ES2520993T3 - Catalizadores del tipo Ziegler-Natta para la (co)polimerización de olefinas con una alta productividad - Google Patents
Catalizadores del tipo Ziegler-Natta para la (co)polimerización de olefinas con una alta productividad Download PDFInfo
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Abstract
Catalizador sólido para la (co)polimerización de α-olefinas, que comprende titanio, magnesio, aluminio, cloro y por lo menos un metal seleccionado de entre hafnio y zirconio, en las siguientes razones molares: M/Ti >= 0,2-5,0; Mg/Ti >= 3,0-15,0; Al/Ti >= 0,1-4,0; Cl/Ti >= 15,0- 60,0 en el que M es un metal seleccionado de entre hafnio y zirconio o una mezcla de los mismos, preferentemente hafnio, y en el que titanio, magnesio, dicho metal M, aluminio y cloro representan por lo menos el 80% en peso, preferentemente entre el 85 y el 100% en peso, del catalizador, caracterizado por que por lo menos el 60% del titanio está en el estado de oxidación +3 y, cuando se examina mediante espectroscopía XPS, el sólido presenta una banda de absorción característica de una energía de unión comprendida entre 454 y 458 eV.
Description
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DESCRIPCIÓN
Catalizadores del tipo Ziegler-Natta para la (co)polimerización de olefinas con una alta productividad.
La presente invención se refiere a un catalizador del tipo Ziegler-Natta para la (co)polimerización de α-olefinas, que presenta una alta productividad y estabilidad térmica.
Más específicamente, la presente invención se refiere a un catalizador del tipo Ziegler-Natta potenciado con una alta actividad y estabilidad térmica, que forma un sistema catalítico que es particularmente eficaz en procedimientos de polimerización y copolimerización a alta temperatura de α-olefinas, especialmente etileno, para obtener altas productividades industriales.
Se conoce bien que las α-olefinas, y en particular el etileno, pueden polimerizarse en procedimientos a baja, media o alta presión con catalizadores del tipo Ziegler-Natta (ZN) para dar polímeros sustancialmente lineales con altos pesos moleculares. Estos catalizadores consisten generalmente en un compuesto basado en uno o más elementos de los grupos cuarto a sexto de la tabla periódica, combinados con un compuesto organometálico o un hidruro de los elementos de los grupos 1, 2 o 13 de la tabla periódica, especialmente un alquil-aluminio. Los catalizadores ZN que comprenden un sólido que contiene un metal de transición (generalmente, titanio), un metal bivalente (generalmente, magnesio), un halógeno (generalmente, cloro) y opcionalmente un compuesto donador de electrones, se conocen particularmente. Estos catalizadores sólidos, combinados con un compuesto organometálico de aluminio, forman sistemas catalíticos activos en la polimerización o copolimerización [a continuación en la presente memoria (co)polimerización] de etileno, en procedimientos llevados a cabo a bajas temperaturas y presiones. La patente US nº 3.642.746, por ejemplo, describe un sólido catalítico obtenido mediante el contacto de un compuesto de un metal de transición con el haluro de un metal bivalente tratado con un donador de electrones. Según la patente US nº 4.421.674, el catalizador se obtiene mediante el contacto de un compuesto de un metal de transición con el producto del secado por pulverización de una disolución de cloruro de magnesio en etanol. Según la patente GB 1.401.708, el catalizador sólido se obtiene mediante la interacción de un cloruro de magnesio con un compuesto no halogenado de un metal de transición y un haluro de aluminio. Las patentes US nº 3.901.863 y US nº 4.292.200 describen catalizadores obtenidos mediante la puesta en contacto de un compuesto de magnesio no halogenado con un compuesto no halogenado de un metal de transición y con un haluro de aluminio.
Las patentes US nº 4.843.049 y EP 243 327 describen un catalizador sólido que contiene titanio, magnesio, aluminio, cloro y grupos alcoxilo, altamente activo en procedimientos de (co)polimerización de etileno llevados a cabo a baja temperatura y presión, con la técnica de suspensión y en procedimientos a alta presión y temperatura en recipiente o reactores tubulares respectivamente. Estos sólidos catalíticos se preparan generalmente haciendo reaccionar un soporte activo de cloruro de magnesio obtenido mediante el secado por pulverización de una disolución en etanol del mismo, con tetra-alcóxido de titanio o tetracloruro de titanio y posteriormente con un cloruro de alquil-aluminio.
Se conoce bien que la (co)polimerización de etileno a altas temperaturas (160-260ºC) ofrece ventajas considerables con respecto a procedimientos de polimerización en suspensión a bajas temperaturas (50-90ºC) [Y. V. Kissin, D. L. Beach J. App. Polym. Sci. 28, 1171-1182 (1984)]: i) la rápida separación del polímero del disolvente mediante la evaporación de este último cuando disminuye la presión; ii) la posibilidad de producir gránulos de polímero inmediatamente después de haberse retirado el polímero fundido del reactor; iii) el aprovechamiento del calor de reacción para sostener la alta temperatura en lugar de su retirada mediante enfriamiento; iv) la posibilidad de utilizar reactores adoptados comúnmente para procedimientos de polimerización a alta presión.
También se conoce que los catalizadores adecuados para funcionar en condiciones de baja temperatura proporcionan prestaciones catalíticas moderadas a altas temperaturas en cuanto a una reducción tanto de los rendimientos catalíticos como de los pesos moleculares y, por consiguiente, no es posible utilizarlos como tales en procedimientos a alta temperatura. Además, los tiempos de residencia en el reactor en estos procedimientos son muy cortos (del orden de unos pocos minutos) y no pueden aumentarse debido a la corta vida del catalizador provocada por procesos de desactivación muy rápidos en estas condiciones. Por tanto, los catalizadores utilizados deben alcanzar su máxima actividad en tiempos extremadamente rápidos y no se toleran tiempos de inducción.
Se han realizado diversos intentos para superar algunos de estos inconvenientes, por ejemplo para mejorar las propiedades de los polímeros y copolímeros de olefinas, utilizando catalizadores basados en mezclas de metales de transición. Los documentos EP 177 189 y EP 146507, por ejemplo, describen ambos la preparación y la utilización de catalizadores del tipo ZN que consisten en titanio y hafnio para obtener polietileno con una amplia distribución de peso molecular (bimodal). El procedimiento para la preparación de estos catalizadores consiste en la introducción de titanio y hafnio en dos etapas separadas. La patente EP 523 785 da a conocer que la introducción de enlaces magnesio-carboxilato y metal de transición-carboxilato permite que se obtengan sólidos catalíticos, lo que representa una mejora con respecto a la técnica conocida en cuanto a actividad en procedimientos de (co)polimerización de etileno y otras α-olefinas, en procedimientos llevados a cabo a baja presión y temperatura, a alta presión y temperatura y en disolución y también en relación con la naturaleza de los polímeros obtenidos. La patente EP 1 171 479 reivindica un catalizador bimetálico particular del tipo ZN, soportado sobre cloruro de magnesio que
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permite la producción de polímeros y (co)polímeros de α-olefinas con altos pesos moleculares también en procedimientos a alta temperatura.
Sin embargo, también en el caso de este último catalizador, a pesar de su actividad potenciada con respecto a la técnica conocida, existe todavía una rápida degradación de las prestaciones catalíticas en cuanto a rendimiento y determinadas propiedades de los polímeros obtenidos, en particular los pesos moleculares promedio, a temperaturas superiores (T > 220ºC) y durante tiempos de residencia más largos.
Se cree generalmente que la disminución en las prestaciones se debe tanto a la degradación térmica, [J.P. Machon,
R. Hermant, J.P. Houzeaux, J. Polym. Sci. 52, 107 (1975); J.A. Delgado Oyague, J.L. Hernandez-Vaquero Alvarez, Plastics and Rubber Processing and Applications 8, 3 (1987)], como también a la desactivación de los sitios de superficie activos de Ti (III) producida por el excesivo poder alquilante de los trialquil-aluminios a altas temperaturas
[J.P. Machon, R. Hermant, J.P. Houzeaux, J. Polym. Sci. 52, 107 (1975)].
También se conoce la influencia de los alquil-aluminios sobre la reducción de titanio [A. Schindler, Makromol. Chem. 118, 1 (1968); G. Natta, P. Pino, G. Mazzanti, P. Longi, Gazz. Chim. It. 87, 549, (1957); G. Natta, P. Pino, G. Mazzanti, P. Longi, Gazz. Chim. It. 87, 570, (1957)]. En particular, la alquilación simultánea de sitios de Ti (III) adyacentes produce la rápida reducción de Ti (III) a Ti (II)) (D. F. Hoeg -en The Stereochemistry de Macromolecules” -Vol. 1, pág. 47-Marcel Dekker Inc. Nueva York 1967).
Para resolver los problemas e inconvenientes anteriores y mejorar adicionalmente el procedimiento de producción de poliolefinas, el solicitante ha encontrado un nuevo grupo de catalizadores, obtenidos mediante la regulación característica de las variables asociadas con la formación de partículas sólidas, durante la reacción de cloroalquilación, mediante lo cual es posible obtener prestaciones catalíticas mucho más altas con respecto a la técnica conocida en cuanto a productividad y estabilidad con el tiempo en procedimientos de polimerización a alta temperatura, tanto en disolución como a alta presión.
Un primer objeto de la presente invención, por tanto, se refiere a un catalizador sólido para la (co)polimerización de α-olefinas, que comprende titanio, magnesio, aluminio, cloro y por lo menos un metal seleccionado de entre hafnio y zirconio, en las siguientes razones molares:
M/Ti = 0,2-5,0; Mg/Ti = 3,0-15,0; Al/Ti = 0,1-4,0; Cl/Ti = 15,0-60,0
en el que M es un metal seleccionado de entre hafnio y zirconio o una mezcla de los mismos, preferentemente hafnio, y en el que titanio, magnesio, dicho metal M, aluminio y cloro representan por lo menos el 80% en peso, preferentemente desde el 85 hasta el 100% en peso, del catalizador, caracterizado por que por lo menos el 60%, preferentemente por lo menos el 80%, del titanio está en el estado de oxidación +3 y, cuando se examina mediante espectroscopía XPS, presenta una banda de absorción característica de una energía de unión comprendida entre 454 y 458 eV, preferentemente centrada alrededor del valor de 456±1 eV.
El término “(co)polimerización”, tal como se utiliza en la presente descripción y las reivindicaciones con referencia a α-olefinas, se refiere tanto a la homopolimerización de una α-olefina, por ejemplo de etileno para formar polietileno cristalino de alta densidad, o propileno para formar polipropileno, como también a la (co)polimerización de una αolefina con por lo menos un compuesto insaturado diferente copolimerizable con la misma (incluyendo obviamente una α-olefina diferente), por ejemplo, la copolimerización de etileno con etiliden-norborneno para formar un polietileno reticulable, o la copolimerización de etileno con 1-buteno para formar polietileno lineal de baja densidad.
Para una mayor sencillez, en la presente descripción y las reivindicaciones, los términos “mol” y “razón molar” se utilizan con referencia tanto a compuestos que consisten en moléculas como también con referencia a átomos e iones, sin tener en cuenta para estos últimos los términos átomo-gramo o razón atómica, aunque sean científicamente más correctos.
El catalizador según la presente invención se caracteriza por un espectro de XPS típico de una estructura en la que una fracción de los sitios de titanio de superficie, que interacciona con un compuesto de haluro de alquil-aluminio, presumiblemente con la formación de un aducto cuya estructura no se ha determinado aún. Basándose en la razón entre las áreas de los picos de XPS característicos, centrados alrededor de valores de energía de unión de 456 y 459, respectivamente, puede estimarse que la cantidad de estos sitios es de por lo menos el 10%, preferentemente de desde aproximadamente el 15 hasta aproximadamente el 40%, del número total de sitios de superficie de Ti que contribuyen a la formación del espectro de XPS, es decir los átomos de Ti incluidos en la capa de superficie para una profundidad de 10 nm aproximadamente.
Según esto, los átomos de titanio de superficie del presente catalizador, en los que se cree que se forman los centros catalíticamente activos, prevalentemente (por lo menos el 60%) presentan el estado de oxidación +3, y por lo menos el 10% de éstos se caracteriza por una mayor densidad de carga electrónica en el centro metálico y una energía de unión inferior con respecto al pico típico mostrado en XPS por catalizadores análogos descritos en la técnica conocida, pero obtenidos con un procedimiento diferente, por ejemplo los obtenidos según las solicitudes de
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patente europea EP-A-523 785 y EP-A-1 171 479 mencionadas anteriormente.
La técnica espectroscópica conocida como XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy, espectroscopía fotoelectrónica de rayos X) se basa en el efecto fotoeléctrico, a partir del que se obtienen y analizan los fotoelectrones emitidos desde la superficie de la muestra irradiada. Se efectúan los análisis en un entorno de ultra alto vacío (UHV = 10-9 Torr) a temperatura ambiente. Para compensar la carga positiva, que se produce en la superficie tras el procedimiento de fotoemisión, se hace incidir sobre la muestra un haz de electrones de baja energía (neutralizador). El área de análisis es circular con un diámetro de 0,8 mm y la profundidad de toma de muestras es sólo de 10 nm aproximadamente. Esto es un análisis de superficie, que puede revelar la presencia de la especie química más externa. Se obtiene una respuesta cuantitativa, con relación al porcentaje atómico de los elementos más abundantes, excluyendo el hidrógeno. A partir de los espectros de los elementos individuales adquiridos en alta resolución, también es posible obtener los componentes individuales de un elemento químico particular con un vecindario electrónico diferente, midiendo las posiciones de los picos en cuanto a la energía de unión, es decir la energía de disociación de los electrones del nivel no excitado con una energía superior, y sus anchuras a mitad del pico (FWHM, “full width at half maximum”, anchura total a la mitad del máximo). Además, la medición relativa a las áreas de los componentes permite que se obtenga información cualitativa y cuantitativa sobre la situación electrónica real experimentada por los átomos muy próximos a la superficie del sólido catalítico, que de lo contrario no podría revelarse con otras técnicas. Puede encontrarse una descripción más detallada de esta técnica y su utilización para inspecciones de superficie en numerosas publicaciones en la bibliografía del campo, por ejemplo, tal como describen J.F. Moulder, W.F. Stickle, P.E. Sobol, K.D. Bomben, en “Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy”, ed. de J. Chastain, Physical Electronics Div. Eden Prairie, MO, EE.UU. (1992).
Los catalizadores según la presente invención muestran una distribución inferior de titanio de superficie con respecto a lo esperado basándose en la composición atómica, mientras que la cantidad de átomos de aluminio es significativamente mayor, lo que demuestra la formación de aductos de superficie de Ti-Al.
En particular, el solicitante ha encontrado que por lo menos el 10%, preferentemente desde el 15 hasta el 40% de los átomos de superficie de titanio de dicho catalizador sólido están en una situación electrónica con una mayor densidad de electrones basándose en lo que puede deducirse a partir del espectro de XPS característico, con respecto a lo que se observa en sólidos catalíticos que contienen Ti y un segundo metal M del grupo 4, es decir Zr, Hf o una mezcla de los mismos, obtenidos según los procedimientos de la técnica conocida.
Un espectro de XPS típico de un catalizador sólido según la presente invención se ilustra en la figura 3 adjunta con la presente memoria. Tal como resulta claramente evidente a partir de una comparación con la curva del espectro de XPS de un catalizador sólido obtenido según la divulgación de la solicitud de patente publicada EP 1 171 479, también ilustrada en la figura 3, el catalizador de la presente invención presenta una señal a una energía de unión de 456 eV, parcialmente superpuesta con respecto a la señal principal a 459-460 eV, que puede atribuirse a átomos de Ti sumergidos en una densidad electrónica superior con respecto a los otros que forman el sólido catalítico. El área de la banda correspondiente a la señal de aproximadamente 456 eV también permite que se mida la cantidad relativa de átomos de superficie de Ti que presentan un vecindario con una mayor densidad electrónica.
Aunque no es posible en la actualidad formular ninguna teoría que explique estas diferencias y su influencia sobre el comportamiento de los catalizadores respectivos, se ha encontrado que los catalizadores según la presente invención demuestran ser extremadamente ventajosos con respecto a los catalizadores conocidos hasta la fecha, en cuanto a tanto actividad como longevidad en procedimientos de polimerización de α-olefinas, y también en cuanto al peso molecular de los polímeros así producidos, especialmente en procedimientos a alta temperatura.
Según un aspecto preferido de la presente invención, dicho catalizador está en forma de un sólido granular que presenta una distribución de tipo gaussiano estrecha y un alto valor promedio de la dimensión máxima de los gránulos que lo forman, obtenidos mediante el control de las condiciones de preparación del precursor sólido del catalizador, tal como se describe en mayor detalle a continuación en la presente memoria. En particular, los gránulos de partículas de catalizador presentan un diámetro promedio comprendido entre 2 y 15 µm, preferentemente entre 3 y 12 µm, y una distribución para la que el 80% de las partículas presentan dimensiones dentro de un intervalo de 1 a 30 µm, preferentemente desde 2 hasta 20 µm. También se ha encontrado que la densidad del catalizador sólido es mayor con respecto a lo que se ha obtenido previamente para catalizadores del mismo grupo. Gracias a esta morfología y propiedades, es posible efectuar ventajosamente la preparación del catalizador con mayor rapidez y eficacia de separación del sólido obtenido en suspensión del medio de lavado o reacción líquido. Además, cuando el catalizador se obtiene en forma de una suspensión en un medio de hidrocarburo (por ejemplo, decano), es posible preparar suspensiones más concentradas con tiempos de decantación razonables, reduciendo así significativamente los costes de almacenamiento y transporte de los barriles en una planta industrial.
