Математическое моделирование кинетически неоднородных неодимсодержащих каталитических систем в ионно-координационной полимеризации бутадиена тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.17, кандидат химических наук Гатауллин, Ильшат Канзелевич

• Гатауллин, Ильшат Канзелевич
• кандидат химических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат химических наук Гатауллин, Ильшат Канзелевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПОЛИЦЕНТРОВ ОСТЬ В ПРОЦЕССАХ ИОННО-КООРДИНАЦИОННОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ БУТАДИЕНА (Литературный обзор)

1.1. Математическое моделирование полимеризационных процессов.

1.2. Применение метода Монте-Карло для описания кинетики ионно-координационной полимеризации бутадиена

1.3. Модели описывающие кинетику ионно-координационной полимеризации.

1.4. Явление полицентровости в каталитических системах Циглера-Натта.

1.5. Прямая и обратная задачи молекулярно-массового распределения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование кинетически неоднородных неодимсодержащих каталитических систем в ионно-координационной полимеризации бутадиена»

Актуальность проблемы. На сегодняшний день ионно-координационная полимеризация (ИКПМ) - это один из основных способов получения полимеров с высокостереорегулярной структурой и поэтому она имеет важное значение. Катализаторы Циглера-Натта, используемые в ион-но-координационной полимеризации, уже достаточно хорошо изучены, особенно те, которые позволяют получать стереорегулярный полимер. К ним относятся и лантанидные каталитические системы, позволяющие проводить полимеризацию диенов с высокой скоростью и большим выходом высоко-стереорегулярного полимерного продукта. Исследования катализаторов Циг-лера-Натта показали, почему молекулярно-массовое распределение (ММР) полимера,, полученного в ИКПМ, не описывается "наиболее вероятной" функцией Флори и на практике полимерные образцы характеризуются более широким ММР часто имеющим полимодальный вид. Причина заключается в неоднородности каталитической системы - наличии нескольких типов активных центров, которые работают независимо друг от друга, формируя полимер с разными свойствами. Были найдены функции распределения активных центров, в том числе и для лантанидных каталитических систем.

Однако в литературе до сих пор нет или очень мало информации о типах активных центров (АЦ) и не определены кинетические константы характерные для каждого из них. Нахождение кинетических констант, характеризующих каждый из типов АЦ, помогло бы более детально изучить процессы, протекающие во время полимеризации и понять природу АЦ. Кроме того, знание этих констант и влияния параметров процесса полимеризации на соотношения между различными центрами позволило бы оптимизировать процесс полимеризации с целью получения полимеров с заданными физико-химическими свойствами. Следовательно, изучение кинетической неоднородности существующих ионно-координационных каталитических систем и, в частности, расчет кинетических констант для каждого типа АЦ, имеет важное научное и практическое значение.

Целью настоящей работы является разработка методики расчета кинетических констант для каждого типа активных центров на основе метода Монте-Карло для каталитических систем Циглера-Натта в ионно-координационной полимеризации диенов.

Научная новизна. Впервые создана методика расчета кинетических констант для каждого типа активных центров в ИКПМ; рассчитаны кинетические параметры для каталитической системы NdCl3-3TBO-AlR3 с разными алюминийорганическими соединениями: триизобутилалюминий (ТИБА), триэтилалюминий (ТЭА), тригептилалюминий (ТГА), триоктилалюминий (ТОА); изучено влияние содержания компонентов каталитической системы на активность центров полимеризации разных типов.

Создана математическая модель кинетики полимеризации бутадиена на основе метода Монте-Карло.

Установлены закономерности изменения кинетической активности центров полимеризации от природы алюминийорганического компонента неодимсодержащего катализатора и условий полимеризации.

Практическая ценность. Рассчитанные кинетические константы, а также установленные закономерности изменения кинетической активности' каталитических систем при полимеризации диенов могут быть использованы в целенаправленном синтезе новых высокоэффективных катализаторов Циглера-Натта для получения полимеров с заданными молекулярными характеристиками.

Созданное программное обеспечение для нахождения кинетических констант каждого из типов АЦ может быть использовано при моделировании достаточно широкого класса полимеризационных систем.

