Catalisadores Ziegler-Natta (Z-N) de 4ª geração são preparados com suporte de dicloreto de magnésio com morfologia controlada, obtidos a partir de adutos etanólicos de dicloreto de magnésio (MgCl2.nEtOH). O objetivo deste trabalho foi otimizar o balanço entre as variáveis independentes concentração de reagentes, velocidade de agitação da emulsão e pressão de transferência, na preparação do aduto com controle morfológico. Os adutos etanólicos com controle da morfologia esférica foram preparados pela transferência controlada do aduto fundido a 125 ºC e precipitação por resfriamento brusco (quenching) em não-solvente a – 50 ºC, utilizando o método Controlled Turbulence Emulsion Method (CTEM). A ativação do MgCl2.nEtOH foi feita pela rota química para remoção do etanol e consequente aumento da área superficial do suporte. Os adutos foram preparados com razão molar EtOH/MgCl2 de 3,5 ou 63% (p/p) de etanol. Os experimentos foram realizados segundo planejamento fatorial 23 a dois níveis e ponto central replicado. As variáveis dependentes foram o diâmetro médio e distribuição de tamanho das partículas do suporte, densidade aparente compactada, morfologia e teor de álcool incorporado no aduto. Os catalisadores Z-N’s foram obtidos a partir dos suportes tratados com TiCl4 e um doador de elétrons interno, e testados em polimerização padrão de propileno. Foi observado que o controle do tamanho (diâmetro médio) da partícula do suporte é altamente dependente da velocidade de transferência, controlada pela pressão no reator de fusão. A concentração do reagente ([MgCl2]) teve efeito significativo nas quatro variáveis dependentes. A velocidade de agitação no reator de fusão ou da emulsão do aduto fundido teve efeito significativo somente na morfologia do suporte, sendo este efeito menor que o observado para a pressão de transferência. A velocidade de agitação não teve significância no processo de transferência CTEM, sendo este mais suscetível a variação da pressão no reator. / 4th Generation Ziegler-Natta catalysts (Z-N catalysts) are prepared with magnesium dichloride support with controlled morphology, obtained from ethanolic adducts of magnesium dichloride (MgCl2.nEtOH). The objective of this work was to optimize the balance between the independent variables reagent concentration, emulsion agitation speed and transfer pressure, in the preparation of the adduct with morphological control. The ethanolic adducts with spherical morphology control were prepared by controlled transfer of the molten adduct at 125 °C and quenching in nonsolvent at - 50 °C using the Controlled Turbulence Emulsion Method (CTEM). The activation of MgCl2.nEtOH was done by chemical route to remove the ethanol and consequently increase the surface area of the support. The adducts were prepared with EtOH/MgCl2 molar ratio of 3.5 or 63% (w/w) ethanol. The experiments were performed according to factorial design 23 at two levels and replicated central point. The dependent variables were the mean diameter and particle size distribution of the carrier, compacted bulk density, morphology and alcohol content incorporated in the adduct. The Z-N’s catalysts were obtained from TiCl4-treated media and an internal electron donor, and tested in standard polypropylene polymerization. It has been observed that size control (median diameter) of the carrier particle is highly dependent on the transfer rate, controlled by the pressure in the fusion reactor. The concentration of the reagent ( [MgCl2] ) had a significant effect on the four dependent variables. The stirring rate in the melt reactor or the cast adduct emulsion had significant effect only on the morphology of the support, this effect being smaller than that observed for the transfer pressure. The stirring speed was not significant in the CTEM transfer process, which is more susceptible to pressure variation in the reactor.

