにより流動化させる。通常はキャリヤーガス流に還元剤、好ましくは標準状態で少なくとも1ミリバールの蒸気圧をもつ液体還元剤を含ませる。
本発明のクロム触媒は、エチレンのホモポリマーおよびエチレンとα−オレフィンのコポリマーを、オレフィン重合について慣用される既知の方法により、20〜300℃の温度および5〜400バールの圧力で、撹拌式オートクレーブ内またはループ反応器内での溶液法、懸濁法、撹拌式気相法または気相流動床法により製造するのにきわめて有用であり、該方法は連続式またはバッチ式で実施してよい。したがって、その方法を実施するのに有利な圧力および温度範囲は、重合法に大幅に依存する。
特に、これらの重合法においては、50〜150℃、好ましくは70〜120℃の温度、および一般に1〜400バールの圧力に設定する。溶媒または懸濁媒質としては、不活性炭化水素、たとえばイソブタン、またはモノマーそのもの、たとえば液化した状態または液体状態の高級オレフィン、たとえばプロペン、ブテンもしくはヘキセンを使用できる。懸濁液の固形分は、一般に10〜80重量%である。重合はバッチ式で、たとえば撹拌式オートクレーブ内において、または連続式で、好ましくはループ反応器内において実施できる。特にUS−3 242 150およびUS−3 248 179の記載に従ったフィリップスPF法を用いて重合を実施できる。
本発明によれば、前記の重合法のうち、気相重合、特に気相流動床反応器内での方法が好ましい。多様な処理工程および噴霧乾燥した担体材料にもかかわらず、気相重合に際して粉塵が発生しないことが見いだされた。一般に重合は、ポリマーの軟化温度より少なくとも数度低い温度で実施される。気相重合を凝縮、超凝縮または超臨界モードで実施することもできる。
所望により、異なる重合プロセスまたは同じ重合プロセスを直列に連結して、重合カスケードを形成することもできる。しかし、特殊な触媒組成のため単一反応器で容易に本発明ポリマーを得ることができる。
エチレンと共重合させることができる適切なα−オレフィンの例は、分子内に3〜15個の炭素原子をもつモノオレフィンおよびジオレフィンである。このタイプの好適なα−オレフィンは、プロペン、1−ブテン、1−ペンテン、1−ヘキセン、1−オクテン、1−デセン、1−ドデセンおよび1−ペンタデセン、ならびに共役および非共役ジオレフィンであるブタジエン、ペンタ−1,3−ジエン、2,3−ジメチルブタジエン、ペンタ−1,4−ジエン、ヘキサ−1,5−ジエンおよびビニルシクロヘキセンである。これらのコモノマーの混合物も使用できる。1−ブテン、1−ヘキセンまたは1−オクテン、特に1−ヘキセンの使用が好ましい。
分子量を制御するために、水素を重合調節剤として有利に使用できる。
1−アルケンの重合を本発明の触媒により、元素の周期表の第1、2、3もしくは4主族または第2遷移族の元素の有機金属化合物の存在下で実施するのが有利であることが見いだされた。このタイプの好適な化合物は、リチウム、ホウ素、アルミニウムまたは亜鉛のホモレプチック(homoleptic)C−C10−アルキル、たとえばn−ブチルリチウム、トリエチルホウ素、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、トリブチルアルミニウム、トリヘキシルアルミニウム、トリオクチルアルミニウムおよびジエチル亜鉛である。さらに、C−C10−ジアルキルアルミニウムアルコキシド、たとえばジエチルアルミニウムメトキシドも好適である。ジメチルアルミニウムクロリド、メチルアルミニウムジクロリド、メチルアルミニウムセスキクロリドまたはジエチルアルミニウムクロリドも使用できる。n−ブチルリチウムおよびトリヘキシルアルミニウムが、有機金属化合物として特に好ましい。前記の有機金属化合物の混合物も好適である。