Según un aspecto preferido de la presente invención, dicho catalizador sólido está compuesto por lo menos por el 85% en peso, preferentemente desde el 90 hasta el 100%, más preferentemente desde el 95 hasta el 100% en peso, de titanio, magnesio, dicho metal M, aluminio y cloro. Además de estos elementos, el catalizador puede contener cantidades más pequeñas de otros constituyentes, siendo posible la presencia de hasta el 15% en peso, preferentemente hasta el 10% en peso, más preferentemente menos del 5% en peso, de un residuo no metálico,
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que se deriva normalmente de contraaniones de los compuestos utilizados como reactivos, por ejemplo, alcoholatos, bromuro, fluoruro, grupos fosfato, residuos alquilo, y especialmente carboxilatos, sin producir ninguna desventaja particular. Basándose en los resultados analíticos, se ha encontrado en particular que dicho residuo no metálico está compuesto prevalentemente (>= 50% en peso) por aniones carboxilato introducidos con el tratamiento de solubilización con ácidos carboxílicos durante la preparación del catalizador, tal como se describe a continuación en la presente memoria. También es posible disponer de la presencia, preferentemente no superior al 0,5% en peso, de impurezas de otros metales presentes en los reactivos utilizados para la preparación del catalizador sólido o su precursor, sin modificar significativamente las propiedades ventajosas del mismo. Sin embargo, son preferibles los catalizadores que presentan la cantidad más pequeña posible de impurezas de otros metales, particularmente no superior al 0,1% en peso.
La cantidad de titanio contenida en el catalizador de la presente invención no supera preferentemente el 10% en peso, y más preferentemente oscila entre el 1 y el 5% en peso. Contenidos de titanio superiores al 10% en peso no ofrecen ninguna ventaja adicional en cuanto a la actividad catalítica, debido presumiblemente al hecho de que el titanio adicional está presente en el sólido en forma inactiva o no disponible para interaccionar con la olefina que va a polimerizarse.
En una forma de realización preferida de la presente invención, los diferentes constituyentes están presentes en el catalizador en razones atómicas con respecto al titanio dentro los siguientes intervalos:
M/Ti = 0,5-4,0; Mg/Ti = 6,0-13,0; Al/Ti = 0,2-2,0; Cl/Ti = 18,0-50,0
Tal como ya se especificó, se ha encontrado un procedimiento original y sencillo para la preparación del catalizador anterior, que comprende sustancialmente cuatro etapas.
Según esto, un segundo aspecto de la presente invención se refiere a un procedimiento para la preparación de un catalizador sólido para la (co)polimerización de α-olefinas, que comprende titanio, magnesio, aluminio, cloro y por lo menos un metal M seleccionado de entre hafnio y zirconio, en las siguientes razones molares:
M/Ti = 0,2-5,0; Mg/Ti = 3,0-15,0; Al/Ti = 0,1-4,0; Cl/Ti = 15,0-60,0
en el que: M es un metal seleccionado de entre hafnio y zirconio o una mezcla de los mismos, preferentemente hafnio,
que comprende las siguientes etapas:
(i) preparar una mezcla de por lo menos un cloruro de magnesio, un compuesto de titanio, un compuesto de un metal M tal como se definió anteriormente y un ácido carboxílico R-COOH, en el que R es un grupo orgánico que presenta desde 2 hasta 30, preferentemente desde 5 hasta 15 átomos de carbono, en cantidades tales como para respetar las siguientes razones molares o atómicas:
M/Ti = 0,2-5,0; Mg/Ti = 3,0-20,0; R-COOH/(Mg + M) = 1,5-8
en un medio líquido de hidrocarburo, en el que por lo menos uno de dichos compuestos metálicos, preferentemente por lo menos cloruro de magnesio, es sustancialmente insoluble como tal;
(ii) mantener la mezcla preparada en la etapa (i) a una temperatura comprendida entre 50 y 200ºC, preferentemente entre 60 y 130ºC durante por lo menos un minuto, preferentemente durante un tiempo de 0,5 a 4 horas, en un recipiente cerrado, y filtrar el posible residuo no disuelto para obtener una disolución;
(iii) añadir a la disolución obtenida en la etapa (ii), enfriada hasta una temperatura comprendida entre 20 y 40ºC, un cloruro de alquil-aluminio que presenta la siguiente fórmula general (I)
AlR’nCl(3-n) (I)
en la que R’ es un radical alquilo lineal o ramificado, que contiene desde 1 hasta 20 átomos de carbono y “n” es un número decimal que presenta valores comprendidos entre 0,5 y 2,5, preferentemente entre 0,9 y 2,1;
por lo menos en una cantidad que es suficiente para precipitar, en forma de compuesto sólido, el 70%, preferentemente el 80%, de los metales Mg, M y Ti presentes en la disolución de dicha etapa (ii), funcionando preferentemente de modo que la temperatura de la mezcla de reacción no supera los 45ºC y la diferencia entre la temperatura máxima y la temperatura mínima de la mezcla durante la adición es igual o inferior a 15ºC, para obtener una suspensión;
(iv) calentar la suspensión obtenida en la etapa (iii) hasta una temperatura comprendida entre 50 y 130ºC, preferentemente entre 70 y 110ºC, durante un tiempo de 5 a 180 minutos, preferentemente desde 40 hasta
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150 minutos, para completar la precipitación del sólido, y separar el compuesto sólido precipitado del líquido de reacción, para obtener un precursor sólido de dicho catalizador;
(v) tratar dicho precursor sólido con una cantidad adicional de cloruro de alquil-aluminio que presenta la fórmula (I), igual o diferente al añadido en dicha etapa (iii), con una razón Al/Ti comprendida entre 5 y 150, a una temperatura comprendida entre -10 y 50ºC, y separar el catalizador así obtenido del líquido de reacción.
El término “sustancialmente insoluble” tal como se utiliza en la presente invención y las reivindicaciones, con referencia a la mezcla de un compuesto en un líquido, significa que más del 80% de dicho compuesto permanece separado en una fase inmiscible con dicho líquido.
El término “(co)polimerización”, tal como se utiliza en la presente descripción y las reivindicaciones, con referencia a α-olefinas, se refiere tanto a la homopolimerización de una α-olefina, por ejemplo de etileno para formar polietileno cristalino de alta densidad, o propileno para formar polipropileno, como también a la (co)polimerización de una αolefina con por lo menos un compuesto insaturado diferente copolimerizable con la misma (incluyendo obviamente una α-olefina diferente), por ejemplo, la copolimerización de etileno con etiliden-norborneno para formar un polietileno reticulable, o la copolimerización de etileno con 1-buteno para formar polietileno lineal de baja densidad.
Para una mayor sencillez, en la presente descripción y las reivindicaciones, los términos “mol” y “razón molar” se utilizan con referencia tanto a compuestos que consisten en moléculas como también con referencia a átomos e iones, sin tener en cuenta para estos últimos los términos átomo-gramo o razón atómica, aunque sean científicamente más correctos.
El medio líquido utilizado para preparar la mezcla en la etapa (i) del procedimiento puede ser cualquier hidrocarburo alifático o aromático en estado líquido a las temperaturas a las que se lleva a cabo dicha etapa (i). Para este fin, hidrocarburos alifáticos o cicloalifáticos, tales como por ejemplo, hexano, heptano, octano, nonano, decano, undecano, dodecano, ciclohexano, decalina, tetralina, mezclas de naftenos con un punto de ebullición comprendido entre 90 y 150ºC. Sin embargo, también pueden estar presentes cantidades limitadas de líquidos orgánicos polares tales como alcoholes, éteres, cetonas, en la mezcla de reacción, que se derivan posiblemente de los mismos compuestos precursores añadidos en una mezcla, por ejemplo alcoholes o éteres presentes en el cloruro de magnesio obtenido según los procedimientos de secado por pulverización conocidos.
En la etapa (i), se prepara una mezcla en un líquido hidrocarbonado inerte, que comprende ácido carboxílico y los compuestos precursores de los metales titanio, magnesio, hafnio y/o zirconio contenidos en el catalizador obtenido al final del procedimiento. Estos compuestos pueden seleccionarse de una amplia gama de compuestos organometálicos e inorgánicos conocidos de dichos metales, o bien solubles o bien insolubles en el hidrocarburo líquido preseleccionado. Por lo menos uno de estos compuestos, preferentemente por lo menos dos y más preferentemente los compuestos de magnesio, hafnio y/o zirconio, son insolubles en dicho líquido inerte. Todos los compuestos precursores de los metales que forman la mezcla también pueden ser insolubles en el líquido inerte seleccionado para la etapa (i). En una forma de realización particularmente preferida, por lo menos el 50% en peso, con respecto al peso total, de los compuestos anteriores es insoluble en el líquido inerte preseleccionado. Estos compuestos se mezclan preferentemente con el líquido inerte con una concentración global de los metales (tanto solubles como insolubles), comprendida entre 0,05 y 3,0, más preferentemente comprendida entre 0,1 y 1,0 moles/l. El orden con que se introducen estos compuestos en la mezcla unos con respecto a otros y con el líquido inerte no es particularmente crítico para los fines de la presente invención, pero el ácido carboxílico se añade preferentemente en último lugar.
Los compuestos de titanio, magnesio, hafnio y zirconio se seleccionan adecuadamente por un experto en la materia de los adecuados para disolverse parcialmente en la reacción de la posterior etapa (ii). La selección de los compuestos más adecuados para el fin puede efectuarse basándose en los parámetros de solubilidad de cada compuesto, si se conoce, o con pruebas de solubilidad en presencia del ácido carboxílico seleccionado. Ejemplos no limitativos de compuestos de titanio, hafnio y zirconio adecuados, tanto solubles como insolubles, son cloruros, bromuros, alcoholatos, hidruros, β-dicetonatos, β-acilésteres, amidas, carbonatos, carboxilatos, fosfatos, compuestos mixtos con dichos contraiones y mezclas de dichos grupos de compuestos.
Se prefieren particularmente los haluros, especialmente cloruros, y haluros combinados con alcoholatos. Cloruros de magnesio adecuados para la presente invención pueden ser las diversas formas cristalinas o amorfas de MgCl2, preferentemente en forma de polvo o granular fina (dimensión promedio < 500 µm), que comprenden los cloruros de magnesio obtenidos mediante evaporación rápida según las técnicas conocidas, por ejemplo mediante secado por pulverización, de disoluciones en etanol concentradas. Otros cloruros incluidos dentro del alcance de la presente invención son cloruros de magnesio mixtos, en los que hay por lo menos un átomo de cloro por átomo de Mg, y los contraiones restantes pueden ser otros halógenos, por ejemplo Br o F, o un grupo alcoholato, por ejemplo, etilato, u otro anión orgánico o inorgánico. El titanio se introduce preferentemente en la mezcla como ion tetravalente, es decir como un compuesto de Ti (IV).
En una forma de realización preferida de la presente invención, se introducen magnesio, hafnio y/o zirconio en la
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mezcla de la etapa (i) como cloruros en forma de sólidos granulares o polvo. Compuestos de titanio adecuados particulares, además de cloruros y cloruros mixtos, son alcoholatos tales como tetraetilato o tetrabutilato de Ti.
La mezcla de la etapa (i) puede prepararse mediante la simple introducción, con agitación, en el líquido inerte, de los
5 compuestos metálicos y el ácido carboxílico, el primero preferentemente en forma granular o de polvo. El ácido carboxílico se introduce preferentemente después de los compuestos metálicos para facilitar el control de posibles reacciones parciales ya en el momento del mezclado. La temperatura durante la formación de la mezcla se mantiene convenientemente en un valor inferior o igual a 40ºC. Se prefieren evidentemente condiciones normales de temperatura y presión para una mayor sencillez operativa del procedimiento. Sin embargo, efectuar la etapa (i) en
10 condiciones que son tales como para producir una reacción parcial de los reactivos, no está excluido del alcance de la presente invención. En una posible forma de realización, especialmente a escala industrial, la etapa (i) y la posterior etapa (ii) pueden llevarse a cabo sin una solución de continuidad, alimentando los reactivos en el mismo equipo en que se hacen reaccionar entre sí, que se mantiene cerrado y en condiciones de temperatura tales como para desencadenar la reacción con el ácido carboxílico justo desde su introducción en el líquido de hidrocarburo
15 mezclado con los compuestos metálicos. En una forma de realización particular de la presente invención, pueden introducirse una o más porciones adicionales de ácido carboxílico en la mezcla de reactivos también durante la etapa (ii).
Cualquier otro procedimiento para la formación de la mezcla de estos compuestos está incluido en cualquier caso en 20 el alcance de la presente invención.
Los diversos compuestos metálicos de la etapa (i) se introducen en una mezcla en razones molares seleccionadas en relación con las razones atómicas deseadas entre los elementos correspondientes en el sólido obtenido al final del procedimiento. Estas razones atómicas no son necesariamente idénticas a las de los metales en los compuestos 25 correspondientes en la etapa (i), ya que son posibles desplazamientos, según el procedimiento de la presente invención, en relación con las condiciones específicas adoptadas, especialmente como resultado de las cantidades inferiores de compuestos que quedan sin disolver y separados al final de la etapa (ii) o que no han precipitado en la etapa (iii) o (iv), que pueden alcanzar normalmente el 30% más o menos, sin poner en peligro significativamente las propiedades esperadas del catalizador sólido obtenido al final del procedimiento de preparación. Un experto en la
30 materia puede verificar, en las operaciones de preparación preliminares habituales del procedimiento, la entidad de estos desplazamientos y por consiguiente optimizar las razones de los reactivos en relación con las razones atómicas deseadas entre los elementos en el producto final. Razones atómicas preferidas entre los elementos en la etapa (i) del procedimiento de la presente invención son las siguientes:
35 M/Ti = 0,5-4,0; Mg/Ti = 3,0-16,0; R-COOH/(Mg + M) = 2,0-4,5
El ácido carboxílico que presenta la fórmula RCOOH utilizado en la etapa (i) para la disolución parcial o completa de los sólidos presentes en el mismo presenta preferentemente un número relativamente alto de átomos de carbono en la cadena, comprendido entre 5 y 15, para favorecer la disolución en un líquido medio del tipo de hidrocarburo. Son
40 difíciles de hallar en el mercado ácidos carboxílicos con un número de átomos de carbono superior a 31 y no ofrecen ventajas particulares con respecto a los que presentan hasta 30 átomos en la cadena. El grupo R en la fórmula del ácido carboxílico puede ser cualquier radical hidrocarbonado que presente hasta 30 átomos de carbono, incluyendo radicales hidrocarbonados sustituidos con grupos inertes, especialmente halógenos tales como flúor y cloro. Más preferentemente, es un radical alifático o cicloalifático que presenta desde 6 hasta 12 átomos de carbono.
45 Ejemplos no limitativos de dicho grupo R según la presente invención son:
-un alquilo lineal que contiene por lo menos 5 átomos de carbono; por ejemplo los grupos n-hexilo, n-octilo, ndecilo, n-undecilo; 50 -un alquilo ramificado que puede estar representado por la siguiente fórmula general:
55 en la que R1 es hidrógeno o alquilo y R2 y R3 son alquilo,
en el que la suma de los átomos de carbono es igual a por lo menos 4 y hasta 12; por ejemplo grupos isoamilo, 1-etilhexilo, radicales alifáticos ramificados de ácidos versáticos;
60 -un alquilo que porta una ramificación en el átomo de carbono secundario en β con respecto al átomo de carbono del carboxilo y que presenta desde 4 hasta 12 átomos de carbono; por ejemplo en ácido 3-etilpentanoico y citronélico;
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-un cicloalquilo, arilo, alquilcicloalquilo o alquilarilo que presenta la fórmula general:
R4-(CH2)S
en la que R4 representa la parte de cicloalquilo o arilo, que presenta desde 5 hasta 10 átomos de carbono, por ejemplo el grupo ciclohexilo, bencilo, fenilo, p-etilfenilo y “s” es un número entero que varía entre 0 y 10.
Mezclas de ácidos que presentan diferentes grupos R que contienen desde 2 hasta 30 átomos de carbono, según lo que se definió anteriormente, también están igualmente incluidas en la definición de ácido carboxílico R-COOH según la presente invención.