Catalisadores Ziegler-Natta (Z-N) de 4ª geração são preparados com suporte de dicloreto de magnésio com morfologia controlada, obtidos a partir de adutos etanólicos de dicloreto de magnésio (MgCl2.nEtOH). O objetivo deste trabalho foi otimizar o balanço entre as variáveis independentes concentração de reagentes, velocidade de agitação da emulsão e pressão de transferência, na preparação do aduto com controle morfológico. Os adutos etanólicos com controle da morfologia esférica foram preparados pela transferência controlada do aduto fundido a 125 ºC e precipitação por resfriamento brusco (quenching) em não-solvente a – 50 ºC, utilizando o método Controlled Turbulence Emulsion Method (CTEM). A ativação do MgCl2.nEtOH foi feita pela rota química para remoção do etanol e consequente aumento da área superficial do suporte. Os adutos foram preparados com razão molar EtOH/MgCl2 de 3,5 ou 63% (p/p) de etanol. Os experimentos foram realizados segundo planejamento fatorial 23 a dois níveis e ponto central replicado. As variáveis dependentes foram o diâmetro médio e distribuição de tamanho das partículas do suporte, densidade aparente compactada, morfologia e teor de álcool incorporado no aduto. Os catalisadores Z-N’s foram obtidos a partir dos suportes tratados com TiCl4 e um doador de elétrons interno, e testados em polimerização padrão de propileno. Foi observado que o controle do tamanho (diâmetro médio) da partícula do suporte é altamente dependente da velocidade de transferência, controlada pela pressão no reator de fusão. A concentração do reagente ([MgCl2]) teve efeito significativo nas quatro variáveis dependentes. A velocidade de agitação no reator de fusão ou da emulsão do aduto fundido teve efeito significativo somente na morfologia do suporte, sendo este efeito menor que o observado para a pressão de transferência. A velocidade de agitação não teve significância no processo de transferência CTEM, sendo este mais suscetível a variação da pressão no reator. / 4th Generation Ziegler-Natta catalysts (Z-N catalysts) are prepared with magnesium dichloride support with controlled morphology, obtained from ethanolic adducts of magnesium dichloride (MgCl2.nEtOH). The objective of this work was to optimize the balance between the independent variables reagent concentration, emulsion agitation speed and transfer pressure, in the preparation of the adduct with morphological control. The ethanolic adducts with spherical morphology control were prepared by controlled transfer of the molten adduct at 125 °C and quenching in nonsolvent at - 50 °C using the Controlled Turbulence Emulsion Method (CTEM). The activation of MgCl2.nEtOH was done by chemical route to remove the ethanol and consequently increase the surface area of the support. The adducts were prepared with EtOH/MgCl2 molar ratio of 3.5 or 63% (w/w) ethanol. The experiments were performed according to factorial design 23 at two levels and replicated central point. The dependent variables were the mean diameter and particle size distribution of the carrier, compacted bulk density, morphology and alcohol content incorporated in the adduct. The Z-N’s catalysts were obtained from TiCl4-treated media and an internal electron donor, and tested in standard polypropylene polymerization. It has been observed that size control (median diameter) of the carrier particle is highly dependent on the transfer rate, controlled by the pressure in the fusion reactor. The concentration of the reagent ( [MgCl2] ) had a significant effect on the four dependent variables. The stirring rate in the melt reactor or the cast adduct emulsion had significant effect only on the morphology of the support, this effect being smaller than that observed for the transfer pressure. The stirring speed was not significant in the CTEM transfer process, which is more susceptible to pressure variation in the reactor.

