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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen von Homo-
und Copolymeren von Ethylen bereit, insbesondere ein Verfahren zum
Herstellen von Homo- und
Copolymeren von Ethylen unter Verwendung eines Katalysators mit
einer hohen Aktivität
zur Herstellung der Polymere mit einer hohen Raumdichte und einer
schmalen Molekulargewichtsverteilung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Es
ist bekannt, dass Magnesium-enthaltende Katalysatoren zur Polymerisation
oder Copolymerisation von Ethylen sehr hohe katalytische Aktivitäten aufweisen
und Polymere mit hoher Raumdichte, die sowohl für die Flüssigphasen- als auch für die Gasphasenpolymerisation
geeignet sind, liefern. Bei der Flüssigphasenpolymerisation von
Ethylen handelt es sich um ein Polymerisationsverfahren, das in
einem Medium wie Ethylen in Masse, Isopentan oder Hexan durchgeführt wird,
wobei folgende Merkmale von Katalysatoren, die bei diesem Verfahren
verwendet werden, wichtig sind: hohe katalytische Aktivität, Raumdichte
der erzeugten Polymere, und so weiter. In Verbindung mit diesen
Merkmalen ist die Molekulargewichtsverteilung eine wichtige Variable,
welche die physikalischen Eigenschaften von Ethylenpolymeren bestimmt.
Insbesondere ist eine schmale Molekulargewichtsverteilung von Ethylenpolymeren
ein sehr wichtiges und vorteilhaftes Merkmal bei spritzverarbeiteten
Körpern.
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Es
sind bereits viele Magnesium-enthaltende Katalysatoren auf Titanbasis
zur Olefinpolymerisation und deren Herstellungsverfahren beschrieben
worden. Insbesondere sind viele Verfahren unter Verwendung von Magnesiumlösungen zum
Herstellen von Katalysatoren, die Olefinpolymere mit hoher relativer
Raumdichte liefern können, bekannt.
Es gibt einen Weg, eine Magnesiumlösung durch Umsetzen von Magnesiumverbindungen
mit Elektronendonatoren wie Alkoholen, Aminen, cyclischen Ethern
oder organischen Carbonsäuren
in Gegenwart eines Kohlenwasserstoff-Lösungsmittels
zu erhalten. Fälle,
bei denen Alkohol verwendet wird, sind in den U.S.-Patenten Nr.
4,330,649 und 5,106,807 offenbart. Ferner sind Verfahren zum Herstellen von
Magnesium-enthaltenden Katalysatoren durch Umsetzen der Magnesiumlösung in
flüssiger
Phase mit einer halogenierten Verbindung, wie z. B. Titantetrachlorid,
bekannt. Darüber
hinaus ist versucht worden, die Polymerisationsaktivität oder die
Molekulargewichtsverteilung durch Zusetzen von Esterverbindungen
zu steuern. Solche Katalysatoren verleihen den erhaltenen Polymeren
eine hohe Raumdichte, bezüglich
ihren katalytischen Aktivitäten
und der Molekulargewichtsverteilung der Polymere muss jedoch noch
viel verbessert werden. Bei den U.S.-Patenten Nr. 4,477,639 und 4,518,706
wurde der cyclische Ester Tetrahydrofuran als Lösungsmittel für eine Magnesiumverbindung
verwendet.
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Die
U.S.-Patente Nr. 4,847,227, 4,816,433, 4,829,037, 4,970,186 und
5,130,284 beschreiben die Verwendung von Elektronendonatoren wie
Dialkylphthalat, Phthaloylchlorid usw. bei der Umsetzung mit der
Titanchloridverbindung zur Herstellung von Olefinpolymerisations-Katalysatoren
mit überragender
Polymerisationsaktivität,
die fähig
sind, die Raumdichte der hergestellten Polymere zu erhöhen.
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Das
U.S.-Patent Nr. 5,459,116 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung
eines festen Titankatalysators durch Kontakt-Umsetzen einer Magnesiumlösung, die
einen Ester mit wenigstens einer Hydroxygruppe als Elektronendonator
enthält,
mit einer Titanverbindung. Durch dieses Verfahren kann ein Katalysator
erhalten werden, der eine hohe Polymerisationsaktivität aufweist
und den hergestellten Polymeren eine hohe Raumdichte verleiht, wobei
es jedoch Raum für
weitere Verbesserungen gibt.