El ácido carboxílico puede añadirse en porciones o en continuo a la mezcla heterogénea de la etapa (i), o puede añadirse todo a la vez en la cantidad preestablecida para efectuar la disolución parcial hasta el porcentaje deseado. La cantidad de ácido carboxílico depende, cada vez, de la naturaleza y cantidad de compuestos insolubles presentes en la mezcla de la etapa (i), y también de la cantidad de residuo insoluble que un experto puede considerar tolerable al final de la etapa (ii). Ésta última es de manera adecuada inferior al 30%, preferentemente igual o inferior al 10%, en peso con respecto al peso del producto insoluble inicial. La razón molar RCOOH/(Mg + M) oscila preferentemente entre 2,0 y 5,0, más preferentemente entre 2,5 y 4,0.
Una cantidad global en moles de ácido carboxílico comprendida entre 1 y 3 veces, más preferentemente entre 1,5 y 2 veces, los equivalentes de compuestos insolubles, se introduce preferentemente durante la etapa (i). Si, por ejemplo, en la mezcla de la etapa (i) 20 moles de MgCl2 y 3 moles de HfCl4, ambos insolubles, y 2 moles de tetrabutilato de titanio, soluble, están presentes en decano, la cantidad de ácido carboxílico (por ejemplo, ácido versático) se selecciona preferentemente de desde 52 hasta 156 moles, más preferentemente desde 78 hasta 104 moles.
El ácido carboxílico anterior puede añadirse a la mezcla en forma pura, o diluido con un disolvente inerte, preferentemente el mismo líquido que la mezcla de la etapa (i), por ejemplo para favorecer el mezclado en el caso de ácido sólido, o para una dosificación más precisa cuando se utilizan pequeñas cantidades.
La etapa (ii) del procedimiento de la presente invención se lleva a cabo preferentemente a una temperatura superior a la temperatura ambiente para favorecer una rápida disolución de los sólidos presentes en la mezcla. La temperatura de disolución oscila preferentemente entre 60 y 130ºC, más preferentemente entre 70 y 110ºC. Un posible enfriamiento de la mezcla después de la disolución parcial de los compuestos insolubles está incluido en las operaciones del procedimiento dentro del alcance de la etapa (ii).
Durante la etapa (ii), se forma una mezcla en la que el ácido carboxílico se combina por lo menos parcialmente con los compuestos metálicos presentes, formando carboxilatos mixtos en disolución. El sólido residual que puede quedar posiblemente sin disolver al final puede contener uno o más de los metales introducidos inicialmente en la etapa (i). Cuando el compuesto de magnesio en la etapa (i) es MgCl2, se ha encontrado que este residuo, si está presente, consiste sustancialmente en cloruro de magnesio.
Más ventajosamente, la cantidad global de compuestos que quedan sin disolver en la mezcla al final de la etapa (ii) es como máximo igual al 30%, preferentemente no superior al 10% en peso con respecto al peso total del producto insoluble inicial. De esta manera, se obtiene una excelente combinación de factores, que permiten que se prepare un catalizador sólido, con altas prestaciones, un consumo reducido de ácido carboxílico y cloruro de alquil-aluminio.
La etapa (ii) se lleva a cabo preferentemente de modo que no existen pérdidas significativas de material externamente, por ejemplo en un recipiente cerrado o en condiciones de reflujo del disolvente. Si se desarrolla ácido clorhídrico durante la reacción, debido a la presencia de cloruros en los metales anteriores, éste permanece por consiguiente disuelto en la mezcla de reacción.
Al final de la etapa (ii), el sólido residual presente posiblemente puede separarse convenientemente del líquido antes de que se trate este último con un cloruro de alquil-aluminio con la posterior etapa (iii). La separación puede efectuarse, preferentemente después del enfriamiento de la mezcla hasta una temperatura comprendida entre 20 y 40ºC, mediante cualquiera de las técnicas conocidas adecuadas para el fin, tales como por ejemplo, filtración, decantación, centrifugación. En una forma de realización preferida, la posible separación del residuo insoluble se efectúa en recipientes cerrados adecuados, manteniendo la presión y temperatura a valores tales como para limitar la liberación de vapores tanto como sea posible.
En la etapa (iii) del procedimiento para preparar el catalizador según la presente invención, se hace reaccionar un cloruro de alquil-aluminio que presenta la fórmula (I) con una disolución obtenida según la etapa (ii) anterior, posiblemente después de la separación del sólido no disuelto, para formar una suspensión de un sólido que se separa espontáneamente del medio líquido como precipitado granular. Según la experiencia del solicitante, se forma un sólido en suspensión durante la etapa (iii), que consiste prevalentemente en cloruros de Mg y M (preferentemente Hf), mientras que el titanio precipita prevalentemente durante la posterior etapa (iv), prevalentemente en forma de
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TiCl3. De esta manera, se obtiene un precursor de catalizador, que presenta una alta actividad y un tamaño de partícula óptimo, además de mostrar una estabilidad mejorada en el procedimiento de polimerización, dentro un amplio intervalo de temperatura.
La utilización de un cloruro de alquil-aluminio que presenta la fórmula (I) como reactivo precipitante permite la precipitación contemporánea de los elementos Mg y M en forma de cloruros mixtos, o cloruros-carboxilatos mixtos, además de la reducción y precipitación del titanio, principalmente en la etapa (iv), de modo que éste está presente prevalentemente en el precursor de catalizador sólido en el estado de oxidación +3.
Se conocen cloruros de alquil-aluminio que presentan la fórmula (I) y se utilizan ampliamente en el campo de la polimerización de olefinas. Cloruros de alquil-aluminio preferidos son compuestos que presentan la fórmula (I) en la que R’ es un radical alifático lineal o ramificado que presenta desde 2 hasta 8 átomos de carbono. El deponente “n” en la fórmula (I) oscila preferentemente entre 0,9 y 2,1, más preferentemente entre 1 y 2, incluidos los extremos. Ejemplos típicos de estos compuestos son dicloruro de etilaluminio, cloruro de dietilaluminio, sesquicloruro de etilaluminio, dicloruro de isobutilaluminio, cloruro de dioctilaluminio. Pueden obtenerse cloruros de alquil-aluminio que presentan valores decimales no enteros “n”, según la técnica conocida, mezclando, en proporciones adecuadas, cloruros de aluminio y trialquil-aluminios y/o los cloruros de alquilo mixtos respectivos que presentan “n” igual a 1 y 2.
El cloruro de alquil-aluminio que presenta la fórmula (I) puede añadirse como tal, o, preferentemente, en forma de una disolución en un disolvente orgánico inerte seleccionado de entre los utilizados para la preparación de la mezcla de la etapa (i). La adición del cloruro de alquil-aluminio puede efectuarse manteniendo la mezcla de reacción con agitación en condiciones de temperatura adecuadas y monitorizando la precipitación del sólido en suspensión según cualquiera de las técnicas conocidas, por ejemplo, recogiendo muestras y análisis, o mediante determinación directa con procedimientos ópticos u otros procedimientos adecuados para el fin, hasta que se alcance el nivel de precipitación deseado.
Según una forma de realización preferida, un experto en la materia puede predeterminar con pruebas rutinarias normales, para cada composición específica de la disolución de la etapa (ii), la cantidad de cloruro de alquil-aluminio que es suficiente para precipitar cuantitativamente los metales Mg, M y Ti durante las etapas (iii) y (iv) del procedimiento de la presente invención. También se ha encontrado, basándose en experimentos repetidos, que la cantidad de cloruro de alquil-aluminio que es generalmente adecuada para obtener la precipitación deseada en las etapas (iii) y (iv) según la presente invención, con la formación del precursor deseado, es por lo menos igual al doble, preferentemente desde 3 hasta 5 veces, de los moles de ácido carboxílico utilizados en la etapa (ii). Más preferentemente, la cantidad de cloruro de alquil-aluminio que se añade en la etapa (iii) oscila entre 1,2 y 2 veces la calculada según la fórmula:
(moles de AlR’nCl(3-n)) = 1/(3-n) • [(4 • moles de Ti + 2 • moles de Mg + 4 • moles de M -moles de Cl) en la etapa (i) + 2 (moles de RCOOH) en la etapa (ii)].
Cantidades superiores de cloruro de alquil-aluminio no mejoran adicionalmente las propiedades del catalizador, sino que provocan un consumo excesivo de alquil-aluminio y conducen a la necesidad de lavados repetidos del precipitado. Este procedimiento de cálculo se prefiere particularmente cuando los compuestos utilizados en la etapa
(i) se seleccionan esencialmente de alcoholatos y cloruros, que son habitualmente productos comerciales fácilmente disponibles en el mercado.
En la etapa (iii), es conveniente operar a una temperatura comprendida entre 20 y 45ºC durante un tiempo que, dependiendo de la temperatura preseleccionada, puede variar entre 0,5 y 8 horas. En una forma de realización preferida, el cloruro de alquil-aluminio se añade a la disolución procedente de la etapa (ii) funcionando de modo que la diferencia entre la temperatura mínima y máxima en la fase de adición no supere los 15ºC. Esto puede obtenerse mediante el control de la velocidad de adición o el flujo del cloruro de alquil-aluminio (o una disolución del mismo en un disolvente de hidrocarburo) a la disolución, de modo que el calor desarrollado por la reacción pueda eliminarse o absorberse adecuadamente, por ejemplo con intercambiadores o camisas de enfriamiento.
Según la etapa (iv) del procedimiento de preparación, después de la adición del cloruro de alquil-aluminio, la suspensión obtenida se calienta y se mantiene a una temperatura comprendida entre 50 y 130ºC, más preferentemente entre 70 y 110ºC, durante un tiempo de 5 a 180 minutos, preferentemente de desde 40 hasta 150 minutos, para consolidar el sólido obtenido. La fase de calentamiento y mantenimiento de temperatura de la etapa
(iv) se efectúa en un recipiente cerrado, a la presión de equilibrio alcanzada por el sistema, comprendida normalmente entre 100 y 500 KPa.
Un experto en la materia puede efectuar opcionalmente el presente procedimiento de preparación añadiendo una parte, preferentemente hasta el 30% con respecto al total, de cloruro de alquil-aluminio antes de comenzar el calentamiento de la etapa (iv).
Funcionando en las condiciones anteriores, el precursor se obtiene en forma de un precipitado sólido o en forma de polvo, cuyas partículas presentan normalmente una distribución gaussiana relativamente estrecha, con un diámetro
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promedio comprendido entre 2 y 15 µm, preferentemente entre 3 y 12 µm y una distribución de las dimensiones de partícula que presenta el 80% de las partículas dentro de un intervalo de 1 a 30 µm, preferentemente desde 2 hasta 20 µm. Esto representa un aspecto ventajoso adicional del procedimiento de preparación del catalizador de la presente invención, ya que permite que se obtenga un precursor al final de la etapa (iv), con una dimensión promedio de los gránulos y una distribución ideales para una separación óptima de las aguas madre y el lavado posterior, y también para efectuar las operaciones posteriores, el transporte y el almacenamiento de los sólidos obtenidos.
El precursor de catalizador sólido así obtenido se separa del líquido de reacción (que contiene residuos de alquilaluminio, carboxilato y otras impurezas) habitualmente con los medios de separación líquido-sólido normales, excluyendo la evaporación del disolvente, que dejaría trazas de residuos no deseados en el producto obtenido. Pueden utilizarse normalmente decantación, filtración o centrifugación, o una combinación de estos procedimientos, efectuando preferentemente lavados intermedios con un disolvente de hidrocarburo, hasta que se obtiene un nivel de aluminio inferior a 1,5 mM/l, más preferentemente 1 mM/l en el líquido separado. Un procedimiento de separación particularmente preferido consiste en una o más etapas de decantación seguidas por una o más etapas de filtración y lavado con hidrocarburos. Para este fin, el precursor sólido se deja sedimentar hasta un volumen de la suspensión inferior al 50%, preferentemente el 30%, del volumen inicial, con una concentración del sólido de 200 g/l. El líquido clarificado en la parte superior se retira y la suspensión se lleva de vuelta a un volumen similar al valor inicial o incluso mayor, añadiendo la cantidad necesaria de un hidrocarburo líquido, igual o diferente al de la reacción. Las etapas de sedimentación y separación tal como se describieron anteriormente se repiten posiblemente una o dos veces, avanzando posteriormente con la filtración del sólido granular y efectuando lavados consecutivos con hidrocarburos hasta que se alcanza el umbral deseado de impurezas de aluminio en el disolvente de lavado. En este procedimiento, es particularmente ventajoso valerse de un precursor sólido con un alto tamaño de partícula, según uno de los aspectos preferidos de la presente invención, para efectuar convenientemente las operaciones de sedimentación.
El precursor de catalizador obtenido al final de la etapa (iii) es en sí mismo un sólido granular activo en la (co)polimerización de alfa-olefinas combinado con un cocatalizador que consiste en un alquil-aluminio, y por tanto representa un objeto adicional de la presente invención. Dicho precursor de catalizador sólido para la (co)polimerización de α-olefinas comprende titanio, magnesio, por lo menos un metal M seleccionado de entre hafnio y zirconio, preferentemente hafnio, aluminio y cloro, en los siguientes intervalos de razón molar:
M/Ti = 0,2-5,0; Mg/Ti = 3,0-15,0; Al/Ti = 0,1-3,0; Cl/Ti = 20,0-60,0
caracterizado por que por lo menos el 60%, preferentemente por lo menos el 80%, del titanio está en el estado de oxidación +3, y presenta un tamaño de partícula con una distribución gaussiana estrecha que presenta un máximo de 2 a 15 µm, preferentemente desde 3 hasta 12 µm, y dimensiones de los gránulos que son tales que el 80% en peso de los mismos está dentro del intervalo de 1 a 30 µm, preferentemente de desde 2 hasta 20 µm. La densidad de dicho precursor, medida por medio de un porosímetro de Pascal, es preferentemente superior a 1,8 g/cm3, oscilando entre 2,0 y 3,0 g/cm3.
De manera análoga al catalizador final, hasta el 15%, preferentemente hasta el 10%, más preferentemente hasta el 6%, en peso del precursor consiste en un residuo orgánico que contiene prevalentemente carboxilato.
Dicho precursor puede obtenerse, al final de la etapa (iv) anterior, en forma granular seca, y posiblemente preservado en una atmósfera inerte para utilizaciones posteriores, o, preferentemente, se obtiene en forma de una suspensión concentrada (suspensión espesa) en un disolvente de hidrocarburo, preferentemente el mismo disolvente que el último lavado, al final del procedimiento de separación mediante decantación, y por tanto se preserva o se alimenta inmediatamente a la etapa (v) del procedimiento para la preparación del catalizador. El precursor en suspensión espesa presenta convenientemente concentraciones comprendidas entre 150 y 500 g/l, en suspensión en hidrocarburos alifáticos que presentan desde 6 hasta 14, preferentemente desde 8 hasta 12, átomos de carbono. La morfología mejorada y mayor densidad del precursor obtenido en las condiciones de temperatura controlada preferidas de la etapa (iii), permiten dichas suspensiones concentradas mediante decantación en tiempos de unas pocas horas.
En la etapa (v) del presente procedimiento para la preparación del catalizador, dicho precursor sólido se hace reaccionar en una suspensión de un hidrocarburo líquido, preferentemente tal como se indicó anteriormente, con una cantidad adicional de un cloruro de alquil-aluminio seleccionado de entre los incluidos en la fórmula (I) anterior. El tiempo de contacto entre el aluminio y el precursor sólido no es particularmente crítico, ya que la reacción es ya lo suficientemente rápida a temperatura ambiente. La mezcla de reactivos se deja convenientemente con agitación durante un tiempo de 1 a 120 minutos, preferentemente de desde 10 hasta 60 minutos, con tiempos adecuadamente más cortos con un aumento en la temperatura de reacción seleccionada. Sin embargo, si se utiliza una temperatura de reacción superior a 80ºC y de hasta 150ºC, los tiempos de tratamiento con cloruro de alquil-aluminio se reducen preferentemente en de 1 a 15 minutos para evitar reacciones no deseadas. Se ha encontrado que el sólido así obtenido presenta sustancialmente la misma morfología y distribución de partículas que el precursor sólido correspondiente obtenido al final de la etapa (iv).
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El catalizador así producido se separa entonces del líquido de reacción que contiene el exceso de cloruro de alquilaluminio, por medio de uno de los procedimientos descritos en la etapa (iv) anterior, preferentemente mediante decantación y/o filtración, posiblemente seguido por etapas de lavado con un disolvente. Al final, el catalizador puede mantenerse en forma de una suspensión concentrada, de manera análoga a lo que se especificó anteriormente para el precursor, o puede obtenerse en forma de un producto seco mediante evaporación del líquido residual.
Todas las operaciones del procedimiento previamente descritas, especialmente las relativas a las etapas (iii) en adelante, se llevan a cabo convenientemente en una atmósfera controlada e inerte, por ejemplo de nitrógeno o argón, considerando la sensibilidad de los alquil-aluminios, el precursor y el sólido catalítico al aire y la humedad.
El catalizador obtenido al final del procedimiento según la presente invención comprende por tanto por lo menos dos metales del grupo 4 de la Tabla Periódica, y por este motivo se indica convencionalmente con el término “bimetálico”. Puede ponerse en contacto con un cocatalizador seleccionado de entre hidruros o compuestos organometálicos de metales de los grupos 1, 2 o 13 de la tabla periódica, según las técnicas de preparación conocidas de catalizadores de polimerización del tipo Ziegler-Natta, para obtener un sistema catalítico para la (co)polimerización de α-olefinas, y particularmente etileno, que presenta una alta actividad y selectividad, además de una duración operativa prolongada especialmente en procedimientos a alta temperatura.
