安江濤,李 健,姜 濤
(天津科技大學(xué)化工與材料學(xué)院,天津 300457)
乳化法一步制備球形Ziegler-Natta催化劑及其催化丙烯聚合
安江濤,李 健,姜 濤
(天津科技大學(xué)化工與材料學(xué)院,天津 300457)
采用乳化法一步制備了球形Ziegler-Natta催化劑,通過SEM、XRD、FTIR和激光粒度分布儀對(duì)其進(jìn)行了分析和表征,研究了其催化丙烯聚合的性能.研究結(jié)果表明:得到的催化劑球形度好、粒度分布集中、粒徑大小可調(diào);鄰苯二甲酰氯和異辛醇反應(yīng)原位生成了內(nèi)給電子體鄰苯二甲酸二異辛酯;得到的催化劑催化丙烯聚合的產(chǎn)物顆粒球形度好、細(xì)粉少、等規(guī)度高;聚合反應(yīng)溫度、聚合反應(yīng)壓力、n(Al)∶n(Ti)、外給電子體CHMDMS的用量對(duì)丙烯聚合活性以及聚丙烯產(chǎn)物的物性有著重要的影響.
Ziegler-Natta催化劑;乳化法;丙烯聚合
聚丙烯作為五大通用合成樹脂之一,是近年來發(fā)展最快的一種聚烯烴樹脂.在聚丙烯生產(chǎn)技術(shù)中,催化劑起著舉足輕重的作用.Ziegler-Natta催化劑因其高活性、高立構(gòu)規(guī)整性、長(zhǎng)壽命和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好等特點(diǎn),占據(jù)了絕對(duì)主流的地位,其中超過90%的聚丙烯是采用Ziegler-Natta催化劑生產(chǎn)的[1-2].
目前,丙烯聚合Ziegler-Natta催化劑的制備常用的方法有兩種:一種是從氯化鎂出發(fā),先將其在特定體系中溶解,然后降溫至-25,℃以下,向上述混合溶液中滴加TiCl4,緩慢升高體系的溫度使之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而破壞溶解體系,進(jìn)而析出催化劑粒子.在升溫過程中加入給電子體達(dá)到調(diào)整催化劑立體定向能力的目的.由于活性組分TiCl4是在載體形成的過程中同步負(fù)載于其上,因此也可稱為“一步法”[3].這種工藝的特點(diǎn)是無(wú)需預(yù)制載體、反應(yīng)步驟少、工藝簡(jiǎn)單,但得到的催化劑粒子表面粗糙、粒徑一般小于20,μm.另一種與之對(duì)應(yīng)的則可稱為“兩步法”[4],該方法首先制備球形MgCl2載體,然后在低溫下負(fù)載TiCl4并加入給電子體等,反應(yīng)得到最終催化劑.該類催化劑的優(yōu)點(diǎn)是預(yù)制載體形態(tài)可控、球形度好,因此得到的催化劑表面光滑、顆粒形態(tài)好,催化劑粒徑可達(dá)50,μm以上.缺點(diǎn)是催化劑制備工藝復(fù)雜、反應(yīng)步驟多.同時(shí),無(wú)論是現(xiàn)有的“一步法”還是“兩步法”,都存在著載鈦溫度低(-20,℃以下)、需外加給電子體、制備過程需用大量的TiCl4等缺點(diǎn).
本研究在“一步法”催化劑制備過程中加入復(fù)配的兩種工業(yè)級(jí)油品降凝劑,作為表面活性劑構(gòu)造液液兩相體系,希望在保留“一步法”工藝簡(jiǎn)單優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),獲得粒徑均一、形貌規(guī)整的球形催化劑顆粒(簡(jiǎn)稱EC催化劑),同時(shí)降低生產(chǎn)成本.此方法可以提高載鈦反應(yīng)溫度、降低四氯化鈦用量并原位生成給電子體,從而達(dá)到簡(jiǎn)化催化劑制備工藝、實(shí)現(xiàn)球形Ziegler-Natta催化劑綠色合成的目的.
