CN109081907A - 高粘聚酯及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高粘聚酯及其制备方法，将特性粘度为0.300‑0.500dL/g的低粘聚酯进行固相增粘制得特性粘度为0.85‑1.15dL/g的高粘聚酯；固相增粘的预反应分为四个阶段，按先后顺序分别为第一阶段、第二阶段、第三阶段和第四阶段，对应的温度分别为190‑195℃、195‑210℃、210‑220℃和220‑230℃。制得的高粘聚酯中环状低聚物的含量<1.60wt％。本发明的一种高粘聚酯及其制备方法，通过将低粘聚酯的固相增粘预反应阶段分为四个阶段且控制各阶段温度，有效减少了固相增粘过程中副反应的发生，有效降低了产物中低聚物的含量，制得的高粘聚酯中低聚物含量低，聚酯品质高。

Description

高粘聚酯及其制备方法
技术领域
本发明属于聚酯制备领域，涉及一种高粘聚酯及其制备方法。
背景技术
增粘聚酯具有较好的力学性能和优秀的理化性能，被广泛的应用于工业丝、包装材料和工程塑料等工业领域，尤其是汽车、安全防护和绳索等需要复合增强材料的工业领域。在上述聚酯应用领域中，为了保证产品的高性能，人们需要进一步降低增粘聚酯切片中的低聚物含量，尤其是制备特性粘度较高的聚酯时，聚酯中低聚物的含量已成为衡量制品品质的关键参数之一。
目前，常见的增粘聚酯的制备方法为：先经熔融缩聚制备特性粘度在0.65dL/g左右的低粘聚酯，然后通过固相缩聚增粘制备得到增粘聚酯。聚酯的固相缩聚增粘过程(solid state polycondensation即SSP)是指反应物料以固体状态在远低于聚酯熔点温度的情况下通过真空或惰性气体带走聚合小分子方法进行缩合反应的过程。SSP常见的工艺方法主要有间隙式和连续式两种。由于连续式SSP工艺可有效克服间歇式SSP能耗大、效率低下和产品质量稳定性差等缺点，具有高效、低成本和便于集成化控制等优势，其被广泛应用于增粘聚酯的生产过程中。
在利用连续式SSP工艺生产增粘聚酯时，由于SSP生产装置及生产工艺的双重限制，制备得到的产品低聚物含量高，主要原因如下：
(1)目前SSP生产工艺的反应温度经常保持在230℃左右，反应温度较高，在较长时间(20-30h)的反应过程中，温度对于反应过程有着极其重要的影响，高的反应温度会极大的提高反应过程中副反应的发生机率，随之副产物不可避免的也会大量产生，上述过程将会直接影响制得的产品中低聚物的含量，降低生产得到的产品的品质；
(2)SSP生产过程中，聚酯粉尘控制不良，虽然可在生产过程中提供供风设备进行除尘，但无法从源头上抑制粉尘产生，粉尘的存在不可避免的会增加物料粘结成块的机率，造成聚合过程中必须脱出小分子的扩散不匀，加剧聚酯中低聚物的产生。
因此，研究一种能够有效降低聚酯中低聚物含量的聚酯及其制备方法具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服传统SSP工艺制备的聚酯低聚物含量高的问题，提供一种能够有效降低低聚物含量的高粘聚酯及其制备方法。采用本发明的制备方法制得的高粘聚酯的低聚物含量低且产品品质优良，能满足市场对高性能聚酯产品的需求。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
高粘聚酯的制备方法，将特性粘度为0.300-0.500dL/g的低粘聚酯(PET)进行固相增粘制得特性粘度为0.85-1.15dL/g的高粘聚酯；
所述固相增粘的预反应分为四个阶段，按先后顺序分别为第一阶段、第二阶段、第三阶段和第四阶段，对应的温度分别为190-195℃、195-210℃、210-220℃和220-230℃。
SSP反应包括酯化反应(产生的小分子为水)和酯交换反应(产生的小分子为乙二醇)，具体反应方程式如下：
酯化反应：
酯交换反应：
