CN103833994A

CN103833994A - 一种碱溶性共聚酯及其制备方法和用途

Info

Publication number: CN103833994A
Application number: CN201210477898.2A
Authority: CN
Inventors: 左文艳; 祁华; 望月克彦
Original assignee: Toray Fibers and Textiles Research Laboratories China Co Ltd
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2032-11-22
Also published as: CN103833994B

Abstract

本发明公开了碱溶性共聚酯及其生产方法和用途，该碱溶性共聚酯的链段中含有对苯二甲酸二甲酯、间苯二甲酸二甲酯、间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠和乙二醇、二甘醇形成的结构单元。所述共聚酯的生产方法是，先由乙二醇、二甘醇、对苯二甲酸二甲酯、间苯二甲酸二甲酯和间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠进行酯交换反应得到小分子聚合物，再进行缩聚反应。本发明得到的共聚酯末端羧基少，共聚酯中异物少，其碱溶性及耐热性优良，可用于制备纤维等。

Description

一种碱溶性共聚酯及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及一种碱溶性共聚酯及其制备方法和用途

背景技术

碱溶性共聚酯是一种新型改性聚酯，可在一定的温度及一定的碱液中溶解，主要用作海岛复合纤维中的海成分，在海岛复合纤维的后续加工过程中使用碱液溶解掉海成分后可得到超细纤维。

现有技术中，制备碱溶性共聚酯通常由对苯二甲酸或对苯二甲酸二甲酯、乙二醇作为两个主要成分，用间苯二甲酸-5-磺酸钠或间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠作为第三组分、聚乙二醇（PEG）作为第四组分，采用直接酯化法或者酯交换法制得碱溶性共聚酯。少数情况下，反应体系中还加入间苯二甲酸、己二酸等其他组分。虽然加入间苯二甲酸-5-磺酸钠或间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠能赋予共聚酯碱溶性能，但由于在带有磺酸基团的间位苯环结构的空间位阻效应，增大了大分子的内旋转活化能，同时磺酸钠基团的极性增加了分子链缠结点，使大分子运动能力降低，限制了大分子链段的规则排列，使结晶性能降低，进而导致共聚酯熔体粘度急剧增加，对海岛复合纤维的制造和加工带来不良影响。因此，在现有技术中通过加入PEG或己二酸作为第四组分来提高大分子链的柔性、降低熔体粘度，提高水溶性聚酯的水溶性。但是加入过量PEG的话，在碱溶工艺中容易产生粘糊状不溶物，会限制聚酯的进一步溶解。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碱溶性好、异物少且耐热性好的共聚酯及其制备方法，该共聚酯可用于制备纤维。

本发明的技术解决方案：

一种碱溶性共聚酯，该共聚酯链段中含有如式1所示的结构单元A、式2所示的结构单元B、式3 所示的结构单元C、式4所示的结构单元D和式5所示的结构单元E，

式1

式2

式3

—OCH₂CH₂O— 式4

—OCH₂CH₂OCH₂CH₂O— 式5

其中，结构单元B占结构单元A、B和C总量的6～16mol%，结构单元C占结构单元A、B和C总量的0～20mol%，结构单元E占结构单元D和E总量的7～40mol%；该共聚酯的雾度为0.5～2%。

上述如式1所示的结构单元A和如式4所示的结构单元D为共聚酯分子链段中的主要结构单元，分别来自于对苯二甲酸或其衍生物和乙二醇。作为构成共聚酯的酸成分的结构单元A、B、C，和构成共聚酯的醇成分的结构单元D、E，两部分总量的摩尔比满足一般聚酯中的酸、醇摩尔比。

如式2所示的结构单元B中由于存在亲水性的磺酸基团，可以改善共聚酯的碱溶速度。共聚酯链段中结构单元B的总量占结构单元A、B和C总量的6～16mol%。当结构单元B的含量低于6mol%时，共聚酯的碱溶性得不到有效地提高；当结构单元B的含量高于16mol%时，虽然可以提高共聚酯的碱溶性能，但在聚合过程中共聚酯的增粘效果严重，熔体流动性差，影响共聚酯的纺丝及后续加工。从共聚酯的碱溶性及其纺丝加工性能等方面综合考虑，优选共聚酯链段中结构单元B占结构单元A、B和C总量的7～12mol%。

