ES2311671T3 - Procedimiento para la preparacion de polidienos ramificados en presencia de catalizadores basados en tierras raras. - Google Patents
Procedimiento para la preparacion de polidienos ramificados en presencia de catalizadores basados en tierras raras. Download PDFInfo
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Abstract
Procedimiento para la preparación de polidienos ramificados que comprende la polimerización de dienos conjugados en presencia de un sistema catalítico que comprende los componentes (a) a (d), en el que: componente (a): compuesto que comprende un elemento de tierras raras que presenta un número atómico comprendido entre 57 y 71 de la tabla periódica, o un producto obtenido mediante la reacción del compuesto anterior con una base de Lewis; componente (b): un derivado orgánico de aluminio que comprende por lo menos un átomo halógeno; componente (c): un alumoxano; componente (d): un compuesto organometálico de aluminio representado mediante la fórmula general (I) AlR1R2R3 en la que R1 y R2, iguales o distintos, son grupos hidrocarbilo que presentan un número de átomos de carbono comprendido entre 1 y 10 o hidrógeno, y R 3 es un grupo hidrocarbilo que presenta un número de átomos de carbono comprendido entre 1 y 10; estando caracterizado el procedimiento anterior porque se realiza en unas condiciones de funcionamiento que se seleccionan de entre: (i) condiciones isotérmicas a una temperatura comprendida entre 70ºC y 140ºC; (ii) condiciones adiabáticas con una temperatura inicial comprendida entre 50ºC y 90ºC y una temperatura final comprendida entre 100ºC y 150ºC; continuándose el procedimiento anterior en las condiciones (i) o (ii) hasta que se obtiene un polidieno, que presenta unos valores del índice de ramificación (determinado mediante la técnica GPC-MALLS) inferiores a 0,90 y unos valores del parámetro alfa (determinado asimismo mediante la técnica GPC-MALLS) comprendidos entre 0,53 y 0,30, durante un período comprendido entre 30 y 360 minutos.
Description
Procedimiento para la preparación de polidienos
ramificados en presencia de catalizadores basados en tierras
raras.
La presente invención se refiere a un
procedimiento de preparación de polidienos ramificados, con mayor
exactitud, polibutadieno ramificado, realizado en presencia de
catalizadores basados en tierras raras, preferentemente en el
neodimio.
Existen numerosos ejemplos en la técnica de
sistemas catalíticos con dos o más componentes basados en tierras
raras para facilitar la polimerización de dienos conjugados a fin de
obtener polidienos que presentan un elevado contenido cis. Por
ejemplo, los documentos DE 1812935, DE 2011543, DE 2833721, WO
93/05083 describen la preparación de polibutadieno con un elevado
contenido cis utilizando un sistema catalítico que comprende
compuestos de tierras raras y alquilos de aluminio.
Con mayor exactitud, el documento WO 93/05083
describe la preparación de 1,4 cis polibutadieno utilizando un
catalizador de cuatro componentes que comprende: (a) un compuesto de
tierras raras, (b) un alquilo de aluminio, (c) un dieno conjugado,
(d) un compuesto halogenado.
El documento EP 0919573 da a conocer la
preparación y la utilización de compuestos alílicos de tierras raras
en la polimerización de dienos conjugados para obtener polidienos
con un elevado contenido cis. En dicha patente, se alcanzan los
mejores resultados utilizando aluminoxanos, preferentemente MAO,
como cocatalizadores.
Con los sistemas catalíticos descritos hasta el
momento, sin embargo, se han obtenido polímeros con una estructura
lineal y por consiguiente se han caracterizado mediante unos valores
elevados de viscosidad en disolución y una pobre elaborabilidad. Los
polímeros que presentan unas viscosidades inferiores en disolución
y/o una elaborabilidad superior se pueden obtener sometiendo la
disolución polimérica a un procedimiento de postratamiento, tal como
se describe en la patente US nº 5.567.784. Al final del
postratamiento se obtiene un polímero, caracterizado por un índice
de ramificación significativo (determinado mediante análisis con
GPC-MALLS [cromatografía de permeabilidad en gel -
procedimiento de dispersión de luz láser multiángulo]) que demuestra
que se ha realizado la reacción de reticulación.
Las patentes EP 0863165 y EP 1026181 describen
la producción por lotes o continua de polidienos obtenidos
utilizando catalizadores que comprenden compuestos lantánidos y que
comprenden (a) un compuesto de tierras raras, (b) un aluminoxano,
(c) por lo menos un compuesto organometálico halogenado. Como
resultado de ello los polímeros son lineales y por lo tanto
caracterizados por unos valores elevados de viscosidad en disolución
que no permiten su utilización en la modificación de materiales
plásticos (es decir poliestireno de alta resistencia) y las propias
patentes describen como un aumento en la elaborabilidad de los
polímeros producidos se puede alcanzar mediante la reacción del
polímero sin enfriar con por lo menos un compuesto seleccionado de
entre un compuesto orgánico halogenado, un compuesto organometálico,
un isocianato halogenado, un ácido carboxílico, etc.
El documento EP 1099711 describe asimismo una
mejora en la elaborabilidad mediante un procedimiento que comprende
el postratamiento de una disolución polimérica sin enfriar con por
lo menos un compuesto seleccionado de entre un compuesto de quinona,
un compuesto de tiazol, un ditiocarbamato, un compuesto tiourámico,
etc.
