La présente invention concerne des catalyseurs et un procédé de préparation de catalyseurs de polymérisation, ainsi qu'un procédé de polymérisation de l'éthylene mettant en oeuvre lesdits catalyseurs.

Il est connu de polymériser l'éthylene dans de larges gammes de températures et de pressions au moyen de catalyseurs et systèmes catalytigues contenant des dérivés de métaux de transition et des dérivés organométalliqueε. Ces systèmes catalytiques dits ZIEGLER-NATTA ont été sans cesse améliorés de façon à augmenter leur activité. Ainsi les résidus catalytigues ne subsistent plus dans le polymère qu'à l'état de traces qu'il serait antiéconomique de vouloir éliminer par un traitement. Les teneurs présentes sont actuellement admises au niveau écotoxicologique.

Cependant, dans la mesure où la présence du résidu catalytique dans le polymère est inévitable, même à des teneurs extrêmement faibles, à la limite de la détection, on a cherché quels catalyseurs pouvaient être choisis de telle sorte que leurs résidus, si infimes soient-ils, ne présentent aucun risque pour la santé et l'environnement.

Parmi les éléments dont les sels et dérivés sont connus pour ne pas présenter de toxicité, figurent ceux de la famille des lanthanides. La demanderesse a donc tenté de remplacer les systèmes catalytiques de ZIEGLER-NATTA par des catalyseurs contenant des composés de lanthanides.

Il est connu par le document O-A-86 05788 de polymériser les oléfines sous une pression d'environ 1 bar à une température comprise entre -78 et +80°C au moyen d'un catalyseur comprenant un composé de type Cp' ₂ MR ou Cp' ₂ MH dans lesquels Cp' est le radical pentaméthylcyclo- pentadiényle, M est choisi parmi le lanthane, le néodyme, le samariu et le lutétiu , R est un radical alkyle très encombré tel que le radical bis(triméthylsilyl)méthyle de

FEUILLE DE REMPLACEMENT

formule -CH[Si(CH3) ₃ ] ₂ ou tel que le radical mésitylène de formule :

La synthèse de ces composés est très compliquée. Particulièrement, celle des composés de formule Cp' ₂ MH nécessite une hydrogénation suivie d'une filtration, lavage et séchage.

Dans un but de simplification, la demanderesse a cherché à s'affranchir des dernières étapes de la synthèse de ces composés, particulièrement des étapes de séparation. Elle a également cherché à éviter l'utilisation de réactifs possédant des groupements encombrants (triméthylsilyle ou mésitylène) . La demanderesse a ainsi tenté de mettre au point un catalyseur de polymérisation à partir du produit de la première étape de la suite de réactions décrite dans le document O-A-86 05788.

La présente invention a donc d'abord pour objet un catalyseur pour la polymérisation de l'éthylene, caractérisé par le fait qu'il consiste en le produit de réaction du composé de formule Cp* ₂ NdCl ₂ Li(OEt ₂ ) ₂ , dans laquelle Cp* représente le radical pentamethylcyclopentadiényle et Et le radical éthyle, avec au moins un réactif choisi parmi les composés organomagnésiens et les composés organolithiens de formule RLi dans laquelle R est un radical alkyle comportant au plus 12 atomes de carbone, ou de formule ArLi dans laquelle Ar est le noyau phényle ou le radical benzyle C ₆ H ₅ -

CH ₂ -.

Le catalyseur selon la présente invention se présente avantageusement sous la forme d'une solution contenant, au -moins partiellement, un hydrocarbure aromatique, solution dont la concentration, exprimée en

néody e, est avantageusement comprise entre 0,1 et 100 moles/litre. Quand aux réactifs utilisables, les détails les concernant sont indiqués plus loin.

Ainsi un autre, objet de la présente invention consiste en un procédé de préparation d'un catalyseur pour la polymérisation de l'éthylene comprenant un composé de néodyme, consistant dans une première étape à préparer le produit de formule Cp* ₂ NdCl ₂ Li(OEt ₂ ) ₂ , dans laquelle Cp* représente le radical pentamethylcyclopentadiényle et Et le radical éthyle, caractérisé en ce que, dans une deuxième étape, ledit produit est mis à réagir avec au moins un réactif choisi parmi les composés organomagnésiens et les composés organolithiens de formule RLi dans laquelle R est un radical alkyle comportant au plus 12 atomes de carbone, ou de formule ArLi dans laquelle Ar est le noyau phényle ou le radical benzyle C ₆ H ₅ -CH ₂ -.