Заключение диссертации по теме «Математическая и квантовая химия», Гатауллин, Ильшат Канзелевич

Какие выводы о кинетической неоднородности можно сделать, рассчитав константы? Наиболее заметное отличие между разными типами АЦ - это разные константы роста цепи. Мы считаем, что это является следствием различной энергетики связи металл - углерод присутствующей в каталитическом комплексе, связи, по которой идет внедрение молекулы мономера. Примечательно, что первые два и с небольшой натяжкой и третий тип АЦ увеличивают свою активность в ряду ТЭА-ТОА-ТИБА-ТГА. Четвертый тип не подчиняется этому ряду и увеличивает свою активность в ряду ТГА-ТОА-ТЭА-ТИБА.

Другое резкое отличие одного типа АЦ от других - их концентрации. Чем активнее центр, тем меньше его концентрация, что вполне соответствует логике - обычно активность частицы обратно пропорциональна ее времени жизни. В данном случае активность центра обратно пропорциональна концентрации, что, по-видимому, происходит из-за гибели АЦ. Кроме того, это соответствует законам термодинамики: чем активнее центр, тем больше его энергия, тем менее выгодно образовывать такую частицу для системы в целом. Благодаря различной концентрации каждый из типов АЦ формирует приблизительно равные фракции полимера.

При внимательном рассмотрении констант передачи цепи на мономер, можно заметить, что все они одного порядка и от центра к центру изменяются мало. Также они сравнительно одинаковы у всех исследуемых каталитических систем. Это может говорить о том, что передача цепи на мономер контролируется статистически, то есть, возможно, эта реакция происходит случайно.

Загадкой остается константа скорости передачи цепи на алюминийор-ганическое соединение: во всех случаях она уменьшается от наименее активного центра к более активному типу АЦ. Такое поведение вступает в противоречие с активностью центров. Что может быть причиной этому? Скорее всего, ответ кроется в структуре АЦ разных типов. Если принять гипотезу, предложенную многими исследователями - о том, что разные типы АЦ содержат разное количество молекул алюминийорганического соединения, которое непосредственно входит в состав комплекса АЦ, то все встает на свои места. Чем больше активность центра, тем больше молекул АОС входит в его состав. А так как молекула АОС - имеет большие алкильные заместители, то уменьшение константы, по-видимому, связано с возникающими стерически-ми затруднениями.

В этом свете поведение ка для системы ШС13'ЗТБФ-ТЭА, тоже легко поддается объяснению - этильные заместители не являются объемными и не мешают течению реакции передачи цепи, поэтому ка для всех типов АЦ этой каталитической системы приблизительно одинаковы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Создана математическая модель кинетики ионно-координационной полимеризации бутадиена, основанная на методе Монте-Карло. Модель удовлетворительно описывает экспериментальные зависимости Мп (/) и

U (t) для любого из типов активных центров. Может использоваться для расI чета как прямой - получения кривых описывающих процесс полимеризации, так и обратной кинетической задачи - расчета констант элементарных стадий полимеризации для каждого из типов активных центров. Математическая модель позволяет рассчитать следующие кинетические параметры для любого из типов активных центров: а) константу скорости роста цепи; б) константу скорости передачи цепи на мономер; в) константу скорости передачи цепи на АОС; г) концентрацию активных центров; ^

С помощью модели можно получить вид молекулярно-массового распределения в любой момент реакции, среднечисленную и средневесовую молекулярную массу, конверсию для любого типа активных центров.

Расчет констант для каждого типа активных центров предполагает наличие кривых Мл (/) и U(/) для каждого типа активных центров, а так же зависимости Мп {СА1).

Модель может использоваться для расчета кинетических параметров полимеризации на любых каталитических системах Циглера-Натта любых мономеров. Ограничение заключается в необходимости исследуемого процесса подчиняться принятым в модели допущениям.

2. Рассчитаны кинетические константы скорости элементарных стадий реакции полимеризации для каждого типа активных центров для ряда каталитических систем типа ШСЬ-ЗТБФ-АШз, рассчитаны концентрации активных центров каждого типа для исследуемых каталитических систем.