Catalisadores Ziegler-Natta (Z-N) de 4ª geração são preparados com suporte de dicloreto de magnésio com morfologia controlada, obtidos a partir de adutos etanólicos de dicloreto de magnésio (MgCl2.nEtOH). O objetivo deste trabalho foi otimizar o balanço entre as variáveis independentes concentração de reagentes, velocidade de agitação da emulsão e pressão de transferência, na preparação do aduto com controle morfológico. Os adutos etanólicos com controle da morfologia esférica foram preparados pela transferência controlada do aduto fundido a 125 ºC e precipitação por resfriamento brusco (quenching) em não-solvente a – 50 ºC, utilizando o método Controlled Turbulence Emulsion Method (CTEM). A ativação do MgCl2.nEtOH foi feita pela rota química para remoção do etanol e consequente aumento da área superficial do suporte. Os adutos foram preparados com razão molar EtOH/MgCl2 de 3,5 ou 63% (p/p) de etanol. Os experimentos foram realizados segundo planejamento fatorial 23 a dois níveis e ponto central replicado. As variáveis dependentes foram o diâmetro médio e distribuição de tamanho das partículas do suporte, densidade aparente compactada, morfologia e teor de álcool incorporado no aduto. Os catalisadores Z-N’s foram obtidos a partir dos suportes tratados com TiCl4 e um doador de elétrons interno, e testados em polimerização padrão de propileno. Foi observado que o controle do tamanho (diâmetro médio) da partícula do suporte é altamente dependente da velocidade de transferência, controlada pela pressão no reator de fusão. A concentração do reagente ([MgCl2]) teve efeito significativo nas quatro variáveis dependentes. A velocidade de agitação no reator de fusão ou da emulsão do aduto fundido teve efeito significativo somente na morfologia do suporte, sendo este efeito menor que o observado para a pressão de transferência. A velocidade de agitação não teve significância no processo de transferência CTEM, sendo este mais suscetível a variação da pressão no reator. / 4th Generation Ziegler-Natta catalysts (Z-N catalysts) are prepared with magnesium dichloride support with controlled morphology, obtained from ethanolic adducts of magnesium dichloride (MgCl2.nEtOH). The objective of this work was to optimize the balance between the independent variables reagent concentration, emulsion agitation speed and transfer pressure, in the preparation of the adduct with morphological control. The ethanolic adducts with spherical morphology control were prepared by controlled transfer of the molten adduct at 125 °C and quenching in nonsolvent at - 50 °C using the Controlled Turbulence Emulsion Method (CTEM). The activation of MgCl2.nEtOH was done by chemical route to remove the ethanol and consequently increase the surface area of the support. The adducts were prepared with EtOH/MgCl2 molar ratio of 3.5 or 63% (w/w) ethanol. The experiments were performed according to factorial design 23 at two levels and replicated central point. The dependent variables were the mean diameter and particle size distribution of the carrier, compacted bulk density, morphology and alcohol content incorporated in the adduct. The Z-N’s catalysts were obtained from TiCl4-treated media and an internal electron donor, and tested in standard polypropylene polymerization. It has been observed that size control (median diameter) of the carrier particle is highly dependent on the transfer rate, controlled by the pressure in the fusion reactor. The concentration of the reagent ( [MgCl2] ) had a significant effect on the four dependent variables. The stirring rate in the melt reactor or the cast adduct emulsion had significant effect only on the morphology of the support, this effect being smaller than that observed for the transfer pressure. The stirring speed was not significant in the CTEM transfer process, which is more susceptible to pressure variation in the reactor.