如式3所示的结构单元C是一种间位苯环结构，来自于间苯二甲酸或其衍生物，结构单元C的加入会破坏共聚酯的结构规整性，减弱分子间的作用力，使得水分子更容易进入共聚酯分子内部，加速共聚酯的溶胀，进一步提高其碱溶解速度。但如果共聚酯的分子链中结构单元C的含量过高，会降低共聚酯的热稳定性，影响共聚酯的纺丝及后加工性能。共聚酯链段中结构单元C的总量占结构单元A、B和C总量的0～20mol%，优选2～15mol%。

如式5所示的结构单元E是一种醚型结构，与PEG相比，这种醚型结构单元较短且容易与水分子形成氢键，更容易相对均匀的分散到共聚酯的大分子链中，当大分子链被水解时，醚型结构单元可以源源不断地溶解在水相中，不会产生粘稠状的物质附着在共聚酯表面而影响其进一步降解；另外，醚型结构单元在反应体系中还起着柔顺的作用，可以降低由结构单元B带来的共聚酯分子的刚性，改善共聚酯的流动性及其纺丝加工性能。结构单元E总量占结构单元D和E总量的7～40mol%，当结构单元E的含量低于7mol%时，不能有效地改善共聚酯的碱溶性及流动性，当结构单元E的含量高于40mol%时，会降低共聚酯的熔融粘度，且共聚酯结晶性变差，影响共聚酯的纺丝性能。从聚合物的碱溶性及其纺丝加工性能等方面综合考虑，优选共聚酯链段中结构单元E占结构单元D和E总量的8～30mol%。

本发明还涉及一种碱溶性共聚酯的生产方法，先由乙二醇和对苯二甲酸二甲酯进行酯交换反应得到小分子聚合物，再将小分子聚合物进行缩聚反应，其特征是：

（1）在酯交换反应中加入间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠（SIPM），其添加量为对苯二甲酸二甲酯、间苯二甲酸二甲酯和间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠总量的7～17mol%；

（2）在酯交换反应中加入间苯二甲酸二甲酯，其添加量为对苯二甲酸二甲酯、间苯二甲酸二甲酯和间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠总量的0～21mol%；

（3）在酯交换反应中加入二甘醇，其添加量为二甘醇和乙二醇总量的8～41mol%。

在酯交换反应中可加入已知的各种聚酯用催化剂，如有机酸锰、有机酸钠、有机酸镁、有机酸锂等。本发明中优先选用含有锂元素的催化剂醋酸锂、碳酸锂或甲酸锂等，其添加量以锂原子计相当于共聚酯总量0.1～1wt%，从共聚酯的纺丝性和着色方面考虑，其中更优选醋酸锂。

酯交换反应中加入的SIPM、间苯二甲酸二甲酯和二甘醇分别形成如式2所示的结构单元B、式3所示的结构单元C和式5所示的结构单元E。

酯交换反应中SIPM的添加量为对苯二甲酸二甲酯、间苯二甲酸二甲酯和SIPM总量的7～17mol%。当其添加量少于7mol%时，共聚酯中的磺酸钠基团太少，很难有效提高共聚酯的碱溶性；当其添加量高于17mol%时，由于磺酸钠的极性增加了分子链的缠结点，使聚合过程中共聚酯的增粘效果严重，熔体流动性差，影响聚合物的纺丝及加工性能；SIPM的添加量优选8～13mol%。

酯交换反应中还加入间苯二甲酸，其添加量为对苯二甲酸二甲酯、间苯二甲酸二甲酯和SIPM总量的0～21mol%。添加间苯二甲酸二甲酯可以破坏共聚酯分子链结构的规整性，分子间作用力变小，水分子更容易进入，当其添加量高于21mol%时，共聚酯结构中的间位苯环含量太高，大分子规整性急剧变差，共聚酯的热稳定性变差，影响共聚酯的纺丝及其加工性能。

