CN103469361B - 一种含氟pbt-pet共混纤维的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含氟PBT-PET共混纤维的制备方法，包括含氟PBT的制备和共混纤维的制备。含氟PBT是采用四氟对苯二甲酸和1,4-丁二醇作为原料，加入抑制剂，在适当的条件下进行酯化反应和缩聚反应得到的。然后再与PET混合，采取合适的共混纺丝工艺制备得到共混纤维。本发明所得的含氟PBT具有良好的热稳定性及可加工性，氟原子的引入，提高了其憎水憎油性能。共混纺丝制得的纤维不仅具备PET的良好力学性能，而且还有着良好的耐污性能，同时又大大节约了成本，使其在防水服，耐脏的工作服以及某些特殊行业的工作服制造中有巨大的前景。

Description

一种含氟PBT-PET共混纤维的制备方法

技术领域

本发明涉及一种含氟PBT-PET共混纤维的制备方法，包括含氟PBT的制备和共混纤维的制备。特别是涉及一种以聚四氟对苯二甲酸丁二醇酯为一种组分，PET为另一种组分的共混纤维的制备方法。

背景技术

随着技术的发展和进步，人们要求的不断提升，单一材料的纤维有时不能很好的满足人们的需求，各种各样的多组分纤维就应运而生。它们有着单一材料的纤维所不能同时具备的性能，兼具多种纤维的优点，能够提供更好的性能。共混纤维能够同时具有两种共混组分的部分优异性能，合理的性能组合就能得到性能优良的共混纤维，制备工艺简单，同时能减少较贵的材料的用量，节约成本。

聚酯是目前人类使用最为广泛的合成高聚物之一，早在二十世纪40年代就合成出了对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，并发现其具有优异的性能，而广泛的应用于纺织、包装、医疗卫生、汽车、电子电器、安全防护、环境保护等领域。聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)是一种结晶性线型饱和聚酯，具有耐高温、耐湿、电绝缘性能好、耐油、耐化学腐蚀、成型快等特点。其在工业中的一些应用实例显示出其在某些方面无可替代的优越性，现它已成为继聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)和改性聚苯醚(MPPO)之后的第五大通用工程塑料，广泛应用于汽车工业、电子电器工业、食品医疗器械、包装材料、环境工程、通讯设备、运动休闲器械等。随着对PBT结构和性能的研究不断深化，不仅开发出不同级别、不同类型的工程塑料，如高冲击的、耐热的、阻燃的等，而且使它在合成纤维方面的应用越来越受重视。PBT纤维弹性优越，手感柔软，染色方便，兼有涤纶、锦纶、氨纶三者的优点。随着社会的进步，人民生活水平的提高，对聚酯纤维的差别化、功能化需要越来越高。因此聚酯的改性也变得尤为的重要，聚酯改性目的除了对普通聚酯性能进行优化外，主要是通过改性手段赋予新型聚酯差别化的功能性特征。例如：抗静电、阻燃、吸湿排汗、防污防臭等。目前，聚酯主要新品种有：抗静电聚酯、高强耐磨聚酯、仿棉超软聚酯、超疏水性聚酯、抗污聚酯等。目前，通过在聚合物中引入氟原子，从而改善材料的表面性能，如疏水疏油性及防污性等，以及赋予聚酯材料各种功能。由于含氟聚合物通常具有低表面能、低摩擦系数和不粘附性，灰尘污物难于附着等特性，因此含氟聚合物的抗污耐磨性好。而当前含氟聚合物以氟代烯烃类聚合物为主(例如：聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、全氟乙烯丙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物等)；含氟聚氨酯、含氟聚醚、含氟聚酯等的研究则相对滞后。许多学者对含氟化合物改性聚酯进行了研究，并取得了一定的成果。目前含氟化合物改性聚酯的方式主要是通过加入含氟封端剂，或者加入含氟二元醇、含氟二元酸等含氟化合物作为第三单体来改性聚酯。中国专利CN101139434A中采用含氟封端剂的加入，间苯二甲酸二甲酯和丁二醇采用酯交换法，加入含氟封端剂N-羟乙基全氟辛酰胺，制备出了含氟量低而耐沾污性能好的聚酯材料。胡娟(胡娟.含氟聚酯和光刻胶波导材料的分子设计与性能研究[D].硕士论文,吉林:吉林大学,2007.)利用分子设计的原理，通过添加含氟二元醇共聚的方式，将对苯二甲酰氯、六氟双酚A和含氟辛二醇三元共聚合成出了新型高含氟量的聚酯。该聚酯具有优异的性能而被应用于光波导材料。然而，将这些含有氟元素的聚酯应用于纺织及包装材料中有一定的局限性，主要问题在于现有技术的含有氟元素的聚酯分子量低，不能满足纺丝和成膜的要求；现有技术目前主要是通过织物的含氟后整理方式来赋予其防水防污功能，而这类方法最大的缺点在于难以解决时效性、耐久性及耐磨性等问题，并且费时费力。

