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        茂金屬/MAO催化1-癸烯齊聚制聚α-烯烴

        2017-06-27 08:13:11譚朝陽(yáng)蘇亞?wèn)|趙益霏曹晨剛陳延輝
        石油化工 2017年6期
        關(guān)鍵詞:聚物齊聚基礎(chǔ)油

        譚朝陽(yáng),蘇亞?wèn)|,趙益霏,曹晨剛,姜 濤,陳延輝

        (1.河北工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院,天津 300130;2.天津科技大學(xué) 化工與材料學(xué)院,天津 300457)

        茂金屬/MAO催化1-癸烯齊聚制聚α-烯烴

        譚朝陽(yáng)1,蘇亞?wèn)|1,趙益霏2,曹晨剛2,姜 濤2,陳延輝2

        (1.河北工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院,天津 300130;2.天津科技大學(xué) 化工與材料學(xué)院,天津 300457)

        采用rac-Et(Ind)2ZrCl2/MAO(MAO:甲基鋁氧烷)體系催化1-癸烯齊聚制備潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油,考察了反應(yīng)溫度、n(Al)∶n(Zr)、催化劑用量等對(duì)催化劑活性和產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)黏度的影響,利用GC,13C NMR等方法對(duì)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,并測(cè)定了產(chǎn)物的傾點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)黏度等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)1-癸烯用量為40 mL、催化劑用量為10 μmol、n(Al)∶n(Zr)= 300、反應(yīng)溫度為60 ℃、反應(yīng)時(shí)間為2 h時(shí),催化劑活性為1 150 kg/(mol·h),產(chǎn)物的綜合性能較好,100 ℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度為65.1 mm2/s、重均相對(duì)分子質(zhì)量為3 781、傾點(diǎn)為-52 ℃,是一種具有高黏度、高黏度指數(shù),高低溫性能較好的聚α-烯烴合成油。

        聚α-烯烴;茂金屬催化劑;1-癸烯;齊聚

        聚α-烯烴(PAO)具有黏度指數(shù)高、閃點(diǎn)高、傾點(diǎn)低、氧化安定性好以及揮發(fā)度低等特點(diǎn),因此成為合成基礎(chǔ)油市場(chǎng)需求增長(zhǎng)最快的品種之一[1-2]。PAO通常是以α-烯烴為原料,經(jīng)聚合、催化劑分離、加氫和餾分切割制得。工業(yè)上主要采用石蠟裂解法和乙烯齊聚法生產(chǎn),前者因?yàn)楫a(chǎn)物性能較差將逐漸被淘汰,采用乙烯齊聚法制備PAO成為今后的發(fā)展方向[3-4]。其中,齊聚催化劑是決定PAO性能的關(guān)鍵因素,常見(jiàn)催化劑主要包括AlCl3、BF3、 Cr系催化劑、Ziegler-Natta催化劑以及茂金屬催化劑等。原料α-烯烴也是決定PAO性能的主要因素。1-癸烯齊聚物具有黏度高、黏度指數(shù)高、傾點(diǎn)低、使用溫度范圍寬、熱穩(wěn)定性好、腐蝕性好等特點(diǎn),從而成為研究的熱點(diǎn)[5-7]。

        AlCl3和BF3是合成潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油廣泛使用的催化劑[8-10],但它們與產(chǎn)物分離困難,在工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生大量廢水,嚴(yán)重污染環(huán)境,并且能引起肺部炎癥,危害人體健康;Cr系催化劑一般是Cr(Ⅱ)的有機(jī)化合物,它對(duì)人體毒性大,且嚴(yán)重污染環(huán)境。近年來(lái),逐漸采用性能優(yōu)良的Ziegler-Natta催化劑、茂金屬催化劑來(lái)催化1-癸烯齊聚[11-12]。研究中使用的茂金屬催化劑體系各具特色,所制PAO的性能各異[13-17]。

        本工作采用rac-Et(Ind)2ZrCl2/MAO(MAO:甲基鋁氧烷)體系催化1-癸烯齊聚制備潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油,研究了反應(yīng)溫度、n(Al)∶n(Zr)、催化劑用量等對(duì)1-癸烯齊聚的影響,并對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征及性能測(cè)試。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 主要原料

        甲苯:分析純,天津江天化工有限公司,使用前經(jīng)金屬鈉回流24 h;1-癸烯:聚合級(jí),Aldrich公司,使用前減壓蒸餾提純;MAO:質(zhì)量濃度為100 g/L的甲苯溶液,Albemarle公司;rac-Et(Ind)2ZrCl2:分析純,BSC公司。

