CN103509175A

CN103509175A - 一种阳离子染料可染聚酯及其制备方法

Info

Publication number: CN103509175A
Application number: CN201210203209.9A
Authority: CN
Inventors: 成娟; 李旭; 望月克彦
Original assignee: Toray Fibers and Textiles Research Laboratories China Co Ltd
Current assignee: Toray Fibers and Textiles Research Laboratories China Co Ltd
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2014-01-15

Abstract

本发明公开了一种阳离子染料可染聚酯及其制造方法，该聚酯主要由对苯二甲酸、乙二醇、聚1，2-丙二醇和具有金属磺酸基团的间苯二甲酸乙二醇酯在含有碱金属元素的催化剂作用下共聚而成；聚酯中还含有锰元素和碱金属元素。该聚酯的制备方法是，先将对苯二甲酸和乙二醇通过酯化反应得到低聚物，再将所得低聚物进行缩聚制得聚酯，在酯化和/或缩聚反应阶段添加聚1，2-丙二醇，在缩聚反应阶段主要添加具有金属磺酸基团的间苯二甲酸乙二醇酯、锰化合物和含有碱金属元素的催化剂。

Description

一种阳离子染料可染聚酯及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种阳离子染料可染聚酯及其制备方法。

背景技术

一般的聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维在染色时，只能用分散染料或偶氮染料，存在着难以得到鲜艳且浓重的色相的问题。为了解决这一问题，人们研究了各种改性聚对苯二甲酸乙二醇酯。

例如，在专利特公昭34-010497中，公开了一种含有含磺酸金属盐基的间苯二甲酸结构单元的聚酯，可用碱性染料进行深度染色。但是，这种聚酯纤维与天然纤维、聚氨酯纤维等进行混编、混织后得到的织物不能进行染色；再者，由于磺酸酯基的增稠效果严重，聚合物反应中熔融粘度上升迅速而聚合度较小，导致聚酯纺纱时纺纱过滤器的升压速度快、断线情况多、纺纱操作性显著下降等问题。

日本专利特开昭63-256716公开了由对苯二甲酸、乙二醇、分子量为300～4000的聚乙二醇、含磺酸金属盐基的间苯二甲酸共聚而成的易染性聚酯，且聚乙二醇的增塑效果能够降低由磺酸酯基引起的增稠影响。但是由于聚乙二醇中含有大量的醚键，导致聚酯的耐光性变差。

另外，有人还提出了以下技术方案：在对苯二甲酸、乙二醇的聚合反应中，不仅加入含磺酸酯基的间苯二甲酸、聚乙二醇，还加入己二酸、癸二酸等直链烃系二羧酸，或二甘醇、新戊二醇、环己烷二甲醇、1,4-二（β-羟基乙氧基）苯等二元醇进行共聚，以改善聚酯的耐光性下降的问题。但是上述物质的添加并不能有效减弱因磺酸酯基而引起的增稠作用，聚酯的聚合度仍然较低，由聚酯所制得的纱线强度也较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种特性粘度高、熔点高、可纺性良好、染色性能好的阳离子染料可染聚酯及其制备方法，由这种聚酯得到的纱线强度高，且制成的织物具有良好的耐光性。

本发明的技术方案是：

一种阳离子染料可染聚酯，主要由对苯二甲酸、乙二醇、聚1，2-丙二醇和具有金属磺酸基团的间苯二甲酸乙二醇酯在含有碱金属元素的催化剂作用下共聚而成；相对于聚酯总重量，其中硫元素含量为500～5000ppm，聚1，2-丙二醇结构单元的含量为0.2～5.5wt%；聚酯中还含有锰元素和碱金属元素。

其中所述锰元素的含量为10～250ppm；所述碱金属元素为锂、钠或钾元素，来自于具有金属磺酸基团的间苯二甲酸乙二醇酯和含有碱金属元素的催化剂，碱金属元素的含量为300～3500ppm。

上述聚酯中聚1，2-丙二醇结构单元的含量在0.2～5.5wt%之间，当聚1，2-丙二醇结构单元含量低于0.2wt%时，不能有效降低磺酸酯基所引起的增稠效果；但是如果聚1，2-丙二醇结构单元含量高于5.5wt%，则聚酯的耐热性会明显下降，且由该聚酯得到的织物的耐光性或其他物性均会降低。

