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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Katalysator für die Polymerisation
und Copolymerisation von Ethylen. Insbesondere betrifft die Erfindung
einen festen Titankomplexkatalysator für die Polymerisation und Copolymerisation
von Ethylen. Ausführungsformen
des Katalysatorsystems umfassen einen festen Titankomplexkatalysator,
der auf einem Magnesium enthaltenden Träger geträgert wird. Der Katalysator
kann eine hohe katalytische Aktivität, eine hervorragende Wasserstoffreaktivität während der
Polymerisation und eine gesteuerte Partikelgröße bewirken, wodurch Polymere
mit hoher Zellendichte hergestellt werden können.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Die
Polymerisation von Ethylen wird in der Regel in der flüssigen Phase
in Gegenwart eines Lösungsmittels
wie Isopentan oder Hexan oder in der gasförmigen Phase durchgeführt. Die
wichtigen Faktoren, welche die Polymerisation in diesen Prozessen
beeinflussen, sind: die Polymerisationsaktivität und Wasserstoffreaktivität des Katalysators,
die Zellendichte der entstehenden Polymere, die Menge der in der
Lösung
lösbaren Monomere,
die Verteilung der Partikelgrößen und
das Vorhandensein von Feinpartikeln in den entstehenden Polymeren.
Die Wasserstoffreaktivität
kann allgemein als das Maß der Änderung
der Molmasse der hergestellten Polymere entsprechend der Menge des
Wasserstoffs definiert sein, der während der Polymerisation und Copolymerisation
von Ethylen verwendet wird, um die Molmasse der Polymere zu steuern.
Durch Verwendung eines Katalysators mit hoher Wasserstoffreaktivität kann die
Molmasse der Polymere effektiv mittels kleiner Mengen von Wasserstoff
gesteuert werden, was Flexibilität
bei der Handhabung des Polymerisationsprozesses erlaubt.
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In
jüngster
Zeit wurde von vielen Verfahren berichtet, bei denen Magnesium enthaltende
Katalysatoren auf Titanbasis für
die Polymerisation und Copolymerisation von Olefin verwendet werden.
Diese Katalysatoren können
eine hohe katalytische Aktivität
bereitstellen und die Herstellung von Polymeren mit hoher Zellendichte bewirken,
und es ist bekannt, daß sie
für die
Flüssigphasen-
und Gasphasenpolymerisation geeignet sind.
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So
wird beispielsweise bei Verwendung einer Magnesiumlösung zum
Erhalten eines Katalysators, der die Herstellung von Olefinpolymeren
mit hoher Zellendichte bewirken kann, die Magnesiumlösung durch
Reaktion von Magnesiumverbindungen mit einem Elektronendonator dargestellt.
Elektronendonatoren umfassen Alkohole, Amine, zyklische Ether oder
organische Karbonsäuren.
Die Magnesiumlösung
wird in Gegenwart eines Kohlenwasserstoff-Lösungsmittels dargestellt. Ein
Katalysator mit Magnesiumträger
kann durch Reaktion der Magnesiumlösung mit Halogenverbindungen,
wie beispielsweise Titantetrachlorid, dargestellt werden. Verfahren,
bei denen ein Alkohol zur Darstellung einer Magnesiumlösung verwendet
wird, sind in den US-Patenten mit den Nummern 3,642,746, 4,336,360,
4,330,649 und 5,106,807 offenbart. Gleichfalls offenbaren die US-Patente
mit den Nummern 4,477,639 und 4,518,706 ein Verfahren, bei dem Tetrahydrofuran
oder ein zyklischer Ester als Lösungsmittel
zum Lösen
der Magnesiumverbindung verwendet wird. Obwohl sich mit diesen Katalysatoren
Polymere mit hoher Zellendichte herstellen lassen, müssen die
Katalysatoren hinsichtlich der katalytischen Aktivität und der
Wasserstoffreaktivität
noch verbessert werden.
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Zusätzlich wurde
in den US-Patenten mit den Nummern 4,847,277, 4,816,433, 4,829,037,
4,970,186 und 5,130,284 über
die Darstellung von Katalysatoren zur Polymerisation von Olefin
berichtet, die eine gute Polymerisationsaktivität aufweisen und die Zellendichte
der entstehenden Polymere verbessern können. Eine erhöhte Polymerisationsaktivität wurde
durch Reaktion von Elektronendonatoren, wie beispielsweise Magnesiumalkoxid,
Dialkylphthalat oder Phthaloylchlorid mit einer Titanchloridverbindung
erreicht. Im US-Patent Nr. 5,459,116 wurde über ein Verfahren zur Darstellung
eines festen Titankatalysators durch Kontaktreaktion einer Magnesiumlösung, die
einen Ester mit zumindest einer Hydroxylgruppe als Elektronendonator
enthält,
mit einer Titanverbindung berichtet. Mittels dieses Verfahrens ist
es möglich,
einen Katalysator zu erhalten, der eine hohe Polymerisationsaktivität aufweist
und eine hohe Zellendichte der entstehenden Polymere ermöglicht, aber
hinsichtlich der Wasserstoffreaktivität besteht noch weiterer Verbesserungsbedarf.
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Schließlich offenbart
das US-Patent Nr. 5,869,418 ein Verfahren zur Verbesserung der Wasserstoffreaktivität eines
Katalysators durch Verwendung von Dialkoxyphenylalkan als externem
Elektronendonator während
der Polymerisation von Propylen und veranschaulicht dessen Vorteile.
Die Anwendung dieses Verfahrens, bei dem zusätzlich zu einem festen Katalysator
ein externer Elektronendonator verwendet wird, ist jedoch auf die
Polymerisation und Copolymerisation von Propylen beschränkt.
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Aus
diesem Grund besteht Bedarf an Katalysatoren für die Polymerisation und Copolymerisation
von Ethylen, die durch einen einfachen Prozeß dargestellt werden können und
eine hohe Polymerisationsaktivität und
Wasserstoffreaktivität
aufweisen. Zusätzlich
besteht Bedarf an Katalysatoren, mit denen Polymere mit einer engen
Verteilung der Partikelgrößen und
mit einer geringen Menge von Feinpartikeln hergestellt werden können.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die obengenannten
Probleme der Verfahren nach dem Stand der Technik zu lösen und
einen Katalysator für
die Polymerisation und Copolymerisation von Ethylen vorzusehen.
