CN101173038B - 生产聚酯的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生产聚酯的方法，主要解决现有技术中存在的由钛酸酯和水反应制得的钛系聚酯催化剂在乙二醇中溶解度低、制得的聚酯色相差的问题。本发明通过采用以二元羧酸和亚烷基二醇为原料，在含钛催化剂存在下，于反应温度为230～280℃，反应压力为常压～0.5MPa条件下进行酯化反应，得到预聚物，然后进行缩聚反应得聚酯产物，所用催化剂为由钛化合物、水、选自元素周期表中IA的至少一种金属化合物和选自磷酸酯类化合物的反应产物作为二元羧酸和亚烷基二醇反应催化剂的技术方案较好地解决了该问题，可用于生产聚酯的工业生产中。

Description

生产聚酯的方法
技术领域
本发明涉及一种生产聚酯的方法。
背景技术
聚酯，如聚对苯二甲酸乙二醇酯等，具有优异的机械、物理和化学性能，广泛应用于各种纤维、薄膜、片材等制品。
聚酯催化剂的研究自聚酯问世以来从未停止过，目前工业生产和研究较多的聚酯催化剂主要是锑、锗和钛三个系列的催化剂，其中使用最为普遍的是锑系催化剂(包括Sb2O3、SbAc3和乙二醇锑等)，目前世界上90％的聚酯是由锑系催化剂生产出来的。锑系催化剂的缺点是：低活性；重金属催化剂对环境造成污染；聚合物带灰色。锗系催化剂具有良好的稳定性，在反应过程中引发的副反应较少，所制的聚酯色相好，但是由于资源少，价格昂贵。钛系催化剂具有高活性，但是钛系催化剂制得的聚酯存在稳定性差和制品泛黄、浑浊的问题，因而一直没有得到大规模使用。
在全球越来越关注人类生存环境的背景下，绿色纺织品的生产和销售将是未来纺织品发展的趋势，以欧盟为代表的发达国家越来越多地将能否达到绿色纺织品标准作为进入市场的条件，经过10年的发展，欧盟生态标签(Eco-label)已经逐渐被欧盟消费者所认可，加贴生态标志商品的受欢迎程度也逐渐提高，许多下游厂商，尤其是运动服装生产厂家对不含锑的聚酯非常感兴趣，这种趋势使得聚酯生产厂家致力于开发不含锑的、环境友好的催化剂。
钛系催化剂由于其活性高、不含重金属，因而受到众多聚酯生产商的青睐，钛系催化剂也是近年来聚酯催化剂的研究热点，欧美和日本的十多家公司开展了钛系聚酯催化剂的研制，我国国内也有多家公司和研究机构开展了这方面的研究工作。随着分子设计和催化剂制备技术的发展，人们期待在传统的钛酸酯催化剂基础上进行改性，开发出环保的、高活性的而又能克服以往传统钛系聚酯催化剂缺点的新型钛系催化剂。目前已有多家公司宣布已研制成功性能优良的新型钛系聚酯催化剂，并且能提供商业化产品。这对聚酯工业的可持续发展将带来极大的促进作用。
CN1403464报道了一种钛的乙二醇盐的制备，采用四氯化钛和乙二醇反应，得到钛的乙二醇盐。
CN1327985报道采用钛酸四丁酯和二元醇或含水二元醇反应，制备了二元醇钛化合物。
钛的二元醇化合物作为聚酯催化剂时，所制得的聚酯仍然存在颜色发黄的问题。
众所周知，在聚酯的生产中催化剂在原料当中应该有较好的分散性，上述专利所报道的钛的二元醇化合物都为固体，这使得聚酯的生产带来极大的不利。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的由钛酸酯和水反应制得的钛系聚酯催化剂在乙二醇中溶解度低、制得的聚酯色相差的问题，提供一种新的生产聚酯的方法。该方法具有使用的催化剂为均相液态并且与乙二醇互溶，制得的聚酯具有色相好的特点。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种生产聚酯的方法，以二元羧酸和亚烷基二醇为原料，在含钛催化剂存在下，于反应温度为230～280℃，反应压力为常压～0.5MPa条件下进行酯化反应，得到预聚物，然后在反应温度为250～320℃，反应压力为小于150Pa的真空条件下进行缩聚反应得聚酯产物，其中含钛催化剂包括以下原料物质的反应产物：
(A)具有以下通式的钛化合物：