所述聚1，2-丙二醇的数均分子量优选600～4000。聚1,2-丙二醇长链脂肪链段的引入能够提高聚酯高分子链的运动性能，同时由于聚1,2-丙二醇中侧链甲基的空间位阻比较大，减弱了磺酸基团间的极性作用力，起到减粘的效果。当分子量过低时，不能达到一定的减粘作用；当分子量太大时，与聚酯不能形成良好的共聚体系，容易以共混的形态进入到聚酯中，聚酯的聚合度得不到提高。聚1，2-丙二醇的数均分子量最优选2000～3000。

所述具有金属磺酸基团的间苯二甲酸乙二醇酯为间苯二甲酸乙二醇酯-5-磺酸钠、间苯二甲酸乙二醇酯-5-磺酸钾或间苯二甲酸乙二醇酯-5-磺酸锂，考虑到上述物质在聚合反应中对粘度的影响及对聚酯染色性能的需要，其在聚酯中的含量以硫元素计为相对于聚酯总重量的500～5000ppm，优选1500～4000ppm。

本发明所述的阳离子染料可染聚酯的生产方法为，先将对苯二甲酸和乙二醇通过酯化反应得到低聚物，再将所得低聚物进行缩聚制得聚酯，在酯化和/或缩聚反应阶段添加聚1，2-丙二醇，在缩聚反应阶段主要添加具有金属磺酸基团的间苯二甲酸乙二醇酯、锰化合物和含有碱金属元素的催化剂，具体添加量如下：

A）聚1，2-丙二醇的添加量为相当于聚酯总重量的0.5～6wt%；

B）具有金属磺酸基团的间苯二甲酸乙二醇酯的添加量为相当于聚酯总重量的0.5～6wt%。

聚1,2-丙二醇含有侧链甲基，与在聚酯中添加相同量的聚乙二醇相比，由于分子结构更加不规整，结晶性相对较差，非晶区较大，染料更易进入，染色性提高；同时由于侧链甲基的空间位阻效应，磺酸酯基之间的作用力减弱，从而减弱由磺酸酯基引起的增稠作用、提高聚酯的聚合度，进而提高所得纱线的强度。同时添加量相同时，聚1,2-丙二醇中的醚键比聚乙二醇中的少，所以聚酯的耐光性也较添加聚乙二醇的好。

所述具有金属磺酸基团的间苯二甲酸乙二醇酯为间苯二甲酸乙二醇酯-5-磺酸钠、间苯二甲酸乙二醇酯-5-磺酸钾或间苯二甲酸乙二醇酯-5-磺酸锂。添加具有金属磺酸基团的间苯二甲酸乙二醇酯时，以一定浓度的EG溶液进行添加，其浓度范围可以是公知的各种浓度，如10wt%、25wt%或40wt%。

缩聚反应阶段添加的锰化合物优选醋酸锰，添加量优选以锰元素计相当于聚酯总重量的10～300ppm，在此范围内，锰化合物的添加不仅能有效地改善聚酯织物的耐光性，也不会由于大量金属的存在使聚酯中产生异物而导致聚酯的耐热性降低。

缩聚反应阶段添加的含有碱金属元素的催化剂为含有锂、钠或钾的化合物，具体的可以是醋酸锂、醋酸钠或醋酸钾。其添加量为其中以碱金属元素计相当于聚酯总重量的10～200ppm。这种催化剂可以有效减少聚酯反应中二甘醇（DEG）的生成，使得聚酯中DEG的含量在3.5wt%以下，不至于由于DEG含量过高而导致的聚酯耐热性降低、可纺性下降、纺丝过程中出新断丝、飘丝等现象。同时在添加时，有效控制该催化剂的添加量，防止大量金属元素的存在而导致聚酯的耐热性下降。

聚酯末端羧基含量的多少也会影响聚酯的耐热性，当末端羧基的含量大于30eq/t时，会使聚酯的耐热性降低，可纺性下降，且所得纱线性能差、强度低。为了得到末端羧基含量30eq/t以下或者更好的25eq/t以下的聚酯，本发明中还在聚酯反应中添加稳定剂磷化合物，以改善聚酯的耐热性，提高可纺性以及所得纱线的性能；另外，稳定剂磷化合物还可以有效地减少聚合过程中产生的异物，很好地改善可纺性，减缓纺丝压力上升速度，提高纺丝周期，降低纺丝成本。