El documento WO 00/69928 da a conocer un
procedimiento para polimerizar butadieno que utiliza un sistema
catalítico que comprende: a) un compuesto que comprende neodimio, b)
una fuente de halógeno, c) un aluminoxano o un compuesto
trialquílico de aluminio y d) un hidruro orgánico de aluminio. No se
describen polímeros ramificados de dienos.
Ahora se ha descubierto un procedimiento para la
polimerización de dienos conjugados, tanto por lotes como de un modo
continuo, para proporcionar polímeros sin geles, que presentan una
polidispersión comprendida entre 2,0 y 4,5, unos valores del índice
de ramificación (determinado mediante análisis con
GPC-MALLS) inferiores a 0,90, utilizando
catalizadores basados en compuestos lantánidos y sin realizar
tratamiento de modificación posterior adicional alguno en la
disolución polimérica.
Además, los polidienos anteriores, con el mismo
peso molecular, presentan unas viscosidades en disolución muy
inferiores, con respecto a los polidienos correspondientes que
presentan una estructura lineal.
En concordancia con ellos, la presente invención
se refiere a un procedimiento de preparación de polidienos que
comprende la polimerización de dienos conjugados en presencia de un
sistema catalítico que comprende los componentes (a) a (d),
siendo:
- componente (a):
- compuesto que comprende un elemento de tierras raras que presenta un número atómico comprendido entre 57 y 71 de la tabla periódica, o un producto obtenido mediante de la reacción del compuesto anterior con una base de Lewis;
- componente (b):
- un derivado orgánico de aluminio que comprende por lo menos un átomo halógeno;
- componente (c):
- alumoxano;
- componente (d):
- un compuesto organometálico de aluminio representado mediante la fórmula general (I) AlR_{1}R_{2}R_{3}
en la que R_{1} y R_{2}, iguales o
distintos, son grupos hidrocarbilo que presentan un número de átomos
de carbono comprendido entre 1 y 10 o hidrógeno, y R_{3} es un
grupo hidrocarbilo que presenta un número de átomos de carbono
comprendido entre 1 y 10; caracterizándose el procedimiento anterior
porque se realiza en unas condiciones de funcionamiento que se
seleccionan de entre:
- (i)
- condiciones isotérmicas a una temperatura comprendida entre 70ºC y 140ºC, preferentemente entre 80ºC y 120ºC;
- (ii)
- condiciones adiabáticas con una temperatura inicial comprendida entre 50ºC y 90ºC y una temperatura final comprendida entre 100ºC y 150ºC;
continuándose el procedimiento anterior en las
condiciones (i) o (ii) hasta que se obtiene un polidieno, que
presenta unos valores del índice de ramificación (determinado
mediante la técnica GPC-MALLS) inferiores a 0,90 y
unos valores del parámetro \alpha (determinado asimismo mediante
la técnica GPC-MALLS) comprendidos entre 0,53
y 0,30.
y 0,30.
El componente (a) que se utiliza en el
procedimiento de la presente invención es un compuesto que contiene
un elemento de tierras raras que presenta un número atómico
comprendido entre 57 y 71 de la tabla periódica o un producto
obtenido mediante de la reacción del compuesto anterior con una base
de Lewis. Por lo que se refiere al elemento de tierras raras, éste
se selecciona preferentemente de entre el neodimio, el praseodimio,
el cerio, el lantano, el gadolinio y mezclas de los mismos. En la
forma de realización preferida, es el neodimio.
El componente (a) que comprende el elemento de
tierras raras se selecciona de entre carboxilatos, alcóxidos,
complejos con \beta-dicetonas, fosfatos y
fosfitos. Entre ellos, se prefieren los carboxilatos y los fosfatos,
los carboxilatos resultan incluso más preferidos. Los carboxilatos
de tierras raras se representan mediante la siguiente fórmula
general (II)
(II)(R^{11}-COO)_{3}M
en la que M es un elemento de
tierras raras que presenta un número atómico comprendido entre 57 y
71, R^{11} es un grupo hidrocarbúrico que presenta un número de
átomos de carbono comprendido entre 1 y 20, preferentemente un grupo
alquilo saturado o insaturado, lineal, ramificado o cíclico. Los
ejemplos habituales de ácidos carboxílicos que presentan la fórmula
general R^{11}-COOH son el ácido octanoico, el
ácido 2-etil-hexanoico, el ácido
oleico, el ácido esteárico, el ácido benzoico, el ácido nafténico,
el ácido versático (nombre comercial de la Shell Chemical
Corporation, ácido carboxílico en el que el grupo carboxílico se
enlaza con un átomo de carbono
tercia-
rio).
rio).
Los alcóxidos de tierras raras presentan la
fórmula general (III)
(R^{12}O)_{3}M
en la que M presenta el significado
definido anteriormente. Como ejemplo de grupo alcóxido representado
por R^{12}O, se pueden mencionar el grupo
2-etil-hexilalcoxi, el grupo
oleilalcoxi, el grupo estearilalcoxi, el grupo fenoxi y el grupo
bencilalcoxi. Entre ellos, se prefieren los grupos
2-etil-hexilalcoxi y
bencilalcoxi.