Según la presente invención, además de los mencionados anteriormente titanio, magnesio, zirconio, hafnio, aluminio y cloro, dicho catalizador sólido puede comprender hasta el 15%, preferentemente hasta el 10%, más preferentemente menos del 5% en peso, de un residuo compuesto por otros constituyentes. Se ha verificado que este residuo consiste prevalentemente en carboxilato procedente del tratamiento con ácido carboxílico RCOOH en la etapa (ii) del procedimiento de preparación del catalizador. También pueden estar presentes cantidades más pequeñas de los grupos o aniones que se derivan de los otros compuestos utilizados como reactivos en el procedimiento de preparación, por ejemplo, alcoholatos, bromo, grupos fosfato, flúor, etc., sin provocar ninguna desventaja particular. También es posible la presencia, preferentemente no superior al 0,5% en peso, de impurezas de otros metales presentes en los reactivos utilizados en la preparación del catalizador, sin modificar significativamente las propiedades ventajosas del mismo.
La cantidad de titanio contenido en el catalizador de la presente invención no supera preferentemente el 10% en peso y oscila más preferentemente entre el 1 y el 5% en peso. Contenidos de titanio superiores al 10% en peso no ofrecen ninguna ventaja adicional en cuanto a la actividad catalítica, debido presumiblemente al hecho de que el titanio adicional está presente en el sólido en forma inactiva o no disponible para interaccionar con la olefina que va a polimerizarse.
En una forma de realización preferida del procedimiento según la presente invención, el catalizador sólido obtenido al final de este procedimiento presenta las siguientes razones de composición (atómicas o molares):
M/Ti = 0,5-4,0; Mg/Ti = 6,0-13,0; Al/Ti = 0,2-2,0 Cl/Ti = 18,0-50,0,
y está compuesto por lo menos por el 90% en peso de los átomos o iones anteriores.
Por lo menos el 60% del titanio contenido en el catalizador obtenido con el presente procedimiento está presente en forma reducida (estado de oxidación +3). El titanio en forma reducida es preferentemente por lo menos el 80% del titanio total, más preferentemente el 90%. La cantidad de titanio +3 en el catalizador es ventajosamente tan alta como sea posible y aumenta generalmente con un aumento en la cantidad de cloruro de alquil-aluminio que presenta la fórmula (I) introducido en la etapa (iii) anterior y la posterior etapa (v).
Pueden prepararse catalizadores sólidos con el procedimiento descrito anteriormente, según la presente reivindicación 1. El solicitante ha encontrado que estos nuevos catalizadores se caracterizan por una distribución de superficie diferente de los metales activos, tales como titanio y hafnio o zirconio, con respecto a catalizadores análogos de la técnica conocida, y permiten que se obtengan rendimientos muy altos desde el mismo inicio de la polimerización en procedimientos de (co)polimerización llevados a cabo a temperaturas comprendidas entre 160 y 260ºC, además de proporcionar altas productividades gracias a su duración más larga (es decir, desactivación en tiempos más largos) en polimerizaciones a alta temperatura.
Cocatalizadores adecuados que pueden utilizarse en una combinación con el catalizador de la presente invención en procedimientos de (co)polimerización de olefinas, son los descritos normalmente en la técnica para la preparación de catalizadores del tipo Ziegler-Natta y mencionados previamente. Cocatalizadores preferidos son trialquilaluminios y haluros (particularmente, cloruro) de alquil-aluminio que contienen desde 1 hasta 10, preferentemente desde 2 hasta 6, átomos de carbono en cada radical alquilo unido a Al. Entre estos, trialquil-aluminios tales como trietilaluminio, tri-n-butilaluminio, triisobutilaluminio y trihexilaluminio se prefieren particularmente.
El solicitante también ha encontrado (y esto forma una ventaja adicional de la presente invención con respecto a la
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técnica conocida) que pueden obtenerse excelentes resultados en procedimientos de (co)polimerización mediante la combinación del catalizador de la presente invención con un alquil-aluminoxano. Aluminoxanos adecuados son compuestos de alquil-aluminio que contienen enlaces Al-O-Al, con una razón O/Al variable, que pueden obtenerse en la técnica mediante reacción, en condiciones controladas, de un alquil-aluminio con agua u otros compuestos que contienen cantidades predeterminadas de agua disponible, tal como, por ejemplo, en el caso de la reacción de trimetilaluminio con sulfato de aluminio hexahidratado, sulfato de cobre pentahidratado o sulfato de hierro pentahidratado. Los alquil-aluminoxanos que se utilizan preferentemente en una combinación con el catalizador de la presente invención son compuestos oligoméricos o poliméricos, cíclicos y/o lineales, caracterizados por la presencia de unidades de repetición que presentan la siguiente fórmula (II):
en la que R5 es un grupo alquilo C1-C6, preferentemente metilo.
Cada molécula de aluminoxano contiene preferentemente desde 4 hasta 70 unidades de repetición que también pueden no ser iguales entre sí, sino contener diferentes grupos R5.
Dicho aluminoxanos, y particularmente metil-aluminoxano (MAO) son compuestos que pueden obtenerse con procedimientos de la química organometálica conocidos, por ejemplo mediante la adición de trimetilaluminio a una suspensión en hexano de sulfato de aluminio hidratado.
En los catalizadores de la presente invención, la razón atómica entre aluminio (en el cocatalizador) y titanio (en el catalizador) oscila generalmente entre 5:1 y 1000:1 y preferentemente entre 20:1 y 500:1, en relación con el tipo de cocatalizador y el procedimiento de polimerización particular adoptado.
Dicho sistema catalítico de (co)polimerización se forma según los procedimientos conocidos, mediante el contacto entre el catalizador sólido y el cocatalizador, preferentemente en un medio líquido adecuado, habitualmente un hidrocarburo, que también puede consistir en, o contener, una o más de las olefinas que van a polimerizarse. Dependiendo de las características del procedimiento de polimerización en el que el catalizador obtenido según la presente invención va a utilizarse, el sistema catalítico de catalizador/cocatalizador puede prepararse por separado y posteriormente introducirse en el reactor de polimerización, o puede prepararse in situ, alimentando los constituyentes por separado al reactor. La temperatura a la que se ponen en contacto dichos constituyentes para la formación del sistema catalítico no es particularmente crítica y puede variar dentro un amplio intervalo, preferentemente desde 0ºC hasta la temperatura de utilización en el procedimiento de polimerización. La formación del sistema catalítico es normalmente casi inmediata ya a temperatura ambiente, aunque, en determinados casos, el contacto entre los componentes puede mantenerse desde 10 segundos hasta 30 minutos, dependiendo de la temperatura, antes de iniciarse la polimerización.
Uno o más aditivos o componentes adicionales pueden añadirse posiblemente al catalizador anterior según la presente invención, para obtener un sistema catalítico adecuado para satisfacer los requisitos específicos en la práctica, de manera análoga a lo que se conoce en la técnica. Debe considerarse que los sistemas catalíticos así obtenidos están incluidos en el alcance de la presente invención. Aditivos o componentes que pueden incluirse en la preparación y/o formulación del catalizador de la presente invención son líquidos inertes, tales como, por ejemplo, hidrocarburos alifáticos y/o aromáticos, adecuados para mantener el catalizador en suspensión, además de pequeñas cantidades de aditivos débilmente de coordinación (bases de Lewis) seleccionados, por ejemplo, de olefinas no polimerizables, éteres, aminas terciarias y alcoholes, otros agentes de halogenación tales como hidrocarburos halogenados, preferentemente clorados, y de nuevo todos los otros posibles componentes utilizados normalmente en la técnica para la preparación de catalizadores tradicionales para la (co)polimerización de etileno y otras α-olefinas.
El catalizador descrito anteriormente puede utilizarse ventajosamente en todos los procedimientos conocidos de (co)polimerización de α-olefinas, tanto en modo continuo como discontinuo, en una o más etapas, tales como, por ejemplo, procedimientos a baja presión (0,1-1,0 MPa), media presión (1,0-10 MPa) o alta presión (10-150 MPa), a temperaturas comprendidas entre 20 y 300ºC, opcionalmente en presencia de un diluyente inerte. Puede utilizarse convenientemente hidrógeno como regulador del peso molecular.
Estos procedimientos pueden llevarse a cabo en disolución o suspensión en un diluyente líquido que consiste normalmente en hidrocarburos alifáticos o cicloalifáticos saturados que presentan desde 3 hasta 12, preferentemente desde 60 hasta 10, átomos de carbono, pero que pueden consistir también en un monómero, tal como por ejemplo, en el procedimiento de copolimerización conocido de etileno y propileno en propileno líquido. La cantidad de catalizador introducido en la mezcla de polimerización se selecciona preferentemente de modo que la concentración de titanio esté dentro del intervalo de 10-4 a 10-8 moles/litro.
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Las α-olefinas que pueden utilizarse en los procedimientos anteriores son preferentemente las que contienen desde 2 hasta 20, más preferentemente desde 2 hasta 8, átomos de carbono, alifáticas, cicloalifáticas o aromáticas, tales como etileno, propileno, 1-buteno, 4-metilpent-1-eno, 1-hexeno y 1-octeno, etiliden-norborneno, estireno. Se prefiere particularmente el etileno, con referencia tanto a procedimientos de homopolimerización como también de copolimerización, en los que el etileno es en cualquier caso el monómero prevalente ya que representa más del 50% en peso del polímero obtenido.
En particular, el catalizador de la presente invención puede utilizarse en la preparación de polímeros y copolímeros de etileno con una distribución de peso molecular sorprendentemente estrecha con respecto a las obtenidas normalmente en procedimientos de polimerización con catalizadores bimetálicos. Puede utilizarse con excelentes resultados en la polimerización de etileno para dar polietileno lineal y en la copolimerización de etileno con propileno
o α-olefinas superiores, que presentan preferentemente desde 4 hasta 10 átomos de carbono, para dar copolímeros que presentan diferentes características en relación con las condiciones de polimerización específicas y la cantidad y estructura de la misma α-olefina. Pueden obtenerse polietilenos lineales con densidades comprendidas entre 0,880 y 0,950, por ejemplo, y con pesos moleculares promedio comprendidos entre 100.000 y 2.000.000. Las α-olefinas utilizadas preferentemente como comonómeros de etileno en la producción de polietileno linear de baja o media densidad (conocidos con las abreviaturas ULDPE, VLDPE y LLDPE, dependiendo de la densidad), son 1-buteno, 1hexeno y 1 octeno.
El catalizador de la presente invención también puede utilizarse convenientemente en procedimientos de copolimerización de etileno y propileno para dar copolímeros elastoméricos vulcanizables saturados con la utilización de peróxidos, extremadamente resistentes al envejecimiento y la degradación, o en la terpolimerización de etileno, propileno y un dieno no conjugado que presenta desde 5 hasta 20 átomos de carbono, para obtener cauchos vulcanizables del tipo EPDM.
Ejemplos de dienos no conjugados utilizados normalmente para preparar estos copolímeros son 5-etiliden-2norborneno (ENB), 1,4-hexadieno y 1,6-octadieno.
El catalizador sólido de la presente invención puede presentar una utilización particularmente ventajosa en procedimientos de (co)polimerización de α-olefinas, y especialmente etileno, en disolución a una alta temperatura. Estos procedimientos se llevan a cabo normalmente a temperaturas comprendidas entre 130 y 300ºC, preferentemente entre 160 y 230ºC, y a una presión de 1 a 25 MPa, preferentemente de desde 5 hasta 20 MPa, en presencia de un líquido inerte que puede mantener el polímero que se forma, en disolución, a la temperatura del procedimiento. De esta manera, se forma una mezcla de reacción homogénea (excepto por el catalizador), junto con un procedimiento que es fácilmente controlable y flexible, que permite cortos tiempos de residencia y altas productividades. Líquidos preferidos, tanto por sus características de solvatación de poliolefinas, como también por la toxicidad relativamente baja, son hidrocarburos alifáticos o cicloalifáticos que presentan desde 6 hasta 10 átomos de carbono, tales como, heptano, decano, ciclohexano y decalina. El polímero se separa entonces mediante precipitación o mediante desvolatilización del disolvente. Para información general sobre procedimientos conocidos de este tipo, puede hacerse referencia, entre las numerosas publicaciones disponibles, a “Encyclopedia of Polymer Science and Engineering”, 2ª edición (1986), volumen 6, páginas 471-472, John Wiley & Sons Ed.
Como las poliolefinas, especialmente si son semicristalinas, presentan una baja solubilidad en disolventes, la utilización de temperaturas relativamente altas, preferentemente de desde 150 hasta 250ºC, es crítica para efectuar estos procedimientos. Los procedimientos se llevan a cabo en reactores adiabáticos, o isotermos, dependiendo de la tecnología adoptada. Sin embargo, se sabe que en procedimientos de polimerización a tan altas temperaturas, el peso molecular promedio del polímero obtenido se reduce significativamente, conduciendo a niveles de índice de flujo del fundido (MFI) que son tan altos como para ser inaceptables para procedimientos de transformación normales. Los catalizadores utilizados generalmente en procedimientos en disolución se basan en vanadio. Sin embargo, no pueden producir poliolefinas con pesos moleculares satisfactorios para una amplia gama de aplicaciones, limitando por tanto la difusión del propio procedimiento, a pesar de las ventajas anteriores. Además, existen márgenes para la mejora adicional también en relación con la actividad de estos catalizadores. Los catalizadores conocidos del tipo Ziegler-Natta basados en titanio, por otro lado, utilizados normalmente en procedimientos en suspensión, también son menos adecuados que los catalizadores previos cuando se utilizan a una alta temperatura, produciendo polietilenos con pesos moleculares particularmente bajos e inadecuados para la mayor parte de las aplicaciones normales.
El catalizador según la presente invención permite que se obtengan inesperadamente altos pesos moleculares promedio de los polímeros y copolímeros de etileno, también funcionando a las altas temperaturas anteriores, obteniéndose valores de MFI mucho más bajos (también de un orden de magnitud) con respecto a los catalizadores tradicionales utilizados en las mismas condiciones del procedimiento. A este respecto, se ha encontrado que procedimientos de polimerización con una alta productividad efectuados con este catalizador a temperaturas superiores a 180ºC, han permitido que se obtengan polímeros con un índice de flujo del fundido, a 2,16 kg, inferior a 0,5 dg/min, mientras que polietilenos que presentan una composición similar obtenidos con un procedimiento en las mismas condiciones mostraron valores de MFI superiores a 1,0 dg/min.
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La presente invención, en sus numerosos aspectos, se ilustra más específicamente mediante los siguientes ejemplos, que se proporcionan para fines meramente ilustrativos, sin formar en modo alguno ni considerarse una limitación del alcance global de la propia invención.
5 Ilustración de las figuras
La figura 1 representa el diagrama de la velocidad de sedimentación del sólido a partir de las aguas madre en los ejemplos consecutivos de 1 a 4, según la presente invención. En las ordenadas del diagrama está el “volumen de sedimentación” del sólido y, en las abscisas, el tiempo en minutos.
10 La figura 2 representa el espectro de XPS registrado para los compuestos modelo preparados según los siguientes ejemplos modelo, para identificar la naturaleza de los sitios catalíticos del presente catalizador. En las ordenadas, está la variable N(E)/E, que representa, en forma normalizada con relación a la medición del pico más alto del espectro, considerado arbitrariamente igual a 10, el número de electrones de superficie que presentan una
15 determinada BE (binding energy, energía de unión), mientras que en las abscisas, se indica la escala de valores de BE.
La figura 3 representa el espectro de XPS registrado para un catalizador de la presente invención obtenido según el siguiente ejemplo 13, superpuesto al espectro de XPS registrado para el precursor de catalizador P1 obtenido según 20 el siguiente ejemplo 1.
Las variables en las ordenadas y abscisas presentan el mismo significado que en la figura 2 anterior.
Ejemplos
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Reactivos y materiales Los reactivos y materiales utilizados en los siguientes ejemplos de la invención, y su posible pretratamiento, se indican en la siguiente lista; el productor se indica entre paréntesis.