3. Исходя из экспериментально определённых ММР полибутадиена, на основе анализа конверсионных зависимостей интенсивностей пиков и положений максимумов, соответствующих различным типам активных центров получены конверсионные зависимости и статистические молекулярные характеристики фракций полимера для различных типов АЦ, а также их изменения при различных условиях полимеризации.

4. Предложено объяснение изменения рассчитанных кинетических параметров в зависимости от типа активного центра и используемого в каталитической системе алюминийорганического соединения. I

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Гатауллин, Ильшат Канзелевич, 2004 год

1. Биндер К., Хеерман Д.В. Моделирование методом Монте - Карло в статистической физике: Пер. с англ. Задкова В.Н., М.: Наука, 1995. -2. й&5ль И.М. Метод Монте Карло, М.: Наука, 1985. - 80 с.

2. Ельяшевич A.M. Моделирование молекулярной динамики с помощью электронных вычислительных машин/ Сб " Релаксационные явления в полимерах", Под ред. Бартенева Г.М. и Зеленева В., Л.: Химия, 1972.-С. 297-303.

3. Лифшица И.М., Молчанова А.М. Математические методы для исследования полимеров. Пущино, 1982. 250 с. ■

4. Fluendly М. Markov chains and Monte Carlo calculations in polymer science. New York: Marcel Dekker, 1970. p. 45-90.

5. Кучанов С.И. Методы кинетических расчетов в химии полимеров. М.:Химия, 1978.-С. 367.

6. Михайлов Г.А. Некоторые вопросы теории методов Монте-Карло. М.:Наука, 1974. 142 с.

7. Ермаков С.М., Михайлов Г.А. Курс статистического моделирования. М.:Наука, 1976.-319 с. 1

8. Lowry G.G. Markov chains and Monte Carlo calculations in polymer science. New York: Marcel Dekker, 1970. P. 257-317.

9. Подвальный Л.С. Моделирование промышленных процессов полимеризации. М.: Химия, 1979. — 256 с.

10. И. Kristina P., Reichert К.Н. Application of Monte Carlo methods for modelling of polymerization reaction. Polymer, 1999. -V. 40. P. 1054-1066.

11. Олдер Б., Хувер У. Численные методы в статической механике. Физика простых жидкостей. Под ред. Темперли Г. М.: Мир, 1971.-С.81-115. '

12. Вуд В. Исследование простых жидкостей методом Монте-Карло. Физика простых жидкостей, Под ред. Темперли Г. М.: Мир, 1971. С. 275-394.

13. Замалин В.М., Норман Г.Э., Филинов B.C. Метод Монте-Карло в статической термодинамике. М.: Наука, 1977. 288 с.

14. Хеерман Д.В. Методы компьютерного эксперимента в статической физике. Под ред. Ахманова С.А., М.: Наука, 1990. 176 с.

15. Frenkel D., Computer modelling of fluids, polymers and solids. Dortrecht: Kluwer Academic, 1990. P. 83-123

16. Broons W., Motoc I. Monte Carlo applications in polymer science. Heidelberg: Springer, 1981.-P. 1-25

17. Emsiey M., Heywood J.R. Degradation Stability. Polymer, 1995. -V. 49. -P.145.

18. O' Driscoll K.F., Kuindersma M.E. //Macromol Theory Simul, 1994. -V. 3. -P. 469.

19. Sawada H. Thermodynamics of polymerization. New York: Marcel Dekker, 1976.

20. Platkowski K. Ph. D. thesis. Germany: TU Berlin, 1996.

21. McDermott J.B., Libanati C., LaMarca M.T., Klein M.T. // Ind Engng Chem Res, 1990.-V.29. P. 22.

22. Abushita A.A., Ph. D. theasis. Germany: Universital Gesamthochschule Pad-erborn, 1996.

23. Gillespie D.T., J, Phys Chem, 1997.-V. 81. P. 2340.

24. Ширванянц Д.Г. Компьютерное моделирование гребнеобразных полимеров. Дисс. на соискание уч. ст. канд. ф.-м. наук. Тверь, 2001.

25. Набиуллин А.Р. Применение методов Монте-Карло и регуляризации Тихонова для моделирования начальной стадии радикальной полимеризации. Дисс. на соискание уч. ст. канд. ф.-м. наук. Уфа, 2000.