1.1 試劑與原料
四氯化鈦,分析純,天津市福晨化學(xué)試劑廠;聚甲基丙烯酸酯、T803,降凝劑,工業(yè)品,天津市化學(xué)試劑三廠;甲苯、正己烷,分析純,天津試劑一廠,使用前經(jīng)金屬鈉回流處理;正癸烷、異辛醇,分析純,天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所,分子篩干燥;鄰苯二甲酰氯(質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%)、二正丁基鎂(1,mol/L庚烷溶液)、三乙基鋁(2,mol/L己烷溶液)、環(huán)己基甲基二甲氧基硅烷(CHMDMS,分析純,分子篩干燥),美國(guó)Aldrich試劑公司;丙烯,聚合級(jí),中國(guó)石油大港石化公司;氯化鎂,工業(yè)級(jí),德國(guó)SERVA公司.
1.2 催化劑的制備
EC催化劑的制備參照文獻(xiàn)[5]的方法進(jìn)行,載鈦反應(yīng)后,將復(fù)配的聚甲基丙烯酸酯/T803B加入體系,代替文獻(xiàn)中所用的乳化劑.
1.3 丙烯聚合
在1,L聚合釜中,經(jīng)高純氮?dú)庵脫Q后,向釜內(nèi)依次加入50,mL己烷、2.0,mL三乙基鋁(AlEt3)的己烷溶液(AlEt3濃度為0.5,mol/L)、0.2,mL環(huán)己基甲基二甲氧基硅烷己烷溶液(CHMDMS濃度為0.1,mol/L)和20,mg催化劑.關(guān)閉聚合釜,開動(dòng)攪拌,升溫至65,℃時(shí),通入氫氣使其分壓達(dá)到一定值,然后通入丙烯,反應(yīng)1,h后開始降溫,卸壓出料.向產(chǎn)物中加5,mL酸化乙醇,終止聚合鏈末端反應(yīng)[6].產(chǎn)物用水洗2次,乙醇洗2次,60,℃真空干燥至質(zhì)量恒定.
1.4 分析測(cè)試與表征
采用分光光度法測(cè)定催化劑中鈦含量,采用EDTA絡(luò)合滴定法測(cè)定催化劑的鎂含量,采用AgNO3滴定法測(cè)定催化劑的氯含量[7];采用英國(guó)馬爾文公司生產(chǎn)的MAS-TERSIZE2000型粒度分布儀對(duì)催化劑粒徑及粒度分布進(jìn)行分析,正己烷為分散劑,測(cè)量范圍0.02~2,000.00,μm.
試樣經(jīng)表面噴金處理后,采用日本電子公司生產(chǎn)的JSM,6380,LV型場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)催化劑形貌進(jìn)行觀察;采用日本理學(xué)公司生產(chǎn)的Rigaku D/max VB2+/PC型粉末衍射儀對(duì)催化劑進(jìn)行晶型分析;采用沸騰正庚烷抽提法測(cè)定聚合物的等規(guī)度.
2.1 制備原理
EC催化劑的制備原理如圖1所示.二丁基鎂和異辛醇反應(yīng)生成異辛醇鎂,之后與加入的鄰苯二甲酰氯繼續(xù)反應(yīng)生成MgCl2和鄰苯二甲酸二異辛酯(作為內(nèi)給電子體存在復(fù)合物溶液中),進(jìn)而鎂的復(fù)合物溶液與TiCl4和甲苯溶液在一定溫度下接觸,形成兩相,加入復(fù)配表面活性劑后,程序升溫到指定溫度,進(jìn)行載鈦反應(yīng).反應(yīng)完成后經(jīng)過過濾、洗滌、干燥后,得到具有良好流動(dòng)性的黃色顆粒狀催化劑.
圖1 EC催化劑制備過程中的主要反應(yīng)Fig. 1 Main reactions of the catalyst preparation
2.2 分析表征結(jié)果
2.2.1 XRD表征
EC催化劑的XRD譜圖如圖2所示.無(wú)水氯化鎂晶體在16.3°、28°~37°、50.5°處顯示出尖銳峰型,表明其結(jié)晶程度較高,此結(jié)構(gòu)不利于活性組分四氯化鈦的負(fù)載.催化劑中MgCl2載體在16.3°處的極強(qiáng)峰消失;在28°~37°發(fā)生部分破碎,形成寬泛的低矮峰,兩峰合二為一,兩峰交界處變得模糊;并且在50.4°處中強(qiáng)峰減弱,表明MgCl2晶面得到破壞.TiCl4進(jìn)入MgCl2的氯層結(jié)構(gòu)中間,加速M(fèi)gCl2晶體的破碎,使得催化劑的晶體結(jié)構(gòu)更加無(wú)序,晶體粒子更加細(xì)小,正是這種無(wú)序的結(jié)構(gòu)使鈦活性組分在載體MgCl2上得到了負(fù)載.