为了提高共聚酯的碱溶解速度，同时改善磺酸钠基团的存在而引起的极性和共聚酯纺丝性方面的问题，在本发明酯交换反应前期还加入二甘醇，其添加量为二甘醇和乙二醇总量的8～41mol%。二甘醇作为反应单体共聚进入共聚酯的链段中。二甘醇的分子链比乙二醇的分子链较长一点，较PEG的分子链要短的多，它是一种亲水性醚型结构，它的添加可以改善共聚酯链段的流动性及碱溶性。相对于二甘醇和乙二醇总量，如果二甘醇的添加量低于8mol%，不能有效地改善共聚酯的流动性及碱溶性，如果二甘醇的添加量超过41mol%，会导致共聚酯的熔体粘度下降，影响共聚酯的纺丝及加工性能。

为了进一步提高所得共聚酯的耐热性，在缩聚反应中可以加入以磷原子计相当于共聚酯总量10～100ppm的稳定剂磷化合物。所述稳定剂磷化合物可以是三价或五价磷的有机或无机化合物，可以简单列举的有磷酸、磷酸三甲酯、磷酸三苯酯等。

本发明所述共聚酯的生产方法中，还可以加入其他聚合用催化剂和助剂，如钛催化剂、锑催化剂，抗氧剂IR1010等。

本发明所述共聚酯的碱溶性优良，共聚酯中异物少，雾度为0.5～2%；且由于采用了对苯二甲酸二甲酯作为共聚原料，共聚酯中末端羧基少，共聚酯的耐热性好。本发明所得到的共聚酯的特性粘度为0.6～0.8dl/g，可用于制备纤维等。

下面说明本发明各项指标的测定方法及评价方法。

(1)羧基含量（COOH）

采用光学滴定法测定，将共聚酯溶于邻甲基苯酚和氯仿（重量比70:30）的混合液中，加入溴百里酚蓝指示剂，然后用0.05N的氢氧化钾的乙醇溶液中进行滴定。

(2)碱减量率

经本发明的碱溶性共聚酯作为海成分，普通聚酯PET为岛成分，按海岛重量比为3∶7进行纺丝、延伸，然后制成筒编物，将1g的筒编物浸入100重量份浓度为1%NaOH水溶液中，溶液温度为90℃，设定一定的减量时间（min），测定筒编物在碱性溶液中单位时间的碱减量率：

Figure 2012104778982100002DEST_PATH_IMAGE005

A：筒编物处理前的重量(g)，

B：筒编物处理后的重量(g)，

t：碱减量时间(min)。

(3)雾度测定

将2.0g共聚酯溶于20ml的苯酚/四氯乙烷的溶液中，在100℃下加热溶解1小时，在25℃下冷却15至30分钟，然后在试验机HGM-2D型上进行测定，直接读出数据。

(4)共聚酯中各结构单元含量的测定方法

将一定量的共聚酯切片溶于三氟乙酸中，进行H-NMR测试。根据各组分特征峰的峰面积算出共聚酯中各结构单元的摩尔含量。

(5)纺丝性能

以普通聚酯PET为岛成分，本发明共聚酯为海成分，按海岛重量比为3∶7在290℃条件下进行连续纺丝48小时，断丝0～1回的纺丝性能为○，断丝2～3回的纺丝性能为△，5个小时以上不能卷曲的纺丝性能为×。

具体实施方式

下面将从列举的实施例和比较例对本发明的优点进行详细的说明。本发明并不只限于下述的实施例。

实施例中所涉及的部分化合物如下所示：

（1）对苯二甲酸二甲酯（DMT）：等级是高纯度，伊朗；

（2）乙二醇（EG）：BASF公司；

（3）钛酸四丁酯（TBT）：日本曹达；

（4）醋酸锰（MN）：等级 AR，上海化学试剂；

（5）磷酸（PA）：等级 AR，上海昊化化学有限公司；

（6）DEG：等级AR，上海祁安化工有限公司；

（7）间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠（SIPM）：等级AR，山东海化；

（8）间苯二甲酸二甲酸（DMI）：等级AR，上海邦成化工有限公司。

实施例1

在140℃的温度下，将161.02重量份的DMT、19.4重量份的DMI、20.72重量份的SIPM、99.2 重量份的EG和47.54重量份DEG置于配有精馏塔的聚合烧瓶中，并加入以锂元素计相当于共聚酯重量0.2wt%的酯交换催化剂醋酸锂混合，在常压下进行酯交换反应。当酯交换反应完成时，烧瓶内温度为235℃，分馏出甲醇得到小分子聚合物。