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Bei
der Polymerisation von α-Olefin,
insbesondere bei der Polymerisation von Propylen, werden die externen
Elektronendonatoren im Allgemeinen zum Erhöhen der katalytischen Aktivität und der
Stereoregularität
verwendet. Die externen Elektronendonatoren umfassen organische
Verbindungen, die Sauerstoff-, Silicium-, Stickstoff-, Schwefel-
oder Phosphoratome enthalten, wie z. B. organische Säuren, organische Anhydride,
organische Säureester,
Alkohole, Ether, Aldehyde, Ketone, Silane, Amine, Aminoxide, Amide,
Diole und Phosphatester.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Verfahrens
zum Herstellen von Homo- und Copolymeren von Ethylen mit Hilfe von
Katalysatoren mit überragender
katalytischer Aktivität,
wobei die Polymere eine hohe Raumdichte und eine schmale Molekulargewichtsverteilung
aufweisen. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zum Herstellen von Homo- und Copolymeren von Ethylen mit einer schmalen
Molekulargewichtsverteilung der Polymere bereit, wobei die Partikelform
der Polymere gesteuert wird und Katalysatoren mit hoher Polymerisationsaktivität verwendet
werden.
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Weitere
Aufgaben und der Nutzen der vorliegenden Erfindung werden aus der
folgenden Beschreibung und den anhängenden Ansprüchen deutlich
werden.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Das
Verfahren zum Herstellen von Homo- und Copolymeren von Ethylen gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst das Durchführen
einer Homo- oder Copolymerisation von Ethylen in Gegenwart von folgendem:
(a) einem festen, komplexen Titankatalysator, der durch ein einfaches
und doch effizientes Herstellungsverfahren unter Verwendung von
Magnesium, Titan, Halogen und Elektronendonatoren, umfassend (i)
Herstellen einer Magnesiumlösung
durch Kontakt-Umsetzen einer halogenierten Magnesiumverbindung mit
Alkohol; (ii) Umsetzen der Lösung
mit einer Esterverbindung, die wenigstens eines Hydroxygruppe aufweist,
und einer Siliciumverbindung, die wenigstens einen Alkoxyrest aufweist;
und (iii) Zusetzen eines Gemischs aus einer Titanverbindung und
einer Siliciumverbindung, hergestellt ist; (b) organometallischen
Verbindungen der Gruppen II oder III des periodischen Systems der
Elemente; und (c) einer cyclischen Stickstoffverbindung.
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Beim
Herstellen von Katalysatoren, die bei der vorliegenden Erfindung
verwendet werden, sind die Arten der dabei verwendeten halogenierten
Magnesiumverbindungen wie folgt: dihalogeniertes Magnesium, wie z.
B. Magnesiumchlorid, Magnesiumiodid, Magnesiumfluorid und Magnesiumbromid;
Alkylmagnesiumhalogenide, wie z. B. Methylmagnesiumhalogenid, Ethylmagnesiumhalogenid,
Propylmagnesiumhalogenid, Butylmagnesiumhalogenid, Isobutylmagnesiumhalogenid,
Hexylmagnesiumhalogenid und Amylmagnesiumhalogenid; Alkoxymagnesiumhalogenide,
wie z. B. Methoxymagnesiumhalogenid, Ethoxymagensiumhalogenid, Isopropoxymagnesiumhalogenid,
Butoxymagnesiumhalogenid, Octoxymagnesiumhalogenid; und Aryloxymagnesiumhalogenide,
wie z. B. Phenoxymagnesiumhalogenid und Methylphenoxymagnesiumhalogenid.
Von den vorstehend genannten Magnesiumverbindungen können zwei
oder mehrere Verbindungen in einem Gemisch verwendet werden. Ferner
können
die vorstehend genannten Magnesiumverbindungen in der Form einer Komplexverbindung
mit anderen Metallen wirksam verwendet werden.
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Von
den vorstehend aufgeführten
Verbindungen können
einige durch eine einfache Formel dargestellt werden, in Abhängigkeit
von den Herstellungsverfahren der Magnesiumverbindungen können die
anderen jedoch nicht auf diese Weise dargestellt werden. In den
letztgenannten Fällen
können
sie im Allgemeinen als ein Gemisch von einigen der aufgeführten Verbindungen
angesehen werden. Beispielsweise können folgende Verbindungen
bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden: Verbindungen, die
durch Umsetzen von Magnesiumverbindungen mit Polysiloxanverbindungen,
Silanverbindungen, die Halogen, Ester oder Alkohol enthalten, hergestellt
sind; und Verbindungen, die durch Umsetzen von Magnesiummetall mit
Alkohol, Phenol oder Ether in Gegenwart von Halogensilan, Phosphorpentachlorid
oder Thionylchlorid hergestellt sind. Die bevorzugten Magnesiumverbindungen
sind jedoch Magnesiumhalogenide, insbesondere Magnesiumchlorid oder
Alkylmagnesiumchlorid, vorzugsweise solche mit einem Alkylrest mit
1 bis 10 Kohlenstoffatomen; Alkoxymagnesiumchloride, vorzugsweise
solche mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen; und Aryloxymagnesiumchloride, vorzugsweise
solche mit 6 bis 20 Kohlenstoffatomen. Die bei der vorliegenden
Erfindung verwendete Magnesiumlösung
kann als Lösung
durch Verwendung der vorstehend genannten Magnesiumverbindungen
in Gegen wart eines Kohlenwasserstoff-Lösungsmittels oder bei Abwesenheit
davon in einem Alkohol-Lösungsmittel hergestellt
werden.