The objective of this work is to develop mathematical models to predict molecular weight distributions (MWDs) of ethylene copolymers produced in an industrial gas-phase reactor using a Ziegler-Natta (Z-N) catalyst. Because of the multi-site nature of Z-N catalysts, models of Z-N catalyzed copolymerization tend to be very large and have many parameters that need to be estimated. It is important that the data that are available for parameter estimation be used effectively, and that a suitable balance is achieved between modeling rigour and simplification. In the thesis, deconvolution analysis is used to gain an understanding of how the polymer produced by various types of active sites on the Z-N catalyst responds to changes in the reactor operating conditions. This analysis reveals which reactions are important in determining the MWD and also shows that some types of active sites share similar behavior and can therefore share some kinetic parameters. With this knowledge, a simplified model is developed to predict MWDs of ethylene/hexene copolymers produced at 90 °C. Estimates of the parameters in this isothermal model provide good initial guesses for parameter estimation in a subsequent more complex model. The isothermal model is extended to account for the effects of butene and temperature. Estimability analysis and cross-validation are used to determine which parameters should be estimated from the available industrial data set. Twenty model parameters are estimated so that the model provides good predictions of MWD and comonomer incorporation. Finally, D-, A-,and V-optimal experimental designs for improving the quality of the model predictions are determined. Difficulties with local minima are addressed and a comparison of the optimality criteria is presented. / Thesis (Ph.D, Chemical Engineering) -- Queen's University, 2009-05-28 20:43:58.37

Cílem této práce bylo prostudovat vliv předpolymerace na vybraný komerční MgCl2–nosičový TiCl4 katalyzátor (tzv. Zieglerův-Nattův). Výsledkem práce bylo nalezení optimálních podmínek, které umožní ideálně využít této techniky k modifikaci struktury a morfologie zvoleného katalyzátoru a dosažení stabilnějšího průběhu polymerace a lepších vlastností produkovaného polypropenu. U předpolymerací byl studován vliv teploty, koncentrace triethylhliníkového kokatalyzátoru a externího donoru, množství polyolefinu syntetizovaného během předpolymerace (tzv. stupeň předpolymerace) na následné chování předpolymerovaného katalyzátoru při plynofázní polymeraci propenu.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nesta Dissertação foi utilizado um sistema catalítico Zieger-Natta à base de neodímio para avaliar a influência do agente de halogenação e da razão molar halogênio:Nd sobre a atividade catalítica, a constante de velocidade de propagação, a conversão da polimerização, a microestrutura, a massa molecular e a polidispersão do polibutadieno 1,4-cis. O sistema utilizado era constituído por versatato de neodímio (NdV), hidreto de diisobutilalumínio (DIBAH) e um agente de halogenação. Os agentes halogenantes estudados foram: cloreto de t-butila (t-BuCl), sesquicloreto de etilalumínio (EASC) e cloreto de dietilalumínio (DEAC), em valores de razão molar Cl:Nd que variaram entre 0,5:1 e 5:1 e o dietil-eterato de trifluoreto de boro (BF3.Et2O), na razão molar F:Nd = 3:1. Os polímeros foram caracterizados por espectroscopia na região do infravermelho para determinação da microestrutura e por cromatografia de exclusão por tamanho para determinação das massas moleculares. O teor de unidades 1,4-cis variou de 90 a 98%, a massa molecular numérica média ( ) permaneceu na faixa entre 0,2 e 2x105, e a massa molecular ponderal média ( ) variou de 1,4 a 4x105 / In this Dissertation a catalyst system based on neodymium was employed to evaluate the influence of halogen source and the halogen:Nd molar ratio on the catalyst activity, polymerization constant rate, polymerization conversion, molecular weight characteristics and microstructure of polybutadiene. The catalyst systems were formed by diisobutylaluminium hydride (DIBAH), neodymium versatate (NdV) and a halogen source. The halogenating agents studied were t-butyl chloride (t-BuCl), ethylaluminium sesquichloride (EASC) and diethylaluminium chloride (DEAC) in a nCl:nNd molar ratio in the range from 0,5 to 5, and boron trifluoride diethyl ether (BF3.Et2O). The polymers were characterized by infrared espectroscopy for determining the microstructure and by size exclusion chromatography to obtain the molecular mass characteristics. The cis-1,4 units contents varied from 90 to 98%, the number-average molecular mass ( ) varied from 0,2 to 2x105 and the weight-average molecular mass ( ) varied from 1,4 to 4x105