Insbesondere besteht die Aufgabe darin, einen Katalysator vorzusehen,
der die für
die Polymerisation und Copolymerisation von Ethylen erforderliche
hohe katalytische Aktivität
aufweist, eine gesteuerte Partikelgröße des Katalysators aufweist,
um eine hohe Zellendichte des entstehenden Polymers zu ermöglichen,
und eine hohe Wasserstoffreaktivität aufweist, um den Polymerisationsvorgang
auf einfache Weise zu steuern.
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Genaue Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsformen
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In
einer Ausführungsform
kann ein Katalysator für
die Polymerisation und Copolymerisation von Ethylen, der eine hohe
katalytische Aktivität
und Wasserstoffreaktivität
aufweist und mit dem Polymere mit hoher Zellendichte hergestellt
werden können,
durch einen Prozeß hergestellt
werden, umfassend
- (1) Darstellung einer Magnesiumlösung durch
Kontaktreaktion einer halogenierten Magnesiumverbindung mit einem
Alkohol;
- (2) Reaktion der Magnesiumlösung
mit einer Esterverbindung mit zumindest einer Hydroxylgruppe und
einer Siliciumverbindung mit Alkoxygruppen zur Herstellung einer
Lösung
eines Magnesiumgemischs; und
- (3) Herstellung eines festen Titankatalysators durch Reaktion
der Lösung
des Magnesiumgemischs mit einer Mischung aus einer Titanverbindung
und einer Halogenalkanverbindung.
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Der
Prozeß zur
Darstellung eines Katalysators für
die Polymerisation und Copolymerisation von Ethylen kann ferner
fakultativ umfassen:
- (4) Reaktion des festen
Titankatalysators mit einer zusätzlichen
Titanverbindung.
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Der
Prozeß zur
Darstellung des Katalysators für
die Polymerisation und Copolymerisation von Ethylen wird nachfolgend
im einzelnen beschrieben.
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Eine
Magnesiumlösung
wird durch Kontaktreaktion einer halogenierten Magnesiumverbindung
mit Alkohol dargestellt.
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In
einer Ausführungsform
kann es sich bei der Magnesiumverbindung um eine halogenierte Magnesiumverbindung
handeln. Die Arten der in der vorliegenden Erfindung verwendeten
halogenierten Magnesiumverbindungen können die folgenden umfassen:
dihalogenierte Magnesiumverbindungen, wie beispielsweise Magnesiumchlorid,
Magnesiumjodid, Magnesiumfluorid und Magnesiumbromid; Alkylmagnesiumhalogenid-Verbindungen,
wie beispielsweise Methylmagnesiumhalogenid, Ethylmagnesiumhalogenid,
Propylmagnesiumhalogenid, Butylmagnesiumhalogenid, Isobutylmagnesiumhalogenid,
Hexylmagnesiumhalogenid und Amylmagnesiumhalogenid; Alkoxy-Magnesiumhalogenid-Verbindungen,
wie beispielsweise Methoxy-Magnesiumhalogenid, Ethoxy-Magnesiumhalogenid,
Isopropoxy-Magnesiumhalogenid, Butoxy-Magnesiumhalogenid und Octoxy-Magnesiumhalogenid;
und Aryloxy-Magnesiumhalogenide, wie beispielsweise Phenoxy-Magnesiumhalogenid
und Methylphenoxy-Magnesiumhalogenid. Diese Magnesiumverbindungen
können
in Form einer einzigen Verbindung oder als Mischung aus zwei oder
mehr Verbindungen verwendet werden. Ferner können die obengenannten Magnesiumverbindungen
effektiv in Form einer komplexen Verbindung mit anderen Metallen
verwendet werden.
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Weitere
Magnesiumverbindungen umfassen Verbindungen, die nicht durch eine
Formel dargestellt werden können,
wie dies je nach Herstellungsverfahren der Magnesiumverbindungen
vorkommen kann, und diese können
im allgemeinen als Mischung aus Magnesiumverbindungen betrachtet
werden. So können
beispielsweise die folgenden Verbindungen als Magnesiumverbindungen
verwendet werden: Verbindungen, die durch Reaktion einer Magnesiumverbindung
mit einer Polysiloxanverbindung erhalten werden, Silanverbindungen,
die ein Halogen, Ester oder Alkohol enthalten; und Verbindungen,
die durch Reaktion von metallischem Magnesium mit Alkohol, Phenol
oder Ether in Gegenwart von Halogensilan, Phosphorpentachlorid oder Thionylchlorid
erhalten werden.
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In
einigen Ausführungsformen
kann es sich bei den Magnesiumverbindungen um Magnesiumhalogenide
handeln, insbesondere Magnesiumchlorid oder Alkylmagnesiumchlorid
mit einer Alkylgruppe mit 1~10 Kohlenstoffatomen; Alkoxy-Magnesiumchloride
mit einer Alkoxygruppe mit 1~10 Kohlenstoffatomen; und Aryloxymagnesiumchloride
mit einer Aryloxygruppe mit 6~20 Kohlenstoffatomen.
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Die
verwendete Magnesiumlösung
kann als Lösung
dargestellt werden, indem die Magnesiumverbindung in Gegenwart oder
Abwesenheit eines Kohlenwasserstoff-Lösungsmittels
in einem Alkohol gelöst
wird.
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Bei
den Arten der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel kann es sich um
aliphatische Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Pentan, Hexan,
Heptan, Oktan, Dekan und Kerosin handeln; um alizyklische Kohlenwasserstoffe,
wie beispielsweise Cyclobenzol, Methylcyclobenzol, Cylohexan und
Methylcyclohexan; um aromatische Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise
Benzol, Toluol, Yxlol, Ethylbenzol, Cumol und Cymol; und um halogenierte
Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Dichlorpropan, Dichlorethylen,
Trichlorethylen, Tetrachlorkohlenstoff und Chlorbenzol.