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Die
Arten der Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel,
die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, umfassen aliphatische
Kohlenwasserstoffe, wie z. B. Pentan, Hexan, Heptan, Octan, Decan
und Kerosin; alicyclische Kohlenwasserstoffe, wie z. B. Cyclobenzol,
Methylcyclobenzol, Cyclohexan und Methylcyclohexan; aromatische
Kohlenwasserstoffe, wie z. B. Benzol, Toluol, Xylol, Ethylbenzol,
Cumol und Cymol; und halogenierte Kohlenwasserstoffe, wie z. B.
Dichlorpropan, Dichlorethylen, Trichlorethylen, Tetrachlorkohlenstoff und
Chlorbenzol.
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Wird
eine halogenierte Magnesiumverbindung in eine Magnesiumlösung umgewandelt,
so wird Alkohol in Gegenwart der vorstehend genannten Kohlenwasserstoffe
oder bei deren Abwesenheit verwendet. Die Arten der Alkohole umfassen
solche mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, wie z. B. Methanol, Ethanol,
Propanol, Butanol, Pentanol, Hexanol, Octanol, Decanol, Dodecanol,
Octadecylalkohol, Benzylalkohol, Phenylethylalkohol, Isopropylbenzylalkohol
und Cumylalkohol, wobei Alkohole mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen
bevorzugt sind. Die mittlere Größe eines
Zielkatalysators und seine Partikelverteilung können gemäß den Arten des Alkohols, den
Gesamtmengen, den Arten der Magnesiumverbindungen und dem Verhältnis von
Magnesium zu Alkohol usw. variieren. Die Gesamtmenge an Alkohol,
die zum Herstellen der Magnesiumlösung benötigt wird, beträgt jedoch
wenigstens 0,5 mol pro mol der Magnesiumverbindungen, vorzugsweise
etwa 1,0 bis 20 mol, bevorzugter etwa 2,0 bis 10 mol.
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Bei
der Herstellung der Magnesiumlösung
wird die Umsetzung einer halogenierten Magnesiumverbindung mit Alkohol
vorzugsweise in Gegenwart eines Kohlenwasserstoff-Mediums durchgeführt. Die
Reaktionstemperatur ist in Abhängigkeit
von der Art und der Menge des Alkohols veränderlich, wobei sie wenigstens etwa –25 °C, vorzugsweise –10 bis
200 °C,
bevorzugter etwa 0 bis 150 °C,
beträgt.
Vorzugsweise wird die Umsetzung über
einen Zeitraum von etwa 15 Minuten bis 5 Stunden, bevorzugter etwa
30 Minuten bis 4 Stunden, durchgeführt.
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Von
den Elektronendonatoren, die bei der Herstellung der bei der vorliegenden
Erfindung verwendeten Katalysatoren verwendet werden, umfassen die
Esterverbindungen, die wenigstens eine Hydroxygruppe aufweisen,
ungesättigte
aliphatische Säureester
mit wenigstens einer Hydroxygruppe, wie z. B. 2-Hydroxyethylacrylat,
2-Hydroxyethylmethacrylat,
2-Hydroxypropylacrylat, 2-Hydroxypropylmethacrylat, 4-Hydroxybutylacrylat
und Pentaerythritoltriacrylat; aliphatische Monoester oder Polyester
mit wenigstens einer Hydroxygruppe, wie z. B. 2-Hydroxyethylacetat,
Methyl-3-hydroxybutylat,
Ethyl-3-hydroxybutylat, Methyl-2-hydroxyisobutylat, Ethyl-2-hydroxyisobutylat,
Methyl-3-hydroxy-2-methylpropionat, 2,2-Dimethyl-3-hydroxypropionat, Ethyl-6-hydroxyhexanoat,
tert-Butyl-2-hydroxyisobutylat, Diethyl-3-hydroxyglutarat, Ethyllactat, Isopropyllactat,
Butylisobutyllactat, Isobutyllactat, Ethylmandelat, Dimethylethyltartrat,
Ethyltartrat, Dibutyltartrat, Diethylcitrat, Triethylcitrat, Ethyl-2-hydroxycaproat
und Diethyl-bis(hydroxymethyl)malonat; aromatische Ester mit wenigstens
einer Hydroxygruppe, wie z. B. 2-Hydroxyethylbenzoat, 2-Hydroxyethylsalicylat,
Methyl-4-(hydroxymethyl)benzoat, Methyl-4-hydroxybenzoat, Ethyl-3-hydroxybenzoat, 4-Methylsalicylat,
Ethylsalicylat, Phenylsalicylat, Propyl-4-hydroxybenzoat, Phenyl-3-hydroxynaphthanoat,
Monoethylenglycolmonobenzoat, Diethylenglycolmonobenzoat und Triethylenglycolmonobenzoat;
alicyclische Ester mit wenigstens einer Hydroxygruppe, wie z. B.