因此，开发新型含氟聚酯共混纤维用于纺织及包装材料的超疏水、憎水憎油、防污性能的改性，必将具有重要的理论意义和应用价值。在防水服，耐脏的工作服以及某些特殊行业的工作服制造中有巨大的前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种含氟PBT-PET共混纤维的制备方法，包括含氟PBT的制备和共混纤维的制备。其中含氟PBT是指聚四氟对苯二甲酸丁二醇酯。本发明所述的含氟PBT在聚合物的主链上引入了氟原子，并且制备出的含氟PBT切片可以直接用于纺丝，能够赋予含氟PBT纤维永久的憎水憎油性能，解决传统PBT纤维憎水憎油改性费时费力的问题。同时，采用共混纺丝制备出以含氟PBT为一种组分、PET为另一种组分的共混纤维，不仅赋予了共混纤维良好的憎水憎油性能，还大大的节省了成本。

本发明的一种含氟PBT-PET共混纤维的制备方法，含氟PBT-PET共混纤维的一种组分为含氟PBT，另外一种组分为PET；所述含氟PBT为聚四氟对苯二甲酸丁二醇酯，其结构通式为

其中n＝70～150；所述含氟PBT-PET共混纤维的两种组分的质量比为0.1～0.9:0.9～0.1；所述含氟PBT-PET共混纤维的单丝纤度为0.5～15dtex；所述含氟PBT-PET共混纤维的制备方法，包括含氟PBT的制备方法和共混纤维的制备方法，具体步骤为：

1.含氟PBT的制备方法

分为酯化反应和缩聚反应两步；具体步骤为：

所述酯化反应：

采用四氟对苯二甲酸和1,4-丁二醇作为原料，加入抑制剂，所述抑制剂的加入量为所述四氟对苯二甲酸重量的0.01％～0.05％，配成均匀浆料后进行酯化反应；酯化反应在氮气氛围中加压，压力控制在小于绝对压力1KPa下进行，温度在160～220℃，时间为2～3小时，酯化水馏出量达到理论值的90％以上为酯化反应终点；

所述抑制剂为氧化镁、氧化硅、氧化钙、氧化锌和氧化锰中的一种；由于所用的二元羧酸的苯环上存在氟原子，氟原子的电负性大，在酯化反应阶段氟原子的共轭效应使得二元羧酸的酸性增强，同时导致二元羧酸中羧基的活性增大，使得反应速度加快，而反应速度增加容易使副反应产生，这些副反应产物对后续的缩聚反应有较大的影响，特别是生成烯烃和醛的封端产物，制约了产物分子量的增加；从实验结果来看，如果不加入抑制剂，合成的聚酯分子量偏低，不能满足纺丝和成膜的需求；抑制剂的加入用于控制酯化反应阶段的速度，减少了副反应，提高了产物的分子量，使得满足纺丝要求。