有機金属化合物:クロムのモル比は、通常は0.1:1〜50:1、好ましくは1:1〜50:1である。しかし、触媒毒を除去するために多数の活性化剤、たとえばアルキルアルミニウム(スカベンジャーとして知られる)を同時に使用することもできるので、使用量は他の出発物質中に存在する不純物に依存する。ただし、当業者は簡単な試験により最適量を決定できる。
本発明のクロム触媒は、前記の重合法においてα−オレフィンの重合に適切な他の触媒と一緒に使用することもできる。本発明のクロム触媒は、好ましくはα−オレフィンの重合に慣用される他の担持クロム触媒と一緒に使用できる。2種類の異なる担持クロム触媒の使用は、たとえばWO92/17511に記載されている。本発明の2種類以上のクロム触媒を同時に用いて重合を実施することもできる。重合は、特に好ましくは本発明のクロム触媒を、担持されたチタン非添加クロム触媒と一緒に用いて実施される。チタン添加およびチタン非添加担持クロム触媒の混合物は、たとえばUS−3 798 202に記載されているが、その場合のチタン添加はクロム成分を担体に付与した後に実施されるにすぎない。
これら2種類の異なるフィリップス触媒をモノマーと接触させる前に混合し、次いで一緒に反応器に導入するか、あるいはそれらを互いに別個に、たとえば複数の時点で反応器に導入することができる。
本発明により製造されるエチレンホモポリマーおよびコポリマーは、通常は、DIN 53479に従って測定した密度0.9〜0.97g/cm、好ましくは0.92〜0.96g/cm、特に好ましくは0.925〜0.945g/cm、DIN 53735に従って異なる負荷(かっこ内)のもとで測定したメルトフローインデックス(MI(190℃/2.16kg)またはHLMI(190℃/21.6kg))0〜10g/10分、好ましくは0.01〜1g/10分、特に好ましくは0.05〜0.6g/10分(MIの場合)、および1〜50g/10分、好ましくは3〜30g/10分、特に好ましくは5〜25g/10分(HLMIの場合)をもつ。
重量平均分子量Mは、一般に10 000〜7 000 000g/mol、好ましくは100 000〜500 000g/molである。GPL(ゲル透過クロマトグラフィー)により135℃で1,2,4−トリクロロベンゼン中においてポリエチレン標準品を用いて測定した分子量分布M/Mは、通常は3〜50、好ましくは8〜30、特に好ましくは15〜30である。
一般に、反応器内で製造されたエチレンポリマーを、押出機内で溶融および均質化する。その際、押出品のメルトフローインデックスおよび密度が対応する粗製ポリマーのパラメーターと異なる可能性があるが、それらも本発明により特定した範囲内にある。
本発明により製造した触媒を用いたオレフィン重合において、エチレンのホモポリマー、またはエチレンと3〜12個の炭素原子をもつコモノマーとのコポリマー(コモノマーの量はコポリマー中に最高10モル%)を製造することができる。好ましいコポリマーは、ポリマーを基準として0.3〜1.5モル%のヘキセン、特に好ましくは0.5〜1モル%のヘキセンを含有する。
本発明により製造されるエチレンコポリマーは、他のオレフィンポリマー、特にエチレンのホモポリマーおよびコポリマーとの混合物も形成できる。これらの混合物は、一方では複数のクロム触媒による前記の同時重合により製造できる。他方では、これらの混合物は、本発明により製造したポリマーと他のエチレンホモポリマーまたはコポリマーを後で単にブレンディングすることにより得ることもできる。これらの混合物のMFI、HLMI、密度、コモノマー含量、MおよびM/Mも、本発明によるチタン含有クロム触媒のみを用いて製造したポリマーに関するものと同じ範囲にあることが好ましい。
さらに、エチレンコポリマー、ポリマー混合物およびブレンドは、さらにそれ自体既知の助剤および/または添加剤、たとえば加工安定剤、光や熱の作用に対する安定剤、慣用される添加剤、たとえば離型剤、酸化防止剤、粘着防止剤および帯電防止剤、ならびに所望により着色剤を含むことができる。これらの添加剤のタイプおよび量は当業者に周知である。