Hydroxybutyllacton, und andere. Die Menge der Esterverbindung mit
wenigstens einer Hydroxygruppe sollte 0,001 bis 5 mol pro mol Magnesium
betragen, vorzugsweise 0,01 bis 2 mol pro mol Magnesium.
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Als
Siliciumverbindung mit wenigstens einem Alkoxyrest, die bei der
Herstellung von Katalysatoren, die bei der vorliegenden Erfindung
verwendet werden, als weiterer Elektronendonator verwendet werden
kann, ist eine Verbindung, die durch die allgemeine Formel RnSi(OR)4-n (wobei
R ein Kohlenwasserstoff mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen ist, und „n" eine ganze Zahl
von 0 bis 3 ist) dargestellt wird, bevorzugt. Insbesondere können folgende
Verbindungen verwendet werden: Dimethyldimethoxysilan, Dimethyldiethoxysilan,
Diphenyldimethoxysilan, Methylphenylmethoxysilan, Diphenyldiethoxysilan,
Ethyltrimethoxysilan, Vinyltrimethoxysilan, Methyltrimethoxysilan,
Phenyltrimethoxysilan, Methyltriethoxysilan, Ethyltriethoxysilan,
Vinyltriethoxysilan, Butyltriethoxysilan, Phenyltriethoxysilan,
Ethyltriisopropoxysilan, Vinyltributoxysilan, Ethylsilicat, Butylsilicat,
Methyltriaryloxysilan, und so weiter. Die Menge der Ver bindung beträgt vorzugsweise
0,05 bis 3 mol pro mol Magnesium, bevorzugter 0,1 bis 2 mol.
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Bezüglich der
Temperatur der Kontakt-Umsetzung der Magnesiumlösung, einer Esterverbindung
mit wenigstens einer Hydroxygruppe und einer Alkoxysiliciumverbindung
ist eine Temperatur von 0 bis 100 °C, bevorzugter 10 bis 70 °C, geeignet.
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Zur
Rekristallisation von Katalysatorpartikeln wird die mit dem Elektronendonator
umgesetzte Magnesiumverbindungslösung
anschließend
mit einem Gemisch aus einer flüssigen
Titanverbindung, die durch die allgemeine Formel Ti(OR)aX4-a (wobei R ein Kohlenwasserstoffrest ist,
X ein Halogenatom ist, und „a" eine natürliche Zahl
von 0 bis 4 ist) dargestellt wird, und einer Verbindung, die durch
die allgemeine Formel RnSiCl4-n (wobei
R Wasserstoff, ein Alkylrest, ein Alkoxy-, Halogenalkyl- oder Arylrest
mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, oder Halogensilyl, oder ein Halogensilylalkylrest
mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen ist, und „n" eine natürliche Zahl von 0 bis 3 ist),
dargestellt wird, umgesetzt.
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Die
Arten von Titanverbindungen, die der allgemeinen Formel Ti(OR)aX4-a genügen, umfassen
4-halogeniertes Titan, wie z. B. TiCl4,
TiBr4 und Til4;
3-halogeniertes Alkoxytitan, wie z. B. Ti(OCH3)Cl3, Ti(OC2H5)Cl3, Ti(OC2H5)Br3 Und
Ti(O(i-C4H9))Br3; 2-halogenierte
Alkoxytitanverbindungen, wie z. B. Ti(OCH3)2Cl2, Ti(OC2H5)2Cl2, Ti(O(i-C4H9))2Cl2 und Ti(OC2H5)2Br2;
und Tetraalkoxytitan, wie z. B. Ti(OCH3)4, Ti(OC2H5)4 und Ti(OC4H9)4.
Bei der vorliegenden Erfindung kann auch ein Gemisch der vorstehend
genannten Titanverbindungen verwendet werden. Die bevorzugten Titanverbindungen
sind jedoch solche, die Halogen enthalten, wobei Titantetrachlorid
bevorzugter ist.