通常，聚酯酯化过程中是通过所用的二元羧酸电离出的氢离子作为酯化反应的催化剂，进行自催化反应，通过调节酯化反应的温度、压力以及小分子的排出来控制其酯化的速率，然而进行酯化反应的前提是要在一定的反应温度及压力下才可以进行酯化反应。温度过低或者压力不够的情况下，酯化反应不能够进行或者速度极慢，从而影响后续的工艺。若酯化反应中的小分子未能及时排出容易引起不必要的副反应。合成过程中，由于氟的共轭效应，在酯化反应阶段氟原子使得二元羧酸的酸性增强，同时导致二元羧酸中羧基的活性增大，使得反应速度加快，副反应增多，难以控制，进而影响产物分子量的增长，故加入抑制剂，即通过选择所用金属氧化物来调节。所述的金属氧化物可以按如下两种方式解离：

这里M为金属离子，如果M的电负性相当大，对氧离子的电子对有较强的吸引力，那么就能使O—H键减弱，有利于反应离解；相反，如果M的电负性小，那么就将生成碱中心。M—O—H和两性化合物相似，当有碱性物质存在时，反应将按酸式电离的方式进行；而当酸性物质存在时，则按碱式电离的方式进行。从酸式电离方式和碱式电离方式中逆反应的M-O^-和M⁺可见，M⁺作为酸性中心，其强度仅和金属离子的电负性有直接的关系，而M-O^-中的O离子作为碱中心的强度则和氧上的负电荷密度有关，负电荷密度愈大，强度也愈大。可见氧离子上的负电荷密度与金属离子电负性有着密切的关系，金属离子电负性越小，负电荷密度就越大。这样一来，金属氧化物的酸性以及碱性就都和金属离子的电负性联系起来了，金属离子的电负性大的氧化物主要是酸性，而电负性小的则是碱性。

所述缩聚反应：

包括缩聚反应低真空阶段和缩聚反应高真空阶段；

所述缩聚反应低真空阶段，在酯化产物中加入催化剂和稳定剂，在负压的条件下开始缩聚反应，所述负压是指绝对压力500Pa以下，温度控制在260～270℃，反应时间为40～60分钟；

所述缩聚反应高真空阶段，经所述缩聚反应低真空阶段后，继续抽真空，使反应压力降至绝对压力小于100Pa，反应温度控制在270～275℃，反应时间3～4小时。缩聚反应以反应釜搅拌电机功率或在线粘度计读数为准判断反应终点。

2.含氟PBT-PET共混纤维的制备方法

将所述含氟PBT与PET混合，进行共混纺丝，纺丝温度为275-290℃，卷绕速度控制在2700～3200m/min。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种含氟PBT-PET共混纤维的制备方法，所述的1,4-丁二醇与四氟对苯二甲酸的摩尔比为1.4～2.0:1。

如上所述的一种含氟PBT-PET共混纤维的制备方法，所述的催化剂选自三氧化二锑、乙二醇锑和醋酸锑中的一种，催化剂用量为所述四氟对苯二甲酸重量的0.01％～0.05％。

如上所述的一种含氟PBT-PET共混纤维的制备方法，所述的稳定剂选自磷酸三苯酯、磷酸三甲酯和亚磷酸三甲酯中的一种，稳定剂用量为所述四氟对苯二甲酸重量的0.01％～0.05％。

本发明的酯化反应阶段中，反应终点由酯化中实际产生的水馏出量达到理论值90％以上来掌握。理论值为按化学反应方程式完全反应时所得水的馏出量。由于酯化反应本身为可逆反应，再者原料在输送管道中会有残留，并且随着反应的进行，体系的粘度增加，会导致酯化反应产生的水难以从中排出。

本发明的缩聚反应高真空阶段中，反应终点由反应釜搅拌器马达功率及在线粘度计算值达到设定的数值来掌握。不同的装置其反应釜搅拌器马达功率及在线粘度计算值的设定数值不一定相同，设定数值的确定可以通过对聚酯切片的分析来获得。

本发明所得的含氟PBT由于氟原子的引入，提高了PET材料的憎水憎油性能，所以以本发明中的含氟PBT为一种组分，PET为另一种组分的共混纤维不仅有着良好的力学性能，还有着良好的永久耐油污性能，且成本大大降低，使其在防水服，耐脏的工作服以及某些特殊行业的工作服制造中有巨大的前景。

有益效果：

1、制得的PET含氟原子，由于氟的强电负性，高的C-F键能以及对碳链的屏蔽保护作用使得合成出的共聚酯除了进一步提升传统PET的性能外，还降低了PET材料的表面能，使含氟PBT材料有着永久性的憎水憎油，抗油污性能。