Con respecto a los complejos
\beta-dicetonas con tierras raras, se pueden
mencionar la acetilacetona, la benzoilacetona, el propionitrilo, la
acetona, la valerilacetona y la etilacetilacetona. Entre dichos
complejos se prefieren la acetilacetona y la etilacetilacetona.
Por lo que se refiere a los fosfatos y fosfitos
de tierras raras, se prefieren los fosfatos y los carboxilatos de
neodimio, en particular el
2-etil-hexanoato de neodimio y el
versatato de neodimio.
Las bases de Lewis se utilizan para disolver el
elemento de tierras raras en el disolvente seleccionada o para el
almacenamiento estable y prolongado de tierras raras. Las bases de
Lewis que se pueden utilizar son la acetilacetona, el
tetrahidrofurano, la piridina, la
N,N-dimetilformamida, el tiofeno, el éter
difenílico, los compuestos organofosfóricos, y los alcoholes
monovalentes o divalentes.
Con respecto al componente (b), éste es un
derivado orgánico de aluminio que comprende por lo menos un átomo
halógeno, preferentemente bromuro o cloruro, más preferentemente
cloruro. Los ejemplos habituales de los componentes (b) son: el
cloruro de dietilaluminio, el sesquicloruro de etilaluminio, el
dibromuro de etilaluminio, el sesquicloruro de etilaluminio.
El componente (c) utilizado en el procedimiento
de la presente invención es un aluminoxano que presenta una
estructura química indicada mediante la fórmula (IV)
(IV)R^{20}-Al-(O-Al)_{n}
en la que R^{20} es un grupo
hidrocarbilo que presenta un número de átomos de carbono comprendido
entre 1 y 20 y n es un entero superior o igual a
2.
En el aluminoxano representado mediante la
fórmula (IV), el grupo hidrocarbilo representado por R^{20}
comprende los grupos metilo, etilo, propilo,
n-butilo, isobutilo, t-butilo,
hexilo, isohexilo, octilo y productos similares. El grupo R^{20}
se selecciona preferentemente de entre los grupos metilo, etilo,
propilo, n-butilo, isobutilo y
t-butilo; más preferentemente R^{20} = CH_{3}.
En la forma de realización preferida n es un entero \geq 5 más
preferentemente n se encuentra comprendido entre 10 y 100.
La producción de aluminoxanos se puede realizar
según técnicas muy conocidas. Por ejemplo, se puede producir un
aluminoxano mediante la adición de monocloruro de trialquilaluminio
o dialquilaluminio a un disolvente orgánico tal como benceno,
tolueno o xileno, y mediante la adición y la reacción con agua o una
sal que presente agua de cristalización tal como el pentahidrato de
sulfato de cobre y el hexadecahidrato de sulfato de aluminio.
El componente (d) utilizado en el procedimiento
de la presente invención presenta la fórmula general (I)
AlR_{1}R_{2}R_{3} en la que R_{1}, R_{2} y R_{3}
presentan el significado anteriormente. Los ejemplos habituales de
compuestos que presentan la fórmula general (I) son el
trimetilaluminio, el trietilaluminio, el
tri-n-propilaluminio, el
tri-isopropilaluminio, el
tri-n-butilaluminio, el
tri-isobutlaluminio, el
tri-t-butilaluminio, el
tripentilaluminio, el trihexilaluminio, el triciclohexilaluminio,
el trioctilaluminio, el hidruro de dietilaluminio, el hidruro de
di-n-propilaluminio, el hidruro de
di-n-butilaluminio, el hidruro de
diisobutilaluminio, el hidruro de dihexilaluminio, el hidruro de
diisohexilaluminio, el hidruro de dioctilaluminio, el hidruro de
di-iso-octilaluminio, el dihidruro
de etilaluminio, el dihidruro de n-propilaluminio y
el dihidruro de isobutilaluminio. Entre los compuestos orgánicos de
aluminio especificados anteriormente, se prefieren el
trietilaluminio, el tri-isobutlaluminio, el hidruro
de dietilaluminio y el hidruro de diisobutilaluminio.
Las cantidades de los componentes (a) a (d) y
las proporciones relativas se seleccionan en función de la
utilización final o necesidad en este sentido. el componente (a) se
utiliza preferentemente en una cantidad comprendida entre 0,0001 y
1,0 mmoles por 100 gramos de dieno conjugado que se deben
polimerizar. Cuando la cantidad es inferior a los 0,0001 mmoles, se
reduce la velocidad de la reacción hasta unos valores inaceptables,
mientras que cuando la cantidad es superior a 1,0 mmoles, la
concentración del catalizador es demasiado elevada y resulta por lo
tanto necesaria una etapa de eliminación de las cenizas. El
componente (a) se utiliza preferentemente en una cantidad
comprendida entre 0,0005 y 1,0 mmoles.
Además, la proporción molar entre el componente
(a) y el componente (b) es 1/0,1 a 1/15, preferentemente 1/0,5 a
1/5.
Por lo que se refiere a la cantidad del
componente (c), ésta se puede expresar haciendo referencia al
componente (a). La proporción molar anterior (a)/(c) se encuentra
comprendida entre 1/1 y 1/5.000, preferentemente entre 1/3 y
1/1.000. Además, la proporción molar (a)/(d) se encuentra
comprendida entre 1/1 y 1/500, preferentemente entre 1/10 y 1/300.