30 -Tricloruro de titanio (Aldrich, 99%): utilizado como tal -Tetracloruro de titanio (Aldrich, 99,9%): destilado 35 -Tetrahidrofurano (Carlo Erba, RPE): anhidrificado mediante destilación con LiAlH4 -n-Pentano (Carlo Erba, RPE): anhidrificado mediante destilación con NaH -n-Heptano (Carlo Erba, RPE): anhidrificado mediante destilación con NaH 40 -n-Hexano (Carlo Erba, RPE): anhidrificado mediante destilación con NaH -Cloruro de metileno (Carlo Erba, RPE): anhidrificado mediante destilación con P2O5 45 -Arena de sodio en una dispersión al 30% de tolueno (Aldrich): utilizada tras filtrarse, lavarse con heptano (3 veces) y secarse a vacío. -Triisobutilaluminio (TIBAL) (Crompton, puro): utilizado como tal 50 -Trietilaluminio (TEA) (Crompton, puro): utilizado como tal -Cloruro de dietilaluminio (DEAC) (Crompton, puro): utilizado como tal -Cloruro de diisobutilaluminio (DIBAC): 97%, Aldrich 55 -Cloruro de dimetilaluminio (DMAC): 97%, Aldrich -Sesquicloruro de etilaluminio (EASC): 97%, Aldrich 60 -Dicloruro de isobutilaluminio (IBADIC): 99%, Akzo-Nobel -n-Decano: puro, ≥ 95%, (Synthesis -Parma), tratado con tamices moleculares de 4 Å y 10 Å, de Grace Davison 65 -Alcohol etílico: Carlo Erba, RPE
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-1-Hexeno: 97%, Aldrich, destilado con hidruro de calcio
-Etileno: grado 3,5 de Rivoira, pureza ≥ 99,95%
-Acetona: Carlo Erba, RPH
-Cloruro de magnesio anhidro (Cezus-Areva): > 99%, grado T.202, utilizado como tal
-Tetrabutilato de titanio (TNBT VERTEC): Johnson Matthey Catalysts, pureza > 98%
-Tetracloruro de hafnio (Cezus-Areva): > 95%, grado 101, utilizado como tal
-Ácido 2-etilhexanoico: (Gamma Chimica): tratado con tamices moleculares de 4 A
Análisis elemental
a) Determinación de Mg, Al, Hf y Ti.
Para la determinación de la cantidad en peso de los metales Mg, Al, Hf y Ti, en los precursores y catalizadores sólidos de la presente invención, se colocó una alícuota pesada con exactitud, funcionando en una caja seca bajo un flujo de nitrógeno, de aproximadamente 30-50 mg de muestra, en un crisol de platino de aproximadamente 30 ml, junto con una mezcla de 1 ml de HF al 40%, 0,25 ml de H2SO4 al 96% y 1 ml de HNO3 al 70%. Entonces se calentó el crisol sobre una placa aumentando la temperatura hasta la aparición de humos sulfúricos de color blanco (aproximadamente 200ºC). Se enfrió la mezcla así obtenida hasta temperatura ambiente, se añadió 1 ml de HNO3 al 70% y entonces se llevó de nuevo la mezcla hasta la aparición de humos. Después de repetir la secuencia dos veces más, se obtuvo una disolución límpida, casi incolora. Entonces se añadieron sin calor 1 ml de HNO3 y aproximadamente 15 ml de agua, calentando hasta 80ºC durante aproximadamente 30 minutos. Se diluyó la muestra así preparada con agua que presentaba una pureza MilliQ hasta un peso de aproximadamente 50 g, pesado con exactitud, para obtener una disolución con la que se efectuó la determinación analítica instrumental utilizando un aparato IRIS Advantage Duo de Thermo Optek para ICP-OES (plasma con detección óptica), para la comparación con disoluciones a una concentración conocida. Para este fin, para cada analito, se preparó una recta de calibración dentro del intervalo de 0-10 ppm, midiendo disoluciones con un título conocido obtenido mediante dilución en peso de disoluciones certificadas.
Se diluyó de nuevo la disolución de la muestra preparada tal como se describió anteriormente en peso de modo que se obtuvieran concentraciones próximas a las utilizadas como referencia, antes de efectuar el análisis espectrofotométrico. Se prepararon todas las muestras por duplicado. Los resultados se consideraron aceptables si los datos individuales de las pruebas por duplicado no diferían en más del 2% relativo con respecto a su valor promedio.
b) Determinación de cloro
Se pesaron aproximadamente 30-50 mg de muestra con exactitud en vasos de 100 ml en una caja seca bajo una corriente de nitrógeno. Se añadieron 2 g de Na2CO3 y 50 ml de agua MilliQ, fuera de la caja seca. Se llevó la mezcla al punto de ebullición sobre una placa con agitación magnética durante aproximadamente 30 minutos. Se dejó enfriar, se añadió H2SO4 diluido 1/5 hasta que la reacción se volvió ácida y se valoró la mezcla con AgNO3 0,1 N con un valorador potenciométrico.
Análisis porosimétrico
Se efectuó el análisis del volumen de poros, el área superficial y la densidad de los sólidos catalíticos por medio de un porosímetro de mercurio, utilizando porosímetros de la serie Pascal 140 (macroporos) y 240 (meso-microporos), producidos por Thermo Finnigan. Los parámetros establecidos en los instrumentos fueron los siguientes:
• Porosímetro Pascal 140:
ajuste de velocidad de bomba: 6;
intervalo de presión: 0,1-200 kPa;
tiempo de intrusión: 25 minutos;
tiempo de descompresión: 20 minutos;
• Porosímetro Pascal 240:
ajuste de velocidad de bomba: 5;
intervalo de presión: 0,1-200 MPa.
tiempo de intrusión: 25 minutos;
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tiempo de descompresión: 20 minutos.
Análisis granulométrico
Se efectuó la determinación de la distribución y el tamaño de partícula promedio de los sólidos catalíticos con el procedimiento óptico que utiliza un aparato Particle Sizer de MALVERN, serie 2600, que presenta una lente de focalización de 63 mm y un camino óptico de la celda de 2 mm.
Espectroscopía XPS
Se efectuó la caracterización mediante espectroscopía XPS con un espectrómetro de Physical Electronics (mod. PHI-5600), con una fuente monocromatizada de aluminio para la generación de rayos X (energía de los rayos X que inciden sobre la muestra = 1486,6 eV). La técnica se basa en el efecto fotoeléctrico, a partir del que se obtienen y analizan los fotoelectrones emitidos desde la superficie de la muestra irradiada. Se efectúan los análisis en un entorno de ultra alto vacío (UHV = 1,32·10-7 Pa) a temperatura ambiente. Para compensar la carga positiva, que se produce en la superficie tras el procedimiento de fotoemisión, se hace incidir sobre la muestra un haz de electrones de baja energía (neutralizador). El área de análisis es circular con un diámetro de 0,8 mm y la profundidad de toma de muestras es sólo de 10 nm aproximadamente. Esto es un análisis de superficie, que puede revelar la presencia de la especie química más externa.
Las muestras de los catalizadores analizados y sus precursores son exclusivamente sólidas. Debido a su reactividad, se cargaron en una caja seca en el interior de un elemento de transferencia sellado, en un entorno con nitrógeno seco, y luego se transfirieron a la cámara de vacío UHV sin exposición al aire.
Se obtiene una respuesta cuantitativa a partir del espectro de XPS, con relación al porcentaje atómico de los elementos más abundantes, excluyendo el hidrógeno. También pueden obtenerse componentes individuales de un elemento químico particular con un vecindario electrónico diferente, a partir de los espectros de los elementos individuales adquiridos en alta resolución. En este caso, el pico de Cl 2p ha servido como referencia interna de energía, para definir una posición absoluta en la escala de las abscisas, estableciendo su máximo a 199,0 eV. Por tanto, pueden traducirse los demás picos a energía y pueden separarse en sus componentes, atribuibles a especies con un vecindario diferente. El espectro de XPS se expresa en cuanto a la energía de unión (B.E.), es decir la energía necesaria para arrancar un electrón de superficie. Cada elemento se identifica mediante uno o más picos en una posición característica, dependiendo del vecindario electrónico presente en la superficie. El ancho de cada pico proporciona información adicional (FWHM) y su área superficial es proporcional al peso relativo del constituyente. Se proporciona una descripción más detallada de la técnica de espectroscopía XPS y su utilización en análisis de superficie, entre otros, en la publicación: J. F. Moulder, W. F. Stickle, P. E. Sobol, K. D. Bomben, Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy; editor J. Chastain, Physical Electronics Div., Eden Prairie, MO, USA. (1992).
Espectroscopía IR y RMN
Se determinó la composición del residuo orgánico en los precursores y catalizadores sólidos según la presente invención por medio de espectroscopía IR y RMN.
Se llevó a cabo el análisis de FT-IR con un espectrómetro Nexus de Nicolet dentro del intervalo de 4000-200 cm-1 , con 64 barridos y resolución nominal igual a 2 cm-1. Se trataron los polvos de las muestras sólidas que estaban examinándose (aproximadamente 10 mg) con aproximadamente 10 ml de HCl al 5% en agua, durante aproximadamente 30 minutos a temperatura ambiente. Se extrajo la suspensión obtenida tres veces con un total de 20 ml de decano. Se analizó la disolución orgánica, que se llevó a un volumen de 30 ml, en transmisión, restando las bandas relativas al decano. Se efectuó la determinación IR cuantitativa del carboxilato mediante calibración con disoluciones diluidas a una concentración conocida de ácido carboxílico, midiendo la banda desde 1650 hasta 1775 nm.
Se obtuvieron los espectros de 13C-RMN con un espectrómetro de Bruker mod. MSL de 200 MHz equipado con una sonda de 7 mm. Las condiciones experimentales fueron las siguientes: secuencia de impulsos de ANTIFOND.PC; duración de impulso de 5 µs; tiempo de adquisición de 50 ms; tiempo de relajación de 5 s.
Caracterización de los polímeros y copolímeros
Se determinó el contenido de unidades monoméricas que se derivaban de 1-hexeno, en copolímeros de etileno-1hexeno, con muestras en forma de una película utilizando el espectrómetro FT-IR Nexus de Nicolet según el párrafo anterior, midiendo las absorciones de las bandas a 4390 y 4255 cm-1 , y basándose en curvas de calibración preparadas con copolímeros con una composición conocida.
Se midió el índice de flujo del fundido, MFI de los polímeros según la norma ASTM D-1238E, con un peso de 2,16 kg.
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Se midió la densidad de los productos poliméricos obtenidos por medio de una columna de gradiente, según el procedimiento ASTM D1505-68.
Ejemplo 1: Precursor de catalizador con un alto tamaño de partícula P1
Se cargan los siguientes productos en orden, a temperatura ambiente en un reactor agitado con camisa que presenta un volumen de 500 litros: 180 litros de n-decano, 17,58 kg de cloruro de magnesio y 7,1 kg tetracloruro de hafnio. Tras dejar que se homogeneice la mezcla con agitación durante 10 minutos, se añaden 5,7 kg de tetrabutilato de titanio y 89,5 kg (620 moles) de ácido 2-etilhexanoico. Se elimina el aire del reactor creando un vacío hasta 5 kPa, todavía a temperatura ambiente. Con el reactor cerrado y con agitación, se calienta la mezcla a través de la camisa externa, hasta que se lleva hasta 90ºC, manteniendo la temperatura durante 1 hora. Al final, la presión en el interior del reactor alcanza 121 kPa.
Se mezcla en caliente la mezcla así obtenida, que contiene todavía sólido sin disolver, con un filtro prensa COMBER que presenta una superficie de 1 metro cuadrado, con una red de 25 micrómetros de malla, y luego se transfiere a un reactor agitado con camisa que presenta un volumen de 1600 litros. Se recuperan 3,51 kg de sólido de la red del filtro, que tras análisis demuestra estar compuesto exclusivamente por cloruro de magnesio.
Se añaden lentamente 376 kg (2,45 kmoles) de IBADIC en una disolución al 42,5% en peso en n-decano a la disolución filtrada, después de enfriar hasta temperatura ambiente, manteniéndose la mezcla sustancialmente homogénea mediante agitación vigorosa y control preciso de la velocidad de flujo de alimentación y circulación termostática de modo que la temperatura de la mezcla de reacción durante la adición esté dentro del intervalo de 29 a 43ºC. Después de aproximadamente 3 horas, se completa la adición de IBADIC en las condiciones anteriores, y se lleva la mezcla de reacción, todavía con agitación, con el reactor cerrado, hasta una temperatura de 90ºC durante dos horas. La presión del reactor se eleva hasta 251 kPa. Se observa la formación de un sólido de color marrón oscuro purpúreo en suspensión.
Respetar las condiciones descritas anteriormente determina las características de microporosidad y tamaño de partícula del precursor sólido así obtenido y por consiguiente los tiempos y modos de las posteriores fases de preparación.
Se separa el precursor sólido de las aguas madre mediante decantación. La velocidad de sedimentación es mayor para precursor sólidos que presentan un mayor tamaño de partícula, tal como puede observarse a partir del diagrama mostrado en la figura 1, que representa la velocidad de sedimentación del sólido a partir de las aguas madre. Se proporcionan los datos para los ejemplos 1 a 4. El volumen de sedimentación en porcentaje representa el volumen del agua opaca que contiene el sólido en suspensión (basándose en la línea de separación del agua clara suprayacente, determinada de manera visible), con respecto al volumen total.
Se deja en reposo la suspensión del precursor sólido durante aproximadamente 30 minutos hasta que se obtiene un volumen de sedimentación de 390 litros. Se separa el agua clara suprayacente y entonces se añade un volumen de 600 litros de n-decano nuevo, agitando la mezcla hasta que se obtiene de nuevo una suspensión dispersa de manera homogénea. Entonces se efectúa una segunda decantación durante un tiempo de aproximadamente 60 minutos, hasta un volumen de sedimentación de 150 litros.
Se transfieren los aproximadamente 150 litros de suspensión preparada tal como se describió anteriormente y se filtran en un filtro prensa COMBER que presenta una superficie filtrante de 1 metro cuadrado, con un volumen geométrico de 1.500 litros, en una atmósfera de nitrógeno. Se efectúan tres lavados en el mismo filtro, con tres alícuotas de 500 litros de n-decano, separando el líquido del sólido mediante filtración con cada lavado. Con el tercer lavado, se observa que la concentración molar de aluminio soluble en el disolvente es de 0,6 mmoles/litro. Después de secar, se obtienen 30 kg de precursor de catalizador sólido de color púrpura P1, que se mantienen bajo nitrógeno para las utilizaciones posteriores.
Se seca a vacío una alícuota de aproximadamente 1 g del precursor sólido anterior P1 y se utiliza para la caracterización relativa. A partir del análisis elemental por medio de ICP, el precursor sólido demuestra que presenta los siguientes contenidos de metales activos (% en peso): Mg = 12,16; Ti = 2,82; Hf = 14,56; Al = 1,90, mientras que la cantidad de Cl, determinada mediante valoración potenciométrica es igual al 60,32% en peso. El precursor de catalizador P1 demuestra por tanto que presenta las siguientes razones atómicas elementales con respecto al titanio:
Ti1Hf1,4Mg8,5Al1,2Cl28,9
El 8% restante del peso del precursor sólido consiste sustancialmente en residuo orgánico y una mínima parte (<0,5% en peso) en impurezas, cuya naturaleza no se determinó adicionalmente, tanto en el caso del presente ejemplo como también en las preparaciones de los precursores tal como se describe en los ejemplos posteriores. El residuo orgánico del precursor P1, analizado por medio de FTIR y 13C-RMN, demostró que contenía aproximadamente el 5% en peso de residuos de 2-etilhexanoato con respecto al peso total del precursor, con trazas
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de menos del 1% en peso con respecto al total, de alcoholatos.
Se caracterizó adicionalmente el precursor P1 así obtenido por medio de análisis porosimétrico, cuyos resultados se indican en la siguiente tabla 1, y por medio de espectroscopía XPS, obteniéndose el espectro mostrado en la figura 3, curva D. El análisis granulométrico reveló una dimensión promedio de los gránulos de 5,6 µm, y una distribución que es tal que el 80% en peso de los gránulos presentan una dimensión comprendida entre 2,3 y 15,8 µm.
Ejemplo 2: Precursor de catalizador con un alto tamaño de partícula P2
Se adoptó inicialmente el mismo procedimiento que el del ejemplo 1 anterior, con la diferencia de que se cargan 8,79 kg de cloruro de magnesio y 5,42 kg tetracloruro de hafnio en el reactor agitado con camisa. Después de agitar la mezcla durante 10 minutos, se añaden 5,7 kg de tetrabutilato de titanio y 52,7 kg de ácido 2-etilhexanoico. Entonces se hace reaccionar la mezcla con el reactor cerrado tal como se describió en el ejemplo 1 anterior. Al final, la presión en el interior del reactor a una temperatura de 90ºC alcanza un valor de 123 kPa.
Se filtra en caliente la mezcla así obtenida, sólo ligeramente turbia, y se transfiere a un reactor agitado de 160 litros, como en el ejemplo anterior, pero sin recuperar cantidades significativas de sólido sobre el filtro. Después de enfriar hasta temperatura ambiente, se añaden 237 kg de IBADIC al 42,5% en peso en n-decano a la disolución, controlando con precisión la velocidad de flujo de alimentación y la circulación termostática de modo que la temperatura de la mezcla de reacción durante la adición esté dentro del intervalo de 29 a 40ºC.
Después de 2 horas y 30 minutos, se completa la adición de IBADIC en las condiciones anteriores, y se lleva la mezcla de reacción, todavía con agitación y con el reactor cerrado hasta una temperatura de 90ºC durante dos horas. La presión del reactor se eleva hasta 251 kPa.
Se observa la formación de un sólido de color marrón oscuro purpúreo en suspensión.