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Die
Darstellung einer Magnesiumlösung
aus einer Magnesiumverbindung kann mittels eines Alkohols als Lösungsmittel
in Gegenwart oder Abwesenheit eines der obengenannten Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel durchgeführt werden.
Die Arten von Alkohol können
Alkohole mit 1~20 Kohlenstoffatomen umfassen, wie beispielsweise
Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol, Pentanol, Hexanol, Oktanol,
Dekanol, Dodekanol, Oktadecylalkohol, Benzylalkohol, Phenylethylalkohol,
Isopropylbenzylalkohol und Cumylalkohol, und der bevorzugte Alkohol
kann aus den Alkoholen mit 1~12 Kohlenstoffatomen gewählt werden.
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Die
durchschnittliche Größe und Verteilung
der Partikelgrößen der
erhaltenen Katalysatoren kann von der Art und Menge des verwendeten
Alkohols, der Art der Magnesiumverbindung und dem Verhältnis von
Magnesiumverbindung zu Alkohol abhängen. Die Menge des zum Erhalten
der Magnesiumlösung
verwendeten Alkohols beträgt
zumindest 0,5 mol oder kann bei 1,0~20 mol, oder insbesondere bei
2,010 mol pro Mol Magnesiumverbindung liegen.
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Während der
Darstellung einer Magnesiumlösung
kann die Reaktion einer Magnesiumverbindung und eines Alkohols in
Gegenwart eines Kohlenwasserstoffs erfolgen. Die Reaktionstemperatur
kann zwar je nach Art und Menge des verwendeten Alkohols variieren,
kann aber bei zumindest etwa –25°C, bevorzugt
bei –10~200°C, oder noch
bevorzugter bei 0~150°C
liegen. Die Reaktionszeit kann bei 15 Minuten bis 5 Stunden liegen,
oder bevorzugt bei 30 Minuten bis 4 Stunden.
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Die
in Schritt (1) dargestellte Magnesiumlösung kann mit einer Esterverbindung
mit zumindest einer Hydroxylgruppe als Elektronendonator und mit
einer Siliciumverbindung mit zumindest einer Alkoxygruppe reagieren,
um ein Magnesiumgemisch zu bilden.
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Unter
den Elektronendonatoren umfassen die Esterverbindungen mit zumindest
einer Hydroxylgruppe: Ester einer ungesättigten Fettsäure mit
zumindest einer Hydroxylgruppe, wie beispielsweise 2-Hydroxyethylacrylat,
2-Hydroxyethylmethacrylat,
2-Hydroxypropylacrylat, 2-Hydroxypropylmethacrylat, 4-Hydroxybutylacrylat,
Pentaerythritoltriacrylat; aliphatische Monoester oder Polyester
mit jeweils zumindest einer Hydroxylgruppe, wie beispielsweise 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, t-Butyl-2-Hydroxyisobutylat, Diethyl-3-Hydroxyglutarat,
Ethyllactat, Isopropyllactat, Butylisobutyllactat, Isobutyllactat,
Ethylmandelat, Dimethylethyltartrat, Ethyltartrat, Dibutyltartrat,
Diethylcitrat, Triethylcitrat, Ethyl-2-Hydroxycaproat, Diethyl-bis-(Hydroxymethyl)malonat;
aromatische Ester mit zumindest einer Hydroxylgruppe, wie beispielsweise
2-Hydroxyethylbenzoat, 2-Hydroxyethylsalicylat, Methyl-4-(Hydroxymethyl)benzoat,
Methyl-4-Hydroxybenzoat, Ethyl-3-Hydroxybenzoat, 4-Methylsalicylat, Ethylsalicylat,
Phenylsalicylat, Propyl-4-Hydroxybenzoat, Phenyl-3-Hydroxynaphthanoat,
Monoethylen-Glykolmonobenzoat; Diethylen-Glykolmonobenzoat, Triethylen-Glykolmonobenzoat;
und alizyklische Ester mit zumindest einer Hydroxylgruppe, wie beispielsweise
Hydroxybutyllakton.
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Die
Menge der Esterverbindung mit zumindest einer Hydroxylgruppe beträgt 0,001~5
mol, oder bevorzugt 0,01~2 mol pro Mol Magnesium.
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In
einigen Ausführungsformen
kann als Siliciumverbindung mit zumindest einer Alkoxygruppe, die
als weiterer Elektronendonator in Schritt (2) verwendet wird, die
Verbindung verwendet werden, die durch die allgemeine Formel R1 aR2 bR3 cR4 dSi(OR5)e dargestellt wird (wobei R1,
R2, R3, R4 und R5 jeweils
Kohlenwasserstoffe mit 1~12 Kohlenstoffatomen sind, die alle identisch
oder unterschiedlich sein können,
und wobei a, b, c, d und e Ganzzahlen zwischen 0 und 4 sind, welche
die Gleichung a + b + c + d + e = 4) erfüllen.
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So
können
beispielsweise die folgenden Verbindungen verwendet werden: Dimethyldimethoxysilan, Dimethyldiethoxysilan,
Diphenyldimethoxysilan, Methylphenylmethoxysilan, Diphenyldiethoxysilan,
Ethyltrimethoxysilan, Vinyltrimethoxysilan, Methyltrimethoxysilan,
Phenyltrimethoxysilan, Methyltriethoxysilan, Ethyltriethoxysilan,
Vinyltriethoxysilan, Butyltriethoxysilan, Phenyltriethoxysilan,
Ethyltriisopropoxysilan, Vinyltributoxysilan, Ethylsilikat, Butylsilikat
oder Methyltriaryloxysilan.
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Die
Menge dieser Verbindung kann 0,053 mol betragen, oder bevorzugt
0,12 mol pro Mol Magnesium.
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Die
geeignete Temperatur für
die Reaktion der Magnesiumlösung
mit der Esterverbindung mit zumindest einer Hydroxylgruppe und mit
der Alkoxy-Siliciumverbindung
beträgt
0~100°C,
oder noch bevorzugter 10~70°C.