本発明により製造されたポリマーを、後に、当業者に周知のグラフト形成、架橋、水素化または他の官能化反応により改質することもできる。
本発明により製造されたポリマーは、たとえば高生産量インフレートフィルムプラントにおけるフィルムの製造にきわめて有用である。本発明により製造されたポリマーを含むフィルムは、良好な機械的特性をもつ。それから製造されたフィルムの高い耐破壊性も注目に値する。
こうして得られたフィルムは、特に包装部門および大型、重包装袋用、また食品部門用としても適する。さらに、これらのフィルムは低い粘着性を示すにすぎず、したがって離型剤および粘着防止用添加剤を用いずに、またはそれらを少量用いるだけで、機械を通過させることができる。
本発明により調製されたフィリップス触媒は、予想外の格別の利点をもつ。それは、気相流動床重合において、慣用される既知の粒状法によりエチレンを単独重合および共重合させるのにきわめて有用である。本発明の場合、卓越した形態および良好な加工性をもつ(コ)ポリマーが高い生産性で得られる。特に、本発明の触媒は良好なコモノマー取込み挙動を示し、低い活性化温度ですら高い生産性を与える。したがって、本発明のフィリップス触媒により製造された(コ)ポリマーは、インフレート法および吹込み成形法に特に有用である。
以下の実施例は本発明を説明するものである。
触媒の生産性を、フィリップス触媒使用量当たりの単離ポリマー量(g)として報告する。
メルトフローインデックスは、ISO 1133に従って190℃で21.6kgの負荷のもとに(190℃/21.6kg、HLMI)および2.16kgの負荷のもとに(190℃/2.16kg、MI)測定された。
密度[g/cm]は、ISO 1183に従って測定された。
嵩密度(BD)[g/l]は、DIN 53468に従って測定された。
環境応力亀裂抵抗(ESCR)は、バゼルの円板圧子(Bassell's round disk indentor,RI)試験により測定された。試験条件:円板(プレス板から作製、直径:38mm、厚さ:1mm、一方の面に引掻きにより長さ20mm、深さ200μmの刻みを付けた)を50℃および80℃で5%濃度のLutensol(登録商標)FSA水溶液に浸漬し、3バールのガス圧により負荷をかけた。応力亀裂の発生時間(測定装置の圧力が降下する)を測定する(時間)。
落槍衝撃強さの測定は、20μmのフィルム上でASTM 1709Aに従って実施された。
シュタウディンガー(Staudinger)指数(η)[dl/g]は、130℃で自動ウッベローデ粘度計(Lauda PVS 1)により、デカリンを溶媒として用いて測定された(ISO 1628、130℃、0.001g/mlデカリン)。
分子量分布および平均M、M、ならびにそれから求めたM/Mの測定は、DIN 55672に基づく方法を用いる高温ゲル透過クロマトグラフィーにより、下記の条件下で実施された:溶媒:1,2,4−トリクロロベンゼン、流速:1ml/分、温度:140℃、PE標準品を用いて検量。
次表の略号を使用:
poly 重合中の温度
重量平均分子量
数平均分子量
密度 ポリマー密度
DDI 落槍衝撃
ESCR 環境応力亀裂抵抗
容量% 重合中の各成分の容量%
生産性 使用した触媒のg当たり得られたポリマーのg数で表される触媒の生産性
HLMI 負荷重量21.6kgのメルトフローインデックス
THA トリヘキシルアルミニウムの使用量
η シュタウディンガー指数
mg.触媒 重合に使用した触媒のmg数
ビニル (1000C)当たりのポリマー中のビニル基
実施例および比較実験
実施例1
DE 2 540 279の記載に従って担体材料を調製した。
シリカキセロゲルの調製