        1.2 1-癸烯齊聚

        將200 mL的高壓玻璃反應(yīng)器用高純氮?dú)庵脫Q3次,加入溶劑、催化劑和1-癸烯。在預(yù)定溫度反應(yīng)一定時(shí)間,加入鹽酸乙醇溶液終止反應(yīng),減壓蒸餾除去未反應(yīng)的單體,繼續(xù)升溫至160 ℃,減壓蒸餾出齊聚物,稱重,加氫。根據(jù)單體消耗量及齊聚物產(chǎn)量計(jì)算催化劑活性。

        1.3 表征方法

        采用布魯克公司的Bruke 400 MHz型核磁共振儀進(jìn)行13C NMR測(cè)試,氘代苯作溶劑,三甲基氯硅烷作參比;采用安捷倫公司的Agilent-6890型氣相色譜儀進(jìn)行GC表征,柱長(zhǎng)30 m、內(nèi)徑0.20 mm,柱溫300 ℃。運(yùn)動(dòng)黏度根據(jù)GB/T 265—1988[18]測(cè)定。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 溫度對(duì)1-癸烯齊聚的影響

        溫度對(duì)1-癸烯齊聚的影響見(jiàn)表1。由表1可知,在60 ℃時(shí)催化劑活性最高,之后隨溫度的升高而降低。這可能是由于單體是液體,升高溫度有利于單體的擴(kuò)散,且溫度升高可使鏈轉(zhuǎn)移速率加快。升高溫度雖然有利于1-癸烯齊聚,然而溫度過(guò)高,催化劑活性中心易失活。因此,在催化劑受熱穩(wěn)定的前提下,可以適當(dāng)提高溫度以利于1-癸烯齊聚。由表1還可知,產(chǎn)物100 ℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度隨反應(yīng)溫度的升高先增加后減小,60 ℃時(shí)達(dá)到最高,為65.1 mm2/ s。溫度升高,聚合物的鏈轉(zhuǎn)移速率加快,有利于低聚物的形成,因此溫度高于60 ℃后黏度有所下降。

        表1 溫度對(duì)1-癸烯齊聚的影響Table 1 Effects of temperature on 1-decene oligomerization

        2.2 n(Al)∶n(Zr)對(duì)1-癸烯齊聚的影響

        MAO用量(即n(Al)∶n(Zr))對(duì)1-癸烯齊聚的影響見(jiàn)表2。由表2 可知,隨著n(Al)∶n(Zr)的增加,產(chǎn)物100 ℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度呈先上升后下降的趨勢(shì)。n(Al)∶n(Zr)為200時(shí)運(yùn)動(dòng)黏度最高,但當(dāng)n(Al)∶n(Zr)從200增至500,運(yùn)動(dòng)黏度從71.1 mm2/s降至42.3 mm2/s。這是因?yàn)镸AO用量增加,加快了聚合物鏈向MAO轉(zhuǎn)移的速率,使低相對(duì)分子質(zhì)量產(chǎn)物增加,導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)黏度下降。

        表2 n(Al)∶n(Zr)對(duì)1-癸烯齊聚的影響Table 2 Effects of n(Al)∶n(Zr) on 1-decene oligomerization

        2.3 催化劑用量對(duì)1-癸烯齊聚的影響

        催化劑用量對(duì)1-癸烯齊聚的影響見(jiàn)表3。

        表3 催化劑用量對(duì)1-癸烯齊聚的影響Table 3 Effects of Zr dosage on 1-decene oligomerization

        由表3 可知,齊聚物收率隨催化劑用量的增加迅速增加,達(dá)到一定量后基本維持不變。催化劑活性的變化規(guī)律與其類似,但后期有降低的趨勢(shì)。究其原因,可能是由于催化劑用量增多,形成的活性中心增加,引發(fā)烯烴聚合生成的產(chǎn)物增加,而當(dāng)催化劑用量增大到一定程度后,體系內(nèi)的單體數(shù)量有限,反應(yīng)后期單體濃度降低,聚合反應(yīng)速率下降;而且隨著產(chǎn)物增多,體系黏度增大,單體和催化劑分子的運(yùn)動(dòng)受到限制,也降低了聚合反應(yīng)速率,因此產(chǎn)物收率不再繼續(xù)增加。催化劑用量過(guò)大時(shí),產(chǎn)物的運(yùn)動(dòng)黏度呈下降趨勢(shì),這是因?yàn)榇呋瘎┯昧吭黾邮贵w系內(nèi)活性中心的數(shù)量增加,更傾向于形成聚合度較低的分子鏈,因此產(chǎn)物黏度下降。

        圖1 1-癸烯齊聚物的13C NMR譜圖Fig.113C NMR spectrum of 1-decene oligomers.

