氯化镁负载型Ziegler-Natta催化剂的催化性能调控及乙烯/1-已烯共聚反应机理的研究

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通常工业上用于催化乙烯/1-己烯共聚反应的催化剂主要是MgCl2负载型Ziegler-Natta催化剂,但是其多活性中心的特质导致其共聚产物的组成分布不均匀而影响材料的性能。本论文拟通过催化剂改性及优化反应条件等方法调控Z-N催化剂的活性中心分布,改善共聚产物的性能,最终制备聚烯烃弹性体。此外,本文通过研究催化剂改性及优化反应条件等方法对聚合行为、聚合物结构及性能的影响。采用噻吩酰氯淬灭法测定聚合体系的活性中心浓度及微观动力学参数,并据此深入探讨了这些调控手段影响催化剂活性中心及乙烯/1-己烯共聚反应的微观机理。  本文首先使用三种苯胺邻位带有不同取代基的Schiff碱化合物对TiCl4/MgCl2型工业催化剂Cat-A进行改性,考察了改性剂与催化剂中钛的摩尔比、改性剂取代基的空间位阻效应和电子效应对改性催化剂催化乙烯/1-己烯共聚反应的影响。在此基础上,选择合适的改性条件进行加压放大实验。研究表明,加入适量的改性剂可以提高催化剂的聚合活性,过量的改性剂则会起到毒化活性中心的作用。改性剂给电子效应的增加可以提高催化剂的聚合活性;改性剂的空间位阻效应的增加会影响1-己烯的配位插入,一方面会降低乙烯/1-己烯共聚反应的聚合活性,另一方面也会降低共聚产物中1-己烯含量。加压放大实验结果表明,改性剂催化剂共聚产物的拉伸性能显著提高。  使用改性剂L1对催化剂Cat-A进行两步法改性得到改性催化剂M-Cat-A,从不同共单体浓度及不同聚合时间两个方面研究了改性剂对乙烯/1-己烯共聚反应的影响。研究表明,改性剂会导致催化剂中一部分共聚能力较强的活性中心失活,而对共聚能力较弱的活性中心影响较小,最终改性催化剂的共聚产物组成分布变得更加均匀。1-己烯浓度对共聚行为影响的研究从实验角度证实了,“共单体效应”的本质是1-己烯的引入激活了一些生成较低分子量聚合物且共聚能力较强的活性中心。聚合动力学研究表明,生成低分子量聚合物且共聚能力较强的活性中心最先被活化,其聚合活性在反应一段时间之后会逐渐衰减;生成高分子量聚合物且共聚能力较弱的活性中心活化较慢,其聚合活性在反应一段时间之后逐渐趋于稳定。  从预处理时的铝钛比、烷基铝种类及共单体浓度等方面研究了烷基铝预处理对Cat-A催化乙烯/1-己烯共聚反应的影响。研究表明,预处理铝钛比较低时(Al/Ti<2),反应体系产生的一氯二乙基铝会毒化共聚能力较强的活性中心。用于预处理的烷基铝和聚合反应的助催化剂对预处理效果的影响比较复杂,实验结果暂时无法合理解释。TEA预处理会导致催化剂中一部分共聚能力较强的活性中心失活,而对共聚能力较弱的活性中心影响较小,最终改性催化剂共聚产物的组成分布变得更加均匀。  研究了TEA和TIBA分别作为助催化剂对三种不同的催化剂Cat-A、A-Cat-A以及M-Cat-A催化乙烯/1-己烯共聚反应的影响。研究表明,TEA更加活泼,作为助催化剂时,活化的活性中心更多,催化剂聚合活性更高;TIBA还原能力较弱,作为助催化剂时,活化的Ti(Ⅲ)活性种共聚能力更强,共聚产物的1-己烯含量更高,催化体系的活性中心分布更窄,共聚产物的分子量分布及组成分布更窄。不同助催化剂能通过向烷基铝链转移反应影响共聚产物的相对分子量,TIBA作为助催化剂时,其所带异丁基的空间位阻较大使得向TIBA的链转移反应较难发生,导致聚合产物的相对分子量较高。TEA作为助催化剂时,共聚产物中1-己烯趋向于无规分布;TIBA作为助催化剂时,共聚产物中1-己烯趋向于嵌段分布。  研究了氢气对乙烯/1-己烯共聚反应及反应动力学的影响。研究表明,氢气作为链转移剂能有效降低聚合产物的相对分子量。此外,氢气的引入会导致乙烯/1-己烯共聚反应活性及共聚产物中1-己烯含量升高。催化剂中生成高分子量聚合物的活性中心对氢气的敏感性更高,而生成低分子量聚合物的活性中心对氢气的敏感性较弱,因此氢气的引入会导致乙烯/1-己烯共聚反应产物的分子量分布变窄。氢气能够激活休眠种Ti-CH(CH3)C4H9,使催化体系活性中心浓度升高,并且被激活的活性中心的共聚能力较强。此外,氢气也能够激活休眠种休眠种Ti-CH(CH3)C4H9-P,使链增长速率常数kp升高。共聚反应动力学研究表明,加入氢气之后,催化剂中共聚能力较强的活性中心的活化时间变得更长,共聚产物中1-己烯含量达到峰值的时间延后;催化剂中生成高分子量聚合物的活性中心的活化时间变得更短,共聚产物的相对分子量达到峰值的时间提前。
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