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Die
Arten von Siliciumverbindungen, die der vorstehenden allgemeinen
Formel RnSiCl4-n (wobei
R Wasserstoff, ein Alkylrest, ein Alkoxy-, Halogenalkyl- oder Arylrest
mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, oder Halogensilyl, oder ein Halogensilylalkylrest
mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen ist, und „n" eine natürliche Zahl von 0 bis 3 ist),
genügen,
umfassen Siliciumtetrachlorid; Trichlorsilane, wie z. B. Methyltrichlorsilan,
Ethyltrichlorsilan, Phenyltrichlorsilan; Dichlorsilane, wie z. B.
Dimethyldichlorsilan, Diethyldich lorsilan, Diphenyldichlorsilan
und Methylphenyldichlorsilan; Monochlorsilane, wie z. B. Trimethylchlorsilan;
außerdem
kann bei der vorliegenden Erfindung auch ein Gemisch dieser Siliciumverbindungen
verwendet werden, wobei bevorzugter Siliciumtetrachlorid verwendet
werden kann.
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Die
Menge des Gemischs einer Titanverbindung und einer Siliciumverbindung,
die bei der Rekristallisation der Magnesiumverbindungslösung verwendet
wird, beträgt
geeigneterweise 0,1 bis 200 mol pro mol der Magnesiumverbindungen,
vorzugsweise 0,1 bis 100 mol, bevorzugter 0,2 bis 80 mol. Das Molverhältnis der Siliciumverbindung
zu der Titanverbindung in dem Gemisch beträgt geeigneterweise 0,05 bis
0,95, bevorzugter 0,1 bis 0,8. Beim Umsetzen der Magnesiumverbindungslösung mit
dem Gemisch aus einer Titanverbindung und einer Siliciumverbindung
variieren die äußeren Formen
und die Größen der
so hergestellten rekristallisierten festen Bestandteile zu einem
hohen Maß gemäß den Reaktionsbedingungen.
Die Umsetzung der Magnesiumverbindungslösung mit dem Gemisch einer
Titanverbindung und einer Siliciumverbindung sollte daher vorzugsweise
bei einer ausreichend tiefen Temperatur durchgeführt werden, um zu der Bildung
von festen Bestandteilen zu führen.
Bevorzugter sollte die Umsetzung durch Kontakt-Umsetzen bei –70 bis
70 °C durchgeführt werden,
am bevorzugtesten bei –50
bis 50 °C.
Nach der Kontakt-Umsetzung wird die Reaktionstemperatur zum Zweck
einer ausreichenden Umsetzung für
die Dauer von 0,5 bis 5 Stunden langsam auf 50 bis 150 °C erhöht.
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Die
Partikel des festen Katalysators, der bei dem vorstehend beschriebenen
Verfahren erhalten wird, können
mit den Titanverbindungen weiter umgesetzt werden. Bei diesen Titanverbindungen
handelt es sich um Titanhalogenide oder halogenierte Alkoxytitanverbindungen
mit einem funktionellen Alkoxyrest mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen.
Es kann auch ein Gemisch dieser Verbindungen verwendet werden. Von
diesen Verbindungen können
ein Titanhalogenid oder eine halogenierte Alkoxytitanverbindung
mit einem funktionellen Alkoxyrest mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen
geeignet verwendet werden, wobei bevorzugter ein Titantetrahalogenid verwendet
werden kann.
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Der
gemäß der Verfahren
der vorliegenden Erfindung hergestellte Katalysator kann zur Homo-
und Copolymerisation von Ethylen verwendet werden. Insbesondere
wird der Katalysator bei der Homopolymerisation von Ethylen, aber
auch bei der Copolymerisation von Ethylen und einem α-Olefin mit
drei oder mehr Kohlenstoffatomen, wie z. B. Propylen, 1-Buten, 1-Penten,
4-Methyl-1-penten oder 1-Hexen, verwendet.
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Die
Polymerisationsreaktion gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst das Herstellen von Homo- oder Copolymeren von
Ethylen in Gegenwart von folgendem: (a) einem wie vorstehend beschriebenen,
festen, komplexen Titankatalysator, umfassend Magnesium, Titan,
Halogen und einen Elektronendonator; (b) organometallische Verbindungen
der Gruppe II oder III des periodischen Systems der Elemente; und
(c) einer cyclischen Stickstoffverbindung.