La proporción molar (c)/(d) se encuentra comprendida entre 1/0,02 y
1/300, preferentemente entre 1/0,05 y 1/250. Si la cantidad de los
componentes se encuentra fuera de los intervalos anteriores, el
catalizador presenta una actividad baja o se ha de añadir una etapa
de eliminación de las cenizas.
A parte de los componentes (a) a (d), se puede
utilizar asimismo opcionalmente un dieno conjugado o no conjugado
como catalizador. Entre los dienos conjugados, se puede utilizar el
mismo dieno conjugado sometido a polarización, por ejemplo el
1,3-butadieno y el isopreno. Entre los dienos no
conjugados, se pueden mencionar el divinilbenceno, el
diisopropenilbenceno, el triisopropenilbenceno, el
1,4-vinilhexadieno y el etilideno norboneno. El
compuesto dieno no es un componente catalítico esencial, sin embargo
puede aumentar la actividad catalítica si se utiliza junto con los
componentes (a) a (d).
El sistema catalítico utilizado en el
procedimiento de la presente invención se prepara, por ejemplo,
mediante la reacción de los componentes (a) a (d) disueltos en un
disolvente apto mediante la reacción adicional con el dieno, según
cualquier orden de adición. Para aumentar la reactividad de la
polimerización y disminuir el período de inducción, se prefiere que
dichos componentes se mezclen, reaccionen y se dejen en reposo. La
temperatura de reposo se encuentra comprendida entre 0ºC y 100ºC,
preferentemente entre 20 y 80ºC. La duración del reposo no es
crítica, sin embargo dicha duración es por lo menos de 30
segundos.
El procedimiento de la presente invención se
realiza en presencia del sistema catalítico descrito anteriormente
en presencia de un disolvente hidrocarbúrico.
Entre los dienos conjugados que se puede
polimerizar utilizando el procedimiento de la presente invención, se
pueden mencionar los siguientes: el 1,3-butadieno,
el
2-metil-1,3-butadieno
(isopreno), el
2,3-dimetil-1,3-butadieno,
el 1,3-pentadieno, el 1,3-hexadieno
y el ciclo-1,3-hexadieno. Entre
dichos dienos conjugados que se pueden polimerizar según el
procedimiento se seleccionan preferentemente el
1,3-butadieno y el isopreno. Los dienos conjugados
anteriores se pueden utilizar solos o en una mezcla de do o más. En
dichos casos, es decir, utilizando una mezcla de dos o más dienos,
se obtiene un copolímero.
Por lo que se refiere al disolvente de la
polimerización, éste se selecciona de entre disolventes orgánicos
inertes tales como hidrocarburos alifáticos saturados, por ejemplo
butano, pentano, hexano, heptano; hidrocarburos alicíclicos
saturados, por ejemplo ciclopentano y ciclohexano; monoolefinas
tales como el 1-buteno y el
2-buteno; hidrocarburos aromáticos, por ejemplo
benceno, tolueno, xileno; hidrocarburos halogenados, tales como el
cloruro de metileno, el cloroformo, el tetracloruro de carbono, el
tricloroetileno, el percloroetileno, el
1,2-dicloroetano clorobenceno, el bromobenceno, el
clorotolueno. En la forma de realización preferida, el disolvente se
selecciona de entre los hidrocarburos alifáticos saturados.
Además, la concentración en el disolvente del
monómero dieno que se debe polimerizar se encuentra normalmente
comprendido entre el 5 y el 50%, preferentemente entre el 10% y el
20% en peso.
A fin de evitar la desactivación del catalizador
utilizado en el procedimiento de la presente invención, resulta
necesario reducir tanto como resulte posible la incorporación de
compuestos que presenten una acción desactivante tal como el
oxígeno, el agua y el dióxido de carbono.
El procedimiento de la presente invención se
puede realizar tanto de un modo continuo como por lotes.
El polímero que se obtiene a partir del dieno
conjugado obtenido según el procedimiento de la presente invención
presenta un contenido de enlaces 1,4-cis por lo
menos del 80%, un contenido de unidades 1,2 inferior al 2%, y una
proporción entre M_{W} (peso molecular medio en peso) y M_{n}
(peso molecular medio en número) igual o inferior a 4,5, determinado
mediante cromatografía de permeabilidad en gel.
En la forma de realización preferida, la
proporción M_{W}/M_{n} es inferior o igual a 3,5. El peso
molecular medio (M_{W}) determinado mediante
GPC-MALLS se encuentra comprendido habitualmente
entre 200 \cdot 10^{3} y 600 \cdot 10^{3}, preferentemente
entre 300 \cdot 10^{3} y 500 \cdot 10^{3}.
El catalizador se puede preparar tanto
directamente en el entorno de la reacción o se puede realizar
previamente en el exterior del entorno de la reacción; se realiza
preferentemente en el exterior.
La temperatura de polimerización se ha de
seleccionar de tal modo que permita el desarrollo de reacciones de
reticulación entre las cadenas poliméricas que se producen tanto
durante como al finalizar la propia polimerización. En unas
condiciones isotérmicas, la temperatura se encuentra comprendida
entre 70ºC y 140ºC, preferentemente entre 80ºC y 120ºC.
En condiciones adiabáticas, es decir, sin la
dispersión del calor, la temperatura de polimerización inicial se
encuentra comprendida entre 50ºC y 90ºC, preferentemente entre 60ºC
y 80ºC. En las condiciones adiabáticas anteriores, la temperatura
final habitualmente se encuentra comprendida entre 100ºC y
150ºC.