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Katalysatorpartikel
können
rekristallisiert werden, indem die in Schritt (2) dargestellte Magnesiumlösung mit
einer flüssigen
Mischung aus einer durch die allgemeine Formel Ti(OR)aX4-a dargestellten Titanverbindung (wobei
es sich bei R um eine Alkylgruppe mit 1~10 Kohlenstoffatomen handelt,
bei X um ein Halogenatom und bei "a" um
eine Ganzzahl zwischen 0 und 4) und einem Halogenalkan behandelt
wird.
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Beispiele
für Titanverbindungen,
welche die obengenannte allgemeine Formel erfüllen, sind: vierfach halogeniertes
Titan, wie beispielsweise TiCl4, TiBr4 und TiJ4; dreifach
halogeniertes Alkoxytitan, wie beispielsweise Ti(OCH3)Cl3, Ti(OC2H5)Cl3, Ti(OC2H5)Br3,
Ti(O(i-C4H9))Br3; zweifach halogeniertes Alkoxytitan, wie
beispielsweise Ti(OCH3)2Cl2, Ti(OC2H5)2Cl2,
Ti(O(i-C4H9))2Cl2 und Ti(OC2H5)2Br2; und Tetraalkoxytitan, wie beispielsweise
Ti(OCH3)4, Ti(OC2H5)4 Und
Ti(OC4H9)4. Es kann auch eine Mischung aus den obengenannten
Titanverbindungen verwendet werden. Die bevorzugten Titanverbindungen
sind diejenigen, die ein Halogen, oder noch bevorzugter Titantetrachlorid
enthalten.
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Bei
der Halogenalkanverbindung kann es sich um eine Kohlenwasserstoffverbindung
mit 1~20 Kohlenstoffatomen handeln, und diese Verbindung kann allein
oder in der Mischung von zwei oder mehr der obengenannten Verbindungen
verwendet werden.
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Beispiele
für Halogenalkanverbindungen
umfassen: Monochlormethan, Dichlormethan, Trichlormethan, Tetrachlormethan,
Monochlorethan, 1,2-Dichlorethan,
Monochlorpropan, Monochlorbutan, Monochlor-sec-Butan, Monochlor-tert-Butan, Monochlorcyclohexan,
Chlorbenzol, Monobrommethan, Monobrompropan, Monobrombutan und Monojodmethan.
Die bevorzugte Halogenalkanverbindung ist eine Chloralkanverbindung.
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Die
geeignete Menge der Mischung aus einer Titanverbindung und einer
beim Rekristallisieren einer Magnesiumlösung verwendeten Siliciumverbindung
beträgt
etwa 0,1~200 mol, oder bevorzugt etwa 0,1~100 mol, oder noch bevorzugter
etwa 0,2~80 mol pro Mol der Magnesiumverbindung. Das Molverhältnis der
Titanverbindung zur Siliciumverbindung in der Mischung beträgt annähernd 1:0,05~0,95,
oder noch bevorzugter etwa 1:0,1~0,8.
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Wenn
die Lösung
der Magnesiumverbindung mit der Mischung aus einer Titanverbindung
und einer Siliciumverbindung reagiert, hängt die Form und Größe der rekristallisierten
Feststoffkomponenten in hohem Maße von den Reaktionsbedingungen
ab.
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Um
nun die Form der Partikel steuern zu können, kann vorzugsweise ein
Feststoffgemisch hergestellt werden, indem die Lösung der Magnesiumverbindung
mit einer Mischung aus einer Titanverbindung und einer Siliciumverbindung
bei einer ausreichend niedrigen Temperatur zur Reaktion gebracht
wird. Die Reaktionstemperatur kann bei –70~70°C liegen, oder noch bevorzugter
bei –50~50°C. Nach der
Kontaktreaktion wird die Reaktionstemperatur langsam erhöht, so daß eine ausreichende
Reaktion für
die Dauer von 0,55 Stunden bei 50~150°C erfolgen kann.
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Die
Partikel des Feststoffkatalysators, die durch das oben beschriebene
Verfahren erhalten werden, können
ferner mit einer zusätzlichen
Titanverbindung reagieren. Bei der verwendeten Titanverbindung kann es
sich um ein Titanhalogenid oder halogeniertes Alkoxytitan mit einer
funktionellen Alkoxygruppe mit 1~20 Kohlenstoffatomen handeln. Gegebenenfalls
kann auch eine Mischung dieser Verbindungen verwendet werden. Unter
diesen Verbindungen ist ein Titanhalogenid oder halogeniertes Alkoxytitan
mit einer funktionellen Alkoxygruppe mit 1~8 Kohlenstoffatomen angebracht,
und noch bevorzugter handelt es sich bei der Verbindung um ein Titantetrahalogenid.
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Der
gemäß dem hier
beschriebenen Prozeß hergestellte
Katalysator kann für
die Polymerisation und Copolymerisation von Ethylen verwendet werden.
Insbesondere kann der Katalysator vorteilhafterweise bei der Homopolymerisation
von Ethylen und auch bei der Copolymerisation von Ethylen und Alpha-Olefinen
mit drei oder mehr Kohlenstoffatomen, wie beispielsweise Propylen,
1-Buten, 1-Penten, 4-Methyl-1-Penten
oder 1-Hexen, verwendet werden.
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Die
unter Verwendung des hier beschriebenen Katalysators durchgeführte Polymerisationsreaktion kann
unter Verwendung eines Katalysatorsystems durchgeführt werden,
umfassend: (I) einen hier beschriebenen festen Titankomplexkatalysator,
der Magnesium, Titan, ein Halogen und einen Elektronendonator umfaßt; und
(II) organometallische Verbindungen, die Metalle der Hauptgruppen
II oder III des Periodensystems umfassen.