DE−A 2 103 243の図面に示される、下記のデータをもつ混合ノズルを用いた:プラスチックチューブ製円筒形混合チャンバーの直径は14mm、混合帯域(後混合セクションを含む)の長さは350mmである。混合チャンバーの入口に最も近い末端が閉鎖され、この末端付近に、鉱酸用の直径4mmの接線方向導入孔がある。水ガラス溶液流用として、同様に直径4mmで同じ流入方向の孔がさらに4つあり、各孔の間隔は混合チャンバーの縦方向に測定して30mmである。したがって、一次混合帯域の長さと直径の比は約10:1である。それに続く二次混合帯域については、この比は15である。噴霧ノズルとして、平らにした、わずかに腎臓形のチューブ片を、プラスチックチューブの出口末端上に押し込む。
この混合装置に下記のものを供給した:325 l/時の33重量%濃度硫酸、20℃、操作圧力 約3バール;および1100 l/時の水ガラス溶液(27重量%のSiOおよび8重量%のNaOを含有する工業用水ガラスから水希釈により調製):密度1.20kg/l、同様に温度20℃および圧力約3バール。プラスチックチューブで内張りした混合チャンバー内で中和が進行すると、不安定なヒドロゾルが生成し、これは7〜8のpHをもち、完全に均一になるまで後混合帯域に約0.1秒間滞留した後、ノズル付属具から大気中へ扇形液体ジェットとして噴霧された。ジェットは空気中を飛行する間に個々の小滴に砕され、表面張力の結果、まだ飛行中に約1秒以内で概して球状の形態をとり、凝固してヒドロゲル球を形成した。これらの球は平滑な表面をもち、ガラスのように透明であり、約17重量%のSiOを含有し、下記の粒度分布をもっていた:
>8mm 10重量%
6〜8mm 45重量%
4〜6mm 34重量%
<4mm 11重量%
(粒度分布は他のノズル付属具の使用により任意に変更できる。)ヒドロゲル球をそれらの飛行終了時にスクラバー塔に採集した。塔はほぼ完全にヒドロゲル球で満たされた。ここで、球をエージングせずに直ちに、少量のアンモニアを含有する約50℃の温度の水で連続向流法により洗浄して、塩類を除去した。
2〜6mmの直径をもつ球をふるい分けにより分離し、下記を備えた抽出器にこれらの球112kgを入れた:上部の入口、ふるい底、鶴首形オーバーフロー(ドラムの底に接続しており、ヒドロゲル球を完全に液体で覆うのに十分な高さにドラム内の液面を維持する)。ヒドロゲルをメタノールで抽出した。
次いでこうして得た球を、180℃で13バールの減圧下に30分間でそれ以上の減量が起きなくなるまで、乾燥させた(120℃で20ミリバールの減圧下に12時間)。
こうして乾燥させた球を続いてミリングし、直径40〜300μmのキセロゲル粒子をふるい分けにより分離した。細孔容積は1.9ml/gであった。
39mlのチタンテトライソプロポキシドを、メタノール700ml中の11.6g硝酸クロム(III)9水和物(Cr(NO×9HO)溶液に添加した。このメタノール中の硝酸クロム(III)9水和物およびチタンテトライソプロポキシドの溶液は透明であり、混濁を示さなかった。こうして得た溶液を、前記のシリカゲル担体150gに添加した。この懸濁液を1時間撹拌し、次いでロータリーエバポレーターにより80℃で、真空を付与して蒸発乾固した。こうして得たプレ触媒は、プレ触媒の重量を基準として1重量%のクロムおよび4重量%のチタンを含有する。
比較例C1
チタンテトライソプロポキシドを添加せずに、実施例1を繰り返した。こうして得たプレ触媒は、プレ触媒の重量を基準として1重量%のクロムを含有する。
実施例2
400gの硝酸クロム(III)9水和物を、溶解反応器内で撹拌しながらメタノール6.5 lに溶解した。1時間の撹拌後、0.97 lのチタンテトライソプロポキシドを添加し、混合物をさらに5分間撹拌した。続いて、ダブルコーンドライヤー内で、この溶液を1時間かけて5kgのシリカゲル担体Sylopol SG332 5N(Graceから市販)上にポンプ送入した。次いで溶解反応器を1.5 lのメタノールですすぎ、次いでこれも同様に担体に添加した。次いで懸濁液を1時間撹拌し、続いて95℃に加熱し、900ミリバールでメタノールを留去した。約3時間後、圧力を300ミリバールに低下させ、生成物をこれらの条件下でさらに2時間乾燥させた。こうして得たプレ触媒は、プレ触媒の重量を基準として1重量%のクロムおよび3重量%のチタンを含有する。