Nesta Dissertação, foram realizadas reações de copolimerização de 1,3-butadieno com diferentes alfa-olefinas (1-hexeno, 1-octeno e 1-dodeceno) utilizando-se um sistema catalítico do tipo Ziegler-Natta ternário constituído por versatato de neodímio, hidreto de diisobutilalumínio e cloreto de t-butila. O sistema catalítico também foi avaliado em reações de homopolimerização com cada alfa-olefina. As condições reacionais, tanto da síntese do catalisador como das reações de polimerização, foram mantidas constantes. Foi estudada a influência de diferentes teores de cada alfa-olefina (1, 3, 5, 10, 20 e 30 % em relação ao 1,3-butadieno) sobre a conversão da polimerização, a microestrutura, a massa molar, as propriedades viscosimétricas e a estabilidade térmica dos polímeros obtidos. Foi avaliada, ainda, a influência do tamanho da cadeia da alfa-olefina sobre as características da polimerização. Os polímeros foram caracterizados por espectroscopia na região do infravermelho (FTIR), cromatografia por exclusão de tamanho (SEC), viscosimetria capilar e termogravimetria (TG). A microestrutura dos polímeros, praticamente, não variou com a adição das alfa-olefinas. A massa molar numérica média (Mn) não sofreu alterações significativas, enquanto que a massa molar ponderal média (Mw) apresentou tendência ao aumento, quanto maior foi a incorporação de comonômero. A viscosidade intrínseca não apresentou uma tendência com a adição da alfa-olefina na reação, permanecendo na faixa de 2,015 a 3,557 dL/g. A estabilidade térmica do copolímero mostrou uma tendência a aumentar com a incorporação das alfa-olefinas / In this work, were performed copolymerization reactions of 1,3-butadiene with different alpha-olefins (1-hexene, 1-octene and 1-dodecene), using a ternary catalytic system of Ziegler-Natta, constituted by neodymium versatate, diisobutylaluminum hydride and t-butyl chloride. The catalytic system was also evaluated in homopolymerization reactions with the alpha-olefins. The reaction conditions, both the catalyst synthesis as the polymerization reactions, were kept constant. The influence of different content of each alpha-olefin (1, 3, 5, 10, 20 and 30% compared to 1,3-butadiene) on the polymerization conversion, the microstructure, molar mass, viscometric properties and thermal stability of polymers was studied. The influence of alpha-olefin chain size on polymerization characteristics was also evaluated. The polymers were characterized by infrared spectroscopy (FTIR), size exclusion chromatography (SEC), capillary viscometry and thermogravimetry (TG). The polymer microstructure, practically, did not change with the addition of alpha-olefins. The number average molecular mass (Mn) has not changed; while the weight average molecular mass (Mw) trended to increase. The intrinsic viscosity did not show a trend with the alpha-olefin addition, remaining in the range from 2.015 to 3.557 dL/g. The copolymer thermal stability showed a tendency to increase with the incorporation of alpha-olefins

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nesta Dissertação foi utilizado um sistema catalítico Zieger-Natta à base de neodímio para avaliar a influência do agente de halogenação e da razão molar halogênio:Nd sobre a atividade catalítica, a constante de velocidade de propagação, a conversão da polimerização, a microestrutura, a massa molecular e a polidispersão do polibutadieno 1,4-cis. O sistema utilizado era constituído por versatato de neodímio (NdV), hidreto de diisobutilalumínio (DIBAH) e um agente de halogenação. Os agentes halogenantes estudados foram: cloreto de t-butila (t-BuCl), sesquicloreto de etilalumínio (EASC) e cloreto de dietilalumínio (DEAC), em valores de razão molar Cl:Nd que variaram entre 0,5:1 e 5:1 e o dietil-eterato de trifluoreto de boro (BF3.Et2O), na razão molar F:Nd = 3:1. Os polímeros foram caracterizados por espectroscopia na região do infravermelho