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Die
organometallische Verbindung (II) kann durch die allgemeine Formel
MRn dargestellt werden, wobei M eine Metallkomponente
der Gruppe II oder IIIA des Periodensystems ist, wie beispielsweise
Magnesium, Calcium, Zink, Bor, Aluminium oder Gallium, R eine Alkylgruppe
mit 1~20 Kohlenstoffatomen, wie beispielsweise Methyl, Ethyl, Butyl,
Hexyl, Oktyl oder Dekyl, und n die Atomvalenz der obengenannten
Metallkomponente. In einigen Ausführungsformen handelt es sich
bei der organometallischen Verbindung um Trialkylaluminium mit einer
Alkylgruppe mit 1~6 Kohlenstoffatomen, wie beispielsweise Triethylaluminium
und Triisobutylaluminium, oder um eine Mischung aus diesen. Gegebenenfalls
kann auch eine Organoaluminium-Verbindung mit einem oder mehr Halogenen
oder Hydridgruppen, wie beispielsweise Ethylaluminiumdichlorid,
Diethylaluminiumchlorid, Ethylaluminiumsesquichlorid oder Diisobutylaluminiumhydrid
verwendet werden.
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Die
hier beschriebene feste Titankomplexkatalysator-Komponente kann
mit Ethylen oder Alpha-Olefin vorpolymerisiert werden, bevor sie
in der Polymerisationsreaktion verwendet wird. Die Vorpolymerisation
kann in Gegenwart eines Kohlenwasserstoff-Lösungsmittels,
wie beispielsweise Hexan, bei einer ausreichend niedrigen Temperatur
unter dem Druck von Ethylen oder Alpha-Olefin und in Gegenwart der
obengenannten Katalysatorkomponente und einer Organoaluminium-Verbindung,
wie beispielsweise Triethylaluminium, durchgeführt werden. Dadurch, daß bei der
Vorpolymerisation die Form des Katalysators mittels Einhüllen der
Katalysatorpartikel durch Polymere beibehalten wird, ist die Vorpolymerisation
bei der Verbesserung der Formen der Polymere nach der Polymerisation
hilfreich. Das Gewichtsverhältnis
von Polymer zu Katalysator nach der Vorpolymerisation beträgt in der
Regel 0,1:1~20:1.
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Die
Polymerisationsreaktion kann mittels Gasphasenpolymerisation oder
Blockpolymerisation in Abwesenheit eines organischen Lösungsmittels
oder mittels Suspensionspolymerisation (Slurry-Polymerisation in
der flüssigen
Phase) in Gegenwart eines organischen Lösungsmittels erfolgen. Diese
Polymerisationsverfahren können
jedoch auch in Abwesenheit von Sauerstoff, Wasser oder anderen Verbindungen
durchgeführt werden,
die als Katalysatorgifte wirken können.
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In
einigen Ausführungsformen
beträgt
die Konzentration des festen Titankomplexkatalysators (I) im Polymerisationsreaktionssystem
in der Suspensionspolymerisation (Slurry-Polymerisation in der flüssigen Phase)
0,001~5 mmol Titanatome, oder noch bevorzugter 0,001~0,5 mmol Titanatome
pro Liter Lösungsmittel. Als
Lösungsmittel
können
die folgenden Verbindungen oder Mischungen aus ihnen verwendet werden:
Alkane, wie beispielsweise Pentan, Hexan, Heptan, n-Oktan, Isooktan,
Cyclohexan und Methylcyclohexan; alkylaromatische Verbindungen,
wie beispielsweise Toluol, Xylol, Ethylbenzol, Isopropylbenzol,
Ethyltoluol, n-Propylbenzol und Diethylbenzol; und halogenierte
aromatische Verbindungen, wie beispielsweise Chlorbenzol, Chlornaphthalin
und Orthodichlorbenzol.
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Im
Falle einer Gasphasenpolymerisation beträgt die Menge des festen Titankomplexkatalysators
(I) 0,001~5 mmol Titanatome, bevorzugt 0,001~1,0 mmol Titanatome,
oder noch bevorzugter 0,010,5 mmol Titanatome pro Liter des Polymerisations-Reaktanten.
Die bevorzugte Konzentration der organometallischen Verbindung (II)
beträgt
1~2.000 mol Aluminiumatome, oder noch bevorzugter etwa 5500 mol
Aluminiumatome pro Mol Titanatome im Katalysator (I).
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Um
eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit der Polymerisation sicherzustellen,
kann die Polymerisationsreaktion unabhängig vom Polymerisationsprozeß bei einer
ausreichend hohen Temperatur durchgeführt werden. Im allgemeinen
beträgt
eine angemessene Temperatur 20~200°C, oder noch bevorzugter 20~95°C. Der geeignete
Monomerdruck während
der Polymerisation beträgt
1~100 atm, oder noch bevorzugter 2~50 atm.
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Beispiele
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Die
folgenden Beispiele werden zur Veranschaulichung bestimmter Ausführungsformen
beigefügt. Vorteilhafterweise
werden die Fachleute auf diesem Gebiet feststellen, daß die in
den folgenden Beispielen offenbarten Techniken ermittelte Techniken
darstellen, die in der Praxis der hier beschriebenen Offenbarung gut
funktionieren. Die Fachleute auf diesem Gebiet werden jedoch anhand
der vorliegenden Offenbarung vorteilhafterweise feststellen, daß viele Änderungen
an den offenbarten spezifischen Ausführungsformen vorgenommen werden
können
und dabei immer noch ein gleiches oder ähnliches Ergebnis erhalten
wird, ohne daß vom
Gedanken und Umfang der Erfindung abgewichen wird.
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Beispiel 1
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Darstellung
eines festen Titankomplexkatalysators
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Ein
fester Titankomplexkatalysator wurde auf die folgende Weise dargestellt.
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(i): Darstellung einer
Magnesiumlösung
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19,0
g MgCl2 und 400 ml Dekan wurden in einen
1,0 l fassenden Reaktor gegeben, der mit einem mechanischen Rührwerk ausgestattet
war und mit Stickstoffatmosphäre
gespült
wurde. Nach dem Rühren
bei 700 U/min wurden 120 ml 2-Ethylhexanol hinzugegeben, und die
Reaktion wurde drei Stunden lang bei einer Temperatur von 120°C durchgeführt. Die
durch die Reaktion erhaltene homogene Lösung wurde auf Raumtemperatur
(25°C) heruntergekühlt.