Ti(OR)4，R为选自1～10个碳原子的烷基；
(B)水；
(C)选自元素周期表IA中的至少一种金属化合物；
D)选自磷酸酯类化合物；
其中水与钛化合物的摩尔比为0.5～100∶1，金属化合物与钛化合物的摩尔比为0.01～10∶1，磷化合物与钛化合物的摩尔比为＞0～10∶1；含钛催化剂中钛原子的用量以生成的聚酯重量计为1～100PPm。
上述技术方案中，二元羧酸优选方案为选自对苯二甲酸、邻苯二甲酸、间苯二甲酸、萘二甲酸、联苯二甲酸或环己烷二羧酸中的至少一种；亚烷基二醇优选方案为选自乙二醇、1，3丙二醇或1，4-丁二醇中的至少一种。含钛催化剂中钛原子的用量以生成的聚酯重量计优选范围为1～100PPm，更优选范围为1～40PPm。钛化合物优选方案为选自钛酸四甲酯、钛酸四乙酯、钛酸四丙酯、钛酸四异丙酯或钛酸四丁酯中的至少一种。磷化合物与钛化合物的摩尔比优选范围为0.1～6∶1。磷酸酯类化合物优选方案为选 自磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、磷酸三丙酯、磷酸三异丙酯、磷酸三丁酯或磷酸三苯酯中的至少一种。金属化合物选自元素周期表IA中锂、钠或钾化合物中的至少一种。水与钛化合物的摩尔比优选范围为1～20∶1，当水与钛化合物的摩尔比小于1时，制得的催化剂耐水性不好，当水与钛化合物的摩尔比大于20时，所制得的催化剂在乙二醇中的溶解性不好。金属化合物与钛化合物的摩尔比优选范围为0.1～5∶1。
本发明催化剂优选方案为均相液态催化剂，更优选方案为可溶于与乙二醇互溶的均相液态催化剂。
本发明中使用的含钛催化剂的制备方法如下：
将通式为Ti(OR)4的钛化合物与水反应得到的产物与选自元素周期表中IA的至少一种金属化合物反应，得到均相液态钛系催化剂。
聚酯的制备方法如下：
本发明中聚酯的制备方法中，原料使用二元羧酸或其成酯衍生物和二元醇，优选使用芳族二元羧酸或其成酯衍生物和脂肪族二元醇。
用于本发明的二元羧酸包括芳族二元羧酸，如对苯二甲酸、邻苯二甲酸、间苯二甲酸、萘二甲酸、联苯二甲酸，以及脂环族羧酸如环己烷二羧酸等，优选对苯二甲酸。
二元醇的例子包括脂肪族二元醇如乙二醇、1，3-丙二醇或1，4-丁二醇等，优选方案为乙二醇。
本发明所述的聚酯制备方法，可以采用已知的聚酯制备方法，第一步由对苯二甲酸或对苯二甲酸二甲酯和乙二醇进行酯化反应，得到预聚物，酯化反应在230～280℃进行，压力为常压～0.5MPa。第二步在高真空下进行缩聚反应，反应温度250～320℃，压力低于150Pa。催化剂的加入可以与苯二甲酸或对苯二甲酸二甲酯和乙二醇同时加入到反应体系中，也可以在苯二甲酸或对苯二甲酸二甲酯和乙二醇反应生成预聚物之后加入到反应体系中。
在本发明中，聚酯的特性粘度和色相等通过以下方法测试：
1)特性粘度：苯酚-四氯乙烷混和液作溶剂，25℃的温度下用乌氏粘度计测定。
2)色相：粒料样在135℃处理1小时后用BYK Gardner公司的color-view自动色差计测定其Hunter L值亮度)、a值黄—蓝的色相)和b值红—绿的色相)。其中，L值越高，亮度越大；b值高则聚酯切片偏黄。对于本发明来说，希望追求高的L值，低的b值。
本发明方法中，由于使用由钛化合物、元素周期表IA中的至少一种金属化合物和水或以及磷化合物反应的产物为催化剂，本发明人惊奇地发现该催化剂能溶于乙二醇中成均 相体系，用该催化剂制得聚酯，能得到良好色相的聚酯，取得了较好的技术效果。
下面通过实施例对本发明作进一步阐述。
具体实施方式
【实施例1】
催化剂A的制备
在装有搅拌器、冷凝器和温度计的反应器中加入钛酸四异丙酯28.4克(0.1摩尔)和无水乙醇30克，混合均匀。往反应器中缓慢滴入蒸馏水14.49克(0.85摩尔)和无水乙醇30克的混合溶液。析出白色沉淀物，滴加结束后加热到70℃反应1小时，将产物离心分离，并用蒸馏水洗涤残留物3次，干燥。
