KR101696491B1 - 알파-올레핀 중합체의 제조 방법 - Google Patents

알파-올레핀 중합체의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알파-올레핀 중합체의 입자를 함유하는 기계적 교반 층 기체상 반응기에 1종 이상의 알파-올레핀을 공급하고, 티타늄 화합물 및 마그네슘 화합물을 기재로 하는 촉매, 알루미늄-알킬 화합물 및 임의로는 유기실란 공여체의 존재 하에 알파-올레핀을 중합하는 것을 포함하며, 에톡시화 아민, 지방산 에스테르, 디에탄올 아미드, 에톡시화 알코올, 알킬술포네이트 및 알킬포스페이트의 군으로부터 선택된 1종 이상의 화합물이 100 ppm 미만의 양으로 중합 동안 존재하는, 알파-올레핀 중합체의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

알파-올레핀 중합체의 제조 방법{Process for the Production of an Alpha-Olefin Polymer}
본 발명은 활성 형태의 마그네슘 할로겐화물 상에 지지된 티타늄 화합물 및 알루미늄-알킬 화합물로부터 수득한 고도 활성 촉매의 존재 하의 기체상 (gas phase)에서의 (공)중합 단계를 하나 이상 포함하는,
R이 탄소 원자수 1 내지 10의 알킬 또는 아릴 라디칼인 화학식 CH2=CHR의 올레핀의 중합체 및 공중합체의 제조 방법에 관한 것이다.
소위 지글러-나타 촉매의 존재 하에 유동 또는 기계적 교반 층 반응기에서 기체상으로 수행하는 1종 이상의 올레핀의 중합 방법은 공지되어 있다.
이러한 유형의 방법에서, 반응 열은 반응기 내부에 또는 반응 기체의 재순환 라인에 위치하는 열 교환기에 의해 제거된다.
상기 유형의 중합 방법에서, 특히 유동 기체상 반응기에서의 상기 유형의 중합 방법에서 일반적으로 겪게 되는 문제는 이미 존재하는 미세한 촉매 입자로부터 생성되거나 촉매 자체의 파손 뿐만 아니라 중합체 입자의 마멸의 결과로부터 발생하는 매우 미세한 중합체 입자가 존재함으로써 야기된다. 이러한 소위 미립자는 기체 및 재순환 흐름과 함께 중합체 층 밖으로 나와 반응기의 벽 상에 또는 반응기에 연결된 팽창 대역, 반응기 돔(들) (reactor dome or domes) (수평 교반 기체상 반응기에 존재함), 배관, 응축기 및 열 교환기에 부착되는 경향이 있다.
이러한 미세한 입자는 반응기의 내부 벽, 팽창부, 돔 및 열 교환기에 부착되어, 단열 효과를 유발하고 열 전달을 낮추어 반응기에서 열점 (hot spot)이 형성되게 한다.
이러한 효과는 기체상 알파-올레핀 중합 방법을 활성 형태의 마그네슘 할로겐화물 상에 지지된 티타늄 화합물 (지글러-나타 촉매) 및 임의적인 유기실란 화합물과 알루미늄 알킬의 반응 생성물을 포함하는 것과 같은 고도 활성 촉매의 존재 하에 수행할 경우 증가한다.
일반적으로, 상기 문제는 정지 상태를 유발하는 기체의 높은 흐름, 촉매 및 중합체 분말로 인해 유동 기체상 반응기에서 주로 일어난다. 따라서, 유동 기체상 반응기에서의 이러한 문제의 해결 방안은 문헌에서 많은 주목을 받았다. 그러나, 이러한 문제는 수평으로 또는 수직으로 교반되는 기계적 교반 기체상 반응기에서 오염 (fouling)의 원인으로 인지되지 못하였다.
유럽 특허 제359444호에는 올레핀 중합 속도를 감소시키기 위하여 중합 금지제 또는 촉매를 피독할 수 있는 물질로부터 선택된 지연제를 소량 (일반적으로는 중합 혼합물에 대해 0.1 ppm 미만) 중합 반응기에 도입하는 것이 기재되어 있다. 그러나, 상기 특허 문헌에 기재되어 있는 바와 같이, 보다 많은 양의 지연제를 사용할 경우, 중합체의 용융 지수, 용융 흐름 속도 및/또는 입체규칙성과 같은 생성되는 중합체의 품질 및 특성이 모두 불리하게 영향을 받을 뿐만 아니라 공정의 효율성이 감소된다.