La première étape de préparation du catalyseur, connue en soi, consiste à faire réagir le butyllithium sur le pentaméthylcyclopentadiène pour obtenir le penta éthyl- cyclopentadiényllithium, puis à faire réagir deux moles de ce composé avec une mole de trichlorure de néodyme NdCl ₃ anhydre, généralement dans le tétrahydrofuranne (THF) à reflux, la réaction étant suivie de 1'évaporation du THF, d'une extraction à l'éther, d'une évaporation de l'éther des phases liquides jusqu'à obtenir une solution concentrée qui est refroidie entre 0 et -20"C et laisse ainsi se former des cristaux violets du composé Cp*2NdCl ₂ i(OEt2) .

Selon la présente invention, ce composé obtenu à la fin de la première étape est mis à réagir avec un organomagnésien ou un organolithien. Parmi les organomagnésiens, on choisit, de préférence, au moins un composé de formule R-Mg-R' dans laquelle R et R', identiques ou différents, sont des radicaux alkyle, substitués ou non, ayant de 1 à 8 atomes de carbone. On utilise avantageusement le n-butyléthylmagnésium, le di(isobutyl)magnésium, le di-

(n-hexyl)magnésium, le n-butyl-n-octylmagnésium. Le composé organomagnésien peut également être un organomagnésien mixte tel que le chlorure d'allylmagnésium.

Parmi les organolithiens, on choisit avantageusement le méthyllithium, le n-butyllithium, le tert- butyllithium ou le phényllithium.

La deuxième étape du procédé de préparation du catalyseur est avantageusement mise en oeuvre à une température comprise entre -10 et +30'C, généralement sous pression atmosphérique de gaz inerte. De préférence, cette deuxième étape est effectuée en mettant en présence une solution du produit de la première étape et une solution du réactif, sous agitation. Le composé obtenu à la fin de la première étape, Cp ₂ NdCl ₂ Lι(OEt ₂ ) ₂ est mis en solution dans tout solvant convenable. On choisit de préférence un hydrocarbure aromatique tel que le toluène. Le réactif (organomagnésien ou organolithien) est également en solution dans un solvant convenable, par exemple un hydrocarbure aliphatique saturé, ou bien le tétrahydrofuranne dans le cas du chlorure d'allylmagnésium.

Le temps de réaction pour cette deuxième étape peut varier dans de larges limites allant de quelques minutes à plusieurs heures. Le catalyseur ainsi obtenu est avantageusement utilisé dans les 15 à 150 minutes qui suivent le mélange du produit de la première étape et du réactif mais il peut être conservé 3 à 4 jours sans montrer de baisse sensible d'activité.

Une variante du procédé selon l'invention consiste à effectuer la réaction entre le produit de la première étape et le réactif dans un hydrocarbure aromatique puis à ajouter une quantité complémentaire de réactif en solution dans un hydrocarbure aliphatique saturé, par exemple une coupe d'hydrocarbures aliphatiques saturés en C ₁₀ -C^ ₂ .

La quantité de réactif mis à réagir avec le composé Cp*2NdCl ₂ Li(OEt ₂ )2 est telle que le rapport molaire du métal du réactif (Mg ou Li) au néodyme soit au moins égal à 1, de

préférence compris entre 2 et 25, avantageusement compris entre 2 et 5.

Selon le mode préféré de mise en oeuvre du procédé de préparation, le catalyseur est obtenu à l'état de solution légèrement, opalescente, généralement dans un mélange de solvants. Sa concentration peut être ajustée à la valeur désirée, par évaporation sous vide ou bien ajout de solvant, avant son utilisation pour la polymérisation de l'éthylene ^' . Avantageusement sa concentration en néodyme est comprise entre 0,1 et 100 mmoles/litre, de préférence entre 0,2 et 20 mmoles par litre.

Un autre objet de la présente invention consiste en un procédé de polymérisation de l'éthylene, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser comme catalyseur au moins un catalyseur tel que défini ci-dessus et/ou tel qu'obtenu au moyen du procédé de préparation décrit ci-dessus.