El período de reacción se selecciona de tal modo
que permita que se produzcan las reacciones que generan estructuras
poliméricas ramificadas en un grado suficiente para obtener unos
valores del índice de ramificación (determinados con la técnica
GPC-MALLS) inferiores a 0,90 y unos valores del
parámetro \alpha (determinados asimismo con la técnica
GPC-MALLS) comprendidos entre 0,53 y 0,30. En
función de las condiciones de polimerización, el período de reacción
se encuentra comprendido generalmente entre 5 y 360',
preferentemente entre 30 y 180'.
La polimerización se detiene introduciendo un
agente de detención seleccionados de entre los que se utilizan
habitualmente en la técnica conocida (es decir, EtOH, H_{2}O). Se
retira el disolvente de la disolución polimérica mediante flash y se
seca el polímero tanto en un horno como en un mezclador abierto.
Los polidienos obtenidos según el procedimiento
de la presente invención se pueden utilizar en la realización de
neumáticos. La presencia de dicho grado elevado de ramificación, sin
embargo, hace que los productos resulten particularmente aptos para
su aplicación en la modificación de materiales plásticos, en
particular en la preparación de HIPS.
\vskip1.000000\baselineskip
Los siguientes ejemplos se proporcionan para una
mejor comprensión de la presente invención.
Se realizan habitualmente los siguientes ensayos
analíticos en el polímero:
\bulletViscosidad Mooney, según el
procedimiento ASTM D 1646
\bulletAnálisis de la microestructura
(contenido cis), según el procedimiento interno mediante
espectrometría de IR.
\bulletAnálisis del contenido en
geles, según el procedimiento interno que comprende la
disolución del polímero en THF, la posterior filtración en membranas
de malla 325 y 0,2 micrómetros, y el análisis gravimétrico del
producto insoluble.
\bulletViscosidad absoluta,
determinada en una disolución de estireno al 5% p/p a una T =
25ºC.
\bulletDeterminación de la distribución de
masa molecular (MWD), según el procedimiento interno mediante
GPC en tetrahidrofurano a una T = 25ºC.
Al acoplar un detector de la dispersión de luz
multiángulo (MALLS) con un sistema tradicional de elución SEC/RI,
resulta posible determinar al mismo tiempo el peso molecular
absoluto y el radio de giro de las macromoléculas que se eluyen a
partir del sistema cromatográfico; la cantidad de luz dispersa
procedente de una especia macromolecular en disolución se puede
utilizar de hecho directamente para obtener su peso molecular,
mientras que la variación angular de la dispersión se correlaciona
directamente con sus dimensiones medias. La relación básica que se
utiliza es la siguiente:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
en la
que:
\bullet K* = constante óptica, que depende de
la longitud de onda de la luz utilizada, el índice de refracción
dn/dc del polímero, el disolvente utilizado.
\bullet M_{W} = peso molecular medio en
peso.
\bullet c = concentración de la disolución
polimérica.
\bullet R_{\theta} = excedente en el índice
de Rayleigh (intensidad de la luz dispersa determinada en un ángulo
\theta).
\bullet P_{\theta} = función que describe
la variación de la luz dispersa con el ángulo con el que se
determina, igual a 1 en el caso del ángulo \theta igual a 0.
\bullet A2 = segundo coeficiente del
virial.
Para concentraciones muy bajas (habituales en un
sistema de GPC), 1 se reduce a
\vskip1.000000\baselineskip
y efectuando la determinación en
distintos ángulos, la extrapolación al ángulo cero de la función
K*c/R_{\theta} en relación con el sen^{2}\theta/2 proporciona
directamente el peso molecular del valor de intercepción y el radio
de giro desde la
pendiente.
Además, debido a que dicha determinación se
realiza para cada corte del cromatograma, resulta posible obtener
una distribución de tanto el peso molecular como del radio de
giro.
Las dimensiones macromoleculares en disolución
se correlacionan directamente con su grado de ramificación: con el
mismo peso molecular, cuanto menores sean las dimensiones de la
macromolécula con respecto a la molécula lineal correspondiente,
mayor será el grado de ramificación; la información relativa a la
macroestructura de un polímero se deduce de dos modos:
1. De un modo cualitativo, a partir del valor
del parámetro \alpha, que representa la pendiente de la curva que
correlaciona el radio de giro con el peso molecular: cuando, en las
mismas condiciones de análisis, dicho valor disminuye con respecto a
una macroestructura de tipo lineal, ello indica la presencia de un
polímero que presenta una macroestructura ramificada; el valor
habitual para un polibutadieno con una cantidad elevada de cis
lineales en THF se encuentra comprendido entre 0,58 y 0,60.
2. De un modo cuantitativo, analizando el índice
de ramificación g_{M}, que se define para cada macromolécula como
la proporción entre el radio de giro cuadrático medio de la
macromolécula ramificada con respecto a la macromolécula lineal, con
el mismo peso molecular:
El índice de ramificación medio g_{M}
representa el promedio de dicha proporción a lo largo de la
distribución de las masas moleculares, y se encuentra comprendido
entre 0 y 1.