유럽 특허 제560035호에는 알킬 알루미늄 화합물과 반응할 수 있는 둘 이상의 기를 갖고, 850 ㎛ 미만의 입자 상으로의 중합을 금지할 수 있는 화합물을 사용하는 것에 대해 기재되어 있다. 상기 화합물은 100 ppm을 초과하는 양으로 사용된다. 사용되는 화합물은 일반적으로 촉매 독, 또는 적어도 금지제로 간주된다.
상기 방법은 촉매의 활성을 감소시킨다는 주요 단점이 있으며, 더욱 중요하게는 최종 프로필렌 중합체의 제품 특성에 영향을 준다.
본 발명의 목적은 제조되는 중합체의 중요 제품 특성에 실질적으로 영향을 주지 않으면서 기계적 교반 층 반응기, 보다 구체적으로는 기계적 수평 교반 층 반응기, 및 재순환 계의 오염 문제를 해결하는 방안을 제공하는 것이다. 보다 특히, 용융 흐름 속도 및 벌크 밀도가 너무 크게 영향을 받지 않아야 한다. 본 발명은 비교적 소량의 특정 화합물을 기체 중합 혼합물에 첨가하면 오염이 감소되는 반면, 동시에 다른 제품 특성이 변화하지 않고 유지되나, 예외적으로 응집이 감소되는 경향이 있다는 발견에 기초한 것이다.
따라서, 본 발명은 알파-올레핀 중합체의 입자를 함유하는 기계적 교반 층 기체상 반응기에 1종 이상의 알파-올레핀을 공급하고, 마그네슘 할로겐화물 상에 지지된 티타늄 화합물을 기재로 하는 촉매, 알루미늄-알킬 화합물 및 임의로는 유기실란 화합물 (종종 입체규칙화제 (stereoregulator) 또는 외부 공여체 (external donor)라 지칭됨)의 존재 하에 알파-올레핀을 중합하는 것을 포함하며, 에톡시화 아민, 지방산 에스테르, 디에탄올 아미드, 에톡시화 알코올, 알킬술포네이트 및 알킬포스페이트의 군으로부터 선택되는 100 ppm 미만의 양의 1종 이상의 화합물이 중합 동안 존재하는, 알파-올레핀 중합체의 제조 방법에 관한 것이다.
바람직하게는, 첨가되는 화합물은 에톡시화 아민, 바람직하게는 N-알킬-디에탄올아민이다. 화합물은 프로필렌 양을 기준으로 100 ppm 미만 (중량 기준)의 양으로 첨가한다. 바람직한 양은 5 내지 80 ppm이다. 특히, 보다 적은 양은 매우 효율적이며 양호한 효과를 발휘한다는 것을 발견하였다.
화합물을 순환되는 기체 또는 액체상에 첨가하거나 또는, 바람직하게는 촉매 성분이 반응기에 들어오는 위치에 근접하게, 반응기에 직접 첨가한다. 원칙적으로, 화합물은 반응기에 들어오는 통상 기체 또는 액체 단량체 스트림과 함께 첨가될 수 있다. 또한, 조촉매 주입 스트림 또는 실란 공여체 스트림을 통한 첨가가 가능하다. 화합물이 중합 동안 존재하는 것이 중요하다.
본 발명의 방법에 의해, 반응기 벽의 오염 및/또는 반응기의 충전 및 배출 관의 막힘 (clogging)이 방지되며, 동시에 공정 효율, 촉매 수율 및 제품 품질이 유지된다.
본 발명의 방법은 (1) 임의로 전자 공여체를 포함하는 활성 형태의 마그네슘 이할로겐화물 상에 지지된 티타늄 화합물을 포함하는 고체 촉매 성분과 (2) 임의로는 전자 공여체가 존재하는 알킬 알루미늄 화합물의 반응 생성물을 포함하는 촉매의 존재 하에서의 기계적 교반 층이 유지되는 기체상에서의 (공)중합 단계를 하나 이상 포함하는 올레핀 (공)중합체의 제조에 관한 것이다.
일반적으로, 본 발명의 방법은 기체상이 재순환되고 기계적 교반 층 반응기에서 지글러-나타 유형의 촉매를 사용하는 모든 유형의 프로필렌 중합에 적용할 수 있다. 상기 기계적 교반 층은, 당업자에게 공지된 논문, 발표문 및 서적, 또는 예를 들어 문헌 [Propylene Handbook edited by EP Moore (Hanser Verlag, 1996)]에 기재되어 있는 바와 같이 수평이거나 수직일 수 있다.
