烯烴共聚合反應及聚烯烴改性:Ⅳ.乙烯原位共聚及聚乙烯結構調控

第22卷第4期石化技術(shù)與應Vol 22 No 42004年7月Petrochemical Technology ApplicationJuly 2004論壇(239~243)烯烴共聚合反應及聚烯烴改性I.乙烯原位共聚及聚乙烯結構調控胡友良,李澤(中國科學(xué)院化學(xué)研究所工程塑料重點(diǎn)實(shí)驗室,北京10008摘要:介紹了乙烯的原位共聚合技術(shù)及聚乙烯結構調控方法。乙烯的原位共聚合技術(shù)是先使乙烯在齊聚催化劑存在下齊聚,獲得高純度α-烯烴,然后使α-烯烴與乙烯在橋聯(lián)、限定幾何構型茂金屬等共聚催化劑存在下共聚合,直接合成出 LLDPE,2種催化劑的選擇與匹配是技術(shù)關(guān)鍵。采用新近研發(fā)的陽(yáng)離子型二亞胺鎳鈀系催化劑,不經(jīng)過(guò)a-烯烴中間體,通過(guò)“鏈行走”催化反應機理,可直接合成出線(xiàn)性或支化聚乙烯。聚合物的結構與性能完全由聚合反應條件控制。關(guān)鍵詞:乙烯;聚乙烯;a-烯烴;原位共聚合;結構調控中圖分類(lèi)號:TQ316.3文獻標識碼:A文章編號:1009-0045(2004)04-0239-04乙烯的原位共聚及聚乙烯結構調控接將a-烯烴插入到正在增長(cháng)著(zhù)的聚合物鏈上,被稱(chēng)為第三代聚乙烯產(chǎn)品的線(xiàn)性低密度聚步生成 LLDPE乙烯( LLDPE),是20世紀70年代發(fā)展起來(lái)的乙后來(lái)的研究發(fā)現2,利用N(I)或Pd()配烯與α-烯烴共聚合獲得的新型樹(shù)脂。 LLDPE合物作為乙烯聚合的催化劑,僅用1種主催化劑的密度與低密度聚乙烯(LDPE)接近,又具有髙就能生成高度支化的聚乙烯。通過(guò)調節聚合反密度聚乙烯(HDPE)的線(xiàn)性結構,因此綜合了低應條件,可以控制聚合物的結構與性能,這是聚密度聚乙烯和高密度聚乙烯的許多優(yōu)點(diǎn),例如低烯烴新品種研究開(kāi)發(fā)中的又一重大創(chuàng )新。溫韌性好、模量高、耐彎曲和耐應力開(kāi)裂等。LL4.1乙烯齊聚催化劑DPE被廣泛地應用于薄膜、管材等各個(gè)領(lǐng)域,市線(xiàn)性α-烯烴(尤其是C6~C1)是制備LL-場(chǎng)需求量逐年增加,并在許多領(lǐng)域中逐漸替代了DPE樹(shù)脂的重要共聚單體,目前工業(yè)上主要采用LDPE。sHoP( Shell Higher Olefin Process)法()、 Chevron合成 LLDPE的傳統方法是在催化劑存在下和Amoo工藝“合成。近年發(fā)展起來(lái)的許多新使乙烯與α-烯烴共聚合。 Ziegler-Natt(z-型后過(guò)渡金屬催化劑,為乙烯齊聚合成線(xiàn)性a-N)催化劑是最常采用的共聚催化劑,但由于共烯烴注入了新的活力。聚單體(α-烯烴)的插入率比較低,因此,使用1997年, Brookhart等5報道了乙烯轉化效率Z-N催化劑很難獲得性能優(yōu)異的 LLDPE。茂高達3.9×10°g/(mol·h)、選擇率高達96%的a金屬催化劑可以使α-烯烴有效地插入到聚合雙亞胺陽(yáng)離子型Ni(I)系列乙烯齊聚催化劑物主鏈上,獲得插入率較高的 LLDPE,但是,這隨后對其乙烯齊聚作了詳細研究,齊聚產(chǎn)物主要種傳統合成方法仍需要價(jià)格較高的高純度a-是線(xiàn)性a-烯烴。實(shí)驗結果表明,催化劑結構中烯烴,而且生產(chǎn)流程也比較復雜?，F在,科學(xué)家的電子效應以及反應條件(如乙烯壓力、反應溫們已經(jīng)研究開(kāi)發(fā)出1種 LLDPE合成新方法,即原位共聚法”1,具體步驟是:合成體系存在2種催化劑,先使乙烯在齊聚催化劑作用下發(fā)生中國煤化工齊聚反應,獲得高純度α-烯烴,然后在共聚催CNMHG無(wú)錫人,研究員,博士化劑存在下,使a-烯烴與乙烯原位共聚合,直生導師,從事烯烴催化劑、棗合反應及聚烯烴結構性能研究30多年,發(fā)表論文120多篇,申請專(zhuān)利30多項240石化技術(shù)與應用第22卷度、助催化劑種類(lèi)與用量等)均對催化劑活性、α或ⅢI的鏈轉移反應是生成線(xiàn)性α-烯烴的主要烯烴的選擇性和齊聚產(chǎn)物分布產(chǎn)生不同程度原因;只有當物種ⅣⅤ或ⅣV發(fā)生鏈轉移時(shí),才會(huì )的影響。