在所得小分子聚合物中添加以钛元素计相当于共聚酯重量2ppm的缩聚反应催化剂钛酸四丁酯，以磷元素计相当于共聚酯重量40ppm的稳定剂磷酸，5min后开始减压、升温，压力经1小时减压至300Pa左右，温度经1小时后升至270℃。当所述反应结束时，烧瓶内温度为200Pa左右，得到碱溶性共聚酯。测试所得共聚酯的碱减量速度、雾度及末端羧基含量，结果见附表。

实施例2

在酯交换反应中添加141.62重量份DMT、19.4重量份的DMI、50.32重量份的SIPM、99.2重量份的EG和47.54重量份DEG，以及以锂元素计相当于共聚酯总量0.8wt%的酯交换催化剂醋酸锂，以钛元素计相当于共聚酯重量10ppm的缩聚反应催化剂钛酸四丁酯，以磷元素计相当于共聚酯重量90ppm的稳定剂磷酸，其他同实施例1反应得到碱溶性共平聚酯，测试所得碱溶性共聚酯的碱减量速度、雾度及末端羧基含量，结果见附表。

实施例3

在酯交换反应中添加157.14重量份DMT、19.4重量份的DMI、26.64重量份的SIPM、99.2重量份的EG和47.54重量份DEG，以及以锂元素计相当于共聚酯总量0.5wt%的酯交换催化剂醋酸锂，以钛元素计相当于共聚酯重量5ppm的缩聚反应催化剂钛酸四丁酯，以磷元素计相当于共聚酯重量80ppm的稳定剂磷酸，其他同实施例1反应得到碱溶性共聚酯，测试所得碱溶性共聚酯的碱减量速度、雾度及末端羧基含量，结果见附表。

实施例4

在酯交换反应中添加145.5重量份DMT、31.04重量份的DMI、26.64重量份的SIPM、86.8重量份的EG和63.6重量份DEG，以及以锂元素计相当于共聚酯总量0.5wt%的酯交换催化剂醋酸锂，以钛元素计相当于共聚酯重量4ppm的缩聚反应催化剂钛酸四丁酯，以磷元素计相当于共聚酯重量50ppm的稳定剂磷酸，其他同实施例1反应得到碱溶性共聚酯，测试所得碱溶性共聚酯的碱减量速度、雾度及末端羧基含量，结果见附表。

实施例5

在酯交换反应中添加176.54重量份DMT、26.64重量份的SIPM、99.2重量份的EG和47.54重量份DEG，以及以锂元素计相当于共聚酯总量0.5wt%的酯交换催化剂醋酸锂，以钛元素计相当于共聚酯重量5ppm的缩聚反应催化剂钛酸四丁酯，以磷元素计相当于共聚酯重量60ppm的稳定剂磷酸，其他同实施例1反应得到碱溶性共聚酯，测试所得碱溶性共聚酯的碱减量速度、雾度及末端羧基含量，结果见附表。

实施例6

在酯交换反应中添加164.9重量份DMT、11.64重量份的DMI、26.64重量份的SIPM、114.1重量份的EG和16.96重量份DEG，以及以锂元素计相当于共聚酯总量0.6wt%的酯交换催化剂醋酸锂，以钛元素计相当于共聚酯重量5ppm的缩聚反应催化剂钛酸四丁酯，以磷元素计相当于共聚酯重量80ppm的稳定剂磷酸，其他同实施例1反应得到碱溶性共聚酯，测试所得碱溶性共聚酯的碱减量速度、雾度及末端羧基含量，结果见附表。