Le procédé de polymérisation de l'éthylene peut être mis en oeuvre à une température comprise entre 20° et 250°C, de préférence entre 50 et 200°C, sous une pression pouvant aller jusqu'à 200 bars environ, en solution ou en suspension dans un hydrocarbure inerte ayant au moins 6 atomes de carbone, tel qu'une coupe d'hydrocarbures aliphatiques saturés en C ₁₀ ~ 1 ₂ -

Le procédé de polymérisation de l'éthylene peut aussi être mis en oeuvre selon un mode continu, dans au moins un réacteur autoclave ou tubulaire, à une température comprise entre 150° et 300°C environ, sous une pression comprise entre 400 et 2000 bars environ, le milieu réactionnel étant à l'état hypercritique. De façon à moduler la masse moléculaire du polyéthylène obtenu et son indice de fluidité, on peut opérer en présence de jusqu'à 2% en volume d'un agent de transfert tel que l'hydrogène, le propane, le butane ou même jusqu'à 50% en volume d'au moins une alpha-oléfine telle que le propylène, le butène-1. En effet il y a lieu de faire remarquer ici la très grande sélectivité des catalyseurs obtenus selon le procédé de préparation décrit ci-dessus qui,

même en présence de fortes quantités de butène-1, par exemple, ne conduisent pas à des copolymères éthylène/ butène-1 mais uniquement à l'homopolymère d'ethylène.

En faisant varier le rapport Mg/Nd (ou Li/Nd) , la température et la pression de polymérisation, la quantité d'agent de transfert, il est possible d'obtenir des polyéthylènes linéaires, donc sans branches longues comme en contient le polyéthylène obtenu par voie radicalaire, mais également sans branches courtes comme en contiennent les copolymères d'ethylène et d'alpha-oléfines, présentant une très grande variété de masses moléculaires (allant de quelques centaines à plusieurs centaines de milliers de g/mole), d'indices de polydispersité (Mw/Mn) , d'indices de fluidité (d'environ 1 à l'équivalent d'au moins 1000 selon la norme ASTMD-1238 condition E) , avec des rendements catalytiques très élevés, d'au moins 10 kg de polyéthylène par millimole de néodyme, jusqu'à une vingtaine de kg pour les rendements les plus élevés observés jusqu'à présent en régime continu. Ces rendements élevés permettent d'utiliser le catalyseur à des concentrations, dans 1'éthylène mis à polymériser, extrêmement faibles, par exemple voisines de l'équivalent de 3 x 10 ^-3 millimole de néodyme par litre d'ethylène. On remarquera que les catalyseurs préparés selon l'invention ne nécessitent pas, contrairement aux catalyseurs ZIEGLER-NATTA classiques, d'être activés par exemple au moyen d'un activateur organo-aluminique.

Le polyéthylène haute densité obtenu au moyen du procédé de polymérisation selon l'invention trouve des applications et utilisations dans les domaines très variés bien connus, selon son indice de polydispersité et son indice de fluidité. On peut citer les fabrications d'objets finis très divers (films, feuilles, joncs, récipients, ...) par extrusion-soufflage, extrusion au moyen d'une filière plate, soufflage de corps creux, moulage par injection, etc.

Les exemples suivants ont pour but d'illustrer l'invention de façon non limitative.

I - EXEMPLES 1 à 12 - PREPARATION DU CATALYSEUR

Les manipulations ont toutes été réalisées sous atmosphère d'azote ou d'argon sec et désoxygéné, avec des réactifs eux-mêmes purifiés.

1) Exemple 1 - Préparation du précurseur

Le bis (pentaméthylcyclopentadiényl) ichloro- bis(diethyléther) néodymate III de lithium, de formule Cp* ₂ NdCl ₂ Li(OEt ₂ )2r ci-après désigné "le précurseur", a été préparé suivant le schéma réactionnel :

Et ₂ 0 3/4 T THHFF 11//44 BuLi + Cp*H > BuH + Cp*Li 0°C 3 heures

1) THF reflux

2 Cp*Li + NdCl ₃ > Cp* ₂ NdCl ₂ Li(OEt ₂ ) ₂

2) Et ₂ 0

Bu étant le radical n-butyle, Cp* le radical pentamethylcyclopentadiényle, Et ₂ 0 le diethyléther (C ₂ H ₅ ) ₂ 0, THF le tétrahydrofuranne, NdCl ₃ le trichlorure de néodyme.

a) Préparation de Cp Li

Dans un tube de Schlenk d'une capacité de 300 ml, on a introduit 4,9 g de Cp*H (35,8 mmoles), puis 50 ml de THF et 100 ml de Et ₂ 0. Le tout a été refroidi à 0°C au moyen d'un bain de glace. Une solution éthérée de BuLi (préparée par dilution, dans 50 ml de Et ₂ 0 à 0°C de 3,6 ml d'une solution à 10 moles de BuLi par litre dans l'hexane) a été

ajoutée à 0 ^β C goutte à goutte à la précédente sous vive agitation en 1 heure 1/2. Un précipité blanc volumineux de Cp*Li s'est formé. On a laissé réagir à 20"C pendant 3 heures, puis la suspension gélatineuse a été filtrée. Le précipité blanc de Cp*Li a été lavé avec 20 ml de Et ₂ 0 et préséché sous courant d'argon et sous léger vide. Ensuite le produit a été transféré dans un tube de Schlenk puis séché sous vide à 20"C pendant 1 heure.