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(ii) Kontaktreaktion der
Magnesiumlösung
mit einem Ester mit einer Hydroxylgruppe und mit einer Alkoxysiliciumverbindung
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Zu
der in (i) dargestellten, auf 25°C
gekühlten
Lösung
der Magnesiumverbindung wurden 1,2 ml 2-Hydroxyethylmethacrylat
und 12,0 ml Siliciumtetraethoxid gegeben, und die Reaktion wurde
eine Stunde lang durchgeführt.
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(iii) und (iv): Behandlung
mit einer Mischung aus einer Titanverbindung und einer Halogenalkanverbindung
und Behandlung mit einer Titanverbindung
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Nachdem
die Temperatur der in Schritt (ii) dargestellten Lösung auf
15°C eingestellt
wurde, wurde eine Lösungsmischung
aus 40 ml Titantetrachlorid und 40 ml Tetrachlormethan eine Stunde
lang eingetröpfelt. Nachdem
der Eintröpfelvorgang
abgeschlossen war, wurde die Temperatur des Reaktors auf 70°C erhöht und eine
Stunde lang auf dieser Höhe
gehalten. Nach dem Rühren
wurde die oben schwimmende Flüssigkeit
der Lösung
entfernt, und 300 ml Dekan und 100 ml Titantetrachlorid wurden nacheinander
zu dem verbleibenden Feststoff hinzugegeben. Dann wurde die Temperatur
auf 90°C
erhöht
und zwei Stunden lang auf dieser Höhe gehalten. Anschließend wurde
der Reaktor auf Raumtemperatur gekühlt und mit 400 ml Hexan gespült, bis
das freie Titantetrachlorid, das nicht reagiert hatte, vollständig entfernt
war. Der Titangehalt des dargestellten festen Katalysators betrug
3,8%.
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Polymerisation
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Ein
2 l fassender Hochdruckreaktor wurde nach der Trocknung in einem
Trockenofen in noch heißem Zustand
zusammengebaut. Durch dreimaliges abwechselndes Spülen des
Reaktors mit Stickstoff und Evakuieren wurde der Reaktor auf Stickstoffatmosphäre gebracht.
Dann wurden 1.000 ml n-Hexan eingefüllt, und nach der Zugabe von
1 mmol Triethylaluminium und festem Titankomplexkatalysator mit
0,03 mmol Titanatomen wurden 1.000 ml Wasserstoff hinzugegeben.
Die Temperatur des Reaktors wurde auf 80°C erhöht, während ein Rührwerk mit 700 U/min rührte, und
der Druck des Ethylens wurde auf 80 psi (551,60 kPa) eingestellt, und
die Polymerisation wurde eine Stunde lang durchgeführt. Nach
der Polymerisation wurde die Temperatur des Reaktors auf Raumtemperatur
gesenkt, und es wurde eine übermäßig große Menge
Ethanollösung
zur polymerisierten Substanz gegeben. Die hergestellten Polymere
wurden abgeschieden und gesammelt und in einem Vakuumtrockner bei
50°C zumindest
sechs Stunden lang getrocknet, um Polyethylen in Form eines weißen Pulvers
zu liefern.
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Bewertung
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Die
Polymerisationsaktivität
des Katalysators wurde als Gewichtsverhältnis der hergestellten Polymere
(kg) zu den verwendeten Katalysatoren (g) berechnet, die Zellendichte
(g/ml) der hergestellten Polymere wurde gemessen, und die Ergebnisse
sind in Tabelle 1 aufgeführt.
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Um
außerdem
die Wasserstoffreaktivität
zu analysieren, die den Grad der Änderung der Molmasse der hergestellten
Polymere entsprechend der Menge des verwendeten Wasserstoffs angibt,
wurde der Schmelzindex (g/10 min) gemäß dem in ASTM D 1238 vorgeschriebenen
Verfahren gemessen, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt. Im
allgemeinen wird der Schmelzindex groß, wenn die Molmasse gering
ist.
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Beispiel 2
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Ein
Katalysator wurde auf dieselbe Weise dargestellt wie in Beispiel
1, mit der Ausnahme, daß die
Behandlung der Mischung aus der Titanverbindung und der Halogenalkanverbindung
in Schritt (iii) mittels Verwendung einer Lösungsmischung aus 40 ml Titantetrachlorid
und 40 ml Trichlormethan durchgeführt wurde. Der Titangehalt
des dargestellten Katalysators betrug 3,9%. Die Polymerisation wurde
unter Verwendung dieses Katalysators auf dieselbe Weise durchgeführt wie
in Beispiel 1, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
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Beispiel 3
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Ein
Katalysator wurde auf dieselbe Weise dargestellt wie in Beispiel
1, mit der Ausnahme, daß die
Behandlung der Mischung aus der Titanverbindung und der Halogenalkanverbindung
in Schritt (iii) mittels Verwendung einer Lösungsmischung aus 40 ml Titantetrachlorid
und 40 ml tert-Butylchlorid durchgeführt wurde. Der Titangehalt
des dargestellten Katalysators betrug 3,5%. Die Polymerisation wurde
unter Verwendung dieses Katalysators auf dieselbe Weise durchgeführt wie
in Beispiel 1, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
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Beispiel 4
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Ein
Katalysator wurde auf dieselbe Weise dargestellt wie in Beispiel
1, mit der Ausnahme, daß die
Behandlung der Mischung aus der Titanverbindung und der Halogenalkanverbindung
in Schritt (iii) mittels Verwendung einer Lösungsmischung aus 40 ml Titantetrachlorid
und 40 ml 1,2-Dichlorethan durchgeführt wurde. Der Titangehalt
des dargestellten Katalysators betrug 4,1%. Die Polymerisation wurde
unter Verwendung dieses Katalysators auf dieselbe Weise durchgeführt wie
in Beispiel 1, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
-
Beispiel 5
-
Ein
Katalysator wurde auf dieselbe Weise dargestellt wie in Beispiel
1, mit der Ausnahme, daß die
Behandlung der Mischung aus der Titanverbindung und der Halogenalkanverbindung
in Schritt (iii) mittels Verwendung einer Lösungsmischung aus 40 ml Titantetrachlorid
und 40 ml Chlorbenzol durchgeführt
wurde. Der Titangehalt des dargestellten Katalysators betrug 4,2%.