Respetar las condiciones descritas anteriormente determina las características de microporosidad y tamaño de partícula del precursor sólido así obtenido y por consiguiente los tiempos y modos de las posteriores fases de preparación.
Se separa el precursor sólido de las aguas madre mediante decantación. Se representa la velocidad de sedimentación mediante la curva indicada con el texto “Ejemplo 2” en el diagrama de la figura 1.
Se deja en reposo la suspensión del precursor sólido durante aproximadamente 30 minutos hasta que se obtiene un volumen de sedimentación de 400 litros. Entonces se añade un volumen de 600 litros de n-decano nuevo, agitando la mezcla hasta que se obtiene de nuevo una suspensión dispersa de manera homogénea. Entonces se efectúa una segunda decantación durante un tiempo de aproximadamente 5 horas, hasta un volumen de sedimentación de 150 litros. Se somete la suspensión así concentrada a lavado y filtración de manera análoga a lo que se efectúa según el ejemplo 1 anterior. Al final del tercer lavado, se observa que la concentración molar de aluminio soluble en el disolvente es de 0,5 mmoles/litro. Se obtienen así 20 kg de precursor de catalizador sólido de color púrpura P2, que se mantienen bajo nitrógeno para las utilizaciones posteriores.
Se seca a vacío una alícuota de aproximadamente 1 g del precursor sólido anterior P2 durante 8 horas y se utiliza para la caracterización relativa. A partir del análisis elemental por medio de ICP, se obtiene la siguiente composición (% en peso): Mg = 8,95; Ti = 4,25; Hf = 15,27; Al = 5,45. La cantidad de Cl, determinada mediante valoración potenciométrica es igual al 64,0% en peso. El precursor de catalizador P2 demuestra por tanto que presenta las siguientes razones atómicas elementales con respecto al titanio:
Ti1Hf1,0Mg4,2Al2,3Cl20,3
Se caracterizó adicionalmente el precursor así obtenido por medio de análisis porosimétrico, cuyos resultados se indican en la siguiente tabla 1.
Ejemplo 3: Precursor de catalizador con un alto tamaño de partícula P3
Se adoptó inicialmente el mismo procedimiento que el del ejemplo 1 anterior, con la diferencia de que se cargan 19,44 kg de cloruro de magnesio y 10,9 kg de tetracloruro de hafnio en el reactor agitado con camisa. Después de agitar la mezcla durante 10 minutos, se añaden 5,7 kg de tetrabutilato de titanio y 103 kg de ácido 2-etilhexanoico. Entonces se hace reaccionar la mezcla con el reactor cerrado tal como se describió en el ejemplo 1 anterior. Al final, la presión en el interior del reactor a una temperatura de 90ºC alcanza un valor de 123 kPa.
Se filtra en caliente la mezcla así obtenida, que contiene todavía sólido sin disolver, y se transfiere a un reactor agitado, como en el ejemplo 1. Se recuperan 1,5 kg de sólido de la red filtrante, que tras análisis demuestra estar compuesto exclusivamente por cloruro de magnesio. Después de enfriar hasta temperatura ambiente, se añaden 428 kg de IBADIC al 42,5% en peso en n-decano a la disolución, controlando con precisión la velocidad de flujo de
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alimentación y la circulación termostática de modo que la temperatura de la mezcla de reacción durante la adición esté dentro del intervalo de 29 a 40ºC.
Después de 3 horas y 30 minutos, se completa la adición de IBADIC en las condiciones anteriores, y se lleva la 5 mezcla de reacción, todavía con agitación y con el reactor cerrado hasta una temperatura de 90ºC durante dos horas. La presión del reactor se eleva hasta 250 kPa.
Se observa la formación de un sólido de color marrón oscuro purpúreo en suspensión.
10 Se separa el precursor sólido de las aguas madre mediante decantación. Se representa la velocidad de sedimentación del sólido mediante la curva indicada con el texto “Ejemplo 3” en el diagrama de la figura 1.
Se deja en reposo la suspensión del precursor sólido durante aproximadamente 2 horas hasta que se obtiene un volumen de sedimentación de 390 litros. Entonces se añade un volumen de 600 litros de n-decano nuevo, agitando
15 la mezcla hasta que se obtiene de nuevo una suspensión dispersa de manera homogénea. Entonces se efectúa una segunda decantación durante un tiempo de aproximadamente 5 horas, hasta un volumen de sedimentación de 150 litros. Se somete la suspensión así concentrada a filtración y lavado de manera análoga a lo que se efectúa según el ejemplo 1 anterior. Al final del tercer lavado, se observa que la concentración molar de aluminio soluble en el disolvente es de 0,7 mmoles/litro.
20 Se obtienen así 30 kg de precursor de catalizador sólido de color púrpura P3, que se mantienen bajo nitrógeno para las utilizaciones posteriores.
Se seca a vacío una alícuota de aproximadamente 1 g del precursor sólido anterior P2 durante 8 horas y se utiliza
25 para la caracterización relativa. A partir del análisis elemental por medio de ICP, se obtiene la siguiente composición (% en peso): Mg = 13,65; Ti = 2,25; Hf = 15,44; Al = 2,57. La cantidad de Cl, determinada mediante valoración potenciométrica es igual al 65,03% en peso. El precursor de catalizador P3 demuestra por tanto que presenta las siguientes razones atómicas elementales con respecto al titanio:
30 Ti1Hf1,8Mg11,9Al2,0Cl39,0
Ejemplo comparativo 4: Precursor de catalizador con un tamaño de partícula dispersa
Se prepara una disolución en decano de clorocarboxilatos de Ti, Mg y Hf, repitiendo con exactitud la primera etapa
35 del ejemplo 1 anterior. Se transfiere la disolución filtrada a un reactor agitado con camisa que presenta un volumen geométrico de 1.350 litros, en el que se efectúa la alquilación con 424 kg de IBADIC al 37,75% en peso en ndecano, manteniéndose la mezcla sustancialmente homogénea mediante agitación vigorosa y siguiendo el procedimiento y las operaciones descritos en el ejemplo 1 anterior, con la única diferencia de que la temperatura inicial de la mezcla de reacción era de 23ºC y la temperatura máxima, alcanzada después de añadir
40 aproximadamente 300 kg de IBADIC a lo largo de un periodo de 150 minutos, era de 40ºC. Entonces se calentó la suspensión así obtenida hasta 80ºC durante 2 horas en un reactor cerrado (P = 260 kPa), se enfrió hasta temperatura ambiente y se dejó en reposo para favorecer la sedimentación del precursor sólido.
Sin embargo, en este caso se encontró que el sólido obtenido está finamente disperso y no da lugar a la rápida
45 sedimentación observada para el sólido del ejemplo 1. Después de aproximadamente 10 horas, se separa una suspensión sedimentada de 350 litros, mediante decantación del líquido suprayacente, que contiene todavía una parte de material particulado fino. Se añaden 600 litros de decano a la suspensión, que se agita y se deja en reposo de nuevo durante 10 horas. Se separa un volumen de 440 litros de suspensión y se repite el lavado con 400 litros de decano. Al final, se obtienen aproximadamente 300 litros de suspensión, que se filtra y se lava siguiendo el mismo
50 procedimiento descrito en el ejemplo 1.
Se obtienen así aproximadamente 30 kg de precursor de catalizador sólido de color marrón oscuro P4 (comparativo), que se mantienen bajo nitrógeno para las utilizaciones posteriores.
55 A partir del análisis elemental por medio de ICP del precursor P4, se obtiene la siguiente composición (% en peso): Mg = 11,5; Ti = 2,76; Hf = 13,35; Al = 2,04. La cantidad de Cl, determinada mediante valoración potenciométrica es igual al 59,55% en peso. El precursor de catalizador P4 (comparativo) demuestra por tanto que presenta las siguientes razones atómicas elementales con respecto al titanio: Ti1Hf1,3Mg8,2Al1,3Cl29,1.
60 Con los precursores de catalizador innovadores P1, P2 y P3, es por tanto posible obtener aumentos significativos en las velocidades de sedimentación y decantación. Esto permite un aumento considerable (incluso de hasta dos veces) en la producción diaria per metro cúbico del reactor utilizado para la síntesis del precursor, además de una reducción en los volúmenes necesarios para el transporte y almacenamiento de la suspensión del precursor y catalizador obtenido a partir de la misma.
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- Ejemplo
- Precursor V.T. (1) Área superficial (m2/g) Porosidad (% en vol.) Densidad (g/cm3)
- 1
- P1 0,15 20,3 20,5 2,45
- 2
- P2 0,13 19,6 19,9 2,51
- 3
- P3 0,15 21,2 18,9 2,34
- 4 (comp.)
- P4 0,22 35,8 33,0 1,49
(1) Volumen de intrusión total expresado como cm3/g
Tabla 1: análisis porosimétrico de los precursores producidos según los ejemplos 1, 2, 3 y 4 anteriores.
Ejemplo comparativo 5: Copolimerización de etileno y 1-hexeno con el precursor P1
Se ejerce un purgado con nitrógeno a vacío durante por lo menos tres veces y durante una duración global de aproximadamente 2 horas en un autoclave de acero de 5 litros, del tipo Brignole, equipado con una bureta para la adición del catalizador, un agitador de hélice y una termorresistencia de calentamiento conectada a un termostato para el control de temperatura. Se introduce una disolución que contiene 1900 ml de decano, 75 ml de 1-hexeno y 2,73 ml de una disolución 0,1 M de TIBAL (0,273 mmoles) en n-decano como cocatalizador (razón molar Al/Ti = 49) en el autoclave.
Se lleva la temperatura en el interior del reactor hasta 190ºC, y se introducen 9,5 mg del precursor P1, obtenido según el ejemplo 1 anterior (5,58 µmoles de Ti), por medio de la bureta con una ligera sobrepresión de etileno, como una suspensión en aproximadamente 10 ml de decano. Se presuriza el autoclave con etileno, con agitación constante, hasta que se alcanza una presión total en el autoclave igual a 1,5 MPa. Se interrumpe el calentamiento de la termorresistencia y se observa un aumento de temperatura debido a la exotermicidad de la reacción de polimerización. La entidad de la variación de entalpía (ΔH) puede correlacionarse directamente con la actividad del etileno convertido y es proporcional a la actividad catalítica obtenida, también se registra el flujo de etileno necesario para reponer el etileno convertido en polímero por medio de medidores de flujo ASA calibrados con un medidor de volumen analógico. Se continúa con la polimerización durante 3 minutos, manteniendo el sistema a una presión constante de 1,5 MPa. Al final, se interrumpe la reacción mediante la introducción de aproximadamente 10 ml de etanol en el autoclave. Se deja que se enfríe la mezcla y posteriormente se descarga el contenido del reactor en aproximadamente 3 litros de etanol. Se separa el polímero mediante filtración, se lava con acetona y se seca en un horno a vacío (aproximadamente 100 Pa) a 90ºC durante aproximadamente 12 horas. Al final, se obtienen 37 g de copolímero de etileno-1-hexeno, que se caracteriza midiendo el contenido de 1-hexeno, el índice de flujo del fundido y la densidad. Se indican los resultados en la tabla 2 a continuación.
Ejemplo comparativo 6: Copolimerización de etileno y 1-hexeno con el precursor P2
Se adopta el mismo procedimiento tal como se describió en el ejemplo 5 anterior, con la diferencia de que se introducen 11,2 mg del precursor P2 (11,1 µmoles de Ti) en el autoclave como una suspensión en aproximadamente 15 ml de n-decano, y 5,44 ml de una disolución 0,1 M de TIBAL (0,544 mmoles) en n-decano como cocatalizador (razón molar Al/Ti = 49). Al final, se obtienen 28 g de copolímero de etileno-1-hexeno, que presenta las características indicadas en la tabla 2.
Ejemplo comparativo 7: Copolimerización de etileno y 1-hexeno con el precursor P3
Se adopta el mismo procedimiento tal como se describió en el ejemplo 5 anterior, con la diferencia de que se introducen 21,5 mg del precursor P3 (11,2 µmoles de Ti) en el autoclave como una suspensión en aproximadamente 10 ml de n-decano, y 5,49 ml de una disolución 0,1 M de TIBAL, respectivamente. Al final, se obtienen 62 g de copolímero de etileno-1-hexeno, que presenta las características indicadas en la tabla 2.
Ejemplo comparativo 8: Copolimerización de etileno y 1-hexeno con el precursor P4
Se adopta el mismo procedimiento tal como se describió en el ejemplo 5 anterior, con la diferencia de que se introducen 9,53 mg del precursor P4 (5,49 µmoles de Ti) en el autoclave como una suspensión en aproximadamente 10 ml de n-decano, y 2,69 ml de una disolución 0,1 M de TIBAL, respectivamente. Al final, se obtienen 23 g de copolímero de etileno-1-hexeno, que presenta las características indicadas en la tabla 2.
- Ejemplo
- Precursor Ti (mg) 1-hexeno (ml) Rendimiento (g) Actividad (kg/gTi) M.F.I. 2,16 g/10’ Densidad g/cc
- 5
- P1 0,26 75 37 137 0,11 0,925
- 6
- P2 0,53 75 28 53 0,09 0,923
- 7
- P3 0,53 75 62 116 0,19 0,924
- 8
- P4 0,26 75 23 88 0,12 0,924
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TABLA 2: copolimerización de etileno-1-hexeno con catalizadores basados en los precursores P1-P4; T inicial de 190ºC; cocatalizador TIBAL; razón molar TIBAL/Ti= 49; Petileno = 1,5 MPa
A partir del examen de los datos en la tabla 2, puede observarse que la actividad catalítica de los ejemplos 5 y 7,
5 expresada como kg/gTi, es mucho más alta con respecto a la del ejemplo comparativo 8. La actividad catalítica obtenida en el ejemplo 6, con un precursor según la presente invención, es inferior a la del ejemplo 5, pero también a la del ejemplo 8, tal como puede esperarse para un catalizador con una baja razón atómica Mg/Ti = 4 con respecto a otros ejemplos en la tabla, en los que la razón es de 8 o 12. Frente a una productividad relativamente baja, el precursor P2, por otra parte, permite que se obtengan pesos moleculares promedio muy altos en el ejemplo 6.
10
Ejemplo 9: catalizador “P1 + IBADIC” con Al(IBADIC)/Ti = 20.
Se introducen 1,54 kg del precursor sólido P1, preparado según dicho ejemplo 1, 12 litros de n-decano y 2,81 kg (18,1 moles) de IBADIC (razón molar Al/Ti = 20, Cl/Ti = 40) en un reactor de acero inoxidable equipado con agitación
15 mecánica que presenta un volumen de 48 litros. Se deja la mezcla con agitación durante aproximadamente 60 minutos a temperatura ambiente.
Se elimina el disolvente mediante filtración bajo una presión de nitrógeno en un filtro con una red de acero inoxidable con 5 µm de malla, que presenta un volumen de aproximadamente 80 litros y un diámetro de 40 cm, suministrado
20 por la empresa Faucitano S.r.l. y se lava el residuo dos veces más con alícuotas de 25 litros de n-decano. Se resuspende el catalizador así obtenido (1,52 kg) en 7 litros de n-decano (concentración final de sólido del 23% en peso) y se mantiene en suspensión para las utilizaciones posteriores.
Se recoge una alícuota de aproximadamente 10 ml de dicho catalizador en suspensión para fines analíticos
25 mediante sifonado en un tubo de ensayo con cola equipado con un septo poroso, funcionando de nuevo bajo nitrógeno. Se filtra, se lava dos veces con alícuotas de 50 ml de n-hexano cada una y se seca a vacío el catalizador sólido durante aproximadamente 8 horas. El análisis elemental de la muestra, efectuado con los procedimientos descritos anteriormente, proporcionó los siguientes resultados (% en peso): Mg = 12,20; Ti = 2,80; Hf = 14,49; Al = 1,96, Cl, 60,41%. Por tanto pueden calcularse las siguientes razones atómicas con respecto al titanio: Ti1 Hf1,4 Mg8,6
30 Al1,2 Cl29,1
Tal como puede observarse, el tratamiento con cloruro de alquil-aluminio (IBADIC) según la etapa (v) del procedimiento de preparación del catalizador según la presente invención, no modifica significativamente la composición del precursor sólido obtenido al final de la etapa (iv) del procedimiento según la invención, aunque
35 aumenta considerablemente su actividad. Se reveló este comportamiento sistemáticamente durante diversas pruebas de laboratorio, y por consiguiente, en los siguientes ejemplos, se consideró la composición de los catalizadores así preparados igual a la del precursor, sin proceder cada vez con el análisis elemental.