본 발명의 방법에서, 프로필렌 단일중합체, 또는 1종 이상의 공단량체를 포함하는 프로필렌 공중합체를 제조할 수 있다. 바람직하게는, 프로필렌 공중합체를 제조할 경우, 공단량체(들)는 알파-올레핀의 군, 보다 바람직하게는 C2-C8 알파-올레핀의 군, 더욱 바람직하게는 C2-C4 알파-올레핀의 군으로부터 선택한다. 공단량체가 에틸렌인 것이 특히 바람직하다.
더욱 바람직하게는, 기재된 프로필렌 중합 방법은 단일단계 공정으로 수행하거나 프로필렌 단일중합체 또는 공중합체를 제조하는 일련의 중합 반응기를 포함할 수 있는 다단계 공정으로 수행한다. 사용되는 반응기는, 당업계에 공지되어 있는, 수평 또는 수직인, 그러나 보다 바람직하게는 수평인 기계적 교반 층 기체상 반응기이다. 이러한 반응기는 유동 층 반응기와는 달리 기계적으로 교반된다.
중합은 고수율 지글러-나타 촉매 및 임의로는 수소 또는 다른 몰질량 조절제의 존재 하에 수행한다.
공정에서, 온도, 압력, 불활성 희석제의 존재, 촉매-단량체 비율 및 중합 시간 등과 같은 통상적인 반응 조건을 사용할 수 있다.
중합 온도는 전형적으로 50 내지 110℃, 보다 바람직하게는 60 내지 90℃, 더욱 바람직하게는 60 내지 80℃이다. 반응기의 압력은 바람직하게는 20 내지 100 bar, 보다 바람직하게는 30 내지 60 bar이고, 기체상 반응기에서는 40 bar 미만, 보다 바람직하게는 10 내지 40 bar이다.
"지글러-나타 촉매"는 4족 내지 8족의 전이금속, 바람직하게는 4족 내지 6족의 전이금속, 및 전이금속의 원자가를 충족시키는 하나 이상의 리간드를 포함하는 전이금속 화합물을 의미한다. 바람직하게는, 리간드는 유기알루미늄 화합물과 회합된 마그네슘 함유 화합물 상에 지지된 (또는 이와 공침전된 또는 이와 반응한) 할로겐화물, 알콕시, 히드록시, 옥소, 알킬 및 이들의 조합이다. 지글러-나타 촉매에는 메탈로센 또는 다른 단일-자리 촉매는 배제된다.
따라서, 지글러-나타 프로촉매 (pro-catalyst) 계는 4족 내지 6족의 전이금속 화합물, 마그네슘 화합물 및 내부 공여체를 특징으로 한다. 바람직하게는, 전이금속 화합물은 Ti, V 또는 Cr, 가장 바람직하게는 Ti이다. 이러한 바람직한 전이금속 화합물에는 티타늄 할로겐화물, 티타늄 알콕시드, 바나듐 할로겐화물 및 이들의 혼합물, 특히 TiCl3, TiCl4, VOCl3와 TiCl4의 혼합물 및 VCl4와 TiCl4의 혼합물이 포함된다. 적합한 마그네슘 화합물에는 마그네슘 할로겐화물, 예를 들어 염화마그네슘, 마그네슘 알콕시드, 디알킬 마그네슘 화합물, 예를 들어 디에틸마그네슘, 및 유기 마그네슘 할로겐화물 (즉, 그리그나드 시약), 예를 들어 메틸마그네슘 클로라이드, 에틸마그네슘 클로라이드 및 부틸마그네슘 브로마이드가 포함된다. 내부 공여체(들)는 종종 유기 에스테르, 예를 들어 에틸벤조에이드, 디에스테르, 예를 들어 디알킬프탈레이트, 에테르, 디에테르, 예를 들어 1,3-디메톡시프로판 유도체, 케톤, 아미드 및 이들의 조합이다.
조촉매 성분은 알루미늄 알킬 화합물, 바람직하게는, 화학식 AlR3 - nXn의 알루미늄 알킬 화합물 (상기 식 중, R은 탄소 원자수가 1 내지 20, 바람직하게는 1 내지 10, 보다 바람직하게는 1 내지 6인 직쇄 또는 분지형 알킬 기이고, X는 할로겐이며, n은 0, 1, 2 또는 3임)이다.