para determinação da microestrutura e por cromatografia de exclusão por tamanho para determinação das massas moleculares. O teor de unidades 1,4-cis variou de 90 a 98%, a massa molecular numérica média ( ) permaneceu na faixa entre 0,2 e 2x105, e a massa molecular ponderal média ( ) variou de 1,4 a 4x105 / In this Dissertation a catalyst system based on neodymium was employed to evaluate the influence of halogen source and the halogen:Nd molar ratio on the catalyst activity, polymerization constant rate, polymerization conversion, molecular weight characteristics and microstructure of polybutadiene. The catalyst systems were formed by diisobutylaluminium hydride (DIBAH), neodymium versatate (NdV) and a halogen source. The halogenating agents studied were t-butyl chloride (t-BuCl), ethylaluminium sesquichloride (EASC) and diethylaluminium chloride (DEAC) in a nCl:nNd molar ratio in the range from 0,5 to 5, and boron trifluoride diethyl ether (BF3.Et2O). The polymers were characterized by infrared espectroscopy for determining the microstructure and by size exclusion chromatography to obtain the molecular mass characteristics. The cis-1,4 units contents varied from 90 to 98%, the number-average molecular mass ( ) varied from 0,2 to 2x105 and the weight-average molecular mass ( ) varied from 1,4 to 4x105

Nesta Dissertação, foram realizadas reações de copolimerização de 1,3-butadieno com diferentes alfa-olefinas (1-hexeno, 1-octeno e 1-dodeceno) utilizando-se um sistema catalítico do tipo Ziegler-Natta ternário constituído por versatato de neodímio, hidreto de diisobutilalumínio e cloreto de t-butila. O sistema catalítico também foi avaliado em reações de homopolimerização com cada alfa-olefina. As condições reacionais, tanto da síntese do catalisador como das reações de polimerização, foram mantidas constantes. Foi estudada a influência de diferentes teores de cada alfa-olefina (1, 3, 5, 10, 20 e 30 % em relação ao 1,3-butadieno) sobre a conversão da polimerização, a microestrutura, a massa molar, as propriedades viscosimétricas e a estabilidade térmica dos polímeros obtidos. Foi avaliada, ainda, a influência do tamanho da cadeia da alfa-olefina sobre as características da polimerização. Os polímeros foram caracterizados por espectroscopia na região do infravermelho (FTIR), cromatografia por exclusão de tamanho (SEC), viscosimetria capilar e termogravimetria (TG). A microestrutura dos polímeros, praticamente, não variou com a adição das alfa-olefinas. A massa molar numérica média (Mn) não sofreu alterações significativas, enquanto que a massa molar ponderal média (Mw) apresentou tendência ao aumento, quanto maior foi a incorporação de comonômero. A viscosidade intrínseca não apresentou uma tendência com a adição da alfa-olefina na reação, permanecendo na faixa de 2,015 a 3,557 dL/g. A estabilidade térmica do copolímero mostrou uma tendência a aumentar com a incorporação das alfa-olefinas / In this work, were performed copolymerization reactions of 1,3-butadiene with different alpha-olefins (1-hexene, 1-octene and 1-dodecene), using a ternary catalytic system of Ziegler-Natta, constituted by neodymium versatate, diisobutylaluminum hydride and t-butyl chloride. The catalytic system was also evaluated in homopolymerization reactions with the alpha-olefins. The reaction conditions, both the catalyst synthesis as the polymerization reactions, were kept constant. The influence of different content of each alpha-olefin (1, 3, 5, 10, 20 and 30% compared to 1,3-butadiene) on the polymerization conversion, the microstructure, molar mass, viscometric properties and thermal stability of polymers was studied. The influence of alpha-olefin chain size on polymerization characteristics was also evaluated. The polymers were characterized by infrared spectroscopy (FTIR), size exclusion chromatography (SEC), capillary viscometry and thermogravimetry (TG). The polymer microstructure, practically, did not change with the addition of alpha-olefins. The number average molecular mass (Mn) has not changed; while the weight average molecular mass (Mw) trended to increase. The intrinsic viscosity did not show a trend with the alpha-olefin addition, remaining in the range from 2.015 to 3.557 dL/g. The copolymer thermal stability showed a tendency to increase with the incorporation of alpha-olefins