2、含氟PBT酯化过程中通过加抑制剂可以控制酯化反应的速度，减少副反应的产生。

3、所得含氟PBT切片可以直接纺丝。

4、所得含氟PBT具有良好的热稳定性及可加工性。

5、采用含氟PBT为一种组分、PET为另一种组分制得的共混纤维有着良好的力学性能和永久耐油污性能，而且相比单独使用含氟PBT制备的纤维来说，成本大大降低，因而有着更好的应用价值。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的一种含氟PBT-PET共混纤维，一种组分为含氟PBT，另外一种组分为PET；所述含氟PBT为聚四氟对苯二甲酸丁二醇酯，其结构通式为

其中n＝70～150。

如上所述的一种含氟PBT-PET共混纤维，所述含氟PBT-PET共混纤维的两种组分的质量比为0.1～0.9:0.9～0.1。

如上所述的一种含氟PBT-PET共混纤维，所述含氟PBT-PET共混纤维的单丝纤度为0.5～15dtex。

实施例1

1、含氟PBT的制备方法：分为酯化反应和缩聚反应两步，具体步骤为：

所述酯化反应：

采用摩尔比为1.4:1的1,4-丁二醇和四氟对苯二甲酸作为原料，同时加入四氟对苯二甲酸重量的0.01％的氧化镁，配成均匀浆料后进行酯化反应；酯化反应在氮气氛围中，压力控制在1KPa以下，温度控制在220℃，酯化水馏出量达到理论值的90％为酯化反应终点。

所述缩聚反应：

包括缩聚反应低真空阶段和缩聚反应高真空阶段：

所述缩聚反应低真空阶段，在酯化产物中加入四氟对苯二甲酸重量的0.01％的催化剂钛酸四丁酯和四氟对苯二甲酸重量的0.01％的稳定剂磷酸三苯酯，在负压的条件下开始缩聚反应，所述负压是指绝对压力小于500Pa，温度控制在265℃，反应时间为60分钟。

所述缩聚反应高真空阶段，经所述缩聚反应低真空阶段后，继续抽真空，使反应压力降至绝对压力小于100Pa，反应温度控制在270℃，反应时间4小时。缩聚反应以反应釜搅拌电机功率或在线粘度计读数为准判断反应终点。当聚合物粘度达到所需值时出料，经铸带、冷却、切粒，即得到含氟PBT聚酯切片。

2、含氟PBT-PET共混纤维的制备方法：将所述含氟PBT与PET混合，进行共混纺丝，含氟PBT与PET的质量比为0.9：0.1，纺丝温度为275℃，卷绕速度控制在2700m/min，制得的含氟PBT-PET共混纤维的纤度为15dtex。

实施例2

1、含氟PBT的制备方法，分为酯化反应和缩聚反应两步，具体步骤为：

所述酯化反应：

采用摩尔比为1.6:1的1,4-丁二醇和四氟对苯二甲酸作为原料，同时加入四氟对苯二甲酸重量的0.02％的氧化硅，配成均匀浆料后进行酯化反应；酯化反应在氮气氛围中，压力控制在900Pa以下，温度控制在200℃，酯化水馏出量达到理论值的90％为酯化反应终点。

所述缩聚反应：

包括缩聚反应低真空阶段和缩聚反应高真空阶段：

所述缩聚反应低真空阶段，在酯化产物中加入四氟对苯二甲酸重量的0.02％的催化剂钛酸四异丙脂和四氟对苯二甲酸重量的0.02％的稳定剂磷酸三苯酯，在负压的条件下开始缩聚反应，所述负压是指绝对压力小于400Pa，温度控制在260℃，反应时间为60分钟。

所述缩聚反应高真空阶段，经所述缩聚反应低真空阶段后，继续抽真空，使反应压力降至绝对压力小于80Pa，反应温度控制在270℃，反应时间4小时。缩聚反应以反应釜搅拌电机功率或在线粘度计读数为准判断反应终点。当聚合物粘度达到所需值时出料，经铸带、冷却、切粒，即得到含氟PBT聚酯切片。