圖2 EC催化劑的XRD譜圖Fig. 2 XRD spectra of the catalysts
2.2.2 FTIR表征
EC催化劑的紅外光譜譜圖如圖3所示.由圖3可知:通過對(duì)比參考譜圖[8-11]可以看到在1,684,cm-1處出現(xiàn)歸屬于C=O鍵的振動(dòng)吸收峰.同時(shí)在1,308,cm-1和1,156,cm-1處的振動(dòng)峰歸屬于C—O—C鍵,在1,082,cm-1和934,cm-1處的振動(dòng)峰歸屬于O—C=O鍵.紅外光譜所證明的酯類物質(zhì)應(yīng)該是在催化劑制備過程中原位生成的給電子體鄰苯二甲酸二異辛酯[11-12].
圖3 EC催化劑FTIR光譜圖Fig. 3 FTIR spectrum of the catalysts
2.2.3 催化劑元素及形貌表征
EC催化劑的元素含量及粒徑分布見表1.在催化劑中,Cl元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為53.14%,Cl元素來自載體MgCl2以及活性組分TiCl4.以Mg元素為基準(zhǔn),假定載體組成為n(Cl)∶n(Mg)=2∶1,則來自載體的Cl元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)占43.96%.其余Cl元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(9.18%)可認(rèn)定為來自TiCl4.按相應(yīng)比例計(jì)算可得到Ti元素含量,催化劑活性組分TiCl4提供的Ti元素占質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.10%,烷氧基鈦中的Ti占質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.70%;計(jì)算結(jié)果可說明,催化劑中烷氧基鈦的含量很低,有利于降低聚合產(chǎn)物中的細(xì)粉含量.催化劑D50為16.80,μm,粒度分布跨度(SPAN)為1.83,這說明EC催化劑粒度分布集中,小顆粒較少,這在聚合過程中有利于防止細(xì)粉的產(chǎn)生.
表1 EC催化劑元素含量及粒徑分布Tab. 1 Element contents and particle size distribution of EC catalysts
EC催化劑的SEM圖片如圖4所示.由圖4可知:EC催化劑顆粒為球形,形貌規(guī)則,顆粒大小均勻,催化劑破碎少.
圖4 EC催化劑的SEM圖片F(xiàn)ig. 4 SEM photograph of the catalysts
2.3 催化丙烯聚合的性能
2.3.1 聚合反應(yīng)壓力
在催化劑質(zhì)量濃度0.4,mg/mL(己烷分散,下同)、n(Al)∶n(Ti)=250、n(CHMDMS)∶n(Ti)= 25、反應(yīng)溫度65,℃、反應(yīng)時(shí)間1,h條件下,探討反應(yīng)壓力對(duì)催化劑活性(用單位時(shí)間內(nèi)、單位質(zhì)量催化劑對(duì)應(yīng)的聚丙烯質(zhì)量表示,下同)和聚丙烯等規(guī)度的影響,結(jié)果如圖5所示.
圖5 反應(yīng)壓力對(duì)催化劑活性和聚丙烯等規(guī)度的影響Fig. 5Effects of propylene pressure on the catalystic activity and isotacticity of PP
催化劑活性隨反應(yīng)壓力升高而增加,原因是隨反應(yīng)壓力增加,體系中溶解的單體增加,引起聚合物鏈增長(zhǎng)速率增加,同時(shí)單體與活性中心的碰撞速率增大,表現(xiàn)為催化劑活性隨壓力升高而增加.而聚丙烯等規(guī)度在此實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)均維持了較高水平,在92%~95%左右,隨反應(yīng)壓力的升高而略有下降.綜合考慮等規(guī)度與催化活性兩個(gè)指標(biāo),選擇0.7,MPa作為最適反應(yīng)壓力.
2.3.2 聚合反應(yīng)溫度
在催化劑質(zhì)量濃度0.4,mg/mL、n(Al)∶n(Ti)= 250、n(CHMDMS)∶n(Ti)=25、反應(yīng)壓力0.7,MPa、反應(yīng)時(shí)間1,h條件下,探討反應(yīng)溫度對(duì)催化劑活性和聚丙烯等規(guī)度的影響,結(jié)果如圖6所示.催化劑活性隨反應(yīng)溫度的升高呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì).這是因?yàn)榇呋瘎┗钚灾行牡逆溤鲩L(zhǎng)速率常數(shù)是溫度的函數(shù),聚合反應(yīng)溫度的升高,催化劑活性中心的鏈增長(zhǎng)速率增大,而且三乙基鋁的烷基化能力和將Ti4+還原成Ti3+的能力增強(qiáng),使更多的活性組分被活化,從而提高了丙烯聚合活性;而當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時(shí),單體丙烯在正己烷中的溶解能力下降,部分催化劑活性中心高溫失活,使得聚合活性下降.