\vskip1.000000\baselineskip
1,2 ml de una disolución de versatato de
neodimio en hexano que presenta una concentración de Nd 0,458 M
(0,549 mmoles) y 2,4 ml de una disolución de acetilacetona en hexano
que presenta una concentración de 0,456 M (1,099 mmoles), se
introducen mediante una jeringuilla y a temperatura ambiente, en un
frasco anhidro, equipado con un anclaje magnético y cubierto con una
corona superior y un forro de goma. Tras 10' se añadieron 35,5 ml de
una disolución de MAO en tolueno con una concentración 1,55 M (55,03
mmoles) y de nuevo tras un período adicional de 10':12,6 ml de una
disolución de DlBA en con una concentración 0,875 M (11,03 mmoles),
1,7 ml de una disolución de DEAC en hexano con una concentración
0,64 M (1,099 mmoles) y 6,8 ml de una disolución de
1,3-butadieno en hexano con una concentración 0,405
M (2,748 mmoles).
Se dejó la mezcla a temperatura ambiente durante
30' y a continuación se utilizó.
La concentración de Nd en la disolución resultó
ser: 0,00913 M (proporciones molares en la Tabla 1).
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo comparativo
2
Se añadieron 1161 g de hexano anhidro y 189 g de
1,3-butadieno recién destilado en una columna llena
con tamices moleculares en una atmósfera de N_{2}, a un reactor de
acero de tipo Buechi de 3 l. La mezcla disolvente - monómero se
dispuso a una temperatura de 60ºC. Cuando la temperatura alcanzó el
valor seleccionado, se añadieron 6,2 ml de la disolución catalítica
del Ejemplo 1 (0,0566 mmoles), y la velocidad de agitación se ajustó
a 200 rpm. La temperatura de la reacción se mantuvo tan próxima como
resultó posible a un valor de 60ºC a fin de obtener el perfil
isotérmico. Al final de la polimerización, el catalizador se
desactivó introduciendo 20 ml de EtOH en el reactor; a continuación
se añadieron 12 ml de una disolución de etanol al 10% del par de
antioxidantes TNPP y Irganox® 565. Se retiró el disolvente
descomponiendo con vapor y el polímero se secó en un mezclador
abierto. Las condiciones de funcionamiento para la preparación del
catalizador y la polimerización se indican en la Tabla 1. Los
resultados analíticos obtenidos en la goma se especifican en la
Tabla 2.
\vskip1.000000\baselineskip
Se añadieron 1188 g de hexano anhidro y 162 g de
1,3-butadieno recién destilado en una columna llena
con tamices moleculares en una atmósfera de N_{2}, a un reactor de
acero de tipo Buechi de 3 l. La mezcla disolvente - monómero se
dispuso a una temperatura de 90ºC (véase Tabla 1). Cuando la
temperatura alcanzó el valor seleccionado, se añadieron 10,6 ml de
la disolución catalítica del Ejemplo 1 (0,0968 mmoles), y la
velocidad de agitación se ajustó a 200 rpm. La temperatura de la
reacción se mantuvo tan próxima como resultó posible a un valor de
90ºC a fin de obtener el perfil isotérmico. Al final de la
polimerización, se siguió el mismo procedimiento descrito en el
Ejemplo 2. Los resultados analíticos obtenidos en la goma se
especifican en la Tabla 2.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo comparativo
4
Se añadieron 1175 g de hexano anhidro y 176 g de
1,3-butadieno recién destilado en una columna llena
con tamices moleculares en una atmósfera de N_{2}, a un reactor de
acero de tipo Buechi de 3 l. La mezcla disolvente - monómero se
dispuso a una temperatura de 40ºC. Cuando la temperatura alcanzó el
valor seleccionado, se añadieron 11,5 ml de la disolución catalítica
del Ejemplo 1 (0,105 mmoles), y la velocidad de agitación se ajustó
a 200 rpm (Tabla 1). La temperatura de la reacción aumentó, debido a
que es exotérmica, hasta un valor de 90ºC y se mantuvo en dicho
valor durante la duración entera de la reacción. Tras 140', al final
de la polimerización, se siguió el mismo procedimiento descrito en
el Ejemplo 2. Los resultados analíticos obtenidos en la goma se
especifican en la Tabla 2.
\vskip1.000000\baselineskip
Se añadieron 1175 g de hexano anhidro y 176 g de
1,3-butadieno recién destilado en una columna llena
con tamices moleculares en una atmósfera de N_{2}, a un reactor de
acero de tipo Buechi de 3 l. La mezcla disolvente - monómero se
dispuso a una temperatura de 50ºC. Cuando la temperatura alcanzó el
valor seleccionado, se añadieron 11,5 ml de la disolución catalítica
del Ejemplo 1 (0,105 mmoles), y la velocidad de agitación se ajustó
a 200 rpm (Tabla 1). La temperatura de la reacción aumentó, debido a
que es exotérmica, hasta un valor de 100ºC y se mantuvo en dicho
valor durante la duración entera de la reacción (140'). Tras 140',
al final de la polimerización, se siguió el mismo procedimiento
descrito en el Ejemplo 2. Los resultados analíticos obtenidos en la
goma se especifican en la
Tabla 2.
Tabla 2.