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Die
feste Titankatalysator-Komponente kann als eine Komponente bei der
Polymerisationsreaktion nach einer Vorpolymerisation mit Ethylen
oder α-Olefin
verwendet werden. Die Vorpolymerisation kann in Gegenwart eines
Kohlenwasserstoff-Lösungsmittels,
wie z. B. Hexan, bei einer ausreichend tiefen Temperatur mit Ethylen
oder α-Olefin
unter Druck in Gegenwart des vorstehend genannten Katalysatorbestandteils
und einer organischen Aluminiumverbindung wie Triethylaluminium
durchgeführt
werden. Die Vorpolymerisation ist dadurch, dass sie die äußere Form
der Katalysatoren durch Umhüllen
der Katalysatorpartikel mit Polymeren aufrecht erhält, zum
Erzielen von hochqualitativen äußeren Formen
der Polymere nach der Polymerisation von Nutzen. Das Gewichtsverhältnis von
Polymeren zu Katalysatoren nach der Vorpolymerisation beträgt üblicherweise
0,1:1 bis 20:1.
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Die
organometallische Verbindung bei der vorliegenden Erfindung kann
durch die allgemeine Formel MRn dargestellt
werden, wobei M für
einen Metallbestandteil der Gruppe II oder IIIA des periodischen
Systems der Elemente steht, wie z. B. Magnesium, Calcium, Zink,
Bor, Aluminium und Gallium, R für
einen Alkylrest mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen steht, wie z. B.
eine Methyl-, Ethyl-, Butyl-, Hexyl-, Octyl- oder Decylgruppe, und
n für die
Atomvalenz des Metallbestandteils steht. Als bevorzugtere organometallische
Verbindungen können
ein Trialkylaluminium mit einem Alkylrest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen,
wie z. B. Triethylaluminium und Triisobutylaluminium, oder deren
Gemisch verwendet werden. Gegebenenfalls kann auch eine organische
Aluminiumverbindung mit einer oder mehreren Halogen- oder Hydridgruppen,
wie z. B. Ethylaluminiumdichlorid, Diethylaluminiumchlorid, Ethylaluminiumsesquichlorid
und Diisobutylaluminiumhydrid, verwendet werden.
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Bei
dem externen Elektronendonator, der gemäß der vorliegenden Erfindung
bei der Herstellung von Ethylenpolymeren, die eine schmale Molekulargewichtsverteilung
aufweisen, mit einer hohen katalytischen Aktivität verwendet wird, handelt es
sich um eine cyclische Stickstoffverbindung. Die Arten der cyclischen Stickstoffverbindungen
umfassen 2,6-Lutidin, 2,3-Dimethylchinoxalin, Chinaldin, 2,4,6-Collidin,
2,4-Dimethylchinolin,
2-Picolin, 2,3,5,6-Tetramethylpyrazin, Phenazin, Acridin, Di-tert-butylpyridin und
Gemische davon.
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Die
Polymerisationsreaktion kann sowohl in der Gasphase als auch als
Massenpolymerisation bei Abwesenheit eines organischen Lösungsmittels
durchgeführt
werden, oder als Flüssigschlamm-Polymerisation in
Gegenwart eines organischen Lösungsmittels.
Diese Polymerisationsverfahren werden jedoch bei Abwesenheit von
Sauerstoff, Wasser und anderen Verbindungen, die als Katalysatorgift
wirken können,
durchgeführt.
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Die
Konzentration des festen, komplexen Titankatalysators (a) in dem
Polymerisations-Reaktionssystem beträgt bei der Flüssigphasen-Schlammpolymerisation
etwa 0,001 bis 5 mmol bezogen auf die Titanatome in dem Katalysator
pro Liter des Lösungsmittels,
bevorzugter etwa 0,001 bis 0,5 mmol. Als Lösungsmittel können folgende
Verbindungen oder Gemische davon verwendet werden: Alkane, wie z.
B. Pentan, Hexan, Heptan, n-Octan, Isooctan, Cyclohexan und Methylcyclohexan;
Alkylaromaten, wie z. B. Toluol, Xylol, Ethylbenzol, Isopropylbenzol,
Ethyltoluol, n-Propylbenzol
und Diethylbenzol; halogenierte Aromaten, wie z. B. Chlorbenzol, Chlornaphthalin
und ortho-Dichlorbenzol; und die Gemische davon.
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Bei
der Gasphasenpolymerisation sollte die Menge des festen, komplexen
Titankatalysators (a) etwa 0,001 bis 5 mmol bezogen auf die Titanatome
in dem Katalysator pro Liter des Polymerisationsreaktors betragen,
vorzugsweise etwa 0,001 bis 1,0 mmol, bevorzugter etwa 0,01 bis
0,5 mmol.
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Die
bevorzugte Konzentration der organometallischen Verbindung (b),
berechnet für
das organometallische Atom, beträgt
etwa 1 bis 2000 mol pro mol Titanatome in dem Katalysator (a), bevorzugter
etwa 5 bis 500 mol.
