聚乙烯催化劑中四氫呋喃的配位狀態

殷 杰，姜健準

（中國石化 北京化工研究院，北京 100013）

鈦系催化劑是聚烯烴催化劑體系中的主要組分，為提高活性一般還在催化劑體系中添加氯化鎂等鎂化合物或載體作為活化成分。隨著科技水平的提高，越來越多的科研人員開始關注催化劑內部結構及各組分相互作用的機理，但由于催化劑組分復雜、對環境敏感，因此缺乏很好的分析手段，尤其是對催化劑體系無損的表征手段，對催化劑相關組分、配位構型及與催化劑性能之間的關系進行研究。中國石化北京化工研究院開發了許多處于國內外領先地位的聚烯烴催化劑［1-4］，其中，具有自主專利技術的BCS型漿液催化劑是由鈦鎂化合物、四氫呋喃（THF）等組分形成的絡合物［5-7］。該催化劑中THF與Mg，Ti金屬的配位狀態及構型一直缺乏一種有效的表征分析手段，影響了催化劑配位構型的推斷及與催化性能的關聯。固體NMR是表征固體材料的微觀結構、分子動力學及相容性的重要手段，該方法為不能用溶劑溶解或溶解后結構或配位形態發生改變的體系的結構表征提供了可能。其中，13C交叉極化/魔角旋轉（CP/MAS）NMR技術在固態材料的分析中應用廣泛［8］，該方法可以實現從富核到稀核的極化轉移，從而節約實驗時間及提高譜圖信噪比，但無法提供被測材料中各基團的定量信息。基于互易定理的定量交叉極化（QCP）NMR方法［9］與使用單脈沖定量方法相比縮短了實驗時間，可以實現固態材料中化學基團的定量信息，但該方法未應用于催化劑配位結構的研究。

本工作以BCS催化劑為研究對象，利用固體QCP/MAS NMR技術對催化劑中THF與Mg，Ti金屬的配位狀態進行了定量表征，推測了配位構型；對比分析了經烷基鋁化合物處理的系列催化劑的配位含量差異，有望成為預測催化劑活性中心數量的直接方法，并可建立THF-Ti百分比與活性中心數量及聚合產品直接的關聯。

1 實驗部分

1.1 儀器與原料

BCS及經烷基鋁化合物處理的系列催化劑BCS/一氯二乙基鋁（DC），BCS/三正已基鋁（T3），BCS/T3-DC：北京化工研究院自制［1］。

固體13C NMR在Bruker公司Avance Ⅲ 400M型固體核磁共振波譜儀上進行，1H的共振頻率為400.25 MHz，13C的共振頻率100.66 MHz，實驗所用 4 mm轉子，轉速為8 kHz。

1.2 表征條件

13C CP/MAS NMR 測試：1H 90°脈寬 4.5 μs，循環延遲時間4 s，CP時間2 ms。QCP/MAS NMR測試：1H 90°脈寬4.0 μs，循環延遲時間5 s，CP時間2 ms，交叉極化接觸時間（tCP）和交叉去極化接觸時間（tCDP）均為300 μs。以金剛烷為校準化學位移（δ）的參比試樣。

1.3 QCP/MAS NMR測試

QCP/MAS NMR測試所用脈沖序列見圖1［9］，以I表示富核，S表示稀核。當接觸時間（t）滿足遠小于弛豫時間（T1ρ）時可忽略其影響，CP和交叉去極化（CDP）之間滿足互易關系，即CP（t）+CDP（t）=1。對于試樣中的某種官能團，通過測定其tCDP=0的信號強度，確定其起始信號強度，之后測定tCDP=t的信號強度，由式（1）計算t時刻下CP的增強因子（?），在得到不同官能團峰的增強因子后，采集tCP=t的CP/MAS譜圖，得到各官能團峰的信號強度（PICP），由式（2）即得t時刻下CP的實際信號強度（WPI）。利用上述各官能團實際的信號強度，即可得到不同峰之間的定量關系［10］。

式中，CDP1和CDP0分別為去極化時間為t和0；γH/γC為氫核與碳核的旋磁比，3.98。

圖1 QCP實驗所用的CP（a）及CDP（b）脈沖序列Fig.1 Cross polarization(CP)(a) and cross depolarization CDP(b) used in quantitative cross polarization(QCP) pulse sequences.I：rich nuclear；S：dilute nuclear；tCP：the cross polarization time in CP；tCT：the cross polarization time in CDP；td：the dephasing time；tCDP：the depolarization time in CDP.