Die Polymerisation wurde unter Verwendung dieses Katalysators auf
dieselbe Weise durchgeführt
wie in Beispiel 1, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
-
Beispiel 6
-
Ein
Katalysator wurde auf dieselbe Weise dargestellt wie in Beispiel
1, mit der Ausnahme, daß die
Behandlung der Mischung aus der Titanverbindung und der Halogenalkanverbindung
in Schritt (iii) mittels Verwendung einer Lösungsmischung aus 60 ml Titantetrachlorid
und 60 ml Tetrachlormethan durchgeführt wurde. Der Titangehalt
des dargestellten Katalysators betrug 4,1 %. Die Polymerisation
wurde unter Verwendung dieses Katalysators auf dieselbe Weise durchgeführt wie
in Beispiel 1, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
-
Beispiel 7
-
Ein
Katalysator wurde auf dieselbe Weise dargestellt wie in Beispiel
1, mit der Ausnahme, daß die
Behandlung der Mischung aus der Titanverbindung und der Halogenalkanverbindung
in Schritt (iii) mittels Verwendung einer Lösungsmischung aus 80 ml Titantetrachlorid
und 80 ml Tetrachlormethan durchgeführt wurde. Der Titangehalt
des dargestellten Katalysators betrug 4,5%. Die Polymerisation wurde
unter Verwendung dieses Katalysators auf dieselbe Weise durchgeführt wie
in Beispiel 1, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
-
Beispiel 8
-
Ein
Katalysator wurde auf dieselbe Weise dargestellt wie in Beispiel
1, mit der Ausnahme, daß die
Behandlung der Mischung aus der Titanverbindung und der Halogenalkanverbindung
in Schritt (iii) mittels Verwendung einer Lösungsmischung aus 60 ml Titantetrachlorid
und 30 ml Tetrachlormethan durchgeführt wurde. Der Titangehalt
des dargestellten Katalysators betrug 4,5%. Die Polymerisation wurde
unter Verwendung dieses Katalysators auf dieselbe Weise durchgeführt wie
in Beispiel 1, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
-
Beispiel 9
-
Ein
Katalysator wurde auf dieselbe Weise dargestellt wie in Beispiel
1, mit der Ausnahme, daß die
Behandlung der Mischung aus der Titanverbindung und der Halogenalkanverbindung
in Schritt (iii) mittels Verwendung einer Lösungsmischung aus 40 ml Titantetrachlorid
und 80 ml Tetrachlormethan durchgeführt wurde. Der Titangehalt
des dargestellten Katalysators betrug 3,7%. Die Polymerisation wurde unter
Verwendung dieses Katalysators auf dieselbe Weise durchgeführt wie
in Beispiel 1, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
-
Beispiel 10
-
Ein
Katalysator wurde auf dieselbe Weise dargestellt wie in Beispiel
1, mit der Ausnahme, daß die
Behandlung der Mischung aus der Titanverbindung und der Halogenalkanverbindung
in Schritt (iii) mittels Verwendung einer Lösungsmischung aus 60 ml Titantetrachlorid
und 30 ml Trichlormethan durchgeführt wurde. Der Titangehalt
des dargestellten Katalysators betrug 4,4%. Die Polymerisation wurde
unter Verwendung dieses Katalysators auf dieselbe Weise durchgeführt wie
in Beispiel 1, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
-
Beispiel 11
-
Ein
Katalysator wurde auf dieselbe Weise dargestellt wie in Beispiel
1, mit der Ausnahme, daß die
Behandlung der Mischung aus der Titanverbindung und der Halogenalkanverbindung
in Schritt (iii) mittels Verwendung einer Lösungsmischung aus 40 ml Titantetrachlorid
und 80 ml Trichlormethan durchgeführt wurde. Der Titangehalt
des dargestellten Katalysators betrug 3,5%. Die Polymerisation wurde
unter Verwendung dieses Katalysators auf dieselbe Weise durchgeführt wie
in Beispiel 1, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
-
Beispiel 12
-
Ein
Katalysator wurde auf dieselbe Weise dargestellt wie in Beispiel
1, mit der Ausnahme, daß die
Behandlung der Mischung aus der Titanverbindung und der Halogenalkanverbindung
in Schritt (iii) mittels Verwendung einer Lösungsmischung aus 60 ml Titantetrachlorid
und 30 ml Chlorbenzol durchgeführt
wurde. Der Titangehalt des dargestellten Katalysators betrug 4,6%.