SSP反应过程中反应温度超过小分子的沸点时，小分子即进行挥发脱除，这也使得以乙二醇沸点197.3℃为临界点，低于此温度时SSP反应以酯化反应为绝对主导，高于此温度两种反应并存，且在反应后期酯交换反应主导反应。而酯化反应相对于酯交换反应来说，其分子链的扩增更为均匀，增粘后的分子量分布更窄，可有效降低环状低聚物的含量，从而进一步降低了聚酯中低聚物的总含量。
现有技术中固相增粘的预反应也分为四个阶段，按先后顺序分别为第一阶段、第二阶段、第三阶段和第四阶段，对应的温度分别为211-223℃、217-229℃、217-229℃和210-222℃。对比可以看出，本申请中前三个阶段的温度比现有技术降低较多，即本申请前三个阶段主导酯化反应，而现有技术中酯交换反应占比较大，更容易产生低聚物，本申请通过对四个阶段的温度进行设计，调控每个阶段的酯化反应和酯交换反应程度，并通过四个阶段的相互配合有效降低了低聚物的产生量。
此外，本发明中固相增粘反应温度总体低于现有技术，能够有效减少反应的热历程，而低聚物的产生主要是因为热聚合过程中热降解副反应引起的，温度对低聚物的产生起着决定性作用，采用较低的固相增粘温度，可以有效的降低低聚物产生的机率，同时聚合得到的聚酯的分子量的分布与温度密切相关，较低的温度使得制得的聚酯分子链更加整齐均匀，分布宽度窄，有效减少了SSP反应过程中副反应的发生，降低了产物中低聚物尤其是环状低聚物含量。
作为优选的技术方案：
如上所述的方法，所述预反应前进行干燥预结晶，所述干燥预结晶是在预结晶器中进行的。具体是将低粘聚酯传送至预结晶器上方，下方送入温度为150-170℃的氮气，低粘聚酯与氮气对流充分接触，控制结晶时间10-20min，预结晶结束后在结晶出料口对低粘聚酯进行预升温至180-190℃再输送至预反应器中。
如上所述的方法，所述干燥预结晶的温度为150-170℃，时间为10-20min，气氛为氮气。
如上所述的方法，所述预反应是在预反应器中进行的，所述四个阶段是在预反应器的四个工作区中进行的，每个阶段对应的反应时间即物料在每个工作区的停留时间，物料在每个工作区的停留时间与下落速度相关，下落速度可在现有技术中进行选择，所述预反应的时间为8-10h，预反应结束后聚酯的特性粘度可以达到0.85-1.15dL/g。
如上所述的方法，所述预反应后在终反应器中进行终反应，所述终反应的温度为215-225℃，时间为18-20h。
本发明还提供一种采用如上所述的制备方法制得的高粘聚酯，高粘聚酯中环状低聚物的含量&lt;1.60wt％。现有技术的聚酯中环状低聚物的含量一般为2-2.4wt％，本发明产品相比于现有技术取得了显著的进步。
作为优选的技术方案：
如上所述的高粘聚酯，所述高粘聚酯的低聚物总含量&lt;2.00wt％，低聚物作为副产物，在后续的纺丝及后加工时会因受热从纤维中析出，造成加工困难，产品瑕疵，同时对产品最终性能产生不利影响，低聚物含量低，产品品质好，特性粘度偏差≤0.025dL/g，特性粘度偏差即体现聚酯分子量宏观稳定指标之一，特性粘度偏差低，聚酯的均匀性和稳定性好，分子量分布指数&lt;2.5，分子量分布指数体现分子量分布的宽窄，数值越小，分子量分布宽度越小，对纤维性能特别是力学性能影响较大，二甘醇(DEG)含量&lt;0.90wt％，二甘醇(DEG)含量低，聚酯的纺丝加工性能好。
如上所述的高粘聚酯，所述高粘聚酯应用于工业丝、包装材料或工程塑料领域。
发明机理：
本发明采用特性粘度为0.300-0.500dL/g的低粘聚酯切片作为固相增粘反应原料，同时调控固相增粘四个阶段的温度，将原料端与反应工艺相结合产生协同作用，减控产品的低聚物含量，窄化产品的分子量分布，提高产品品质的同时保证足够的反应速率，具体分析如下：