\vskip1.000000\baselineskip
Se utilizó el mismo procedimiento descrito en el
Ejemplo 1, introduciendo en el frasco lo siguiente:
1,2 ml de una disolución de versatato de
neodimio en hexano que presentaba una concentración de Nd 0,458 M
(0,549 mmoles);
2,6 ml de una disolución de acetilacetona en
hexano que presentaba una concentración de 0,426 M (1,099
mmoles);
18,3 ml de una disolución de MAO en tolueno que
presentaba una concentración de 1,5 M (27,48 mmoles);
13,3 ml de una disolución de DlBA en hexano que
presentaba una concentración de 0,827 M (10,99 mmoles);
4,7 ml de una disolución de DEAC en hexano que
presentaba una concentración de 0,943 M (4,40 mmoles);
4,4 ml de una disolución de
1,3-butadieno en hexano que presentaba una
concentración de 0,627 M (2,748 mmoles).
La mezcla, tal como en el Ejemplo 3, se dejó a
temperatura ambiente durante 30', y a continuación se utilizó.
La concentración de Nd en la disolución resultó
ser: 0,0124 M (proporciones molares en la Tabla 3).
\vskip1.000000\baselineskip
Se añadieron 1175 g de hexano anhidro y 176 g de
1,3-butadieno recién destilado en una columna llena
con tamices moleculares en una atmósfera de N_{2}, a un reactor de
acero de tipo Buechi de 3 l. La mezcla disolvente - monómero se
dispuso a una temperatura de 60ºC. Cuando la temperatura alcanzó el
valor seleccionado, se añadieron 7,1 ml de la disolución catalítica
del Ejemplo 6 (0,080 mmoles), y la velocidad de agitación se ajustó
a 200 rpm (Tabla 3). La temperatura de la reacción aumentó, debido a
que es exotérmica, hasta un valor de 115ºC y se mantuvo en dicho
valor durante la duración entera de la reacción. Tras 130', al final
de la polimerización, se siguió el mismo procedimiento descrito en
el Ejemplo 2. Los resultados analíticos obtenidos en la goma se
especifican en la Tabla 4.
\vskip1.000000\baselineskip
Se utilizó el mismo procedimiento descrito en el
Ejemplo 1, introduciendo en el frasco lo siguiente:
1,2 ml de una disolución de versatato de
neodimio en hexano que presentaba una concentración de Nd 0,458 M
(0,549 mmoles);
2,6 ml de una disolución de acetilacetona en
hexano que presentaba una concentración de 0,426 M (1,099
mmoles);
18,3 ml de una disolución de MAO en tolueno que
presentaba una concentración de 1,5 M (27,48 mmoles);
13,3 ml de una disolución de DlBA en hexano que
presentaba una concentración de 0,827 M (10,99 mmoles);
2,3 ml de una disolución de DEAC en hexano que
presentaba una concentración de 0,943 M (2,198 mmoles);
2,6 ml de una disolución de
1,3-butadieno en hexano que presentaba una
concentración de 1,065 M (2,75 mmoles).
La mezcla se dejó a temperatura ambiente durante
30', y a continuación se utilizó. Tras su utilización, se almacenó
para ensayos posteriores, en un frigorífico a -17ºC.
La concentración de Nd en la disolución resultó
ser: 0,0136 M (proporciones molares en la Tabla 3).
\vskip1.000000\baselineskip
Se añadieron 1175 g de hexano anhidro y 176 g de
1,3-butadieno recién destilado en una columna llena
con tamices moleculares en una atmósfera de N_{2}, a un reactor de
acero de tipo Buechi de 3 l. La mezcla disolvente - monómero se
dispuso a una temperatura de 80ºC. Cuando la temperatura alcanzó el
valor seleccionado, se añadieron 10,9 ml de la disolución catalítica
del Ejemplo 8 (0,1482 mmoles), y la velocidad de agitación se ajustó
a 200 rpm (Tabla 3). La temperatura de la reacción aumentó, debido a
que es exotérmica, hasta un valor de 125ºC y se mantuvo en dicho
valor durante la duración entera de la reacción. Tras 120', al final
de la polimerización, se siguió el mismo procedimiento descrito en
el Ejemplo 2. Los resultados analíticos obtenidos en la goma se
especifican en la Tabla 4.
Nota: En el caso de los ensayos adiabáticos, se
indican tanto la temperatura inicial como el valor al final de la
reacción.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Nota: En todos los ensayos la conversión es del
100%
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\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
En todos los ensayos con un perfil isotérmico de
las Tablas 1 y 2, se puede observar cómo a una T = 90ºC (Ejemplo 3),
la reacción de polimerización se realiza de tal modo que se producen
estructuras macromoleculares caracterizadas por unos valores del
índice de ramificación g_{M} iguales a 0,80, mientras que a una T
= 60ºC (Ejemplo comparativo 2), se obtiene un polímero con una
estructura básicamente lineal (g_{M} = 0,94).
Asimismo, en el caso de los ensayos realizados
según un perfil térmico adiabático (Ejemplo comparativo 4 y Ejemplo
5 de las Tablas 1 y 2), se puede observar cómo se pueden obtener
polibutadienos lineales o ramificados en función de la temperatura.