所述稳定剂磷化合物优选五价的磷化合物，可以是磷酸、磷酸三甲酯等。稳定剂磷化合物的添加量以P元素计为相对于聚酯重量的5～200ppm，优选5～100ppm。

本发明在聚合反应中添加剂还可以包括可溶性钛化合物催化剂、锑化合物催化剂、碱性催化剂、抗氧剂、消光剂二氧化钛等，这些添加剂的添加量与生产常规聚酯时的添加量相同，在本发明中不做特殊的限制。

本发明所述阳离子染料可染聚酯的DEG含量在3.5wt%以下、末端羧基含量小于30eq/t，耐热性好。聚酯中异物含量少、其熔点为220～240℃，聚酯的可纺性好，所得纱线的强度高，由纱线制成的织物有着较好的染色性，并且耐光性能达到4级或4级以上。

本发明所述聚酯的制备方法并不限于上述直接酯化法，也可以由酯交换法制备；根据制造工艺的不同，其制备方法也可以是间歇聚合法或连续聚合法。

本发明的实施例中聚酯的物性由以下方法测定。

（1）聚酯的固有粘度IV（dl/g）

以邻氯苯酚作为溶剂在25℃下进行测定。

（2）聚酯中的末端基羧基COOH（当量/ton）

以邻甲基苯酚作为溶剂，在25℃下用浓度0.02mol/L的NaOH水溶液在自动滴定装置上进行测定。

（3）聚酯中二甘醇DEG的含量（wt%）

以单乙醇胺作为溶剂，与1,6-乙二醇/甲醇混合后加热溶解，加入甲醇用超声波清洗器清洗10分钟；加入酸进行中和处理，过滤后，使用气相色谱仪测定滤液。

（4）聚酯中的金属含量

将6g聚合物压成片状，用荧光X线分析装置（理学电气公司制造的X线分析装置3270型）测定它的强度，用已知金属含量的样品事先作成的检量线进行换算。

（5）染色性评价方法：

将得到的共聚物切片干燥使其水分率保持在50ppm以下，然后在290℃的纺丝温度下熔融纺丝，3000m的牵引速度下卷取。得到的未拉伸丝在拉伸温度90℃、拉伸倍率1.65倍的条件下进行拉伸，然后在130℃下热定型后卷取，得到56dtex/24f的拉伸丝。

将得到的丝进行统编，用下述条件进行染色评价。用高温染色试验机UR·MINI-COLOR（红外线小型染色剂（TEXAM技术研究制造）在95℃× 30min的条件下搅拌处理液、染色。此时所用处理液的药剂如下所示：

Dianix Blue E-Plus（德司达公司制造、分散染料） 5owf%

NIKKA SUNSALT（日华化学公司制造、匀染剂） 1g/l

醋酸（pH调节剂） 0.5g/l

染色后，在80℃×20min的条件下使用下面的药剂配制处理液，进行还原清洗；

氢氧化钠 0.6g/l

亚硫酸氢钠 2g/l

然后，将筒编物水洗、风干后用作评价样品。将样品重叠成8层后用分光测色计（Datacolor Asia Pacific(H.K.)Ltd.制造的Datacolor650）测色，用L^*表示。L^*是指色系中的明度，数值越小染色性越好。

（6）耐光坚牢度

根据标准JIS-L0842:2004对耐光坚牢度进行测试。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作更详细的说明。

实施例1

在酯化釜中加入12200g的对苯二甲酸（TPA）和4500g乙二醇（EG）搅拌并在4小时内供料完全，待酯化反应率达到97wt%以上，将所制备的对苯二甲酸乙二醇酯低聚物（BHET）移入聚合釜。然后向聚合釜中依次加入以S元素计相当于聚酯总重量2800ppm的间苯二甲酸乙二醇酯-5-磺酸钠（SIPE）的EG溶液、以Li计相当于聚酯总重量27ppm的醋酸锂、相当于聚酯总重量250ppm的醋酸锰和0.5wt%的聚1,2-丙二醇（PPG，M_n=2000）进行聚合反应，同时添加的其他添加剂有抗氧剂四[β-（3,5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯（IR1010）11.25g、三氧化二锑7g、二氧化钛80.8g。最终制得阳离子染料可染聚酯15000g。

经测试，所得聚酯中S元素含量为2760ppm，Na元素含量为1983ppm，Li元素含量为24.8ppm，Mn元素为42.5ppm，PPG的含量为0.32wt%。聚酯的固有粘度为0.70dl/g、末端羧基含量为24eq/ton、DEG的含量为3.0wt%。将所得聚酯进行纺丝统编后测试其染色性和耐光坚牢度，得L^*值为30.0，耐光4级以上。