2、含氟PBT-PET共混纤维的制备方法：将所述含氟PBT与PET混合，进行共混纺丝，含氟PBT与PET的质量比为0.1：0.9，纺丝温度为290℃，卷绕速度控制在3200m/min，制得的含氟PBT-PET共混纤维的纤度为0.5dtex。

实施例3

1、含氟PBT的制备方法，分为酯化反应和缩聚反应两步，具体步骤为：

所述酯化反应：

采用摩尔比为1.8:1的1,4-丁二醇和四氟对苯二甲酸作为原料，同时加入四氟对苯二甲酸重量的0.03％的氧化钙，配成均匀浆料后进行酯化反应；酯化反应在氮气氛围中，压力控制在800Pa以下，温度控制在180℃，酯化水馏出量达到理论值的90％为酯化反应终点。

所述缩聚反应：

包括缩聚反应低真空阶段和缩聚反应高真空阶段：

所述缩聚反应低真空阶段，在酯化产物中加入四氟对苯二甲酸重量的0.03％的催化剂钛酸四乙酯和四氟对苯二甲酸重量的0.03％的稳定剂磷酸三甲酯，在负压的条件下开始缩聚反应，所述负压是指绝对压力小于300Pa，温度控制在265℃，反应时间为50分钟。

所述缩聚反应高真空阶段，经所述缩聚反应低真空阶段后，继续抽真空，使反应压力降至绝对压力小于60Pa，反应温度控制在275℃，反应时间3.5小时。缩聚反应以反应釜搅拌电机功率或在线粘度计读数为准判断反应终点。当聚合物粘度达到所需值时出料，经铸带、冷却、切粒，即得到含氟PBT聚酯切片。

2、含氟PBT-PET共混纤维的制备方法：将所述含氟PBT与PET混合，进行共混纺丝，含氟PBT与PET的质量比为0.5：0.5，纺丝温度为280℃，卷绕速度控制在3000m/min，制得的含氟PBT-PET共混纤维的纤度为3dtex。

实施例4

1、含氟PBT的制备方法，分为酯化反应和缩聚反应两步，具体步骤为：

所述酯化反应：

采用摩尔比为1.9:1的1,4-丁二醇和四氟对苯二甲酸作为原料，同时加入四氟对苯二甲酸重量的0.04％的氧化锌，配成均匀浆料后进行酯化反应；酯化反应在氮气氛围中，压力控制在700Pa以下，温度控制在170℃，酯化水馏出量达到理论值的90％为酯化反应终点。

所述缩聚反应：

包括缩聚反应低真空阶段和缩聚反应高真空阶段：

所述缩聚反应低真空阶段，在酯化产物中加入四氟对苯二甲酸重量的0.04％的催化剂醋酸亚锡和四氟对苯二甲酸重量的0.04％的稳定剂磷酸三甲酯，在负压的条件下开始缩聚反应，所述负压是指绝对压力小于300Pa，温度控制在270℃，反应时间为40分钟。

所述缩聚反应高真空阶段，经所述缩聚反应低真空阶段后，继续抽真空，使反应压力降至绝对压力小于60Pa，反应温度控制在275℃，反应时间3小时。缩聚反应以反应釜搅拌电机功率或在线粘度计读数为准判断反应终点。当聚合物粘度达到所需值时出料，经铸带、冷却、切粒，即得到含氟PBT聚酯切片。

2、含氟PBT-PET共混纤维的制备方法：将所述含氟PBT与PET混合，进行共混纺丝，含氟PBT与PET的质量比为0.6：0.4，纺丝温度为285℃，卷绕速度控制在3100m/min，制得的含氟PBT-PET共混纤维的纤度为8dtex。

实施例5

1、含氟PBT的制备方法，分为酯化反应和缩聚反应两步，具体步骤为：

所述酯化反应：

采用摩尔比为2.0:1的1,4-丁二醇和四氟对苯二甲酸作为原料，同时加入四氟对苯二甲酸重量的0.05％的氧化锰，配成均匀浆料后进行酯化反应；酯化反应在氮气氛围中，压力控制在600Pa以下，温度控制在160℃，酯化水馏出量达到理论值的90％为酯化反应终点。