乙烯齊聚反應機理如圖1所示,物種Ⅱ生成2位烯烴。烯烴鏈轉移反應HⅢ鏈異構化順式和反式內嫌烴圖1a-雙亞胺N(m催化乙烯齊聚機理在 Brookhart等發(fā)現高活性a-雙亞胺吡大量資金投入,對工業(yè)化生產(chǎn)非常有利;(2)調節啶Fe(I)乙烯聚合催化劑之后, Gibson等通過(guò)2種催化劑的比例和聚合反應條件,可以有效地減小該催化劑配體上取代基的空間位阻,獲得活控制聚合物的結構和性能,如果需要獲得不同支性更高線(xiàn)性a-烯烴選擇性更好的乙烯齊聚催化度及密度的聚合物,只需改變反應條件,不必化劑。催化劑的結構式為[(2-ArN=CMe)2-對反應流程做大的修改;(3)對2種催化劑進(jìn)行CH2N]FeCl2,式中,Ar代表2-CH,Me、2-篩選,生產(chǎn)過(guò)程中可以只使用1種助催化劑(如C6H4Et或2-C6H4(i-Pr)。催化劑的活性取決MAO),從而使副反應顯著(zhù)減少,使聚合物的分離于配體結構、乙烯壓力以及齊聚反應溫度。Ar為操作簡(jiǎn)化,產(chǎn)物性能更加理想。2-CH4Me時(shí),催化劑在90℃和2.4MPa乙烯原位共聚合成 LLDPE,首先要注意的是2種壓力下,乙烯轉化效率高達5×10°kg/(mol·h)。催化劑不能相互發(fā)生反應,否則原位共聚將失3種催化劑的線(xiàn)性a-烯烴選擇率均高達99%。敗,沒(méi)有任何產(chǎn)物生成;其次,2種催化劑不能阻研究者詳細報道了雙亞胺吡啶Fe(I)和Co(I)礙各自的催化反應,相互干擾要越小越好。理想催化乙烯齊聚反應的機理,發(fā)現催化劑配體結構情況是齊聚催化劑能高效地生產(chǎn)高純度α-烯中的電子效應可能是導致催化劑活性變化的主烴,共聚催化劑不因a-烯烴的存在而影響其正要原因,而位阻效應則對Shul-Flry分布的a常聚合反應。2種催化劑的選擇和匹配是非常重值產(chǎn)生較大影響,認為催化劑體系之所以具有要的,是原位共聚法成功與否的關(guān)鍵。相當高的線(xiàn)性a-烯烴選擇率,主要原因是在鏈早期的研究工作由 Kissin和 Beach完成,轉移反應中B-H轉移占據了主導地位。先用Ti(OR)4將乙烯二聚為1-丁烯,后用zie-4.2乙烯原位共聚ger-Na催化劑使乙烯與1-丁烯原位共聚與合成 LLDPE的傳統方法相比,乙烯原位共合中國煤化工er-Nata催化劑聚的優(yōu)點(diǎn)為:(1)生產(chǎn)過(guò)程中只需要乙烯1種單的CNMH(可控的聚合物,體,省去了a-烯烴共聚單體的加入,因此可節省因此聚合物存在相對分子質(zhì)量分布較寬、支鏈分第4期胡友良等。烯烴共聚合反應及聚烯烴改性:Ⅳ.乙烯原位共聚及聚乙烯結構調控241布不均勻等缺點(diǎn)。烯齊聚物;然后利用限定幾何構型催化劑(B)使用茂金屬作共聚催化劑,可在很大程度上齊聚物與乙烯原位共聚獲得 LLDPE,反應機理解決傳統 Ziegler-Nat催化劑共聚性能較差的如圖2所示。一般來(lái)說(shuō),橋聯(lián)茂金屬催化劑和缺點(diǎn),合成出相對分子質(zhì)量分布較窄的聚合物。限定幾何構型催化劑對高碳數α-烯烴具有很Baan等設計合成的(C3H3B-OEt)2ZrCl2好的聚合活性,是乙烯與a-烯烴比較理想的共(A)能夠在MAO作用下催化乙烯齊聚,獲得乙聚合催化劑。AMMO(CHCH,), CHCH,圖2 Bazan等用雙組分催化劑合成 LLDPE近年來(lái)出現的新型后過(guò)渡金屬乙烯齊聚催帶來(lái)非常獨特的性能,例如,聚乙烯的結構可以化劑因其活性高,產(chǎn)物的線(xiàn)性α-烯烴選擇性好,從線(xiàn)性到中度支化甚至到高度支化變化。