乙烯选择性三聚与串联共聚催化体系制备LLDPE

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本文以HN(C2H4SR)2·CrCl3/MAO为催化体系,实验考察了反应条件对乙烯三聚的选择性、活性及其动力学特性的影响,建立了相应的模型,并进一步实验考察了催化剂负载化对其活性和选择性的影响规律;又以HN(C2H4SC12H25)2·CrCl3/Et(Ind)2ZrCl2/MAO为串联催化体系催化乙烯三聚及共聚制备线性低密度聚乙烯(LLDPE)——乙烯/1-己烯共聚物,实验并建模考察了反应条件对乙烯三聚选择性、乙烯/1-己烯共聚活性、齐聚与共聚动力学特性以及产物性能等的影响;考察了催化体系的负载化对串联反应过程及其产物性能的影响。HN(C2H4SR)2·CRCl3催化乙烯齐聚实验发现该催化剂在低压和较低的MAO用量下有非常高的三聚选择性(>99%)。当R基为-C2H5时,1atm下65℃时活性最高可达550kg hexene/(mol Crh),提高反应压力有助于得到更高的活性,但是会降低催化剂的选择性;当R基为-C12H25时,1atm下75℃时活性最高可达450kg hexene/(mol Crh)。实验发现,该类催化剂的最佳反应温度区间在55-75℃之间。将HN(C2H4SR)2·CrCl3催化剂负载于SiO2上,发现负载化对催化剂的三聚选择性没有影响,但是催化剂的活性有所下降,动力学曲线则更趋平缓。当R基为-C2H5时,负载型催化剂活性相对于均相催化剂下降了1 00 kg hexene/(mol Cr.h)左右;而当R基为-C12H25时,活性下降到其均相时的1/4。负载化对两种催化剂活性的影响程度不同,是由于R基为-C12H25时催化剂本身的位阻基团比较大,催化剂负载化加剧了位阻对乙烯配位、络合及插入的影响。三聚催化剂HN(C2H4SC12H25)2·CrCl3(1)与茂金属催化剂Et(Ind)2ZrCl2(2)配合组成串联催化剂体系,以乙烯为唯一原料,在同一个反应器中催化剂1催化乙烯选择性三聚生成1-己烯,而催化剂2催化乙烯与原位生成的1-己烯共聚生成乙烯/1-己烯共聚物。共聚物的性能可通过催化剂配比、反应温度等条件控制。13C-NMR表征发现,聚合物只含有C4支链,表明三聚催化剂的选择性在串联共聚时保持不变。当反应温度较低或者Cr/Zr较高时,串联催化体系得到的共聚物的DSC曲线分布较宽,甚至出现双峰分布。1-己烯的浓度累积与漂移是造成这一现象的主要原因,采用预齐聚的方法抑制这种漂移,得到结构更均一的共聚物。针对HN(C2H4SR)2·CrCl3催化剂,应用金属成环中间体三聚机理,建立了相应的动力学模型,导出了常压下该类催化剂催化乙烯三聚的反应速率方程:Rp=k1.ka.CE2/ka-kd(e-kdt-e-kat).Mw,获得了对应的动力学参数。针对HN(C2H4SC12H25)2·CrCl3/Et(Ind)2ZrCl2/MAO串联催化体系,基于简化的金属成环中间体三聚机理和乙烯/1-己烯共聚机理,建立了一个半连续乙烯串联反应制备LLDPE的数学模型。该模型可以很好的预测反应速率、共聚单体浓度、共聚物组成、产物分子量及分子量分布等。串联催化反应实验和仿真研究发现,反应过程中三聚反应和共聚反应存在着速度差;正是这一速度差导致了反应过程中1-己烯的浓度从零起不断累积增大;采用预齐聚的方法可使1-己烯先在短期内累积到比较高的浓度,进而使其消耗的速率与生成的速率达到平衡,得到组成结构更均一的共聚物。使用均相或负载化HN(C2H4SC12H25)2·CrCl3与均相或负载化Et(Ind)2ZrCl2组合成的不同的串联催化体系进行乙烯的化学反应,研究发现,共聚催化剂Et(Ind)2ZrCl2负载化对其活性和1-己烯的插入都有影响。固定Cr/Zr比条件下,串联催化体系的活性取决于共聚催化剂负载与否,与三聚催化剂的负载与否则没有关系;采用均相共聚催化剂,其聚合产物的分子量较小,分子量分布窄,DSC曲线呈单峰分布;采用负载型共聚催化剂,由于其具有多活性中心,产物分子量高,分子量分布宽,DSC曲线比较复杂。使用双负载型串联催化剂活性比较高,产物中只有C4支链,熔点介于95℃到120℃之间,是典型的LLDPE。在相同的反应条件下,双负载催化体系得到的聚合物分子量最大。负载三聚催化剂降低了体系中1-己烯的浓度,而负载型共聚催化剂降低了链转移速率和β-氢消除速率,这两种作用共同影响了产物的分子量。
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