El efecto de la temperatura inicial de polimerización en los ensayos
adiabáticos resulta claramente evidente en las Tablas 3 y 4, que
indican los ejemplos de ensayos realizados iniciándose desde T = 60
\div 80ºC, muy superior a la temperatura de 40ºC del Ejemplo
comparativo 4. En dichos casos, debido a que las temperaturas al
final de la reacción son superiores con respecto, por ejemplo, al
ensayo comparativo 4, se producen unos valores del índice de
ramificación g_{M} significativamente bajos (0,84 y 0,76) con unos
valores del coeficiente \alpha (0,40 y 0,33) que demuestran la
presencia de una ramificación de cadena larga significativa. En los
ensayos de las Tablas 3 y 4, los catalizadores que presentan un
valor distinto de la proporción Cl/Nd se utilizan asimismo para
demostrar cómo resulta posible alcanzar unos buenos resultados con
respecto a la ramificación utilizando asimismo distintas
formulaciones de catalizadores.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Tal como en la mayor parte de los polibutadienos
preparados con catalizadores basados en tierras raras, el contenido
en porcentaje del 1,2 es muy inferior asimismo para los polímeros
especificados en la presente invención (véase Tabla 5): 1 \div 2%.
Se puede observar, por lo tanto, cómo el resto de dobles enlaces se
encuentra en una configuración 1,4-trans. Dicho
resultado, junto con la presencia de un grado de ramificación
significativo, hace que dichos polímeros resulten aptos para la
aplicación en la modificación de materiales plásticos (es decir,
HIPS). Resulta ampliamente conocido que, con el mismo peso
molecular, las macromoléculas ramificadas presentan unas
viscosidades inferiores - en una disolución diluida - que las
macromoléculas lineales. Este hecho se puede observar claramente en
la Tabla 5, en la que en el caso de algunas de las muestras,
consideradas como las más representativas, las viscosidades se
determinaron en una disolución de estireno al 5% en peso. En algunos
de los ensayos, se obtuvieron sorprendentemente unos valores de la
viscosidad en disolución inferiores a 100 cP (Ejemplos 7 a 9). Esto
permite generalmente la utilización de dichos polibutadienos en un
campo tal como el de la modificación de HIPS, en el que se utilizan
habitualmente polibutadienos preparados con catalizadores basados en
el cobalto.
Claims (9)
1. Procedimiento para la preparación de
polidienos ramificados que comprende la polimerización de dienos
conjugados en presencia de un sistema catalítico que comprende los
componentes (a) a (d), en el que:
- componente (a):
- compuesto que comprende un elemento de tierras raras que presenta un número atómico comprendido entre 57 y 71 de la tabla periódica, o un producto obtenido mediante la reacción del compuesto anterior con una base de Lewis;
- componente (b):
- un derivado orgánico de aluminio que comprende por lo menos un átomo halógeno;
- componente (c):
- un alumoxano;
- componente (d):
- un compuesto organometálico de aluminio representado mediante la fórmula general (I) AlR_{1}R_{2}R_{3}
en la que R_{1} y R_{2}, iguales o
distintos, son grupos hidrocarbilo que presentan un número de átomos
de carbono comprendido entre 1 y 10 o hidrógeno, y R_{3} es un
grupo hidrocarbilo que presenta un número de átomos de carbono
comprendido entre 1 y 10; estando caracterizado el
procedimiento anterior porque se realiza en unas condiciones de
funcionamiento que se seleccionan de entre:
- (i)
- condiciones isotérmicas a una temperatura comprendida entre 70ºC y 140ºC;
- (ii)
- condiciones adiabáticas con una temperatura inicial comprendida entre 50ºC y 90ºC y una temperatura final comprendida entre 100ºC y 150ºC;
continuándose el procedimiento anterior en las
condiciones (i) o (ii) hasta que se obtiene un polidieno, que
presenta unos valores del índice de ramificación (determinado
mediante la técnica GPC-MALLS) inferiores a 0,90 y
unos valores del parámetro \alpha (determinado asimismo mediante
la técnica GPC-MALLS) comprendidos entre 0,53 y
0,30, durante un período comprendido entre 30 y 360 minutos.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que la polimerización en unas condiciones isotérmicas (i) se
realiza a una temperatura comprendida entre 80ºC y 120ºC.
3. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que el polidieno se selecciona de entre el polibutadieno y el
poliisopreno.
4. Procedimiento según la reivindicación 3, en
el que el polibutadieno presenta un contenido en 1,2 inferior al
2%.
5. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que el componente (a) es un compuesto que comprende neodimio.
6. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que el componente (b) es un derivado orgánico de aluminio que
comprende por lo menos un átomo de cloro.
7. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que la proporción molar (a)/(b) se encuentra comprendida entre
1/0,1 y 1/15, la proporción molar (a)/(c) se encuentra comprendida
entre 1/1 y 1/5.000, la proporción molar (a)/(d) se encuentra
comprendida entre 1/1 y 1/500, la proporción molar (c)/(d) se
encuentra comprendida entre 1/0,02 y 1/300.
8. Procedimiento según la reivindicación 7, en
el que la proporción molar entre el componente (a) y el componente
(b) se encuentra comprendida entre 1/0,5 a 1/5,
- la proporción molar (a)/(c) se encuentra comprendida entre 1/3 y 1/1.000,
- la proporción molar (a)/(d) se encuentra comprendida entre 1/10 y 1/300
- la proporción molar (c)/(d) se encuentra comprendida entre 1/0,05 y 1/250.
9. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que el componente (a) se utiliza en una cantidad comprendida
entre 0,0001 y 1,0 mmoles por 100 gramos de dieno conjugado que se
debe polimerizar.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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