26. Baumgartner A. Simulation of polymer models. Application of the Monte Carlo Method in Statistical Physics, ed. Berlin K. Berlin and New Work: Springer Verlag, 1984. P. 145-180.

27. Khalatur P.G. Computer simulations of polymer systems. Mathematical methods in contemporary chemistry, ed. Kuchanov S.I. New Work: Gordon & Breach, 1996. P. 487-556.

28. Kremer K. Computer simulation of polymers. Computer simulation in chemical physics, ed. Allen. M.P. New Work: Kluwer Academic Publishers, 1993:

29. Carmesin I., Kremer K. Macromolecules, 1988. V. 21 - P. 2819-2823.

30. Bronsteing N., Semendjajew K.A., Taschenbuch der Mathematik. Leipzig: Teubner Verlagsgesellschaft, 1987.

31. Lichti G., Gilbert R.G., Napper D.H. // J. Polym Sci, Polym Chem Ed, 1980. -V. 18.-P. 1297.

32. Jun Ling, Xufeng Ni, Yifeng Zhang, Z. Shen Monte Carlo simulation of gas phase polymerization of 1,3-butadiene Part I. Modeling and programming. // Polymer, 2000. -V. 41. P. 8703-8707.

33. Giessen E. A., Szleifer I. Monte Carlo simulations of chain molecules in confined environments. // J.Chem.Phys, 1995. № 102. - V. 22.

34. Junpo Ht, Hongdong Zhang, Jingming Chenand, Y. Yang Monte Carlo Simulation of Kinetics and Chain Length Distributions in Living Free-Radical Po-lumerization. // Macromolecules, 1997. V. 30. - P. 8010-8018.

35. Muller M., Reactions at Polymer Interfaces: A Monte Carlo Simulation. // Macromolecules, 1997. V. 30. -P. 6353-6357.

36. Kumar S.K., Russell T.P., Hariharan A. Monte Carlo Simulations of the Free Surface of Polymer Melts. // Chemical Engineering Science, 1994. № 49. -V. 17.

37. D. Knodler, W. Dieterich Lattice theory of solvation in macromolecular fluids. Monte Carlo simulations, 1995. № 103. - V. 14.

38. Horia Iovu, Gheorghe Hubca, Dan Racoti, J.S. Hurst Modelling of the butadiene and isoprene polymerization processes with a binary neodymium-based catalyst.// European Polymer Journal, 1999. № 35 - c. 335-344.

39. Yury V. Kissin, Robert I. Mink, Т.Е. Nowlin, Kinetics and mechanism of ethylene homopolymerization and copolymerization reactions with heterogeneons Ti-based Ziegler-Natta catalysts. // J.Brandolini, 1999. -V. 7 P. 69-88.

40. Qi Wang, Jianhna Weng, Lin Xu, Zhigiang Fan, L. Feng. Multiple active sites model of ethylene polymerrization with the CpZrCl-aluminoxanes catalytic system.//Polymer, 1999.-V. 40.-P. 1863-1870.

41. Singgih Nitirahardjo, Sunggyu Lee, Joseph W., Miller J.R., Kinetic Modeling of Polymerization of Butadiene Using Cobalt-Based Ziegler-Natta Catalyst. // Applied Polymer Science, 1992. V. 44. - P. 837-847.

42. Honig J., Gloor P. E., Macgregor J. F., Hamielec A.E. A Mathematical Model for the Ziegler-Natta Polymerization of Butadiene. // Applied Polymer Science, 1987. V. 34. - P. 829-845.

43. Vela E., Hamielec A.E. Modelling of ethylene polymerization with CpZrC/MAO catalyst. // Polymer, 1994. № 3 5. - V. 4.

44. Soares J.B., Hamielec A.E. // Polymer, 1995. № 36. - V. 11. - P.' 2257-2263.

45. Kissin Y.V. Kinetic of olefin copolymerization with Ziegler-Natta catalysts. // Stepol'94: Int. Symp. Synth., Struct, and Ind. Aspects Stereospecif, 1994. -P. 46-47

46. Min K.W., Ray H. // Macromol. Sci. Rev. Macromol. Chem. Ed., 1980: -V. 18.-P. 1297.

47. Soares О. В., Hamielec J., Deconvolution of chain-length Distributions of Linear Polymers made by multiple-site-type catalysts. // Polymers, 1995. V. 36. - P. 2257-2263.