高度成為雙功能催化劑體系中齊聚催化劑的優(yōu)選對支化聚乙烯的形態(tài)可以是高彈性、半結晶態(tài),也象。選用不同的齊聚催化劑并控制反應條件,可可以是高支化的油狀物。獲得支鏈長(cháng)度與分布不同的 LLDPE,支鏈長(cháng)度與分布影響著(zhù) LLDPE的性能。流變學(xué)研究表明,相對分子質(zhì)量與支鏈分布對聚乙烯的流變行為和加工性能有明顯影響。用限定幾何構型茂金屬Ar為2,6-CHL(i-Pr)催化劑獲得的 LLDPE與用 Ziegler- Natta催化劑ArNM為PdNi獲得的 LLDPE相比,前者加工性能更好,熔融擠出時(shí)不易出現“鯊皮”等表面粗糙現象。形態(tài)研究表明,支化點(diǎn)分布對聚乙烯結晶性的影響比支化點(diǎn)數量更明顯。支化點(diǎn)分布及數量不同,聚乙烯的形態(tài)圖3N(Ⅲ或Pd(Ⅱ催化劑體系可以從較高密度、較髙結晶度,變化到較低密度、完50℃下,二亞胺鎳系催化劑的聚合活性可達全無(wú)定形的產(chǎn)品。機械性能研究表明,短支鏈含量8.4×107g/(mol·h)。催化劑的結構和聚合反與分布對聚乙烯的硬度、韌性、拉伸強度及蠕變斷應條件改變時(shí),產(chǎn)物可在相對分子質(zhì)量較低的齊裂等機楲性能有顯著(zhù)影響。聚物到相對分子質(zhì)量為3萬(wàn)~10萬(wàn)的高相對分4.3通過(guò)“鏈行走”控制聚乙烯的結構與性能子質(zhì)量聚合物之間變化,聚合物的形態(tài)可以從絕Brookhart等2首次發(fā)現,采用陽(yáng)離子型雙亞對線(xiàn)產(chǎn)結刁M亦到支化、無(wú)定形聚胺P(I)或N(I)催化劑體系使乙烯聚合時(shí),可乙燉中國煤化工以不經(jīng)過(guò)中間體a-烯烴直接生成高支化的聚乙CNMHG在沒(méi)有a-烯烴烯,如圖3所示。不尋常的支化結構可給聚合物作為半前體的條件下,獲得最低密度為242石化技術(shù)與應用第22卷0.85g/cm3,玻璃化轉變溫度為-30~-70℃的聚到聚合物增長(cháng)鏈上形成支化聚乙烯的。如圖4無(wú)定形支化聚乙烯。實(shí)驗證明,聚合產(chǎn)物只有髙所示,二亞胺鎳、鈀系催化劑按特殊的“鏈行走相對分子質(zhì)量、高支化度聚乙烯,沒(méi)有剩余α-烯機理催化乙烯聚合,所以使聚乙烯具有獨特的結烴,表明鈀系催化劑并不是先生成a-烯烴,再共構和形態(tài)。X遷移插入氫加成H CHR氫消除通過(guò)再插入發(fā)生鏈遷移捕捉乙烯(鏈行走)/CHCH R捕捉乙遷移插入更多的鏈行走↓遷移插入\t/ CHCH性聚乙烯更多的遷移與插入M=Pd, NiE甲基支化聚乙烯=a二亞胺F高度支化聚乙爝圖4乙烯二亞胺鎳、鈀系催化荊催化反應機理烷基化烯烴配合物A為催化劑的過(guò)渡態(tài)物采用Ni(m)或Pd(m催化劑體系,由于乙烯的質(zhì)。從物質(zhì)A到B的遷移插入反應是整個(gè)聚合捕集及插入反應均與“鏈行走”反應相競爭,所反應的決速步驟。物質(zhì)B一方面可以不斷地捕以聚仝集乙烯單體并進(jìn)行遷移插入反應,生成線(xiàn)性聚分敏YHe度后應休玉的壓力及溫度十中國煤化工低聚合物的支化合物;另一方面,由于B-H消除并發(fā)生“鏈行度CNMHG合物的支化度增走”,致使聚合物形成支鏈(B→C→D→E,F)。大。第4期胡友良等。烯烴共聚合反應及聚烯烴改性:Ⅳ.乙烯原位共聚及聚乙烯結構調控4.4小結J]. Chem Rev,1991,91(4):613-648.乙烯原位共聚合,只用1種單體,調節2種催[5] Killian C M, Johnson L K, Brookhart M. Preparation of linear a化劑的比例和聚合反應條件,可簡(jiǎn)便而有效地控olefins using cationic nickel ll) alpha- diimine catalysts制聚乙烯的結構和性能。乙烯齊聚催化劑、α[6] Small B L, Brookhart M, Bennett A M A. Highly active iron and烯烴與乙烯共聚催化劑的選擇與匹配是其技術(shù)cobalt catalysts for the polymerization of ethylene[ I].J Ar關(guān)鍵?？