将干燥后的白色粉末状物质置于带有搅拌器、冷凝器和温度计的反应器中，加入醋酸锂氯化锂138.25克(0.2摩尔)、磷酸三甲酯28克(0.2摩尔)和乙二醇200克，在150℃反应温度下反应3小时至体系变为透明均相液体，加入氯化锂8.5克(0.2摩尔)，得到催化剂A。
聚酯的制备
将500克对苯二甲酸和316克乙二醇及催化剂A(基于生成的聚酯的量，钛原子的重量为10ppm)，混和配成浆料，加入到聚合釜中，进行酯化反应，酯化温度为230～255℃，压力为0.25MPa，通过精馏装置排出反应生成的水。酯化结束后降至常压，抽真空减压至体系压力低于130Pa，同时反应温度逐渐升至280℃，当体系反应至达到所需粘度后停止反应，之后将反应产物从聚合釜底部以条形连续挤出，冷却、切粒，供性能测试。
测试结果见表1。
【实施例2】
在装有搅拌器、冷凝器和温度计的反应器中加入钛酸四甲乙酯2217.28克(0.1摩尔)、硅酸四乙酯4.16克(0.2摩尔)和无水乙醇30克，混合均匀。往反应器中缓慢滴入蒸馏水14.4克(0.8摩尔)和无水乙醇30克的混合溶液。析出白色沉淀物，滴加结束后加热到70℃反应1小时，将产物离心分离，并用蒸馏水洗涤残留物3次，干燥。
将干燥后的白色粉末状物质置于带有搅拌器、冷凝器和温度计的反应器中，加入碳酸钠2.1克(0.02摩尔)、磷酸三甲酯28克(0.2摩尔)和乙二醇200克，在150℃反应温度下反应3小时至体系变为均相透明液体，加入碳酸钠2.1克(0.02摩尔)，得到催化剂B。
聚酯的制备
由与实施例1同样的方法制备聚酯，采用催化剂B作为催化剂(基于生成的聚酯的量，钛原子的重量为10ppm)。
测试结果见表1。
【实施例3】
在装有搅拌器、冷凝器和温度计的反应器中加入钛酸四异丙酯28.4克(0.1摩尔)、硅酸四乙酯4.16克(0.2摩尔)和无水乙醇30克，混合均匀。往反应器中缓慢滴入蒸馏水14.4克(0.8摩尔)和无水乙醇30克的混合溶液。析出白色沉淀物，滴加结束后加热到70℃反应1小时，将产物离心分离，并用蒸馏水洗涤残留物3次，干燥。
将干燥后的白色粉末状物质置于带有搅拌器、冷凝器和温度计的反应器中，加入醋酸钠1.64克(0.02摩尔)、磷酸三甲酯14克(0.1摩尔)和乙二醇200克，在150℃反应温度下反应3小时至体系变为均相透明液体，加入醋酸钠1.64克(0.02摩尔)，得到催化剂C。
聚酯的制备
由与实施例1同样的方法制备聚酯，采用催化剂C作为催化剂(基于生成的聚酯的量，钛原子的重量为10ppm)。
测试结果见表1。
【实施例4】
在装有搅拌器、冷凝器和温度计的反应器中加入钛酸四异丙酯28.4克(0.1摩尔)、硅酸四乙酯4.16克(0.2摩尔)和无水乙醇30克，混合均匀。往反应器中缓慢滴入蒸馏水14.4克(0.8摩尔)和无水乙醇30克的混合溶液。析出白色沉淀物，滴加结束后加热到70℃反应1小时，将产物离心分离，并用蒸馏水洗涤残留物3次，干燥。
将干燥后的白色粉末状物质置于带有搅拌器、冷凝器和温度计的反应器中，加入醋酸钾氯化钾149.96克(0.2摩尔)、磷酸三乙酯3672.48克(0.24摩尔)和乙二醇200克，在150℃反应温度下反应3小时至体系变为均相透明液体1小时，加入氯化钾14.9克(0.2摩尔)，得到催化剂D。
聚酯的制备
由与实施例1同样的方法制备聚酯，采用催化剂D作为催化剂(基于生成的聚酯的量，钛原子的重量为10ppm)。
测试结果见表1。
【实施例5】
在装有搅拌器、冷凝器和温度计的反应器中加入钛酸四丁酯34克(0.1摩尔)、硅酸四乙酯4.16克(0.2摩尔)和无水乙醇30克，混合均匀。往反应器中缓慢滴入蒸馏水14.4克(0.8摩尔)和无水乙醇30克的混合溶液。析出白色沉淀物，滴加结束后加热到70℃反应1小时，将产物离心分离，并用蒸馏水洗涤残留物3次，干燥。
将干燥后的白色粉末状物质置于带有搅拌器、冷凝器和温度计的反应器中，加入醋酸钾39.2克(0.4摩尔)、磷酸三乙酯18.2克(0.1摩尔)和乙二醇200克，在150℃反应温度下反应3小时至体系变为均相透明液体1小时，然后加入醋酸钾39.2克(0.4摩尔)，得到液化透明催化剂E。