圖6 反應(yīng)溫度對(duì)催化劑活性和聚丙烯等規(guī)度的影響Fig. 6 Effects of reaction temperature on the catalystic activity and isotacticity of PP
但是,通常在烯烴聚合評(píng)價(jià)反應(yīng)以及工業(yè)化生產(chǎn)中,所控制的反應(yīng)溫度一般較高,很多都在60~80,℃之間[13-14],這主要基于以下幾方面的考慮:(1)聚丙烯等規(guī)度隨溫度升高呈顯著增大趨勢(shì).一般認(rèn)為催化劑中存在等規(guī)和無(wú)規(guī)兩種活性中心,前者主要產(chǎn)生等規(guī)聚丙烯,后者主要產(chǎn)生無(wú)規(guī)聚丙烯.溫度通過影響這兩種活性中心的數(shù)目及其鏈增長(zhǎng)速率來影響產(chǎn)物的等規(guī)度.溫度升高,等規(guī)活性中心的數(shù)目以及鏈增長(zhǎng)常數(shù)增大的速率比無(wú)規(guī)活性中心的大,產(chǎn)物中等規(guī)物含量增加,表現(xiàn)為聚丙烯等規(guī)度隨溫度升高而增加.為了獲得高等規(guī)度的優(yōu)質(zhì)聚丙烯產(chǎn)品,通常選擇較高聚合溫度.(2)由于丙烯聚合是典型的放熱反應(yīng),其放出的熱量可以用于加速自身反應(yīng),因此在工業(yè)化生產(chǎn)中難于控制且存在較大風(fēng)險(xiǎn).如果聚合溫度過低,就必須及時(shí)移除反應(yīng)熱.這樣不僅會(huì)造成溫度波動(dòng)大、反應(yīng)器狀態(tài)不穩(wěn)定、不易控制,同時(shí)也會(huì)提高對(duì)設(shè)備的要求,增大投資和能量輸入,因此工業(yè)生產(chǎn)中一般會(huì)選擇較高的聚合溫度.因此在評(píng)價(jià)本催化劑時(shí),選擇65,℃作為最適反應(yīng)溫度.
2.3.3 n(Al)∶n(Ti)
在催化劑質(zhì)量濃度0.4,mg/mL、n(CHMDMS)∶n(Ti)=25、反應(yīng)溫度65,℃、反應(yīng)壓力0.7,MPa、反應(yīng)時(shí)間1,h條件下,探討n(Al)∶n(Ti)對(duì)催化劑活性和聚丙烯等規(guī)度的影響,結(jié)果如圖7所示.最優(yōu)n(Al)∶n(Ti)比為250.隨著n(Al)∶n(Ti)的升高,聚合活性呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),n(Al)∶n(Ti)為800時(shí)達(dá)到最大值.當(dāng)n(Al)∶n(Ti)在250~800時(shí),隨n(Al)∶n(Ti)增大,除體系內(nèi)的雜質(zhì)消耗了部分三乙基鋁外,聚合反應(yīng)體系內(nèi)可參與烷基化的三乙基鋁的量增大,導(dǎo)致烷基化生成的活性中心數(shù)量增加,從而使丙烯聚合活性增大.n(Al)∶n(Ti)在800~1,000時(shí),丙烯聚合活性隨n(Al)∶n(Ti)升高而減小,原因有兩方面:(1)對(duì)于活性中心,三乙基鋁和單體丙烯存在著吸附競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,聚合體系中過量的三乙基鋁不利于丙烯的吸附;(2)催化劑的活性中心可能因?yàn)檫^量的烷基鋁而過度還原后失活.