比較例C2
5kgのシリカゲル担体Sylopol SG332 5Nおよび120gの硝酸クロム(III)9水和物を用い、ただしチタンテトライソプロポキシドを添加せずに、実施例2を繰り返した。こうして得たプレ触媒は、プレ触媒の重量を基準として0.3重量%のクロムを含有する。
実施例3
1000gの硝酸クロム(III)9水和物と21 lのメタノールを、溶解反応器内で撹拌しながら混合した。1時間の撹拌後、2.3 lのチタンテトライソプロポキシドをこの溶液に添加し、混合物を5分間撹拌した。続いて、均一に回転しているダブルコーンドライヤー内で、この溶液を1時間かけて18kgのシリカゲル担体XPO2107(Graceから市販)(予めこのダブルコーンドライヤー内で130℃および10ミリバールで7時間乾燥したもの)上にポンプ送入した。添加後、溶解反応器を5 lのメタノールですすぎ、このすすぎ液も同様にシリカゲル担体に添加した。懸濁液をさらに1時間撹拌し、次いで90℃で真空を付与して、1時間後に100℃で10ミリバールの圧力に達するまで乾燥させた。こうして得たプレ触媒は、プレ触媒の重量を基準として0.7重量%のクロムおよび2重量%のチタンを含有する。
比較例C3
3.5 lのチタンテトライソプロポキシドと20 lのヘプタンを、溶解反応器内で撹拌しながら混合した。10分間の撹拌後、均一に回転しているダブルコーンドライヤー内で、この溶液を1時間かけて18kgのシリカゲル担体XPO2107(予めこのダブルコーンドライヤー内で130℃および10ミリバールで7時間乾燥したもの)上にポンプ送入した。溶解反応器を5 lのヘプタンですすぎ、このすすぎ液も同様にダブルコーンドライヤーに移した。次いで懸濁液を1時間撹拌した。続いてこれを90℃で真空を付与して、1時間後に100℃で10ミリバールの圧力に達するまで乾燥させた。続いて1000gの硝酸クロム(III)9水和物と23 lのメタノールを、溶解反応器内で撹拌しながら混合した。1時間の撹拌後、この溶液を1時間かけて回転ダブルコーンドライヤー内の担持チタン化合物上にポンプ送入した。添加後、溶解反応器を5 lのメタノールですすぎ、このすすぎ液も同様にダブルコーンドライヤーに移した。懸濁液をさらに1時間撹拌し、次いで90℃で真空を付与して、1時間後に100℃で10ミリバールの圧力に達するまで乾燥させた。こうして得たプレ触媒は、プレ触媒の重量を基準として0.7重量%のクロムおよび3重量%のチタンを含有する。
活性化
流動床活性化装置内で600または650℃において空気により活性化を行った。プレ触媒を活性化するために、これを1時間かけて300℃に加熱し、この温度に1時間保持し、続いて目的とする活性化温度に加熱し、この温度に2時間(実施例1およびC1)または5時間(実施例2、3、C2およびC3)保持し、続いて冷却した。窒素下で300℃未満に冷却した。実施例1、C1およびC2からのプレ触媒は750℃の活性化温度に加熱され、実施例2からのプレ触媒は600℃の活性化温度に加熱され、実施例3およびC3からのプレ触媒は520℃の活性化温度に加熱された。
重合
表1の重合実験を、180 lのPFループ反応器(=粒子形成(particle-forming)ループ反応器)内で、表1に明記した条件下に、全圧40バールおよび生産量25kg/時で実施した(懸濁媒質:イソブタン)。実施例1およびC1に記載した触媒を触媒として用いた。
表2の重合実験を、連続式気相流動床反応器(WO99/29736A1に記載のLupotech G)内で、表に明記した条件下に、全圧20バールおよび生産量50kg/時で実施した。
気相法で製造した生成物を、ZSK 40により200℃で保護ガス下に造粒した。フィルム製造のための加工を、60/25D押出機を備えたW&Hからのインフレートフィルムプラントで実施した。実施例2、C2、実施例3およびC3に記載した触媒を触媒として用いた。