首先，本发明中的低粘聚酯具有高反应活性，能够弥补低温固相增粘可能导致的较低反应速率，使得固相增粘在较低反应温度下仍可达到较快的反应速率，满足生产效率的要求的同时减少低聚物含量。固相增粘反应速率与温度密切相关，相对来说，反应温度越高，反应速率越快，目前生产中往往采用较高的固相增粘温度以达到所需生产效率，而本发明固相增粘预反应采用四段相对较低反应温度，因而反应速率可能会较低。本发明采用特性粘度为0.300-0.500dL/g低粘聚酯，低粘聚酯的分子链长度较短，较短的分子链的特点主要为：一方面在聚酯质量相同的情况下，端基含量更高；另一方面，较短的分子链使得端基效应显著，端基的活性大大增加。SSP反应的机理是非晶区的端基反应，端基的数量与活性决定了SSP反应速率的快慢，因此，本发明的特性粘度为0.300-0.500dL/g的低粘聚酯的端基的含量和活性高，更有利于加速SSP的反应速率。如图1所示，图中横坐标为固相增粘反应时间，纵坐标为高粘聚酯的特性粘度，黑色三角形表示采用特性粘度为0.65dL/g的聚酯按现有技术的工艺进行固相增粘，黑色圆点与黑色方点分别表示采用特性粘度为0.50dL/g和0.40dL/g的聚酯按本发明的工艺进行固相增粘，从图中可以看出，后两者进行固相增粘时的反应速率明显大于常规技术，在最终相同时间内可以达到相近的特性粘度。
其次，本发明的低粘聚酯在固相增粘过程中会主导酯化反应，本发明的低粘聚酯具有较多的端羧基基团，能够提供足够量的酯化反应基团，在固相增粘阶段，会主导酯化反应最大化，抑制引起分子链回咬成环形成低聚物的酯交换反应。
最后，本发明的特性粘度为0.300-0.500dL/g的低粘聚酯所需的聚合时间更短，较短的聚合时间内副反应发生的现象也较少，因此制备得到的低粘聚酯中低聚物的含量也较低，而低温固相增粘能够控制因固相增粘引发的低聚物增长，二种因素共同导致低聚物产生量较少。
有益效果：
(1)本发明的一种高粘聚酯的制备方法，以特性粘度为0.300-0.500dL/g的低粘聚酯为原料，低粘聚酯的低聚物含量低且有利于加速固相增粘反应的反应速率；
(2)本发明的一种高粘聚酯的制备方法，通过将固相增粘预反应阶段分为四个阶段且控制各阶段温度，有效减少了固相增粘过程中副反应的发生，有效降低了产物中低聚物的含量；
(3)本发明的一种高粘聚酯，聚酯分子链更加整齐均匀，分布宽度窄，同时聚酯中低聚物含量低，聚酯品质高。
附图说明
图1为采用三种不同的低粘聚酯进行固相增粘获得的聚酯特性粘度与反应时间关系的对比图；
图2为本发明实施例1与对比例1制备得到的PET分子量分布曲线对比图，图中，1为对比例1的制备得到的PET分子量分布曲线，2为实施例1制备得到的PET的分子量分布曲线。
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。
实施例1
高粘PET的制备方法，具体步骤如下：
(1)将特性粘度为0.400dL/g的低粘PET在预结晶器中进行干燥预结晶，其中干燥预结晶的温度为150℃，时间为10min，气氛为氮气；
(2)进行固相增粘的预反应，其中固相增粘的预反应在预反应器中进行，分为四个阶段，按先后顺序分别为第一阶段、第二阶段、第三阶段和第四阶段，对应的温度分别为191℃、200℃、210℃和223℃，四个阶段是在预反应器的四个工作区中进行的，预反应的时间为8.5h；
(3)在终反应器中进行固相增粘的终反应制得特性粘度为0.85dL/g的高粘PET，其中终反应的温度为215℃，时间为18h。
最终制得的高粘PET中环状低聚物的含量为1.1wt％(采用萃取法前后称重获得)，低聚物总含量为1.6wt％，特性粘度偏差为0.022dL/g，分子量分布指数为2.3，DEG含量为0.88wt％，数均分子量Mn为41000。
制得的高粘PET应用于工业丝、包装材料或工程塑料领域。
对比例1
一种PET的制备方法，具体步骤与实施例1基本一致，不同的是采用特性粘度为0.65dL/g的聚酯进行固相增粘，固相增粘步骤(2)中四个阶段的温度分别为223℃、229℃、229℃和222℃，最终制得的PET中环状低聚物的含量为11.6wt％，低聚物总含量为2.8wt％，特性粘度偏差为0.025dL/g，分子量分布指数为2.8，DEG含量为0.92wt％，数均分子量Mn为39000，本发明制得的高粘PET与对比例1制得的PET的分子量分布曲线对比图如图2所示，从图中可看出，采用本发明的制备方法得到的聚酯的分子量分布相对较窄，分子量分布越窄，低聚物含量越低，因而本发明通过控制固相增粘的预反应中四个阶段的温度，显著降低了制备的聚酯中低聚物以及环状低聚物的含量。