        2.4 1-癸烯齊聚物的結(jié)構(gòu)表征與性能測(cè)試

        產(chǎn)物的13C NMR譜圖及其解析見(jiàn)圖1和表4。從圖1和表4可看出,各碳原子的 分析值與計(jì)算值相符合[19]。13C NMR和GC 分析結(jié)果表明,所得齊聚物主要是由二聚體、三聚體、四聚體組成。1-癸烯齊聚時(shí)存在鍵接異構(gòu),主要是1,2插入生成的頭-尾鍵接結(jié)構(gòu),也存在2,1插入生成的頭-頭、尾-尾鍵接異構(gòu)。

        表4 1-癸烯齊聚物支化點(diǎn)碳原子的13C NMR歸屬Table 4 Assignment of tri-C of 1-decene oligomer

        經(jīng)測(cè)試,1-癸烯齊聚物的重均相對(duì)分子質(zhì)量為3 781,分散系數(shù)為7.22,傾點(diǎn)為-52 ℃,閃點(diǎn)為257 ℃,100 ℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度為65.1 mm2/s。

        3 結(jié)論

        1)采用rac-Et(Ind)2ZrCl2/MAO體系催化1-癸烯齊聚制備了潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油,考查了反應(yīng)條件對(duì)齊聚的影響。當(dāng)癸烯用量為40 mL、催化劑用量為10 μmol、n(Al)∶n(Zr)= 300、反應(yīng)溫度60 ℃、反應(yīng)時(shí)間2 h時(shí),產(chǎn)物的綜合性能較好,齊聚物收率達(dá)到81.4%、催化劑活性為1 150 kg/(mol·h)。

        2)所制1-癸烯齊聚物主要是由二聚體、三聚體、四聚體組成。1-癸烯齊聚時(shí)存在鍵接異構(gòu)。

        3)所制1-癸烯齊聚物在100 ℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度為65.1 mm2/s,重均相對(duì)分子質(zhì)量為3 781,傾點(diǎn)為-52 ℃,是一種具有較高黏度且高低溫性能較好的PAO合成油。

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        (編輯 王 萍)

        Synthesis of polyalphaolefin by 1-decene oligomerization via metallocene/MAO

        Tan Zhaoyang1,Su Yadong1,Zhao Yifei2,Cao Chengang2,Jiang Tao2,Chen Yanhui2
        (1. School of Chemical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;2. College of Chemical Engineering and Material Science,Tianjin University of Science & Technology,Tianjin 300457,China)

        1-Decene oligomerization for preparing lubricating base oil using rac-Et(Ind)2ZrCl2/ methylaluminoxane was studied. The effects of reaction temperature,Al/Zr mole ratio,catalyst dosage on catalytic activity and kinematic viscosity were also be investigated. The products were characterized by GC,13C NMR and pour point determination. When 1-decene dosage of 40 mL,toluene dosage of 10 mL,rac-Et(Ind)2ZrCl2dosage of 10 μmol,Al/Zr mole ratio of 300,reaction temperature of 60 ℃and reaction time of 2 h,catalytic activity was 1 150 kg/(mol·h) and the performance of the product was excellent,such as 65.1 mm2/s of kinematic viscosity at 100 ℃,3 781 of weight-average relative molecular mass and -52 ℃ of pour point.

        polyalphaolefin;metallocene catalyst;1-decene;oligomerization

        1000-8144(2017)06-0759-04

        TQ 325.1

        A

        10.3969/j.issn.1000-8144.2017.06.017

        2016-12-27;[修改稿日期]2017-04-09。

        譚朝陽(yáng)(1977—),女,河北省保定市人,博士,副教授。聯(lián)系人:曹晨剛,電話 022-60602778,電郵 chengangcao@tust. edu.cn。

        天津市高校優(yōu)秀青年教師資助項(xiàng)目;國(guó)家自然基金資助項(xiàng)目(51203115);天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃(14JCYBJC20800)。

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