Se registró el espectro con la misma muestra de catalizador por medio de 13C-RMN en estado sólido, en condiciones
40 de desacoplamiento completo de protones, para determinar la residencia de carboxilatos en el residuo orgánico después de tratamiento adicional con IBADIC. En el espectro, puede observarse claramente lo siguiente: la señal a 191 pm de CO carboxílico, la señal a aproximadamente 50 ppm atribuida del CH del hexanoato de etilo y, entre 30 y 10 ppm, las señales características de los carbonos alifáticos (atribuciones indicadas en la publicación “Carbon-13 NMR Spectroscopy”, E. Breitmaier, W. Voelter, VCH, 3ª edición, 1987, páginas 226-228). Las mismas señales, con
45 las mismas intensidades relativas, son claramente visibles mediante comparación con un espectro de 13C-RMN registrado, en condiciones análogas, con una muestra sólida del precursor P1. En conclusión, puede afirmarse que el tratamiento con IBADIC, incluso hasta razones molares Al/Ti muy altas, no modifica significativamente la cantidad de carboxilato presente en el precursor de catalizador.
50 Ejemplo 10: catalizador “P1 + IBADIC” con Al(IBADIC)/Ti = 50.
Se preparó un catalizador, repitiendo el procedimiento del ejemplo 9 anterior, pero utilizando 1,48 kg de precursor P1, preparado según el ejemplo 1, y 6,71 kg de IBADIC (43,3 moles), de modo que Al(IBADIC)/Ti = 50 y Cl/Ti = 100.
55 Ejemplo 11: catalizador “P1 + IBADIC” con Al(IBADIC)/Ti = 100.
Se preparó un catalizador, repitiendo el procedimiento del ejemplo 9 anterior, pero utilizando 1,45 kg de precursor P1, preparado según el ejemplo 1, y 13,24 kg de IBADIC (85,4 moles), de modo que Al(IBADIC)/Ti = 100 y Cl/Ti = 200.
60 Ejemplo 12: catalizador “P1 + IBADIC” con Al(IBADIC)/Ti = 200.
Se preparó un catalizador, repitiendo el procedimiento del ejemplo 9 anterior, pero utilizando 1,51 kg de precursor P1, preparado según el ejemplo 1, y 27,6 kg de IBADIC (177,9 moles), de modo que Al(IBADIC)/Ti = 200 y Cl/Ti = 400.
65 Ejemplo 13: catalizador “P1 + DEAC” con Al(DEAC)/Ti = 50.
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Se preparó un catalizador, repitiendo el procedimiento del ejemplo 9 anterior, pero utilizando 1,48 kg de precursor P1, preparado según el ejemplo 1, y 5,23 kg de DEAC (43,4 moles) en lugar de IBADIC, de modo que Al(DEAC)/Ti = 50 y Cl/Ti = 50.
Ejemplo 14: catalizador “P1 + DEAC” con Al(DEAC)/Ti = 100.
Se preparó un catalizador, repitiendo el procedimiento del ejemplo 13 anterior, pero utilizando 1,52 kg de precursor P1, preparado según el ejemplo 1, y 10,7 kg de DEAC (88,7 moles), de modo que Al(DEAC)/Ti = 100 y Cl/Ti = 100.
Ejemplo 15: catalizador “P1 + DEAC” con Al(DEAC)/Ti = 200.
Se preparó un catalizador, repitiendo el procedimiento del ejemplo 13 anterior, pero utilizando 1,53 kg de precursor P1, preparado según el ejemplo 1, y 21,6 kg de DEAC (179 moles), de modo que Al(DEAC)/Ti = 200 y Cl/Ti = 200.
Ejemplo 16: catalizador “P2 + IBADIC” con Al(IBADIC)/Ti = 50.
Se preparó un catalizador, repitiendo el procedimiento del ejemplo 9 anterior, pero utilizando 1,45 kg de precursor P2, preparado según el ejemplo 2 en lugar del precursor P1, y 9,98 kg de IBADIC (64,4 moles), de modo que Al(IBADIC)/Ti = 50 y Cl/Ti = 100.
Ejemplo 17: catalizador “P2 + IBADIC” con Al(IBADIC)/Ti = 100.
Se preparó un catalizador, repitiendo el procedimiento del ejemplo 16 anterior, pero utilizando 1,49 kg de precursor P2, preparado según el ejemplo 2, y 20,5 kg de IBADIC (132 moles), de modo que Al(IBADIC)/Ti = 100 y Cl/Ti = 200.
Ejemplo 18: catalizador “P2 + IBADIC” con Al(IBADIC)/Ti = 200.
Se preparó un catalizador, repitiendo el procedimiento del ejemplo 16 anterior, pero utilizando 1,52 kg de precursor P2, preparado según el ejemplo 2, y 41,8 kg de IBADIC (270 moles), de modo que Al(IBADIC)/Ti = 200 y Cl/Ti = 400.
Ejemplo 19: catalizador “P2 + DEAC” con Al(DEAC)/Ti = 50.
Se preparó un catalizador, repitiendo el procedimiento del ejemplo 16 anterior, pero utilizando 1,50 kg de precursor P2, preparado según el ejemplo 2, y 8,03 kg de DEAC (66,6 moles) en lugar de IBADIC, de modo que Al(DEAC)/Ti = 50 y Cl/Ti = 50.
Ejemplo 20: catalizador “P2 + DEAC” con Al(DEAC)/Ti = 100.
Se preparó un catalizador, repitiendo el procedimiento del ejemplo 19 anterior, pero utilizando 1,44 kg de precursor P2, preparado según el ejemplo 2, y 15,4 kg de DEAC (128 moles) en lugar de IBADIC, de modo que Al(DEAC)/Ti = 100 y Cl/Ti = 100.
Ejemplo 21: catalizador “P2 + DEAC” con Al(DEAC)/Ti = 200.
Se preparó un catalizador, repitiendo el procedimiento del ejemplo 16 anterior, pero utilizando 1,48 kg de precursor P2, preparado según el ejemplo 2, y 31,7 kg de DEAC (263 moles), de modo que Al(DEAC)/Ti = 200 y Cl/Ti = 200.
Ejemplo 22: catalizador “P3 + IBADIC” con Al(IBADIC)/Ti = 20.
Se preparó un catalizador, repitiendo el procedimiento del ejemplo 9 anterior, pero utilizando en lugar del precursor P1, 1,52 kg de precursor P3, preparado según el ejemplo 3 anterior, y 2,21 kg de IBADIC (14,3 moles), de modo que Al(IBADIC)/Ti = 20 y Cl/Ti = 40.
Ejemplo 23: catalizador “P3 + IBADIC” con Al(IBADIC)/Ti = 50.
Se preparó un catalizador, repitiendo el procedimiento del ejemplo 22 anterior, pero utilizando 1,45 kg de precursor P3, preparado según el ejemplo 3, y 5,28 kg de IBADIC (34,1 moles), de modo que Al(IBADIC)/Ti = 50 y Cl/Ti = 100.
Ejemplo 24: catalizador “P3 + IBADIC” con Al(IBADIC)/Ti = 100.
Se preparó un catalizador, repitiendo el procedimiento del ejemplo 22 anterior, pero utilizando 1,50 kg de precursor P3, preparado según el ejemplo 3, y 10,93 kg de IBADIC (70,5 moles), de modo que Al(IBADIC)/Ti = 100 y Cl/Ti = 200.
Ejemplo 25: catalizador “P3 + IBADIC” con Al(IBADIC)/Ti = 200.
Se preparó un catalizador, repitiendo el procedimiento del ejemplo 22 anterior, pero utilizando 1,46 kg de precursor
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P3, preparado según el ejemplo 3, y 21,3 kg de IBADIC (137,3 moles), de modo que Al(IBADIC)/Ti = 200 y Cl/Ti = 400.
Ejemplo 26: catalizador “P3 + DEAC” con Al(DEAC)/Ti = 50.
Se preparó un catalizador, repitiendo el procedimiento del ejemplo 22 anterior, pero utilizando 1,56 kg de precursor P3, preparado según el ejemplo 3, y 4,42 kg de DEAC (36,7 moles) en lugar de IBADIC, de modo que Al(DEAC)/Ti = 50 y Cl/Ti = 50.
Ejemplo 27: catalizador “P3 + DEAC” con Al(DEAC)/Ti = 100.
Se preparó un catalizador, repitiendo el procedimiento del ejemplo 26 anterior, pero utilizando 1,54 kg de precursor P3, preparado según el ejemplo 3, y 8,73 kg de DEAC (72,4 moles), de modo que Al(DEAC)/Ti = 100 y Cl/Ti = 100.
Ejemplo 28: catalizador “P3 + DEAC” con Al(DEAC)/Ti = 200.
Se preparó un catalizador, repitiendo el procedimiento del ejemplo 26 anterior, pero utilizando 1,47 kg de precursor P3, preparado según el ejemplo 3, y 16,7 kg de DEAC (138 moles), de modo que Al(DEAC)/Ti = 200 y Cl/Ti = 200.
Ejemplo 29: Copolimerización de etileno y 1-hexeno para dar LLDPE
Se ejerce un purgado con nitrógeno a vacío durante por lo menos tres veces y durante una duración global de aproximadamente 2 horas en un autoclave de acero de 5 litros, del tipo Brignole, equipado con una bureta presurizada para la adición del catalizador, un agitador de hélice y una termorresistencia de calentamiento conectada a un termostato para el control de temperatura. Se introduce una disolución que contiene 1900 ml de decano, 75 ml de 1-hexeno y 1,0 ml de una disolución 1 M de TIBAL (1,0 mmoles) en n-decano como cocatalizador (razón molar AlTIBAL/Ti = 49) en el autoclave.
Se lleva la temperatura en el interior del reactor hasta 190ºC, y se introducen 19,0 mg del catalizador “P1 + IBADIC” (Al(IBADIC)/Ti = 20), correspondientes a 0,534 mg de Ti, preparado según el ejemplo 9 anterior (0,0112 µmoles de Ti), por medio de la bureta con una ligera sobrepresión de etileno, como una suspensión en aproximadamente 10 ml de decano. Se presuriza el autoclave con etileno, con agitación constante, hasta que se alcanza una presión total en el autoclave igual a 1,5 MPa.
Se interrumpe el calentamiento de la termorresistencia y se observa un aumento de temperatura debido a la exotermicidad de la reacción de polimerización en condiciones pseudoadiabáticas, es decir sin eliminar el calor producido por la polimerización con medios de enfriamiento. La entidad de la variación de entalpía (ΔH) puede correlacionarse directamente con la cantidad de etileno polimerizado y es proporcional a la actividad catalítica obtenida. También se registra el flujo de etileno necesario para reponer el etileno convertido en polímero por medio de medidores de flujo ASA calibrados con un medidor de volumen analógico. Se continúa con la polimerización durante 3 minutos, manteniendo el sistema a una presión constante de 1,5 MPa. Al final, se interrumpe la reacción mediante la introducción de aproximadamente 10 ml de etanol en el autoclave. Se deja que se enfríe la mezcla y posteriormente se descarga el contenido del reactor en aproximadamente 3 litros de etanol. Se separa el polímero mediante filtración, se lava con acetona y se seca en un horno a vacío (aproximadamente 100 Pa) a 90ºC durante aproximadamente 12 horas. Se pesa el polímero secado para permitir el cálculo de la actividad catalítica expresada en kg de polímero por gramo de titanio, y se determinan posteriormente el índice de flujo del fundido y la densidad, según los procedimientos indicados anteriormente. Se resumen esquemáticamente los resultados en la tabla 3 a continuación.
Ejemplos 30 a 48
Se llevaron a cabo numerosas pruebas de copolimerización en las mismas condiciones indicadas previamente en el ejemplo 29, pero utilizando cada vez los catalizadores preparados según los ejemplos 10 a 28 anteriores.
Se resumen esquemáticamente los resultados en la tabla 3 a continuación.
La tabla 3 indica los resultados de las pruebas de copolimerización según los ejemplos 29 a 48. Para cada ejemplo, cuyo número se indica en la primera columna a la izquierda, se enumeran respectivamente los siguientes en orden: bajo el encabezado “Catalizador”, la columna “N. de ej.” con relación al número de ejemplo número correspondiente al catalizador utilizado en la prueba, la columna “etapa (v)” con relación a la combinación “Precursor/cloruro de alquil-Al” utilizada en la etapa (v) del procedimiento de preparación, la razón atómica Al/Ti en dicha etapa (v), la cantidad de catalizador sólido introducido en el reactor, en la columna “Sólido” y la cantidad correspondiente de Ti, en la columna “Ti inyectado”; en la columna “1-hexeno”, la cantidad de 1-hexeno introducida en el reactor; en la columna ΔT, el aumento de temperatura observado durante la polimerización; en la columna “Rendimiento” la cantidad de polímero obtenido; en la columna “Actividad”, la actividad del catalizador expresada en kilogramos de polímero por gramo de Ti; en la columna M.F.I. 2,16, el índice de flujo del fundido con un peso de 2,16 kg; y finalmente la densidad del polímero obtenido.
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Tras comparar los resultados de la tabla 3 con los indicados en la tabla 2, con relación a polimerizaciones efectuadas con el precursor, es evidente el aumento de la actividad del catalizador tras el tratamiento adicional del precursor sólido con cloruro de alquil-aluminio según la etapa (v) del procedimiento de preparación según la presente invención.
Ejemplo 49 (comparativo)
Para fines comparativos, se trató el precursor P1 con un compuesto de trialquil-aluminio en lugar de un cloruro de alquil-aluminio, como etapa (v) del procedimiento para la preparación de un catalizador de polimerización.
Por consiguiente, se repitió el procedimiento del ejemplo 9 anterior a escala de laboratorio. Se introdujeron 1,45 g de precursor P1, preparado según el ejemplo 1, y 9,73 g de trietilaluminio (TEA, 43,6 mmoles) en un reactor agitado de vidrio de 1 litro que contenía 0,3 l de n-decano bajo argón. La razón Al(TEA)/Ti es de 100. Se dejó la mezcla con agitación durante aproximadamente 60 minutos a temperatura ambiente. Se eliminó el disolvente mediante sifonado después de decantación y se lavó el residuo dos veces más con alícuotas de 0,25 l de n-decano. Se resuspendió el catalizador sólido (P1 + TEA; comparativo) así obtenido en n-decano hasta un volumen de 50 ml y se mantuvo en suspensión para las utilizaciones posteriores. La concentración final de sólido en la suspensión era de 26,4 g/l (peso de sólido/volumen de suspensión) tal como se determinó con una alícuota de 10 ml que se secó y se pesó. La cantidad de titanio era del 2,89% en peso del sólido seco.
Ejemplo 50 (comparativo)
Se copolimerizaron etileno y 1-hexeno, para fines comparativos, en presencia del catalizador (P1 + TEA) tal como se obtuvo en el ejemplo 49. Se utilizó un autoclave de acero de 5 litros del tipo Brignole, equipado y preparado tal como se describió en el ejemplo 5 anterior, como reactor de polimerización. Se introduce una disolución que contiene 1900 ml de decano, 75 ml de 1-hexeno y 2,73 ml de una disolución 0,1 M de TIBAL (0,273 mmoles) en n-decano como cocatalizador (razón molar Al/Ti = 49) en el autoclave.
Se lleva la temperatura en el interior del reactor hasta 190ºC, y se introducen 19 mg del catalizador (P1 + TEA) (0,72 ml de la suspensión tal como se obtuvo en el ejemplo 49, correspondientes a 0,549 mg, 11,5 µmoles de Ti) por medio de la bureta con una ligera sobrepresión de etileno, después de dilución hasta aproximadamente 10 ml con decano.
Se presuriza el autoclave con etileno, con agitación constante, hasta que se alcanza una presión total en el autoclave igual a 1,5 MPa. Se interrumpe calentamiento de la termorresistencia y se observa un aumento de temperatura debido a la exotermicidad de la reacción de polimerización. Se continúa con la polimerización durante 3 minutos, manteniendo el sistema a una presión constante de 1,5 MPa. Al final, se interrumpe la reacción mediante la introducción de aproximadamente 10 ml de etanol en el autoclave. Se deja que se enfríe la mezcla y posteriormente se descarga el contenido del reactor en aproximadamente 3 litros de etanol. Se separa el polímero mediante filtración, se lava con acetona y se seca en un horno a vacío (aproximadamente 100 Pa) a 90ºC durante aproximadamente 12 horas. Al final, se obtienen 28,5 g de copolímero de etileno-1-hexeno, que se caracteriza midiendo el contenido de 1-hexeno, el índice de flujo del fundido y la densidad. Se indican los resultados en la tabla 3 a continuación.
Comparando los resultados de este ejemplo comparativo 50 con los ejemplos 31 ó 34, que se llevaron a cabo con catalizadores obtenidos a partir del mismo precursor, pero tratados con la misma cantidad molar de un cloruro alquilaluminio, está claro que un trialquil-aluminio no presenta ningún efecto de estabilización y activación sobre el precursor, sino que más bien lo desactiva. Además, las propiedades del polímero obtenido son también insatisfactorias por que se logran superior MFI y densidad, debido a menos incorporación de 1-hexeno y transferencia de cadena superior durante la reacción de polimerización.