实施例2
高粘PET的制备方法，具体步骤如下：
(1)将特性粘度为0.30dL/g的低粘PET在预结晶器中进行干燥预结晶，其中干燥预结晶的温度为155℃，时间为13min，气氛为氮气；
(2)进行固相增粘的预反应，其中固相增粘的预反应在预反应器中进行，分为四个阶段，按先后顺序分别为第一阶段、第二阶段、第三阶段和第四阶段，对应的温度分别为193℃、210℃、215℃和220℃。四个阶段是在预反应器的四个工作区中进行的，预反应的时间为8h；
(3)在终反应器中进行固相增粘的终反应制得特性粘度为0.90dL/g的高粘PET，其中终反应的温度为225℃，时间为18h。
最终制得的高粘PET中环状低聚物的含量为1.40wt％，低聚物总含量为1.85wt％，特性粘度偏差为0.015dL/g，分子量分布指数为2.35，DEG含量为0.75wt％。
制得的高粘PET应用于工业丝、包装材料或工程塑料领域。
实施例3
高粘PET的制备方法，具体步骤如下：
(1)将特性粘度为0.450dL/g的低粘PET在预结晶器中进行干燥预结晶，其中干燥预结晶的温度为150℃，时间为15min，气氛为氮气；
(2)进行固相增粘的预反应，其中固相增粘的预反应在预反应器中进行，分为四个阶段，按先后顺序分别为第一阶段、第二阶段、第三阶段和第四阶段，对应的温度分别为190℃、205℃、215℃和225℃。四个阶段是在预反应器的四个工作区中进行的，预反应的时间为9.5h；
(3)在终反应器中进行固相增粘的终反应制得特性粘度为0.95dL/g的高粘PET，其中终反应的温度为225℃，时间为19h。
最终制得的高粘PET中环状低聚物的含量为1.53wt％，低聚物总含量为1.6wt％，特性粘度偏差为0.025dL/g，分子量分布指数为2.4，DEG含量为0.83wt％。
制得的高粘PET应用于工业丝、包装材料或工程塑料领域。
实施例4
高粘PET的制备方法，具体步骤如下：
(1)将特性粘度为0.400dL/g的低粘PET在预结晶器中进行干燥预结晶，其中干燥预结晶的温度为160℃，时间为18min，气氛为氮气；
(2)进行固相增粘的预反应，其中固相增粘的预反应在预反应器中进行，分为四个阶段，按先后顺序分别为第一阶段、第二阶段、第三阶段和第四阶段，对应的温度分别为190℃、195℃、220℃和230℃。四个阶段是在预反应器的四个工作区中进行的，预反应的时间为9h；
(3)在终反应器中进行固相增粘的终反应制得特性粘度为1.00dL/g的高粘PET，其中终反应的温度为220℃，时间为18.5h。
最终制得的高粘PET中环状低聚物的含量为1.2wt％，低聚物总含量为1.88wt％，特性粘度偏差为0.017dL/g，分子量分布指数为2.3，DEG含量为0.6wt％。
制得的高粘PET应用于工业丝、包装材料或工程塑料领域。
实施例5
高粘PET的制备方法，具体步骤如下：
(1)将特性粘度为0.500dL/g的低粘PET在预结晶器中进行干燥预结晶，其中干燥预结晶的温度为165℃，时间为20min，气氛为氮气；
(2)进行固相增粘的预反应，其中固相增粘的预反应在预反应器中进行，分为四个阶段，按先后顺序分别为第一阶段、第二阶段、第三阶段和第四阶段，对应的温度分别为193℃、210℃、216℃和228℃。四个阶段是在预反应器的四个工作区中进行的，预反应的时间为10h；
(3)在终反应器中进行固相增粘的终反应制得特性粘度为1.15dL/g的高粘PET，其中终反应的温度为215℃，时间为20h。
最终制得的高粘PET中环状低聚物的含量为1.58wt％，低聚物总含量为1.95wt％，特性粘度偏差为0.020dL/g，分子量分布指数为2.31，DEG含量为0.82wt％。