2 結果與討論

2.1 BCS催化劑的13C CP/MAS NMR 表征

BCS催化劑為鈦系催化體系，活性成分主要由鈦鎂化合物和THF等組成，通過配成一定濃度的礦物油溶液，實現反應器的淤漿態進料［11］。圖2為BCS催化劑的13C CP/MAS NMR譜圖。根據催化劑制備時加入的有機化合物原料種類，其分子結構中的有機組分應該只有THF，即只有兩種化學環境的碳，所以13C NMR信號應該有兩個出峰位置：δ為26.2處的亞甲基碳和69.6處的亞甲氧基碳。而從圖2可看出，除了兩處尖銳的主峰外，每處峰的左側均有一處鼓包峰，如箭頭所示。

圖3為THF與不同金屬混合后化合物的13C CP/MAS NMR的譜圖。從圖3可看出，THF中兩組碳官能團的δ為67.6，25.7；THF/MgCl2體系中THF的氧原子與MgCl2的絡合作用導致δ向低場略有移動，且由于體系中配位構型的存在，亞甲基和亞甲氧基中每組碳的δ各向異性導致它們不再表現為單峰，而表現為δ=69.9，69.5，69.2的三組峰和δ=26.4，25.8的二組峰；THF/TiCl4體系中THF與TiCl4的絡合作用強于THF/MgCl2體系，使得亞甲基和亞甲氧基中每組碳向低場位移更明顯，尤其是直接發生絡合作用的亞甲氧基碳，表現為δ=78.7，76.5的二組峰，比THF/MgCl2體系中的亞甲氧基碳的δ多8.1，亞甲基碳表現為δ=27.5，26.7的二組峰。從峰型看，THF/TiCl4體系和THF/MgCl2體系應該有不同的配位構型。對比THF/MgCl2，THF/TiCl4，BCS催化劑的出峰位置可看出，BCS催化劑主峰位置和THF/MgCl2體系重合，而主峰左側兩處鼓包位置（圖2箭頭處）與THF/TiCl4重合。因此，可以把BCS催化劑中THF的碳信號分別歸屬為與金屬Ti配位和與金屬Mg配位兩部分，THF與兩種金屬配位的定量數據解析將有助于構建BCS催化劑的配位模型。

圖2 BCS催化劑的13C CP/MAS NMR譜圖Fig.2 13C CP/MAS NMR spectra of BCS catalyst.

圖3 THF與不同化合物混合的13C CP/MAS NMR譜圖Fig.3 13C CP/MAS NMR spectra of tetrahydrofuran(THF) mixed with different compounds.

2.2 CP和CDP動力學曲線的建立

BCS催化劑在8 kHz MAS轉速下選取接觸時間t在0～400 μs之間的12個數據點采集QCP/MAS NMR譜圖中碳信號強度隨CP接觸時間的變化，在接觸時間比較短的tCDP=0.1 μs處進行歸一化，所得數據見表1［12-13］。分別在該時間下采集CP（t）和CDP（t）的MAS NMR譜圖，建立催化劑碳信號的CP和CDP動力學曲線（見圖4）。從圖4可看出，在0～400 μs區間內CP和CDP有很好的對稱性，CP（t）和CDP（t）的加和Sum（t）約等于1，當接觸時間大于300 μs后表現出少量衰減，說明在300 μs范圍內，可以不考慮T1ρ的影響，因此在用QCP/MAS NMR考察BCS催化劑體系時，接觸時間設定在300 μs以內。

表1 BCS催化劑在不同CP/CDP接觸時間下的實驗數據Table 1 Experimental data of CP and CDP with different contact time(t)

圖4 BCS催化劑中δ=70～90處碳信號在不同接觸時間下的CP和CDP動力學歸一化曲線Fig.4 CP and CDP dynamics normalization curves of carbon signals in BCS catalyst under different contact time at δ=70-90.

2.3 應用QCP/MAS NMR測定BCS催化劑的配位狀態

以BCS為目標催化劑的QCP/MAS NMR測試由采集 CDP 時間分別為 300 μs和 0.1 μs、CP 時間為300 μs的三組譜圖組成。如圖5所示，選取δ=12～38及56～86兩個區間段的譜圖，按照官能團及其與Mg，Ti配位后δ的差異對譜圖中峰型重疊部分進行分峰擬合處理，將CDP（t）歸一化，代入式（1）得到不同含碳官能團的增強因子，由增強因子及式（2）可計算出CP的實際信號強度，從而推算不同含碳官能團的歸一化摩爾比，實驗結果見表2。

圖5 BCS催化劑的13C CP/MAS和13C CDP/MAS NMR譜圖Fig.5 13C CP/MAS and 13C CDP/MAS NMR spectra of BCS catalyst.(a) 300 μs polarization time；(b) 0.1 μs depolarization time；(c) 300 μs depolarization time