- N. de
- Catalizador 1hexeno (ml) ΔT (ºC) Rendimiento (g) Actividad (kg(gTi) M.F.I. 2,16 (g/10’) densidad (g/cm3)
- ejemplo
- N. de ej. precur. Etapa (v) Al/Ti Et. (v) Sólido (mg) Ti inyectado (mg)
- 29
- 9 P1 + IBADIC 20 19,07 0,534 75 25 93,6 175 0,09 0,9241
- 30
- 10 P1 + IBADIC 50 19,07 0,534 75 33 118,6 222 0,08 0,9249
- 31
- 11 P1 + IBADIC 100 9,54 0,267 75 23 70,2 263 0,07 0,9237
- 32
- 12 P1 + IBADIC 200 19,03 0,533 75 34 136,7 256 0,06 0,9247
E10784264
24-10-2014
- N. de ejemplo
- Catalizador 1hexeno (ml) ΔT (ºC) Rendimiento (g) Actividad (kg(gTi) M.F.I. 2,16 (g/10’) densidad (g/cm3)
- N. de ej. precur.
- Etapa (v) Al/Ti Et. (v) Sólido (mg) Ti inyectado (mg)
- 33
- 13 P1 + IBADIC 50 6,36 0,178 75 14 31,3 176 0,09 0,9232
- 34
- 14 P1 + IBADIC 100 6,43 0,180 75 15 34,3 191 0,12 0,9238
- 35
- 15 P1 + IBADIC 200 19,07 0,534 75 22 95,9 180 0,11 0,9233
- 36
- 16 P2 + IBADIC 50 12,56 0,534 75 9 36,2 68 0,10 0,9238
- 37
- 17 P2 + IBADIC 100 6,28 0,267 75 7 20,1 75 0,08 0,9254
- 38
- 18 P2 + IBADIC 200 4,19 0,178 75 6 11,3 63 0,07 0,9232
- 39
- 19 P2 + IBADIC 50 12,56 0,534 75 13 32,3 60 0,08 0,9254
- 40
- 20 P2 + DEAC 100 12,54 0,533 75 16 34,9 65 0,07 0,9246
- 41
- 21 P2 + DEAC 200 11,65 0,495 75 11 29,7 60 0,07 0,9244
- 42
- 22 P3 + IBADIC 20 7,91 0,178 75 17 39,5 222 0,21 0,9243
- 43
- 23 P3 + IBADIC 50 7,91 0,178 75 18 45,6 256 0,22 0,9254
- 44
- 24 P3 + IBADIC 100 8,00 0,180 75 18 50 278 0,20 0,9233
- 45
- 25 P3 + IBADIC 200 7,91 0,178 75 17 46,8 263 0,21 0,9231
- 46
- 26 P3 + DEAC 50 7,91 0,178 75 14 30 169 0,21 0,9254
- 47
- 27 P3 + DEAC 100 7,91 0,178 75 15 32 182 0,20 0,9238
- 48
- 28 P3 + DEAC 200 7,91 0,178 75 14 31,2 175 0,18 0,9247
- 50
- 49 P1 + IBADIC 100 19,0 0,723 75 8 28,5 36,5 0,55 0,9337
TABLA 3: Copolimerización de etileno/1-hexeno; cocatalizador TIBAL; Tinicial = 190ºC; Petileno = 1,5 MPa, tiempo de 3 minutos; AlTIBAL/Ti = 49.
5 Caracterización mediante XPS
Para preparar las muestras de referencia para la caracterización del catalizador según la presente invención por medio de espectroscopía XPS, se sintetizaron diversos complejos modelo de Ti y Al según los siguientes procedimientos.
10
Ejemplo modelo 1
Se introdujeron 25 ml de heptano, 1 g (2,7 mmoles) de TiCl3(THF)3 y 2,7 ml (2,6 g; 21,6 mmoles) de DEAC puro, (razón molar Al/Ti = 8) en un matraz de múltiples bocas de 50 ml, situado bajo nitrógeno. Se sintetizó el compuesto
15 TiCl3(THF)3 según el procedimiento descrito en la bibliografía por E. Manzer (Inorganic Synthesis, vol. 21(1982), páginas 135-140).
Después de dejarse durante una hora con agitación a temperatura ambiente, se separó el sólido (complejo M1) de la disolución mediante filtración con un septo poroso en una atmósfera de nitrógeno, se lavó el sólido tres veces con
20 5 ml de heptano cada vez y se secó a vacío a 0,1 Pa.
Se analizó una muestra del complejo M1 así obtenido mediante XPS de alta resolución, obteniendo la curva B de la figura 2.
25 Ejemplo modelo 2
Se cargan 50 ml de dodecano anhidro, bajo argón, en un matraz de múltiples bocas de 100 ml. Se añaden una
10
15
20
25
30
35
40
45 E10784264
24-10-2014
disolución de 2,6 g de DEAC (21,6 mmoles) en 3 ml de dodecano y posteriormente 1 g de TiCl3(THF)3 (2,7 mmoles) suspendido en 20 ml de dodecano, en rápida sucesión, por medio de un gotero, al disolvente calentado hasta 180ºC. Después de dejar la mezcla durante 3 minutos con agitación a 180ºC, se enfría toda la mezcla con un baño de agua y hielo. Estas condiciones de temperatura y la duración de la reacción son similares a las adoptadas en el tratamiento del precursor de los ejemplos anteriores. Se obtiene un sólido negro (complejo M2), que se separa de la disolución mediante filtración con un septo poroso G4, se lava tres veces con heptano y se seca a vacío a 0,1 Pa.
Se analizó una muestra del complejo M2 así obtenido mediante XPS de alta resolución, obteniendo la curva C de la figura 2.
Análisis de XPS
La figura 2 indica las señales de XPS correspondientes los electrones 2p de Ti del complejo sólido TiCl3(THF)3 (curva A), el complejo M1 (curva B) y el complejo M2 (curva C), respectivamente. Tras el análisis, puede observarse la señal de TiCl3(THF)3 como tal situada a 459,2 eV; el tratamiento con DEAC (Al/Ti = 8) a temperatura ambiente (complejo M1) muestra tanto un desplazamiento hacia la derecha del pico principal (458,3 eV), como también la formación de un gran componente con una baja B.E. (456 eV) que también se confirma en el complejo M2 obtenido a una alta temperatura. La banda lateral a 456 eV revela la formación de una especie de superficie de Ti que se ve afectada por la interacción con un aducto debido al cloruro de alquil-aluminio y que se caracteriza por tanto por una mayor carga electrónica en el centro metálico.
Se analizaron entonces mediante XPS dos muestras sólidas correspondientes respectivamente al precursor P1 obtenido según el ejemplo 1 anterior y al catalizador (Cat. 13) obtenido después del tratamiento de P1 con DEAC (Al/Ti = 50/1) según el ejemplo 13 anterior. Se obtuvieron las muestras analizadas mediante separación del sólido de la suspensión espesa, lavado con heptano y secado tal como se describió previamente. Se efectúan los análisis a temperatura ambiente. La tabla 4 resume los datos con relación a la composición atómica de superficie, expresada en porcentaje del número de átomos de cada especie con respecto al número total de átomos (% de at.).
- Muestra
- C O Ti Al Hf Mg Cl
- P1 (% de at.)
- 34 21 5,4 1,3 0,5 11 27
- Cat. 13 (% de at.)
- 29 16 2,1 2,0 0,5 17 34
Tabla 4 -Análisis elemental de XPS de los sólidos catalíticos
Para la muestra Cat. 13, puede observarse que la adición de DEAC presenta el efecto de un enmascaramiento parcial del Ti que estaba en la superficie (desde el 5,4 hasta el 2,1% de at.). Por tanto, esto confirma la formación de un aducto de superficie tras la adición de DEAC.
Para evaluar las modificaciones del vecindario electrónico directamente sobre la especie de titanio, se adquirieron los espectros de XPS de alta resolución de los niveles electrónicos de Ti 2p. La superposición de los picos de Ti 2p del catalizador Cat. 13 (curva D) y el precursor P1 (curva E) antes del tratamiento con DEAC (figura 3) muestra un desplazamiento global definido del pico con relación a la muestra Cat. 13, hacia una menor energía de unión, también se observa la formación de un nuevo componente de Ti a aproximadamente 456 eV. Este componente es el mismo que ya apareció claramente en los sistemas modelo del tipo TiCl3(THF)3 tratados con DEAC tanto a temperatura ambiente como a alta temperatura indicados en la figura 2. Por tanto, esto confirma la atribución del pico a B.E. de aproximadamente 456 eV a la formación de un complejo entre Ti (+3) y una molécula de cloruro de alquil-aluminio. Esta deducción se confirma mediante análisis de espectroscopía UV adicionales llevados a cabo por el solicitante con los mismos compuestos modelo, además de muestras de precursor y catalizador de la presente invención, que permitieron que se excluyera la formación de especies de Ti (+2) debido a la acción de cloruros de alquil-aluminio.
Claims (15)
- E1078426424-10-2014REIVINDICACIONES1. Catalizador sólido para la (co)polimerización de α-olefinas, que comprende titanio, magnesio, aluminio, cloro y por lo menos un metal seleccionado de entre hafnio y zirconio, en las siguientes razones molares:5 M/Ti = 0,2-5,0; Mg/Ti = 3,0-15,0; Al/Ti = 0,1-4,0; Cl/Ti = 15,0-60,0en el que M es un metal seleccionado de entre hafnio y zirconio o una mezcla de los mismos, preferentemente hafnio, y en el que titanio, magnesio, dicho metal M, aluminio y cloro representan por lo menos el 80% en peso,10 preferentemente entre el 85 y el 100% en peso, del catalizador, caracterizado por que por lo menos el 60% del titanio está en el estado de oxidación +3 y, cuando se examina mediante espectroscopía XPS, el sólido presenta una banda de absorción característica de una energía de unión comprendida entre 454 y 458 eV.
- 2. Catalizador sólido según la reivindicación 1, en el que por lo menos el 80%, preferentemente por lo menos el15 90% del titanio está en el estado de oxidación +3, y el sólido presenta una banda de absorción característica de una energía de unión centrada alrededor del valor de 456±1 eV.
- 3. Catalizador sólido según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que presenta un tamaño de partícula conuna distribución gaussiana que tiene un punto máximo comprendido entre 2 y 15 µm y unas dimensiones de los 20 gránulos que son tales que el 80% en peso de los mismos está entre 1 y 30 µm, preferentemente entre 2 y 20 µm.
- 4. Catalizador sólido según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el titanio está incluido en una cantidad de hasta el 10% en peso, preferentemente entre el 1 y el 5% en peso, con respecto al peso total del sólido.25 5. Catalizador sólido según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que por lo menos el 10%, preferentemente entre el 15 y el 40% de los átomos de Ti de superficie presenta una densidad de carga electrónica superior.
- 6. Procedimiento para la preparación de un catalizador sólido para la (co)polimerización de α-olefinas según 30 cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 5, que comprende las siguientes etapas:(i) preparar una mezcla de por lo menos un cloruro de magnesio, un compuesto de titanio, un compuesto de un metal M tal como se definió anteriormente y un ácido carboxílico R-COOH, en el que R es un grupo orgánico que presenta entre 2 y 30, preferentemente entre 5 y 15 átomos de carbono, en cantidades tales como para35 respetar las siguientes razones molares o atómicas:M/Ti = 0,2-5,0; Mg/Ti = 3,0-20,0; R-COOH/(Mg + M) = 1,5-8en un medio líquido de hidrocarburo, en el que por lo menos uno de dichos compuestos metálicos, 40 preferentemente por lo menos cloruro de magnesio, es sustancialmente insoluble como tal;(ii) mantener la mezcla preparada en la etapa (i) a una temperatura comprendida entre 50 y 200ºC, preferentemente entre 60 y 130ºC durante por lo menos un minuto, preferentemente durante un tiempo de 0,5 a 4 horas, en un recipiente cerrado, y filtrar el posible residuo no disuelto para obtener una disolución;45(iii) añadir a la disolución obtenida en la etapa (ii), enfriada hasta una temperatura comprendida entre 20 y 40ºC, un cloruro de alquil-aluminio que presenta la siguiente fórmula general (I)AlR’nCl(3-n) (I)50 en la que R’ es un radical alquilo lineal o ramificado, que contiene entre 1 y 20 átomos de carbono y “n” es un número decimal con valores comprendidos entre 0,5 y 2,5, preferentemente entre 0,9 y 2,1;por lo menos en una cantidad que es suficiente para precipitar, en forma de compuesto sólido, el 70%, 55 preferentemente el 80%, de los metales Mg, M y Ti presentes en la disolución de dicha etapa (ii) para obtener una suspensión;(iv) calentar la suspensión obtenida en la etapa (iii) hasta una temperatura comprendida entre 50 y 130ºC, preferentemente entre 70 y 110ºC, durante un tiempo de 5 a 180 minutos, preferentemente de 40 a 15060 minutos, para completar la precipitación del sólido, y separar el compuesto sólido precipitado del líquido de reacción, para obtener un precursor sólido de dicho catalizador;(v) tratar dicho precursor sólido con una cantidad adicional de cloruro de alquil-aluminio que presenta la fórmula(I), igual o diferente al añadido en dicha etapa (iii), con una razón Al/Ti entre 5 y 150, a una temperatura 65 comprendida entre -10 y 50ºC, y separar el catalizador obtenido de este modo del líquido de reacción.27 E1078426424-10-2014
- 7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado por que, en dicha etapa (iii) la temperatura de la mezcla de reacción no es superior a 45ºC y la diferencia entre la temperatura máxima y la temperatura mínima de la mezcla durante la reacción es igual o inferior a 15ºC.5 8. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores 6 o 7, en el que, en la etapa (iii) el cloruro de alquilaluminio que presenta la fórmula (I) se añade en cantidades molares iguales o superiores a dos veces, preferentemente entre 3 y 5 veces, la cantidad en moles de ácido carboxílico RCOOH introducido en la etapa (i).
-
- 9.
- Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores 6 a 8, en el que, en la etapa (i) los reactivos se 10 introducen en las siguientes razones atómicas entre los elementos:
M/Ti = 0,5-4,0; Mg/Ti = 5,0-16,0; R-COOH/(Mg + M) = 2,0-4,5. -
- 10.
- Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores 6 a 9, en el que dicha etapa (ii) se lleva a cabo sin 15 pérdida significativa de material hacia el exterior.
- 11. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores 6 a 10, en el que, en la etapa (iv), la suspensión se calienta hasta una temperatura comprendida entre 70 y 110ºC durante un tiempo de 40 a 150 minutos.20 12. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores 6 a 11, en el que, al final de la etapa (iv), el precursor sólido se somete a lavados con un disolvente de hidrocarburo hasta que se alcanza un nivel de aluminio inferior a 1,5 mM/l en las aguas madre.
- 13. Precursor de catalizador sólido según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 5, que consiste, para por25 lo menos el 80% en peso, preferentemente entre el 90 y el 100% en peso de titanio, magnesio, aluminio, cloro y por lo menos un metal M seleccionado de entre hafnio y zirconio, preferentemente hafnio, en las siguientes razones molares:M/Ti = 0,2-5,0; Mg/Ti = 3,0-15,0; Al/Ti = 0,1-3,0; Cl/Ti = 18,0-60,0,30 caracterizado por que por lo menos el 60%, preferentemente por lo menos el 80%, del titanio está en el estado de oxidación +3 y presenta un tamaño de partícula con una distribución gaussiana estrecha que presenta un punto máximo de entre 2 y 15 µm, y dimensiones de los gránulos que son tales que el 80% en peso de los mismos está entre 1y 30 µm.35
- 14. Sistema catalítico para la (co)polimerización de α-olefinas que comprende, en contacto unos con otros, un cocatalizador que consiste en un hidruro o un compuesto organometálico de un metal de entre los grupos 1, 2 o 13 de la tabla periódica de elementos, y un catalizador sólido según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 5.40 15. Sistema catalítico según la reivindicación 14, en el que dicho cocatalizador se selecciona de entre trialquilaluminios que contienen entre 1 y 10, preferentemente entre 2 y 6 átomos de carbono en cada radical alquilo.
- 16. Sistema catalítico según la reivindicación 14, en el que dicho cocatalizador consiste en un aluminoxano,particularmente un metilaluminoxano polimérico. 45
- 17. Sistema catalítico según una de las reivindicaciones anteriores 15 y 16, en el que la razón atómica entre aluminio (en el cocatalizador) y titanio (en los catalizadores sólidos) está comprendida entre 5:1 y 1000:1, preferentemente entre 20:1 y 500:1.50 18. Procedimiento para la (co)polimerización de α-olefinas, que comprende la polimerización de por lo menos una αolefina, tanto en modo continuo como discontinuo, en una o más etapas, a baja presión (0,1-1,0 MPa), media presión (1,0-10 MPa) o alta presión (10-150 MPa) y temperaturas comprendidas entre 20 y 300ºC, posiblemente en presencia de un diluyente inerte, en presencia de un sistema catalítico adecuado, caracterizado por que este último es un sistema catalítico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 14 a 17.55
-
- 19.
- Procedimiento de (co)polimerización según la reivindicación 18, en el que por lo menos una α-olefina es etileno.
-
- 20.
- Procedimiento de (co)polimerización según la reivindicación 18, caracterizado por que se realiza en una
disolución de un disolvente inerte, a temperaturas comprendidas entre 130 y 300ºC y a presiones comprendidas 60 entre 1 y 25 MPa.28
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