48. Gal van R., Tirrell M. Molecular weight distribution predictions for heterogeneous Ziegler-Natta polymerization using a two-site model. // Chem Eng. Sci, 1986. № 41. - V. 9. - P. 2385-2393.

49. Kissin Y.V. Molecular Weight Distributions of Linear Polymers: Detailed Analysis from GPC Data. Polymer Science: Part A // Polymer Chemistry, 1995.-V. 33.-P. 227-237.

50. Anna F., Luigi R., Gaetano G., Corradini P. A Possible Interpretation of the Nonlinear Propagation Rate Laws for Insertion Polymerizations: A Kinetic Model Based on a Single-Center. // Macromolecules, 1999. V. 32. -P. 2104-2109.

51. Долгоплоских Б.А., Тинякова Е.И. // Высокомолек. соед, 1994. V. 36 -№ 10-С. 1653-1679.

52. Монаков Ю.Б., Толстиков Г.А. Каталитическая полимеризация 1,3-диенов. М.: Наука, 1990. 211 с.

53. Doi Y., Takado М., Keii Т. Stereocemical structure and molecular weight distribution of polypropylenes prepared with vanadium based catalyst systems. // Makromol. Chem, 1979.-№ 180.-V. l.-P. 57-64.

54. Bussio V., Carradini P., Ferraro A., Proto A. Polymerization of propene in the presence of MgCI2-supported Ziegler-Natta catalysts. Catalyst deactivation. // Makromol. Chem, 1987.-№ 187.-V. 5.-P. 1125-1130.

55. Weber S., Chien J.C., Hu W.Y. Determination of titanium oxidation states in a MgCl2-supported Ziegler-Natta Catalysts Transit. Metals and Organometal. Catal. Olefin Polym.: Proc. Int. Symp, 1987. P. 45-53.

56. Soga K. Activity, stereospecificity and structure of Ziegler-Natta catalysts. // J. Jap. Petrol. Inst, 1987. № 30. - V. 6. - P. 359-368.

57. Сухова Т.А., Белов Т.П., Дьячковский Ф.С. Газофазная полимеризация бутена-1 на поверхности графита. // Докл. АН СССР, 1988. V. 299 - № 3 -с. 669-671.

58. Kashiwa N., Yoshitake J., Tsutsui Т. Olefin polymerization with highly active MgCb supported TiCU catalyst system: comparison on the behaviors of propylene, butene-1, ethylene and styrene polymerization. // Proc. Int. Symp. 1988.-P. 33-43.

59. Sauvet G., Moreau M., Sigwalt P. Multiplicity of active centers in the cationic polymerization of P-methoxystyrene. // Macromol. Chem. Macromol. Symp, 1986. -V. 3. P. 33-46.

60. Dandge D.K., Heller J.P, Lein C.J., Wilson K.V. Kinetics of 1-hexane polymerization. // J. Appl. Polym. Sci, 1986. № 32. - V. 6. - P. 5373-5384.

61. Dandge D.K., Heller J.P., Lien C.J., Wilson K.V. Kinetics of higher-olefin polymerization. // Amer. Chem. Soc. Polym. Prepr, 1986. № 27. - V. 1. -P. 273-274.

62. Oliva L. Isotactic polypropylene by polymerization of propene in the presence of some achiral soluble transition metal compounds and methylalumoxane. // Makromol. Chem. Rapid Commun, 1988 № 9. - V. 2. - P. 51-55.

63. Shimmel K.H., Soblimpert R., Polysiloxane. VII. Zur gezietlen Synthese von Dihydroxypolydimethilsiloxanen enger Molmassenverteilung und vorgege-benerMolmasse. //PlasteundKautsch, 1988. -№35.-V. 2.-P. 37-40.

64. Визен Е.И., Якобсон Ф.И. Молекулярно-массовое распределение изотак-тического полипропилена, полученного в условиях "квази-живой" полимеризации.// Высокомолек. соед, 1978. V. 20 - № 4 - С. 927.