表2 BCS催化劑的QCP方法定量結果Table 2 Quantitative results of BCS catalyst by QCP method

如表2所示，QCP方法定量結果歸一化后發現，δ=56～86區域的亞甲氧基與Ti和Mg發生絡合的摩爾比為1∶12.6，δ=12～38區域的亞甲基與Ti和Mg發生絡合的摩爾比為1.29∶12.9，即THF在催化劑中與不同金屬絡合的摩爾總量比n（THF/Ti）∶n（THF/Mg）約為 1∶13。已知該催化劑的Mg/Ti摩爾比為6∶1，因此催化劑中與單個Mg直接絡合的THF和與單個Ti直接絡合的THF分子個數比約為2∶1，據此可推斷催化劑的配位模型如圖6所示，即在模型單元中除與氯元素鍵合外，1個Ti與1個THF配位，對應1個Mg與2個THF配位。該方法可為后續進一步研究催化機理及催化劑的改進提供參考。

2.4 經烷基鋁化合物處理的BCS系列催化劑的定量結果對比

BCS催化劑活性成分主要包括THF和Mg，Ti化合物等，在實際生產中，需要用一定濃度的礦物油稀釋。為降低原漿單獨使用的活性，進料時原漿要與DC、T3進行預還原，形成工業生產所需的漿液催化劑；注入反應器后，還需要根據一定的比例注入助催化劑三乙基鋁（T2）在線還原。催化劑經T3和DC預還原后，Ti含量、Ti活性位點的配位狀態、Mg/Ti金屬周圍的THF含量等催化劑的核心成分都在發生變化；而T3、DC的進料量與原漿的不同比率，也影響催化劑的活性及聚乙烯樹脂產品的牌號。因此，研究還原后催化劑中THF與Mg，Ti的配位狀態及含量的變化，確定合適的配位含量對計算催化劑的活性、催化劑用量、提高產品質量等具有實際應用價值。

選取加入不同還原劑的催化劑BCS/DC，BCS/T3，BCS/T3-DC，考察它們經烷基鋁化合物還原后，體系中THF與Mg，Ti絡合狀態的變化，不同催化劑的13C CP/MAS NMR譜圖見圖7。

圖6 BCS催化劑可能的配位構型Fig.6 Possible coordination con fi guration of BCS catalyst.

圖7 加入不同還原劑的BCS系列催化劑的13C CP/MAS NMR譜圖Fig.7 13C CP/MAS NMR spectra of BCS series catalysts with different reducing agents.

從圖7可看出，在實驗參數相同的情況下，各基團的含量發生明顯變化。因在工業應用實驗中，催化劑要用礦物油溶液稀釋，而如圖8所示，礦物油的碳譜δ在0～50區間段，與BCS催化劑亞甲基官能團δ在12～38區域的碳譜有重合，為避免對譜圖分峰擬合及定量結果造成影響，故該組催化劑以δ為56～86區段的亞甲氧基進行后續定量實驗。按照2.3節所述方法分別采集CDP時間分別為 300 μs和 0.1 μs、CP 時間為 300 μs的三組譜圖，將每組譜圖分峰擬合計算還原后催化劑中亞甲氧基官能團的增強因子，確定THF在催化劑中與不同金屬絡合的摩爾定量關系，結果見表3～4。從表4可看出，BCS，BCS/DC，BCS/T3，BCS/T3-DC中THF與不同金屬絡合的摩爾總量比 n（THF/Ti）∶n（THF/Mg）分別為 1∶12.6，1∶8.03，1∶10.32，1∶2.85，若換算成每種配位狀態占總THF的質量百分比，則THF/Ti的質量分數占總THF的含量分別為7.35%，11.07%，8.83%，25.97%。該質量分數乘以THF在催化劑中的含量，即可得到催化劑中THF/Ti在總催化劑中的占比。因此，該方法可以在進行聚合反應之前推斷烷基化后活性中心形成的數量，有望成為預測催化劑活性中心數量的計算方法，在實際工藝生產中具有應用價值。

圖8 礦物油（a）與BCS催化劑（b）的13C CP/MAS NMR對比譜圖Fig.8 13C CP/MAS NMR spectra of mineral oil(a)and BCS catalyst(b).

表3 加入不同還原劑的BCS系列催化劑的QCP方法定量結果Table 3 Quantitative results of BCS series catalysts with different reducing agents by QCP method

表4 加入不同還原劑的BCS系列催化劑中THF的定量比例結果Table 4 Quantitative ratio results of THF in BCS series catalysts with different reducing agents

3 結論

1）BCS催化劑中THF的碳信號分別歸屬為與金屬Ti配位和與金屬Mg配位兩部分，THF與兩種金屬配位的定量數據解析將有助于構建BCS催化劑的配位模型。

2）建立催化劑碳信號的CP和CDP動力學曲線，應用QCP/MAS NMR測定BCS催化劑的配位狀態。該方法具有一定的創新性，且不破壞催化劑的配位構型，也不需要對試樣進行特殊處理，有廣泛的實際應用價值。

3）對比分析了經不同烷基鋁化合物處理的BCS催化劑的配位含量差異，該方法可以在進行聚合反應之前推斷烷基化后活性中心形成的含量，有望用于預測催化劑活性中心及產品的指標，并可建立THF-Ti百分比與活性中心數量及聚合產品的直接關聯。