Die Polymerisation wurde unter Verwendung dieses Katalysators auf
dieselbe Weise durchgeführt
wie in Beispiel 1, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
-
Beispiel 13
-
Ein
Katalysator wurde auf dieselbe Weise dargestellt wie in Beispiel
1, mit der Ausnahme, daß die
Behandlung der Mischung aus der Titanverbindung und der Halogenalkanverbindung
in Schritt (iii) mittels Verwendung einer Lösungsmischung aus 460 ml Titantetrachlorid
und 80 ml Chlorbenzol durchgeführt
wurde. Der Titangehalt des dargestellten Katalysators betrug 4,1
%. Die Polymerisation wurde unter Verwendung dieses Katalysators
auf dieselbe Weise durchgeführt
wie in Beispiel 1, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
-
Beispiel 14
-
Ein
Katalysator wurde auf dieselbe Weise dargestellt wie in Beispiel
1, mit der Ausnahme, daß die
Behandlung der Mischung aus der Titanverbindung und der Halogenalkanverbindung
in Schritt (iii) wie folgt durchgeführt wurde: Eine Lösungsmischung
aus 40 ml Titantetrachlorid und 40 ml Tetrachlormethan wurde eine
Stunde lang eingetröpfelt,
dann wurde die Lösung
eine Stunde lang stehengelassen; anschließend wurden 100 ml Titantetrachlorid
hinzugegeben, und nach Erhöhung
der Temperatur auf 90°C
wurde die Lösung zwei
Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten. Der Titangehalt des
dargestellten Katalysators betrug 3,9%. Die Polymerisation wurde
unter Verwendung dieses Katalysators auf dieselbe Weise durchgeführt wie in
Beispiel 1, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
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Vergleichsbeispiel 1
-
Ein
Katalysator wurde auf dieselbe Weise dargestellt wie in Beispiel
1, mit der Ausnahme, daß in Schritt
(ii) 10,0 ml Siliciumtetraethoxid verwendet wurden und daß kein 2-Hydroxyethylmethacrylat
verwendet wurde. Der Titangehalt des dargestellten Katalysators
betrug 4,1%. Die Polymerisation wurde unter Verwendung dieses Katalysators
auf dieselbe Weise durchgeführt
wie in Beispiel 1, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
-
Vergleichsbeispiel 2
-
Ein
Katalysator wurde auf dieselbe Weise dargestellt wie in Beispiel
1, mit der Ausnahme, daß in Schritt
(ii) 1,2 ml 2-Hydroxyethylmethacrylat verwendet wurden und daß kein Siliciumtetraethoxid
verwendet wurde. Der Titangehalt des dargestellten Katalysators
betrug 3,7%. Die Polymerisation wurde unter Verwendung dieses Katalysators
auf dieselbe Weise durchgeführt
wie in Beispiel 1, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
-
Vergleichsbeispiel 3
-
Ein
Katalysator wurde auf dieselbe Weise dargestellt wie in Beispiel
1, mit der Ausnahme, daß in Schritt
(ii) kein 2-Hydroxyethylmethacrylat und kein Siliciumtetraethoxid
verwendet wurden. Der Titangehalt des dargestellten Katalysators
betrug 4,5%. Die Polymerisation wurde unter Verwendung dieses Katalysators auf
dieselbe Weise durchgeführt
wie in Beispiel 1, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
-
Vergleichsbeispiel 4
-
Ein
Katalysator wurde auf dieselbe Weise dargestellt wie in Beispiel
1, mit der Ausnahme, daß in Schritt
(iii) anstelle einer Mischung aus Titantetrachlorid und Tetrachlormethan
40 ml Titantetrachlorid verwendet wurden. Der Titangehalt des dargestellten
Katalysators betrug 4,6%. Die Polymerisation wurde unter Verwendung
dieses Katalysators auf dieselbe Weise durchgeführt wie in Beispiel 1, und
die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
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Vergleichsbeispiel 5
-
Ein
Katalysator wurde auf dieselbe Weise dargestellt wie in Beispiel
1, mit der Ausnahme, daß in Schritt
(iii) anstelle einer Mischung aus Titantetrachlorid und Tetrachlormethan
40 ml Siliciumtetrachlorid verwendet wurden. Der Titangehalt des
dargestellten Katalysators betrug 3,4%. Die Polymerisation wurde
unter Verwendung dieses Katalysators auf dieselbe Weise durchgeführt wie
in Beispiel 1, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
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Vergleichsbeispiel 6
-
Ein
Katalysator wurde auf dieselbe Weise dargestellt wie in Beispiel
1, mit der Ausnahme, daß in Schritt
(iii) anstelle einer Mischung aus Titantetrachlorid und Tetrachlormethan
30 ml Triethylaluminium verwendet wurden. Der Titangehalt des dargestellten
Katalysators betrug 4,4%. Die Polymerisation wurde unter Verwendung
dieses Katalysators auf dieselbe Weise durchgeführt wie in Beispiel 1, und
die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle
1
- *B = Beispiel, VB = Vergleichsbeispiel
-
Wie
aus Tabelle 1 ersichtlich ist, legt der hier beschriebene Katalysator
für die
Polymerisation und Copolymerisation von Ethylen eine um 30% höhere katalytische
Aktivität
an den Tag als der in den Vergleichsbeispielen. Zusätzlich weisen
die mittels des hier beschriebenen Katalysators hergestellten Polymere
eine hohe Zellendichte und außerdem
einen hohen Schmelzindex auf, was die hohe Wasserstoffreaktivität des Katalysators
zeigt.
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Industrielle
Anwendbarkeit
-
Wie
aus der Beschreibung hervorgeht, können unter Verwendung des Katalysators
bei der Polymerisation von Ethylen und bei der Copolymerisation
von Ethylen und anderem Alpha-Olefin aufgrund der hohen Aktivität des Katalysators
Polymere mit hoher Ausbeute hergestellt werden, und es besteht möglicherweise keine
Notwendigkeit zur Entfernung von Katalysatorrückständen. Die unter Verwendung
des Katalysators hergestellten Polymere können hervorragende physikalische
Eigenschaften wie eine hohe Zellendichte und Fluidität aufweisen,
und aufgrund der hohen Wasserstoffreaktivität des Katalysators ist die
Handhabung des Prozesses einfacher. Somit ist der hier beschriebene
feste Titankomplexkatalysator als Katalysator für die Polymerisation und Copolymerisation
von Ethylen sehr nützlich.
-
Der
Fachmann auf diesem Gebiet wird weitere Modifikationen und alternative
Ausführungsformen
verschiedener Ausgestaltungen der Erfindung erkennen. Demgemäß ist diese
Beschreibung nur als veranschaulichend anzusehen und dient dem Zweck,
dem Fachmann auf diesem Gebiet die allgemeine Art und Weise der Ausführung der
Erfindung zu lehren. Es versteht sich, daß die hier gezeigten und beschriebenen
Ausbildungen der Erfindung als die derzeit bevorzugten Ausführungsformen
anzusehen sind. Die hier erläuterten
und beschriebenen Elemente und Materialien können durch andere ersetzt werden,
Teile und Prozesse können
umgekehrt werden, und bestimmte Merkmale der Erfindung können unabhängig voneinander
verwendet werden, wie dies alles einem Fachmann auf diesem Gebiet
aufgrund dieser Beschreibung der Erfindung offensichtlich wäre. Änderungen
können
an den hier beschriebenen Elementen vorgenommen werden, ohne daß vom Gedanken
und Umfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen beschrieben,
abgewichen wird.