实施例2～7

改变各物质的添加量，方法同实施例1制备阳离子染料可染聚酯，具体添加量及聚酯的测试结果见表1。

实施例8～10

在酯化反应阶段添加PPG，方法同实施例1制备阳离子染料可染聚酯，PPG和其他物质的添加量及聚酯的测试结果见表1。

实施例11～14

在酯化反应阶段和缩聚反应阶段均添加PPG，法同实施例1制备阳离子染料可染聚酯，PPG总添加量、其他物质的添加量及聚酯的测试结果见表2。

比较例1

在缩聚反应阶段添加以S元素计相当于聚酯总重量15000ppm的间苯二甲酸乙二醇酯-5-磺酸钠的EG溶液，方法同实施例1制备聚酯。聚酯在纺丝过程中出现严重的断丝现象。其他物质的添加量及聚酯的测试结果见表2。

比较例2

在缩聚反应阶段添加相当于聚酯总重量10wt%的PPG，方法同实施例1制备聚酯。聚酯在纺丝过程中出现断丝现象。其他物质的添加量及聚酯的测试结果见表2。

比较例3

在缩聚反应阶段不添加锰化合物，方法同实施例1制备聚酯。其他物质的添加量及聚酯的测试结果见表2。

比较例4

在缩聚反应阶段不添加含有碱金属元素的催化剂，方法同实施例1制备聚酯。其他物质的添加量及聚酯的测试结果见表2。

比较例5

在缩聚反应阶段添加相当于聚酯总重量1wt%的聚乙二醇（PEG，M_n=2000），方法同实施例1制备聚酯。其他物质的添加量及聚酯的测试结果见表2。

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Claims

1.一种阳离子染料可染聚酯，其特征在于：该聚酯主要由对苯二甲酸、乙二醇、聚1，2-丙二醇和具有金属磺酸基团的间苯二甲酸乙二醇酯在含有碱金属元素的催化剂作用下共聚而成；相对于聚酯总重量，其中硫元素的含量为500～5000ppm，聚1，2-丙二醇结构单元的含量为0.2～5.5wt%；聚酯中还含有锰元素和碱金属元素。

2.根据权利要求1所述的阳离子染料可染聚酯，其特征在于：相对于聚酯总重量，其中锰元素的含量为10～250ppm、碱金属元素的含量为300～3500ppm。

3.根据权利要求1或2所述的阳离子染料可染聚酯，其特征在于：所述聚1，2-丙二醇的数均分子量为600～4000。

4.根据权利要求1或2所述的阳离子染料可染聚酯，其特征在于：所述具有金属磺酸基团的间苯二甲酸乙二醇酯为间苯二甲酸乙二醇酯-5-磺酸钠、间苯二甲酸乙二醇酯-5-磺酸钾或间苯二甲酸乙二醇酯-5-磺酸锂。

5.根据权利要求1或2所述的阳离子染料可染聚酯，其特征在于：所述碱金属元素为钾、锂或钠。

6.一种权利要求1所述阳离子染料可染聚酯的制备方法，先将对苯二甲酸和乙二醇通过酯化反应得到低聚物，再将所得低聚物进行缩聚制得聚酯，其特征在于：在酯化和/或缩聚反应阶段主要添加聚1，2-丙二醇，在缩聚反应阶段添加具有金属磺酸基团的间苯二甲酸乙二醇酯、锰化合物和含有碱金属元素的催化剂，具体添加量如下：

A）聚1，2-丙二醇的添加量为相当于聚酯总重量的0.5～6wt%；

7.根据权利要求6所述阳离子染料可染聚酯的制备方法，其特征在于：所述锰化合物的添加量为以锰元素计相当于聚酯总重量的10～300ppm。

8.根据权利要求6或7所述阳离子染料可染聚酯的制备方法，其特征在于：所述含有碱金属元素的催化剂的添加量为以其中碱金属元素计相当于聚酯总重量的10～200ppm。

9.根据权利要求6或7所述阳离子染料可染聚酯的制备方法，其特征在于：所述锰化合物为醋酸锰。

10.根据权利要求6或7所述阳离子染料可染聚酯的制备方法，其特征在于：所述含有碱金属元素的催化剂为醋酸锂、醋酸钠或醋酸钾。