重合および製品試験の結果を下記の各表にまとめる。
Figure 2006518771
実施例4
1430gの硝酸クロム(III)9水和物と26 lのメタノールを、溶解反応器内で撹拌しながら混合した。1時間の撹拌後、2.3 lのチタンテトライソプロポキシドをこの溶液に添加し、混合物を5分間撹拌した。続いて、この溶液を1時間かけて18kgのシリカゲル担体XPO2107(Graceから市販)上にポンプ送入した。添加後、溶解反応器を4 lのメタノールですすぎ、このすすぎ液も同様にシリカゲル担体に添加した。懸濁液をさらに1時間撹拌し、次いで95℃で乾燥させた。こうして得たプレ触媒は、プレ触媒の重量を基準として1重量%のクロムおよび2重量%のチタンを含有する。
比較例C4
4,86gのCrOおよび10gのMgSOの、ヘキサン300mL中懸濁液に、9.45mlのt−ブタノールのヘキサン50ml中溶液を添加することにより、ジ−t−ブチルクロメートを調製した。15分間撹拌した後、溶液を濾過して、ジ−t−ブチルクロメートのヘキサン溶液を得た。
31.5mlのチタンテトライソプロポキシドおよびジ−t−ブチルクロメートのヘキサン溶液を一緒に、250gのシリカゲル担体XPO2107(Graceから市販)に添加した。次いで懸濁液を1時間撹拌した。ヘキサンを留去し、続いて得られた固体を80℃で真空を付与して乾燥させた。こうして得たプレ触媒は、プレ触媒の重量を基準として1重量%のクロムおよび2重量%のチタンを含有する。
活性化
前記に従って流動床活性化装置内で520℃において空気により活性化を行った。
重合
表3の重合実験を、1 lのオートクレーブ反応器内で、全圧40バール、100℃において90分間実施した(懸濁媒質:イソブタン400ml、ヘキサン10ml)。実施例4およびC4に記載した触媒を触媒として用いた。両方ともポリマー約6000g/触媒gの生産性を示した。この新規な触媒は、非プロトン性媒質中で調製した触媒(比較例C4)より高い分子量(MおよびM)およびより広い分子量分布(M/M)をもつ、ほぼ同じ密度のエチレンコポリマーを生成した。
Figure 2006518771

Claims (9)

  1. 下記の工程を含む、担持されたチタン添加クロム触媒の製造方法:
    A)チタン化合物およびクロム化合物を含むプロトン性媒質と、担体材料を接触させ、
    B)場合により、溶媒を除去し、
    C)場合により、工程B)の後に得られたプレ触媒を焼成し、そして
    D)場合により、工程B)またはC)の後に得られたプレ触媒を酸素含有雰囲気で400〜1100℃において活性化する。
  2. 担体材料がシリカゲルである、請求項1に記載の方法。
  3. クロム化合物が無機クロム化合物である、請求項1または2に記載の方法。
  4. 無機クロム化合物が硝酸クロム(III)9水和物である、請求項3に記載の方法。
  5. チタン化合物がチタンテトライソプロポキシド、チタンテトラ−n−ブトキシド、またはこれら2種類のチタン化合物の混合物である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
  6. プロトン性媒質がメタノールである、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
  7. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法により得られる触媒系。
  8. 請求項7に記載の触媒系の存在下でオレフィンを重合または共重合させることにより、ポリオレフィンを製造する方法。
  9. エチレン、あるいは少なくとも50モル%のエチレンを含有するエチレンおよび/またはC−C12−1−アルケンのモノマー混合物を、重合におけるモノマーとして使用する、請求項8に記載の方法。
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