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Die
bevorzugte Konzentration der cyclischen Stickstoffverbindung (c)
beträgt
etwa 0,001 bis 40 mol pro mol organometallische Atome in der organometallischen
Verbindung (b), bevorzugter etwa 0,05 bis 30 mol.
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Um
eine hohe Polymerisationsgeschwindigkeit zu gewährleisten, wird die Polymerisation
ungeachtet des Polymerisationsvorgangs bei einer ausreichend hohen
Temperatur durchgeführt.
Im Allgemeinen ist eine Temperatur von etwa 20 bis 200 °C geeignet,
bevorzugter etwa 20 bis 95 °C.
Der geeignete Druck der Monomere bei der Polymerisation beträgt vom atmosphärischen
Druck bis 100 atm, bevorzugter 2 bis 50 atm.
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Bei
der vorliegenden Erfindung werden die Molekulargewichte der Polymere
durch den Schmelzindex (ASTM D1238), der im Stand der Technik allgemein
bekannt ist, dargestellt. Der Wert des Schmelzindex steigt im Allgemeinen
mit fallendem Molekulargewicht. Darüber hinaus wurde die Molekulargewichtsverteilung
der Polymere mittels Gelpermeationschromatographie (GPC), deren
Verfahren im Stand der Technik allgemein bekannt ist, gemessen.
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Bei
den Produkten, die durch das Polymerisationsverfahren der vorliegenden
Erfindung erhalten werden, handelt es sich um feste Ethylen-Homopolymere
oder Copolymere von Ethylen und α-Olefin,
die ausgezeichnete Raumdichte und Fluidität aufweisen. Da die Polymerausbeuten
ausreichend hoch sind, besteht kein Bedarf am Entfernen von Katalysatorrückständen.
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BEISPIELE
UND VERGLEICHSBEISPIELE
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand der nachstehenden Beispiele und
Vergleichsbeispiele ausführlicher
beschrieben, sie sollte jedoch nicht auf diese Beispiele eingeschränkt oder
beschränkt
werden.
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BEISPIEL 1
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Herstellung
des Katalysators
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Ein
fester, komplexer Titankatalysator wurde durch die folgenden drei
Schritte hergestellt:
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Schritt (i): Herstellung
einer Magnesiumverbindungslösung
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In
einen mit einem mechanischen Rührer
ausgestatteten und unter Stickstoffatmosphäre gesetzten 1,0-Liter-Reaktor
wurden 9,5 g MgCl2 und 600 ml Decan gegeben.
Nach Rühren
mit 500 Upm wurden 70 ml 2-Ethylhexanol zugesetzt. Die Temperatur
wurde auf 120 °C
erhöht
und die Umsetzung über
einen Zeitraum von drei Stunden geführt. Die durch die Umsetzung
erhaltene homogene Lösung
wurde auf Raumtemperatur (25 °C)
abgekühlt.
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Schritt (ii): Kontakt-Umsetzung
der Magnesiumlösung
mit einem Hydroxygruppe-enthaltenden Ester und einer Alkoxysilanverbindung
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Zu
der auf 25 °C
abgekühlten
Magnesiumverbindungslösung
wurden 0,8 ml 2-Hydroxyethylmethacrylat
und 15,0 ml Siliciumtetraethoxid zugesetzt, anschließend wurde
die Umsetzung über
einen Zeitraum von einer Stunde geführt.
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Schritt (iii): Behandlung
mit einem Gemisch aus einer Titanverbindung und einer Siliciumverbindung
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Nach
Einstellen der Temperatur der Lösung
auf Raumtemperatur (25 °C)
wurde eine Lösung
eines Gemischs von 50 ml Titantetrachlorid und 50 ml Siliciumtetrachlorid
innerhalb einer Stunde zugetropft. Nach dem Abschluss des Zutropfens
wurde die Temperatur des Reaktors auf 70 °C erhöht und eine Stunde bei dieser Temperatur
gehalten. Nach Rühren
und nach Abkühlen
auf Raumtemperatur wurde der Überstand
der Lösung entfernt,
anschließend
wurden der zurückbleibenden
festen Schicht 300 ml Decan und 100 ml Titantetrachlorid kontinuierlich
zugeträufelt.
Anschließend
wurde die Temperatur auf 100 °C
erhöht
und zwei Stunden bei diesem Wert gehalten. Nach der Umsetzung und
nach dem Abkühlen
auf Raumtemperatur wurde mit 400 ml Hexan bis zum Entfernen des
freien, nicht-umgesetzten TiCl4 gewaschen.
Der Titangehalt des so hergestellten festen Katalysators betrug
4,9 %.
