Video- und elektronenmikroskopische Untersuchungen der Olefinpolymerisation mit trägerfixierten Katalysatorsystemen

Diese Arbeit widmet sich der video- und elektronenmikroskopischen Untersuchungen der Olefinpolymerisation mit trägerfixierten Katalysatorsystemen. Untersucht wurden sowohl klassische Ziegler-Katalysatoren als auch Metallocen-Katalysatoren, heterogenisiert auf porösem Fällungskieselgel (Silica). Die rasterelektronenmikroskopische Untersuchung der Katalysatorsysteme zeigt die meist sphärische Partikelmorphologie bei einem Korndurchmesser von ca. 70 µm. Mit Hilfe der Transmissionselektronenmikroskopie konnten die ca. 10 nm großen "Primärpartikel", aus denen das Silica aufgebaut ist, abgebildet werden. Energieaufgelöste Röntgenspektroskopie diente zur Messung der teils inhomogenen Verteilung der Aktivkomponenten des Katalysatorsystems auf und im Volumen des Trägermaterials. Diese Informationen wurden mit dem Polymerisationsverhalten in Suspensions-, Gasphasen- und Massepolymerisationen verglichen. Um das Fragmentieren des Trägermaterials zu untersuchen, wurden Polymerisationen zu gezielten Zeitpunkten abgebrochen und die resultierenden Polymerproben elektronenmikroskopisch untersucht. Die Ergebnisse führten zu einem umfassenden polymer growth and particle expansion model, dessen zentrale Aussagen sind: Die Katalysatorpartikel sind als diskrete Mikroreaktoren zu betrachten. Die Polymerisation beginnt an den aktiven Zentren an der Oberfläche dieser Partikel, nachfolgend fragmentieren die hydraulischen Kräfte des gebildeten Polymers dann das Trägermaterial von außen nach innen fortschreitend. Nach diesem Abbau erfolgt eine Partikelexpansion auf das zehn- bis hunderttausendfache des Katalysatorvolumens. Mathematisch gelingt die Simulation durch Annahme einer sukzessiven schalenförmigen Fragmentierung des Katalysatorträgers. Die Gültigkeit des unter milden Modellbedingungen erarbeiteten polymer growth and particle expansion model auf Polymerisationen unter industriell üblichen deutlich drastischeren Polymerisationsbedingungen wird experimentell bewiesen. Die Anwendbarkeit des anhand von Metallocen-Katalysatoren entwickelten Modells auch auf die Polymerisation mit auf Silica geträgerten Ziegler-Katalysatoren wird belegt. Etablierte kinetische Untersuchungsmethoden messen stets das integrale Polymerisationsverhalten einer großen Anzahl von Partikeln. In der elektronenmikroskopischen Untersuchung zeigt sich aber teilweise ein sehr individuelles Fragmentierungsverhalten einzelner Katalysatorpartikel. Diese Diskrepanz führte zum Aufbau einer Pilotanlage zur in situ videomikroskopischen Analyse von Gasphasenpolymerisationen unter variablem Monomergasdruck als weiteren wichtigen Bestandteil dieser Arbeit. Herzstück der Anlage ist ein Fensterautoklav mit etwa 50 ml Volumen und einer Druckfestigkeit bis 160 bar. Der Fensterautoklav wird mit wenigen Mikrogramm Katalysator beladen und unter einen Lichtmikroskop mit hochauflösender CCD-Kamera positioniert. Das Anwachsen der einzelnen Katalysatorpartikel während der Polymerisation wird in einer Bildsequenz dokumentiert und mittels digitaler Bildverarbeitung ausgewertet. Man erhält die Polymerisationskinetik vieler individueller Polymerpartikel. Die Leistungsfähigkeit dieses innovativen Verfahrens zur mikrokinetischen Analyse der Polymerisationen von Einzelkörnern konnte anhand der Untersuchung eines breiten Spektrums von Katalysatorsystemen belegt werden. Das Verfahren erlaubt erstmals, die Auswertung der individuellen Polymerisationsgeschwindigkeit einzelner Partikel und ist im Vergleich zu konventionellen, integralen Methoden wie der thermischen Massendurchflussmessung zur Messung des Monomergasverbrauchs um etwa 4 Zehnerpotenzen empfindlicher. Bedingt durch die hohe Empfindlichkeit, den geringen Katalysatorbedarf und eine prinzipiell auf weit über 50 Kanäle ausbaubare Parallelisierung bietet sich die Methode z. B. auch für die Katalysatoroptimierung mit Methoden der kombinatorischen Chemie an. Mit Hilfe der in situ Videomikroskopie konnte erstmals direkt gezeigt werden, dass das Verhalten der Einzelpartikel während der Polymerisation sehr individuell ist. So wurde beobachtet, dass große Partikel schneller Expandieren als kleinere. Eine Erklärung hierfür ist ein stärkerer Temperaturanstieg innerhalb der großen Partikel infolge der exothermen Polymerisationsreaktion. Weitere Ursachen eines abweichenden Polymerisationsverhaltens ließen sich mit Hilfe von ex situ elektronenmikroskopischen Untersuchungen belegen. Hier konnte die Trägerfragmentierung anhand von Partikeln mit bekannter Individualkinetik untersucht werden.