制得的高粘PET应用于工业丝、包装材料或工程塑料领域。
实施例6
高粘PET的制备方法，具体步骤如下：
(1)将特性粘度为0.440dL/g的低粘PET在预结晶器中进行干燥预结晶，其中干燥预结晶的温度为170℃，时间为10min，气氛为氮气；
(2)进行固相增粘的预反应，其中固相增粘的预反应在预反应器中进行，分为四个阶段，按先后顺序分别为第一阶段、第二阶段、第三阶段和第四阶段，对应的温度分别为193℃、195℃、218℃和228℃。四个阶段是在预反应器的四个工作区中进行的，预反应的时间为8h；
(3)在终反应器中进行固相增粘的终反应制得特性粘度为1.05dL/g的高粘PET，其中终反应的温度为223℃，时间为18h。
最终制得的高粘PET中环状低聚物的含量为1.45wt％，低聚物总含量为1.72wt％，特性粘度偏差为0.025dL/g，分子量分布指数为2.28，DEG含量为0.79wt％。
制得的高粘PET应用于工业丝、包装材料或工程塑料领域。
实施例7
高粘PET的制备方法，具体步骤如下：
(1)将特性粘度为0.500dL/g的低粘PET在预结晶器中进行干燥预结晶，其中干燥预结晶的温度为170℃，时间为11min，气氛为氮气；
(2)进行固相增粘的预反应，其中固相增粘的预反应在预反应器中进行，分为四个阶段，按先后顺序分别为第一阶段、第二阶段、第三阶段和第四阶段，对应的温度分别为195℃、200℃、210℃和230℃。四个阶段是在预反应器的四个工作区中进行的，预反应的时间为8.5h；
(3)在终反应器中进行固相增粘的终反应制得特性粘度为1.00dL/g的高粘PET，其中终反应的温度为225℃，时间为20h。
最终制得的高粘PET中环状低聚物的含量为1.5wt％，低聚物总含量为1.55wt％，特性粘度偏差为0.155dL/g，分子量分布指数为2.31，DEG含量为0.85wt％。
制得的高粘PET应用于工业丝、包装材料或工程塑料领域。

Claims (8)

1.高粘聚酯的制备方法，其特征是：将特性粘度为0.300-0.500dL/g的低粘聚酯进行固相增粘制得特性粘度为0.85-1.15dL/g的高粘聚酯；
所述固相增粘的预反应分为四个阶段，按先后顺序分别为第一阶段、第二阶段、第三阶段和第四阶段，对应的温度分别为190-195℃、195-210℃、210-220℃和220-230℃。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预反应前进行干燥预结晶，所述干燥预结晶是在预结晶器中进行的。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述干燥预结晶的温度为150-170℃，时间为10-20min，气氛为氮气。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预反应是在预反应器中进行的，所述四个阶段是在预反应器的四个工作区中进行的，所述预反应的时间为8-10h。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预反应后在终反应器中进行终反应，所述终反应的温度为215-225℃，时间为18-20h。
6.采用权利要求1～5任一项所述的制备方法制得的高粘聚酯，其特征是：高粘聚酯中环状低聚物的含量&lt;1.60wt％。
7.根据权利要求6所述的高粘聚酯，其特征在于，所述高粘聚酯的低聚物总含量&lt;2.00wt％，特性粘度偏差≤0.025dL/g，分子量分布指数&lt;2.5，二甘醇含量&lt;0.90wt％。
8.根据权利要求7所述的高粘聚酯，其特征在于，所述高粘聚酯应用于工业丝、包装材料或工程塑料领域。
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