상기 화합물 이외에, 1종 이상의 전자 공여체, 일반적으로 실란, 예를 들어 시클로헥실메틸디메톡시실란 (CHMDMS), 디시클로펜틸디메톡시실란 (DCPDMS), 디-이소-프로필디메톡시실란 (DIPDMS), 이소-부틸-이소-프로필디메톡시실란 (IBIPDMS) 또는 디-이소-부틸디메톡시실란 (DIBDMS)이 또한 존재한다.
촉매 성분의 양은 알루미늄 알킬 대 C3, 전자 공여체 대 C3 및 알루미늄 알킬 대 Ti 및 전자 공여체 대 Ti의 몰비로서 규정한다.
이제 하기 실시예를 기초하여 본 발명을 설명한다.
<실시예>
지글러-나타 프로촉매 (염화마그네슘/염화티타늄/내부 공여체), 트리에틸 알루미늄 (TEA) 및 디알킬-디메틸 실란을 포함하는 지글러-나타 촉매 계를 기재로 하는 촉매를 사용하여, 새로운 프로필렌을 연속적으로 공급하여 기계적 교반 층 반응기에서 프로필렌을 중합하였다. TEA/Ti 몰비는 104이었고 실란/Ti 몰비는 11이었다. 기체상은 소량의 질소, 알칸 희석제 및 프로판과 함께 프로필렌을 21 bar의 총 압력에서 포함하였다. 일정 양의 N-알킬-디에탄올아민 (아트머 (Atmer) 163)을 알루미늄 알킬 및 실란 공여체와 함께 반응기에 첨가하였다.
TEA 및 실란 공여체가 이미 존재하고 21 bar에서 평형 상태를 유지하는 반응기에 지글러-나타 프로촉매를 도입함으로써 50℃에서 중합을 개시하고, 개시 5분 동안 76℃의 중합 온도에 도달하였다.
60분 후, 중합을 종결하였다.
반응기 벽 및 커버 상의 중합체 축적을 나타내는 신호는 (중합체 층이 아닌) 기체상에 있는 열전대의 온도이었다. 중합체 입자가 반응기 벽 및 커버의 표면을 덮을 경우, 보다 차가운 커버 몸체로의 열 전달이 감소한다. 열 전달의 감소는 상기 열전대로 측정하는 기체상 온도를 증가시킨다. 시간에 따른 온도 변화 프로파일 및 그의 확장에 따라, 중합체 부착 시작 및 그의 크기/확장을 결정할 수 있다.
하기 표에, 기체상에 첨가된 N-알킬-디에탄올아민의 양에 따른 결과를 나타내었다.
Figure 112011005888342-pct00001
비교예
H2O 실험 (2 및 5 ppm) 및 O2 실험 (1.9 ppm)
반응기에 N-알킬-디에탄올아민을 첨가하는 대신에, 소정 양의 산소 또는 물 (프로필렌 중의 혼합물로서 공급됨)을 반응기에 첨가한 후, 지글러-나타 프로촉매를 첨가하여 반응을 개시하였다.
Figure 112011005888342-pct00002

Claims (11)

  1. 알파-올레핀 중합체의 입자를 함유하는 기계적 교반 층 기체상 반응기에 1종 이상의 알파-올레핀을 공급하고, 티타늄 화합물 및 마그네슘 화합물을 기재로 하는 촉매, 알루미늄-알킬 화합물 및 임의로는 유기실란 공여체의 존재 하에 알파-올레핀을 중합하는 것을 포함하며,
    에톡시화 아민, 지방산 에스테르, 디에탄올 아미드, 에톡시화 알코올, 알킬술포네이트 및 알킬포스페이트의 군으로부터 선택된 1종 이상의 화합물이 5 내지 100 ppm 미만의 양으로 중합 동안 존재하는,
    알파-올레핀 중합체의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 1종 이상의 화합물의 양이 5 내지 80 ppm인 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 1종 이상의 화합물이 에톡시화 아민인 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 탄소 원자수가 3 내지 5인 알파-올레핀이 총 기체에 대해 20 내지 90%의 몰 농도로 기체상에 존재하는 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 알파-올레핀이 프로필렌인 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 티타늄 화합물이 하나 이상의 할로겐화물-Ti 결합을 포함하는 것인 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 알루미늄-알킬 화합물이 트리에틸알루미늄으로부터 선택되는 것인 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 기체상이 적어도 부분적으로 반응기로 재순환되는 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 교반 층 기체상 반응기가 수평인 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 교반 층 기체상 반응기가 수직인 방법.
  11. 제3항에 있어서, 상기 1종 이상의 화합물이 N-알킬-디에탄올아민인 방법.
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