65. Bohm L.L., Berthold J., Franke R., Stobel W., Woltmeier U. Ziegler polymerization of ethylene: catalyst design and molecular mass distribution. // Amer. Chem. Soc. Polym. Prepr, 1985. № 26. - V. 2. - P. 374.

66. Злотников Л.М., Парамонков E.A.,. Пономарева Е.Л., Григорьев В.А. Регулирование ММ полиэтилена при растворной полимеризации этилена. // Высокомолек. соед, 1988. V. 30 - № 5 - С. 342-343.

67. Savamoto M., Fujimori J., Hagashimura T. Living cationic polymerization of N-vinylcarbazole initiated by hydrogen iodide. // Macromol, 1987. № 20. -V. 5. -P. 916-920.

68. Hayashi Т., Inou Y., Chujo R. Ethylene-propylene copolymerization mecha-nizm based on the sequence distributions determinated by 13C NMR spectra. //Macromol, 1988. № 21. - V. 11. - P. 3139-3146.

69. Cheng H.N., Kakugo M. 13C NMR analysis of compositional heterogeneity in ethelene-propylene copolymers. // Macromol, 1991. № 24. - V. 8. - P. 17241776.

70. Gozewith C., Interpretation of 13C NMR sequence distribution for ethelene-propylene copolymers made with heterogeneous catalysts. //Macromol, 1987. № 20. V. 6. - P. 1237-1244.

71. Багдасарьян X.C. Кинетика радикальной полимеризации. M.: Изд. АН, 1959.-298 с.

72. Френкель С. Введение в статистическую теорию полимеризации. М.: Наука, 1965. 268 с.

73. Берлин А.А., Вольфсон С.А., Ениколопян Н.С. Кинетика полимеризаци-онных процессов. М.: Химия, 1978. 268 с.

74. Бемфорд К., Барб У., Дженкинс А., Оньон П. Кинетика радикальной полимеризации виниловых соединений. М.: Изд. ин. Лит, 1961. 348 с.

75. Гладышев Г.П., Гибов К.М. Полимеризация при глубоких степенях превращения и методы ее исследования. Алма-Ата: Наука, 1968. 144 с.

76. Гладышев Т.П., Попов В.А. Радикальная полимеризация при глубоких степенях превращения. Москва: Наука, 1974. 243 с.

77. Таганов Н.Г. //Высокомолек. соед. 1981. Т.23 - № 12 - С. 2772.

78. Бартенев Г.М., Френкель С. Физика полимеров. Ленинград: Химия, 1990. -432 с.

79. Рафиков С.Р., Будтов В.П., Монаков Б. Введение в физико-химию растворов полимеров. М.: Химия, 1978. 328 с.

80. Будтов В.П., Зотиков Э.Г., Пономарева Е.Л., Гандельсман М.И. Определение функции распредиления по кинетической активности каталитической системы.// Высокомолек. соед, 1985. V. 27 - № 5 - С. 1094-1097.

81. Верлань А.Ф., Сизиков B.C. Интегральные уравнения: методы, алгоритмы, программы (справочное пособие). Киев: Наукова думка, 1986. 543 с.

82. Тихонов А.Н., Арсенин В. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1986. 288 с.

83. Тихонов А.Н., Гончарский А.В., Степанов В.В., Ягола А.Г. Численные методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1990. 232 с.

84. Усманов Т.С. Кинетическая неоднородность активных центров неодимо-вых каталитических систем при полимеризации диенов. Дисс. на соискание уч. ст. канд. хим. наук. Уфа, 2000.

85. Усманов Т.С., Сигаева Н.Н., Набиуллин А.Р., Усманов С.М. Учет приборного уширения гель храматограмм. - Резонансные и нелинейные явления в конденсированных средах. Уфа: БГУ, 1999. - С. 37.

86. Оудиан Д. Основы химии полимеров. М.: Мир, 1974. 396 с.

87. Максютова Э.Р. Кинетические модели ионно-координационной полимеризации диенов. Дисс. на соискание уч. ст. канд. ф.-м. наук. Уфа, 2003.

88. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс. М: Радио и связь, 1980. -128 с.