所述缩聚反应：

包括缩聚反应低真空阶段和缩聚反应高真空阶段：

所述缩聚反应低真空阶段，在酯化产物中加入四氟对苯二甲酸重量的0.05％的催化剂二醋酸二丁基锡和四氟对苯二甲酸重量的0.05％的稳定剂亚磷酸三甲酯，在负压的条件下开始缩聚反应，所述负压是指绝对压力小于300Pa，温度控制在265℃，反应时间为40分钟。

所述缩聚反应高真空阶段，经所述缩聚反应低真空阶段后，继续抽真空，使反应压力降至绝对压力小于50Pa，反应温度控制在275℃，反应时间3小时。缩聚反应以反应釜搅拌电机功率或在线粘度计读数为准判断反应终点。当聚合物粘度达到所需值时出料，经铸带、冷却、切粒，即得到含氟PBT聚酯切片。

2、含氟PBT-PET共混纤维的制备方法：将所述含氟PBT与PET混合，进行共混纺丝，含氟PBT与PET的质量比为0.8：0.2，纺丝温度为287℃，卷绕速度控制在2800m/min，制得的含氟PBT-PET共混纤维的纤度为10dtex。

Claims (4)

1.一种含氟PBT-PET共混纤维的制备方法，其特征是：所述含氟PBT-PET共混纤维的一种组分为含氟PBT，另外一种组分为PET；所述含氟PBT为聚四氟对苯二甲酸丁二醇酯，其结构通式为

其中n＝70～150；所述含氟PBT-PET共混纤维的两种组分的质量比为0.1～0.9:0.9～0.1；所述含氟PBT-PET共混纤维的单丝纤度为0.5～15dtex；所述含氟PBT-PET共混纤维的制备方法，包括含氟PBT的制备方法和共混纤维的制备方法，具体步骤为：

1)所述含氟PBT的制备方法分为酯化反应和缩聚反应两步；

所述酯化反应：

采用四氟对苯二甲酸和1,4-丁二醇作为原料，加入抑制剂，所述抑制剂的加入量为所述四氟对苯二甲酸重量的0.01％～0.05％；配成均匀浆料后进行酯化反应，得到酯化产物；酯化反应在氮气氛围中，压力控制在小于绝对压力1KPa，温度在160～220℃，时间为2～3小时，酯化水馏出量达到理论值的90％以上为酯化反应终点；

所述抑制剂为氧化镁、氧化硅、氧化钙、氧化锌和氧化锰中的一种；

所述缩聚反应：

包括缩聚反应低真空阶段和缩聚反应高真空阶段：

所述缩聚反应低真空阶段，在酯化产物中加入催化剂和稳定剂，在负压的条件下开始缩聚反应，所述负压是指绝对压力500Pa以下，温度控制在260～270℃，反应时间为40～60分钟；

所述缩聚反应高真空阶段，经所述缩聚反应低真空阶段后，继续抽真空，使反应压力降至绝对压力小于100Pa，反应温度控制在270～275℃，反应时间3～4小时；

制得含氟PBT；

2)所述共混纤维的制备方法为：将所述含氟PBT与PET混合，进行共混纺丝，纺丝温度为275-290℃，卷绕速度控制在2700～3200m/min。

2.根据权利要求1所述的一种含氟PBT-PET共混纤维的制备方法，其特征在于，所述的1,4-丁二醇与四氟对苯二甲酸的摩尔比为1.4～2.0:1。

3.根据权利要求1所述的一种含氟PBT-PET共混纤维的制备方法，其特征在于，所述的催化剂选自三氧化二锑、乙二醇锑和醋酸锑中的一种，催化剂用量为所述四氟对苯二甲酸重量的0.01％～0.05％。

4.根据权利要求1所述的一种含氟PBT-PET共混纤维的制备方法，其特征在于，所述的稳定剂选自磷酸三苯酯、磷酸三甲酯和亚磷酸三甲酯中的一种，稳定剂用量为所述四氟对苯二甲酸重量的0.01％～0.05％。