实施例7

在酯交换反应中添加151.32重量份DMT、19.4重量份的DMI、35.52重量份的SIPM、99.2重量份的EG和47.54重量份DEG，以及以锂元素计相当于共聚酯总量0.6wt%的酯交换催化剂醋酸锂，以钛元素计相当于共聚酯重量8ppm的缩聚反应催化剂钛酸四丁酯，以磷元素计相当于共聚酯重量60ppm的稳定剂磷酸，其他同实施例1反应得到碱溶性共聚酯，测试所得碱溶性共聚酯的碱减量速度、雾度及末端羧基含量，结果见附表。

实施例8

在酯交换反应中添加141.62重量份DMT、34.92重量份的DMI、20.64重量份的SIPM、76.88重量份的EG和90.33重量份DEG，以及以锂元素计相当于共聚酯总量0.7wt%的酯交换催化剂醋酸锂，以钛元素计相当于共聚酯重量7ppm的缩聚反应催化剂钛酸四丁酯以磷，元素计相当于共聚酯重量80ppm的稳定剂磷酸，其他同实施例1反应得到碱溶性共聚酯，测试所得碱溶性共聚酯的碱减量速度、雾度及末端羧基含量，结果见附表。

实施例9

在酯交换反应中添加164.9重量份DMT、5.82重量份的DMI、35.53重量份的SIPM、80.6重量份的EG和74.2重量份DEG，以及以锂元素计相当于共聚酯总量0.6wt%的酯交换催化剂醋酸锂，以钛元素计相当于共聚酯重量6ppm的缩聚反应催化剂钛酸四丁酯以磷，元素计相当于共聚酯重量80ppm的稳定剂磷酸，其他同实施例1反应得到碱溶性共聚酯，测试所得碱溶性共聚酯的碱减量速度、雾度及末端羧基含量，结果见附表。

实施例10

在酯交换反应中添加141.62重量份DMT、34.92重量份的DMI、20.64重量份的SIPM、105.4重量份的EG和31.8重量份DEG，以及以锂元素计相当于共聚酯总量0.5wt%的酯交换催化剂醋酸锂，以钛元素计相当于共聚酯重量5ppm的缩聚反应催化剂钛酸四丁酯以磷，元素计相当于共聚酯重量50ppm的稳定剂磷酸，其他同实施例1反应得到碱溶性共聚酯，测试所得碱溶性共聚酯的碱减量速度、雾度及末端羧基含量，结果见附表。

实施例11

在酯交换反应中添加159.08重量份DMT、11.64重量份的DMI、35.52重量份的SIPM、111.6重量份的EG和23.77重量份DEG，以及以锂元素计相当于共聚酯总量0.5wt%的酯交换催化剂醋酸锂，以钛元素计相当于共聚酯重量6ppm的缩聚反应催化剂钛酸四丁酯以磷，元素计相当于共聚酯重量60ppm的稳定剂磷酸，其他同实施例1反应得到碱溶性共聚酯，测试所得碱溶性共聚酯的碱减量速度、雾度及末端羧基含量，结果见附表。

实施例12

在酯交换反应中添加159.08重量份DMT、11.64重量份的DMI、35.52重量份的SIPM、76.88重量份的EG和80.56重量份DEG，以及以锂元素计相当于共聚酯总量0.8wt%的酯交换催化剂醋酸锂，以钛元素计相当于共聚酯重量8ppm的缩聚反应催化剂钛酸四丁酯以磷，元素计相当于共聚酯重量80ppm的稳定剂磷酸，其他同实施例1反应得到碱溶性共聚酯，测试所得碱溶性共聚酯的碱减量速度、雾度及末端羧基含量，结果见附表。

比较例1

在酯交换反应中添加172.7重量份DMT、11.64重量份的DMI、14.8重量份的SIPM、111.6重量份的EG和21.2重量份DEG，以及以锂元素计相当于共聚酯总量0.4wt%的酯交换催化剂醋酸锂，以钛元素计相当于共聚酯重量5ppm的缩聚反应催化剂钛酸四丁酯，以磷元素计相当于共聚酯重量50ppm的稳定剂磷酸，其他同实施例1反应得到碱溶性共聚酯，测试所得碱溶性共聚酯的碱减量速度、雾度及末端羧基含量，结果见附表。