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Polymerisation
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Ein
2-Liter-Hochdruckreaktor wurde in einem Ofen getrocknet und in heißem Zustand
zusammengesetzt. Um das Reaktorinnere unter Stickstoffatmosphäre zu setzen,
wurde der Reaktor drei Mal abwechselnd unter Stickstoff gesetzt
und evakuiert. Anschließend
wurden 1000 ml n-Hexan zugeführt,
wonach 3 mmol Triethylaluminium, 0,05 mmol 1,2-Lutidin und 0,03
mmol des vorstehend beschriebenen festen Katalysators, bezogen auf
die Titanatome, zugesetzt wurden. Anschließend wurden 1000 ml Wasserstoff
zugesetzt. Die Temperatur des Reaktors wurde unter Rühren mit
einem Rührer
mit 700 Upm auf 80 °C
erhöht.
Der Ethylendruck wurde auf 80 psi eingestellt und die Polymerisation über einen
Zeitraum von einer Stunde geführt.
Nach der Polymerisation wurde die Temperatur des Reaktors auf Raumtemperatur
abgesenkt und den so erhaltenen polymerisierten Massen eine große Menge
Ethanollösung
zugesetzt. Das so hergestellte Polymer wurde durch Abtrennen gewonnen
und in einem Vakuumofen bei 50 °C
mindestens sechs Stunden lang getrocknet, wodurch Polyethylen in
der Form eines weißen
Pulvers erhalten wurde.
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Die
Polymerisationsaktivität
(kg Polyethylen geteilt durch Gramm Katalysator) wurde als das Gewichtsverhältnis (kg)
der hergestellten Polymere pro Menge des verwendeten Katalysators
(Gramm Katalysator) berechnet. Die Ergebnisse der Polymerisation
sind in Tabelle 1 zusammen mit der Raumdichte (g/ml) der Polymere,
dem Schmelzindex (g/10 Minuten) und der Molekulargewichtsverteilung
(Mw/Mn) gezeigt.
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BEISPIELE 2 BIS 10
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Die
Arten und Konzentrationen der cyclischen Stickstoffverbindungen
wurden verändert,
die Polymerisation wurde jedoch jeweils auf die gleiche Weise wie
in Beispiel 1 mit dem in Beispiel 1 hergestellten Katalysator durchgeführt; die
Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
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VERGLEICHSBEISPIEL 1
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Die
Polymerisation wurde mit dem in Beispiel 1 hergestellten Katalysator
auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt, ohne jedoch bei dem Polymerisationsverfahren
von Beispiel 1 1,2-Lutidin zu verwenden; die Ergebnisse sind in
Tabelle 1 gezeigt.
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VERGLEICHSBEISPIEL 2
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Der
Katalysator wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt,
ohne jedoch bei dem Verfahren der Katalysatorherstellung von Beispiel
1 in Schritt (ii) 2-Hydroxyethylmethacrylat
und Siliciumtraethoxid zu verwenden. Der Titangehalt des so hergestellten
Katalysators betrug 4,9 %. Die Polymerisation wurde auf die gleiche
Weise wie in Vergleichsbeispiel 1 durchgeführt; die Ergebnisse sind in
Tabelle 1 gezeigt.
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VERGLEICHSBEISPIEL 3
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Der
Katalysator wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt,
mit der Ausnahme, dass bei dem Verfahren der Katalysatorherstellung
von Beispiel 1 in Schritt (ii) 15,0 ml Siliciumtraethoxid, aber
kein 2-Hydroxyethylmethacrylat verwendet wurde. Der Titangehalt
des so hergestellten Katalysators betrug 4,7 %. Die Polymerisation
wurde auf die gleiche Weise wie in Vergleichsbeispiel 1 durchgeführt; die
Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
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VERGLEICHSBEISPIEL 4
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Der
Katalysator wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt,
mit der Ausnahme, dass bei dem Verfahren der Katalysatorherstellung
von Beispiel 1 in Schritt (ii) 0,8 ml ml 2-Hydroxyethylmethacrylat, aber
kein Siliciumtraethoxid verwendet wurde. Der Titangehalt des so
hergestellten Katalysators betrug 4,1 %. Die Polymerisation wurde
auf die gleiche Weise wie in Vergleichsbeispiel 1 durchgeführt; die
Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle
1
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Wie
vorstehend gezeigt, ist es durch das Verfahren zum Herstellen von
Homo- und Copolymeren von Ethylen gemäß der vorliegenden Erfindung
möglich,
Homo- und Copolymere von Ethylen mit einer hohen Raumdichte und
einer schmalen Molekulargewichtsverteilung mit hoher Polymerisationsaktivität zu erhalten.