聚酯的制备
由与实施例1同样的方法制备聚酯，采用催化剂E作为催化剂(基于生成的聚酯的量，钛原子的重量为10ppm)。
测试结果见表1。
【实施例6】
催化剂A的制备
在装有搅拌器、冷凝器和温度计的反应器中加入钛酸四异丙酯28.4克(0.1摩尔)和无水乙醇30克，混合均匀。往反应器中缓慢滴入蒸馏水14.4克(0.8摩尔)和无水乙醇30克的混合溶液。析出白色沉淀物，滴加结束后加热到70℃反应1小时，将产物离心分离，并用蒸馏水洗涤残留物3次，干燥。
将干燥后的白色粉末状物质置于带有搅拌器、冷凝器和温度计的反应器中，加入醋酸锂氯化锂138.25克(0.2摩尔)、乙二醇200克，在150℃反应温度下反应3小时至体系变为均相透明液体，加入氯化锂8.5克(0.2摩尔)，得到催化剂F。
聚酯的制备
将500克对苯二甲酸和316克乙二醇及催化剂FA(基于生成的聚酯的量，钛原子的重量为10ppm)，混和配成浆料，加入到聚合釜中，进行酯化反应，酯化温度为230～255℃，压力为0.25MPa，通过精馏装置排出反应生成的水。酯化结束后降至常压，抽真空减压至体系压力低于130Pa，同时反应温度逐渐升至280℃，当体系反应至达到所需粘度后停止反应，之后将反应产物从聚合釜底部以条形连续挤出，冷却、切粒，供性能测试。
测试结果见表1。
【实施例7】
催化剂G的制备
在装有搅拌器、冷凝器和温度计的反应器中加入钛酸四异丙酯28.4克(0.1摩尔)和无水乙醇30克，混合均匀。往反应器中缓慢滴入蒸馏水28.8克(1.6摩尔)和无水乙醇30克的混合溶液。析出白色沉淀物，滴加结束后加热到70℃反应1小时，将产物离心分离，并用蒸馏水洗涤残留物3次，干燥。
将干燥后的白色粉末状物质置于带有搅拌器、冷凝器和温度计的反应器中，加入草酸钾37氯化锂8.25克(0.2摩尔)、磷酸三甲酯28克(0.2摩尔)和乙二醇200克，在150℃反应温度下反应3小时至体系变为均相透明液体，加入氯化锂8.5克(0.2摩尔)，得到催化剂G。
聚酯的制备
将500克对苯二甲酸和316克乙二醇及催化剂AG(基于生成的聚酯的量，钛原子的重量为10ppm)，混和配成浆料，加入到聚合釜中，进行酯化反应，酯化温度为230～255℃，压力为0.25MPa，通过精馏装置排出反应生成的水。酯化结束后降至常压，抽真空减压至体系压力低于130Pa，同时反应温度逐渐升至280℃，当体系反应至达到所需粘度后停止反应，之后将反应产物从聚合釜底部以条形连续挤出，冷却、切粒，供性能测试。
测试结果见表1。
【实施例8】
催化剂H的制备
在装有搅拌器、冷凝器和温度计的反应器中加入钛酸四异丙酯28.4克(0.1摩尔)和无 水乙醇30克，混合均匀。往反应器中缓慢滴入蒸馏水28.8克(1.6摩尔)和无水乙醇30克的混合溶液。析出白色沉淀物，滴加结束后加热到70℃反应1小时，将产物离心分离，并用蒸馏水洗涤残留物3次，干燥。
将干燥后的白色粉末状物质置于带有搅拌器、冷凝器和温度计的反应器中，加入醋酸锂13.2克(0.2摩尔)、磷酸三丁酯53.2克(0.2摩尔)和乙二醇200克，在150℃反应温度下反应3小时至体系变为均相液体，得到催化剂H。
聚酯的制备
将500克对苯二甲酸和316克乙二醇及催化剂H(基于生成的聚酯的量，钛原子的重量为10ppm)，混和配成浆料，加入到聚合釜中，进行酯化反应，酯化温度为230～255℃，压力为0.25MPa，通过精馏装置排出反应生成的水。酯化结束后降至常压，抽真空减压至体系压力低于130Pa，同时反应温度逐渐升至280℃，当体系反应至达到所需粘度后停止反应，之后将反应产物从聚合釜底部以条形连续挤出，冷却、切粒，供性能测试。
测试结果见表1。
【实施例9】
催化剂I的制备