茖W(xué)家們利用新近開(kāi)發(fā)出的二亞胺鎳、鈀Chem Soc,l998,120(16):4049-4050系催化劑,不經(jīng)過(guò)中間體α-烯烴,通過(guò)特殊“鏈71 Britovsek G J P.. Gibson VC, Kimberley B s,eta. Novel olefin行走”催化機理,直接合成出線(xiàn)性或支化聚乙烯polymerizationcatalystsbasedonironandcobalt[j].commumChem,1998,7:849-850聚合物的結構與性能完全由聚合反應條件控制。8 Beach D L, Kissin Y V. Dual functional catalysis for ethylene(全文完ic systems[J]. Journal of Polymer Science Part A: Polymer參考文獻Chemistry,1984,22:3027-30411] Liu Z Y, Wang J, Hu Y L. Preparation of LLDPE by a new dual [9] Kissin Y V, Beach D L. 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Oligomerization of a-olefins to higher oligomers9:1-28·讀者·作者·編者本刊誠征工業(yè)技術(shù)類(lèi)稿件多年以來(lái),由于廣大讀者、作者的熱情支持和關(guān)愛(ài),以及本刊主辦單位、編委、通訊員、編輯人員的共同努力,《石化技術(shù)與應用》雜志得到快速發(fā)展,刊物質(zhì)量逐步提高,發(fā)行量逐年增加,刊物影響力逐漸提升。為了進(jìn)一步提高刊物的競爭力,為本刊爭取更多的讀者、作者,辦出特色,辦出風(fēng)格,我們在征求部分讀者、編委、通訊員意見(jiàn)的基礎上,擬對刊物報道方向進(jìn)行調整,將報道重點(diǎn)向煉油、石油化工工業(yè)化技術(shù)、實(shí)用化技術(shù)方面轉移,使刊物更加貼近國內石油、石化行業(yè)的廣大基層工程技術(shù)人員、科研人員、設計人員及從事煉化技術(shù)開(kāi)發(fā)的部分高校師生。為此,本刊特向廣大讀者、作者征集工業(yè)技術(shù)類(lèi)稿件?，F將有關(guān)事宜一并說(shuō)明如下:(1)征集稿件內容包括:傳統技術(shù)的改進(jìn)、革新及節能降耗措施,新技術(shù)、新型催化劑及主要工藝設備的開(kāi)發(fā)、推廣與應用,新裝置開(kāi)車(chē)與運行中的成功經(jīng)驗總結、交流,以及對引進(jìn)新技術(shù)的消化、吸收等。(2)為了縮短論文刊發(fā)周期,希望作者盡量用E-mail為本刊投稿。來(lái)稿一經(jīng)收到,即回復作者。編輯部會(huì )及時(shí)將稿件送審,然后結合審查意見(jiàn)決定是否刊用,并將意見(jiàn)及時(shí)告知作者。(3)在本刊發(fā)表論文,一律不收取版面費,且在發(fā)表后按規定向作者支付稿酬并贈樣刊(4)本刊不支持“一稿兩投”,反對“一稿多投”。如果作者由于某種特殊原因而“一稿兩投”,并在他刊首發(fā),望及時(shí)向本刊編輯部申明撤稿。(5)來(lái)稿務(wù)必注明作者單位全稱(chēng)、詳細通訊地址、聯(lián)系方式等。我們將一如既往地為廣大讀者、作者提供優(yōu)質(zhì)、高效、滿(mǎn)意的服務(wù)。同時(shí)也希望作者在條件允許的情況下,主動(dòng)與編輯部保持聯(lián)系,以免造成延誤。最后需要說(shuō)明的是:本刊在征集工業(yè)技術(shù)類(lèi)稿件的同時(shí),仍中國煤化工綠色化工及高水平述評等其他類(lèi)型的稿件。CNMHG《石化技術(shù)與應用》編輯部