b) Préparation du précurseur Dans un tube de Schlenk, 4,7 g de Cp*Li (33 mmoles), obtenus comme décrit ci-dessus, et 4,14 g de NdCl ₃ anhydre (16,5 mmoles) ont été mis en suspension dans 170 ml de THF. Un réfrigérant a été fixé sur le tube de Schlenk et le THF porté à reflux pendant 12 heures. Peu après le début du reflux, les solides (NdCl ₃ et Cp Li) se sont dissous pour donner une solution violette limpide.

Le THF a été évaporé à 20°C sous vide, le solide obtenu mis sous vide pendant 2 heures à 20°C, et ensuite extrait avec 2 fois 110 ml de Et ₂ 0. Lorsque l'éther est ajouté, la solution est agitée pendant environ 1/2 heure, puis lors de la décantation, le LiCl se dépose. La solution surnageante a été transférée dans un autre tube de Schlenk. Les fractions éthérées ont été réunies puis concentrées à 110 ml par évaporation de l'éther à 20°C sous vide. La solution a alors été refroidie doucement à 0°C puis à -20"C pendant 2 jours. De larges cristaux violets de formule Cp*2NdCl ₂ Li(0Et ₂ )2 ont été obtenus.

2) Exemples 2 à 12 - Préparation du catalyseur proprement dit Le catalyseur proprement dit a été obtenu par réaction d'un réactif sur le précurseur obtenu à l'Exemple 1. Selon les conditions de polymérisation de l'éthylene envisagées (voir exemples 13 à 30, ci-après) , la réaction a été ^' effectuée soit dans le réacteur de polymérisation, soit

extérieurement à celui-ci. La réaction a été réalisée à 2Ô°C pendant 60 min, sous agitation, le précurseur étant préalablement dilué à environ 10 mmoles/1 dans le toluène et le réactif étant également dilué au préalable, à une concentration d'environ 0,2 mole par litre dans le toluène, le benzène, le cyclohexane ou une coupe d'hydrocarbures aliphatiques saturés, ainsi qu'il sera précisé dans les exemples ci-après de polymérisation. La solution de catalyseur obtenue peut ensuite être diluée à la concentration souhaitée.

Le Tableau I ci-après précise pour chaque exemple, la nature du réactif utilisé et le rapport molaire du métal (Mg ou Li) du réactif au néodyme (M/Nd) .

Tableau I

RI : rt-Butyléthyl agnésium R4 Phényllithium

R2 : N-Butyllithium R5 n-Butyl-n-octyl- magnésium

R3 : Chlorure d'allyl- R6 n-Butyl-sec.buty1- magnésium magnésium

II - EXEMPLES 13 à 30 - POLYMERISATION DE L'ETHYLENE

1) Exemples 13 à 16 - Polymérisation sous une pression de 1 bar

Dans un réacteur agité, thermostaté à 80"C au moyen d'un bain-marie, on a introduit 500 ml d'une coupe d'hydrocarbures aliphatigues saturés en C^o- _l2 ' on a purgé à l'azote, saturé d'ethylène jusqu'à une pression de 1,1 bar et injecté la quantité voulue de catalyseur (généralement voisine de 0,1 mmole dans 10 ml de toluène) . Après une durée

de t minutes, on a introduit 20 ml d'éthanol pour arrêter la polymérisation et recueilli le polyéthylène obtenu qui fût alors séparé, lavé, séché et pesé. Le rendement catalytique R _c est exprimé en g de polyéthylène formé par millimole de néodyme et par heure.

Les résultats obtenus sont consignés au Tableau II.

Tableau II

2) Exemples 17 à 19 - Polymérisation sous une pression de 6 bars Dans un réacteur autoclave d'une capacité de

1 litre, muni de moyens d'agitation et de régulation de température, on a introduit 600 ml d'une coupe d'hydrocarbures saturés en C ₁₀ ~ ^c 12 ^et purgé à l'azote en élevant la température à la valeur choisie. On a introduit alors l'éthylene jusqu'à une pression de 6 bars, puis le catalyseur (0,1 mmole exprimée en Nd) . La pression de 6 bars a été maintenue pendant 1 minute.