在装有搅拌器、冷凝器和温度计的反应器中加入钛酸四异丙酯28.4克(0.1摩尔)和无水乙醇30克，混合均匀。往反应器中缓慢滴入蒸馏水28.8克(1.6摩尔)和无水乙醇30克的混合溶液。析出白色沉淀物，滴加结束后加热到70℃反应1小时，将产物离心分离，并用蒸馏水洗涤残留物3次，干燥。
将干燥后的白色粉末状物质置于带有搅拌器、冷凝器和温度计的反应器中，加入醋酸锂13.2克(0.2摩尔)、磷酸三甲酯56克(0.4摩尔)和乙二醇200克，在150℃反应温度下反应3小时至体系变为均相液体，得到催化剂I。
聚酯的制备
将500克对苯二甲酸和316克乙二醇及催化剂I(基于生成的聚酯的量，钛原子的重量为10ppm)，混和配成浆料，加入到聚合釜中，进行酯化反应，酯化温度为230～255℃，压力为0.25MPa，通过精馏装置排出反应生成的水。酯化结束后降至常压，抽真空减压至体系压力低于130Pa，同时反应温度逐渐升至280℃，当体系反应至达到所需粘度后停止 反应，之后将反应产物从聚合釜底部以条形连续挤出，冷却、切粒，供性能测试。
测试结果见表1。
【比较例1】
由与实施例1同样的方法制备聚酯，采用醋酸锑作为催化剂(基于生成的聚酯的量，锑原子的重量为150ppm)。
表1
  催化剂   催化剂用量   (ppm金属)   酯化时间   (min)   聚合时间   (min)   特性粘度   (dL/g)   L   a   b
  实施例1   催化剂A   10   90   80   0.660   88.6   -1.20   3.3008
  实施例2   催化剂B   10   90   80   0.658   88.9   -1.25   3.17
  实施例3   催化剂C   10   90   80   0.663   89.0   -1.28   3.4010
  实施例4   催化剂D   10   90   80   0.655   89.3   -1.26   3.0850
  实施例5   催化剂E   10   90   80   0.655   88.0   -1.02   3.40
  实施例6   催化剂F   10   90   80   0.672   88.7   -1.34   43.2099
  实施例7   催化剂G   10   90   80   0.662   88.2   -1.23   3.31
  实施例8   催化剂H   10   90   80   0.665   88.4   -1.30   3.26
  实施例9   催化剂I   10   90   80   0.659   88.3   -1.21   3.05
  比较例1   SbAc3   150   90   80   0.662   87.8   -1.30   3.27

Claims (1)

1.一种生产聚酯的方法，在装有搅拌器、冷凝器和温度计的反应器中加入钛酸四异丙酯28.4克和无水乙醇30克，混合均匀；往反应器中缓慢滴入蒸馏水28.8克和无水乙醇30克的混合溶液；析出白色沉淀物，滴加结束后加热到70℃反应1小时，将产物离心分离，并用蒸馏水洗涤残留物3次，干燥；将干燥后的白色粉末状物质置于带有搅拌器、冷凝器和温度计的反应器中，加入醋酸锂13.2克、磷酸三甲酯56克和乙二醇200克，在150℃反应温度下反应3小时至体系变为均相液体，得到催化剂I；
将500克对苯二甲酸和316克乙二醇及催化剂I，基于生成的聚酯的量，钛原子的重量为10ppm，混和配成浆料，加入到聚合釜中，进行酯化反应，酯化温度为230～255℃，压力为0.25MPa，通过精馏装置排出反应生成的水；酯化结束后降至常压，抽真空减压至体系压力低于130Pa，同时反应温度逐渐升至280℃，当体系反应至达到所需粘度后停止反应，之后将反应产物从聚合釜底部以条形连续挤出，冷却、切粒；其中，酯化时间为90min，聚合时间为80min。 
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