比较例2

在酯交换反应中添加124.2重量份DMT、58.2重量份的DMI、17.76重量份的SIPM、86.8重量份的EG和63.6重量份DEG，以及锂元素计相当于共聚酯总量0.6t%的酯交换催化剂醋酸锂，以钛元素计相当于共聚酯重量6ppm的缩聚反应催化剂钛酸四丁酯，以磷元素计相当于共聚酯重量80ppm的稳定剂磷酸，其他同实施例1反应得到碱溶性共聚酯，测试所得碱溶性共聚酯的碱减量速度、雾度及末端羧基含量，结果见附表。

比较例3

在酯交换反应中添加145.5重量份DMT、11.64重量份的DMI、56.24重量份的SIPM、86.8重量份的EG和63.6重量份DEG，以及以锂元素计相当于共聚酯总量0.7wt%的酯交换催化剂醋酸锂，以钛元素计相当于共聚酯重量8ppm的缩聚反应催化剂钛酸四丁酯，以磷元素计相当于共聚酯重量80ppm的稳定剂磷酸，其他同实施例1反应得到碱溶性共聚酯，测试所得碱溶性共聚酯的碱减量速度、雾度及末端羧基含量，结果见附表。

比较例4

在酯交换反应中添加170.72重量份DMT、11.64重量份的DMI、17.76重量份的SIPM、62重量份的EG和106重量份DEG，以及以锂元素计相当于以锂元素计共聚酯总量0.8wt%的酯交换催化剂醋酸锂，以钛元素计相当于共聚酯重量7ppm的缩聚反应催化剂钛酸四丁酯，以磷元素计相当于共聚酯重量80ppm的稳定剂磷酸，其他同实施例1反应得到碱溶性共聚酯，测试所得碱溶性共聚酯的碱减量速度、雾度及末端羧基含量，结果见附表。

比较例5

在酯交换反应中添加166.84重量份DMT、11.64重量份的DMI、23.68重量份的SIPM、116.56重量份的EG和12.72重量份DEG，以及以锂元素计相当于共聚酯总量0.5wt%的酯交换催化剂醋酸锂，以钛元素计相当于共聚酯重量8ppm的缩聚反应催化剂钛酸四丁酯，以磷元素计相当于共聚酯重量80ppm的稳定剂磷酸，其他同实施例1反应得到碱溶性共聚酯，测试所得碱溶性共聚酯的碱减量速度、雾度及末端羧基含量，结果见附表。

Claims

1.一种碱溶性共聚酯，其特征是：所述共聚酯的链段中含有如式1所示的结构单元A、式2所示的结构单元B、式3 所示的结构单元C、式4所示的结构单元D和式5所示的结构单元E，

式1

Figure 2012104778982100001DEST_PATH_IMAGE003

式2

式3

—OCH₂CH₂O— 式4

—OCH₂CH₂OCH₂CH₂O— 式5

2.根据权利要求1所述的碱溶性共聚酯，其特征是：所述结构单元B占结构单元A、B和C总量的7～12mol%。

3.根据权利要求1或2所述的碱溶性共聚酯，其特征是：所述结构单元C占结构单元A、B和C总量的2～15mol%。

4.根据权利要求1或2所述的碱溶性共聚酯，其特征是：所述结构单元E占结构单元D和E总量的8～30mol%。

5.一种权利要求1所述碱溶性共聚酯的生产方法，先由乙二醇和对苯二甲酸二甲酯进行酯交换反应得到小分子聚合物，再将小分子聚合物进行缩聚反应，其特征是：

（1）在酯交换反应中加入间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠，其添加量为对苯二甲酸二甲酯、间苯二甲酸二甲酯和间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠总量的7～17mol%；

6.根据权利要求5所述碱溶性聚酯的生产方法，其特征是：所述间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠的添加量为对苯二甲酸二甲酯、间苯二甲酸二甲酯和间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠总量的8～13mol%。

7.一种权利要求1所述的碱溶性共聚酯在制备纤维中的应用。