Le contenu du réacteur a été alors déchargé et le polymère séparé, lavé, séché et pesé. La quantité obtenue Q est exprimée en grammes par millimole de néodyme par minute par mole. I ^"1 d'ethylène.

On a fait figurer dans le Tableau III, le catalyseur utilisé, la température de l'essai (T, exprimée en ^* C) et la quantité Q de polyéthylène obtenu.

Tableau III

3) Exemples 20 à 25 - Polymérisation sous une pression de 50 bars

Une quantité de catalyseur équivalant à 0,1 mmol-e de néodyme, en solution dans le toluène (50 ml) (exemples 20,

21, 22, 24) ou un mélange toluène-cyclohexane (50 ml)

(exemple 23) ou un mélange toluène-benzène (50 ml) (exemple

25) a été introduite dans l'autoclave préalablement dégazé et séché (100°C sous vide puis refroidi à 20°C) . L'éthylene a été alors introduit dans le réacteur jusqu'à la pression de

50 bars. Puis l'agitation a été mise en route.

Généralement, la température s'élève à 120-150"C et la pression chute à quelques bars.

Si au bout de quelques minutes ni la pression, ni la température n'ont évolué, le réacteur est chauffé à 140°C et maintenu à cette température pendant 1 heure. Après refroidissement le polymère a été récupéré par précipitation avec de l'alcool éthylique.

Le Tableau IV ci-après indique pour chaque exemple le catalyseur utilisé, la quantité de polyéthylène formé exprimée en grammes, le cas échéant la température T d'initiation de la polymérisation (c'est-à-dire la température à partir de laquelle la pression d'ethylène diminue) exprimée en ^β C et le temps t de polymérisation exprimé en minutes.

07180

12 Tableau IV

4) Exemples 26 à 30 - Polymérisation sous une pression de 1200 bars L'installation de polymérisation fonctionne en régime continu et comprend un réacteur autoclave agité thermostaté, alimenté en éthylène au moyen de 2 compresseurs disposés en série, le premier compresseur recevant en outre l'éthylene n'ayant pas réagi et provenant d'un séparateur dans lequel le produit du réacteur s'écoule en continu. Le séparateur est disposé à la suite d'une vanne de détente située à la sortie du réacteur et est maintenu sous une pression d'environ 8 bars.

Le polymère recueilli au fond du séparateur est introduit dans une pompe d'extrusion puis granulé.

L'éthylene est introduit en continu dans le réacteur dans leguel est admis également le catalyseur préparé conformément aux exemples 2 à 6 mais avec un rapport molaire Mg/Nd égal à 3. La température est régulée à la valeur souhaitée pendant que la pression est maintenue à 1200 bars. Le polyéthylène recueilli après extrusion et granulation est pesé. Le rendement catalytique R _c est ici exprimé en kg de polyéthylène par milliatome-gramme de néodyme. Sur le polyéthylène obtenu, on a déterminé : l'indice de fluidité IF, mesuré selon la norme ASTM

D-1238 (conditions E) et exprimé en g/10 min. la densité d, mesurée selon la norme ASTM D-1505.

Les conditions utilisées et résultats obtenus figurent au Tableau V. On a indiqué par C la concentration de la solution de catalyseur injectée dans le réacteur, exprimée en millimoles de néodyme par litre. La température de polymérisation T est exprimée en ^β C. P et B représentent respectivement les taux de propane et/ou de butène-1 utilisés comme diluant ou agent de transfert, en % en volume. Le butène-1 n'a pas copolymérisé avec l'éthylene.

Tableau V

n.m non mesurable (> 500)

Sur certains des polyéthylènes obtenus ci-dessus, on a mesuré en outre par chromatographie par perméation de gel les masses moléculaires moyennes en poids (Mw) et en nombre (Mn) . Les valeurs obtenues figurent au Tableau VI ci- après ainsi que l'indice de polydispersité Mw/Mn et le taux B, en % en poids, de masses moléculaires inférieures à 5000. Les polyéthylènes obtenus ont tous un taux de branches courtes (taux de groupes CH ₃ ) inférieur à 1 pour 1000 carbones et un point de fusion J voisin de 130"C.

Tableau VI

A titre comparatif, on précise gue, à 160*C et en présence de 6 bars d'ethylène, chacun des composés n-CHg- g-C ₂ H ₅ , d'une part, et Cp ₂ NdCl ₂ Li(OEt ₂ ) ₂ , d'autre part, a présenté séparément une activité de polymérisation nulle : il ne s'est pas formé de polyéthylène.