圖7 n(Al)∶n(Ti)對(duì)催化劑活性和聚丙烯等規(guī)度的影響Fig. 7Effects of Al/Ti molar ratio on the catalystic activity and isotacticity of PP
聚丙烯等規(guī)度隨三乙基鋁n(Al)∶n(Ti)升高呈現(xiàn)減小的趨勢(shì).這主要是因?yàn)樵诰酆象w系中,外給電子體優(yōu)先與三乙基鋁絡(luò)合,隨n(Al)∶n(Ti)的不斷升高,體系中三乙基鋁的濃度增大,游離的三乙基鋁與外給電子體的絡(luò)合作用會(huì)降低外給電子體濃度,導(dǎo)致更多的外給電子體與三乙基鋁絡(luò)合而被移走[15],造成催化劑的定向能力降低,聚合產(chǎn)物的等規(guī)度隨聚合反應(yīng)溫度升高而下降.
2.3.4 n(CHMDMS)∶n(Ti)
在催化劑質(zhì)量濃度0.4,mg/mL、n(Al)∶n(Ti)= 250、反應(yīng)溫度65,℃、反應(yīng)壓力0.7,MPa、反應(yīng)時(shí)間1,h條件下,探討n(CHMDMS)∶n(Ti)對(duì)催化劑活性和聚丙烯等規(guī)度的影響,結(jié)果如圖8所示.最優(yōu)n(CHMDMS)∶n(Ti)比為25.催化劑活性隨n(CHMDMS)∶n(Ti)增加先升高后降低,在n(CHMDMS)∶n(Ti)為6時(shí)催化劑活性最高.有兩方面原因:(1)外給電子體在增加等規(guī)活性中心鏈增長(zhǎng)速率常數(shù)的同時(shí),毒化無(wú)規(guī)活性中心,降低部分活性中心的聚合活性;(2)外給電子體可以與助催化劑發(fā)生絡(luò)合作用,隨CHMDMS濃度增加,發(fā)生絡(luò)合的烷基鋁增加,導(dǎo)致可與鈦發(fā)生烷基化作用形成活性中心的烷基鋁濃度下降,引起活性中心數(shù)量下降,催化劑活性下降.
圖8 n(CHMDMS)∶n(Ti)對(duì)催化劑活性和聚丙烯等規(guī)度的影響Fig. 8 Effects of CHMDMS/Ti molar ratio on the catalystic activity and isotacticity of PP
聚丙烯等規(guī)度則隨n(CHMDMS)∶n(Ti)增加持續(xù)增加,這是因?yàn)橥饨o電子體在一定的濃度范圍內(nèi)可以提高等規(guī)活性中心的濃度以及反應(yīng)速率,同時(shí)降低了無(wú)規(guī)活性中心的數(shù)量,提高了等規(guī)聚丙烯的產(chǎn)量.
用一步乳化法制備的新型EC催化劑顆粒球形度良好,粒徑分布均一,催化聚合所得聚丙烯顆粒符合形態(tài)復(fù)制規(guī)律,球形度好,細(xì)粉少,等規(guī)度較高.EC催化劑用于丙烯聚合,催化活性受到壓力、溫度、n(Al)∶n(Ti)和CHMDMS用量的影響.實(shí)驗(yàn)摸索的最優(yōu)條件為反應(yīng)溫度65,℃、反應(yīng)壓力0.7,MPa、n(Al)∶n(Ti)=250、n(CHMDMS)∶n(Ti)=25.
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責(zé)任編輯:周建軍
Preparing Emulsion-based Spherical Ziegler-Natta Catalyst with One-step Method for Propylene Polymerization
AN Jiangtao,LI Jian,JIANG Tao
(College of Chemical Engineering and Materials Science,Tianjin University of Science & Technology,Tianjin 300457,China)
A novel spherical Ziegler-Natta catalyst for propylene polymerization was prepared via a two-phase emulsification technique of one-step method.The catalysts were characterized by scanning electron microscopy(SEM),X-ray diffraction(XRD)、FTIR and laser particle size analyzer.Results revealed that the spherical catalyst has a controllable diameter and narrow particle size distribution.FTIR studies proved the presence of di(ethylhexyl)phthalate(DEHP)which played the role of an internal donor.Propylene polymerization indicated that the pressure and temperature of reaction,Al/Ti molar ratio,and external donor(CHMDMS)have important effects on propylene polymerization as well as the property of products.
Ziegler-Natta catalyst;emulsion;propylene polymerization
TQ426
A
1672-6510(2016)05-0052-05
10.13364/j.issn.1672-6510.20150127
2015-09-18;
2016-02-24
安江濤(1988—),男,河北石家莊人,碩士研究生;通信作者:姜 濤,教授,jiangtao@tust.edu.cn.