CN111072936A - 一种全芳香族液晶聚酯树脂及其应用 - Google Patents

一种全芳香族液晶聚酯树脂及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了了一种适用于制备纤维的全芳香族液晶聚酯(LCP)树脂以及由该树脂制备的初生纤维。该树脂具有260～350℃的熔点，并具有大于或等于3.0的P1/P3比。P1、P2、P3分别是在剪切速率1000s‑1的条件下，结晶熔融温度(Tm)、Tm+10℃的温度、Tm+20℃的温度下的熔体粘度。P3的熔融粘度低于70Pa·S。本发明的全芳族液晶聚酯树脂在Tm至Tm+10℃的温度范围内具有更高的熔融粘度，纺丝时具有更好的连续性，不容易断丝。由该树脂制备的初生丝具有4～7cN/dtex的断裂强度。

Description

一种全芳香族液晶聚酯树脂及其应用
技术领域
本发明涉及纤维制造用材料和纤维，本发明的全芳族液晶聚酯树脂在熔点附近温度具有更高的熔融粘度，纺丝具有更好的连续性，不容易断丝。
背景技术
液晶聚酯纤维由于具有优异的低吸湿性、高耐热性和高的力学强度等特性等，一直受着人们的广泛关注。20世纪80年代，美国塞拉尼斯公司利用对羟基苯甲酸和二羟基六萘甲酸两种单体制备了纺丝级液晶聚酯树脂，并实现了液晶聚酯纤维的工业化生产，后来将相关技术出售给了日本可乐丽公司。近年来，日本东丽公司将少量PET与芳香族单体熔融聚合，制备了半芳香族半脂肪族的新型液晶聚酯树脂，也成功的制备了液晶聚酯纤维，并开始批量供应。在CN103130995、CN103130995两篇专利中，日本住友公司利用对羟基苯甲酸、联苯二酚、对苯二甲酸、间苯二甲酸四种单体制备的液晶聚酯树脂，也顺利的制备了液晶纤维，并研究了不同分子量及工艺对纺丝稳定性及强度的影响。
尽管以上几家公司使用不同分子结构的液晶聚酯树脂，均制备了液晶纤维，但总的来看，其商业化规模仍比较小，市场上难觅踪影。这是因为一直有两个关键问题限制着液晶聚酯纺丝的规模生产。第一，纺丝过程中熔体会有一定程度的拉伸，而通常液晶聚酯在熔点以上温度熔体粘度太低，这导致纺丝过程中出现频繁断条、粗细不均匀、拉伸倍数低等现象，导致连续稳定纺丝变得比较困难；第二，初生纤维的强度不高，若想达到媲美对位芳纶的强度，需要在高温氮气下进行长时间的后处理，对设备和成本要求高，而且效率低，产量小。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种全芳香族液晶聚酯树脂，以解决现有技术的上述问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。
本发明人通过分子设计，提供特定重复单元的液晶聚酯树脂，该液晶聚酯树脂在熔点以上温度具有高的熔融粘度，在该温度下纺丝具有更好的连续性，不容易断丝，可以有效改善断条、粗细不均匀、拉伸倍数低等现象等现象。
本发明人提供了一种适用于纤维制备的全芳香族液晶聚酯树脂。该液晶聚酯树脂跟以上几种已经商业化的纤维具有完全不同的分子结构，且可以调节单体比例制备不同熔点树脂，进一步得到不同熔点和耐热性的纤维。
一种全芳香族液晶聚酯树脂，由式[I]～[IV]所示的重复单元组成：
Figure BDA0002331855860000021
其中，a、b、c、d分别代表液晶聚酯树脂中重复单元的摩尔比(摩尔％)，并满足下式：
(a)35≤a≤60；10≤b≤25；10≤c≤20；10≤d≤20；
(b)c＝d；
(c)a+b+c+d＝100；
所述的液晶聚酯树脂熔点范围为260～350℃，并具有大于或等于3.0的P1/P3比；其中，P1、P2、P3分别是在剪切速率1000s-1的条件下，结晶熔融温度(Tm)、Tm+10℃的温度、Tm+20℃的温度下的熔体粘度；P3的熔融粘度低于70Pa·S。
优选地，本发明的全芳族液晶聚酯树脂包含重复单元总量的40～60摩尔％式[I]表示的重复单元。并包含构成本发明的全芳族液晶聚酯树脂酯的重复单元总量的15～25摩尔％的式[II]表示的重复单元。
含有式[I]表示的重复单元的单体的实例包括基酯对羟基苯甲酸及其酯衍生物，如酰基衍生物、酯衍生物及酰基卤。
含有式[II]表示的重复单元的单体的实例包括6～羟基～2～萘甲酸及其成酯衍生物，如酰基衍生物、酯衍生物及酰基卤。
含有式[III]表示的重复单元的单体的实例包括对苯二甲酸及其酯衍生物，如酯衍生物和酰基卤。
含有式[IV]表示的重复单元的单体的实例包括对苯二酚及其酯衍生物，如酰基衍生物。
在Tm+10℃温度下具有更高的熔融粘度P2，在该温度下纺丝从而得到纤维。
上述全芳族液晶聚酯树脂的制备方法，采用熔融酸解法。先将单体加热，产生熔融液，随后令熔融液反应以产生熔融的聚合物。该方法的最后的步骤可以在真空中进行以利于除去挥发性副产物，如乙酸或水。
在熔融酸解法中，用于制备该全芳族液晶聚酯树脂的聚合单体可以是通过室温下酰化羟基获得的低级酰基衍生物形式。低级酰基可具有优选2～5和更优选2～3个碳原子。乙酰化单体最优选用于该反应。
单体的低级酰基衍生物可以通过预先独立地酰化单体制备，或者在制备该全芳族液晶聚酯树脂时向单体中加入酰化剂(如乙酸酐)而在反应体系中制得。
在熔融酸解法中，如果需要的话可以在反应中使用催化剂。
催化剂的实例包括有机锡化合物，如二烷基氧化锡(例如二丁基氧化锡)和二芳基氧化锡；钛化合物，如二氧化钛、三氧化二梯、烷氧基钛硅酸盐和烷氧基钛；羧酸的碱金属盐或碱土金属盐，如乙酸钾；无机酸的盐(例如K2S04)，路易斯酸(例如BF3)；和气态酸催化剂，如卤化氢(例如HCl)。
当使用催化剂时，加入到反应中的催化剂的量优选为全部单体的1～l000ppm,更优选30～300ppm。
可以从聚合反应容器中以熔融状态获得本发明的全芳族液晶聚酯树脂，并加工以获得颗粒、薄片或粉末。
上述全芳族液晶聚酯树脂应用于制备纤维。
本发明的全芳族液晶聚酯树脂在熔点附件具有更高的熔融粘度，在该温度下纺丝具有更好的连续性，不容易断丝。由该树脂制备的初生丝具有4～7cN/dtex的断裂强度。
具体实施方式
本发明的全芳族液晶聚酯树脂在融融状态下表现出各向异性，因此被本领域技术人员称为热致性液晶聚酯树脂。可以使用热台在氮气气氛下用正交光偏振器的常规偏振光系统观察样品从而确认各向异性熔融相。
本发明的全芳族液晶聚酯树脂优选在熔融状态下显示液晶性，并在400℃以下的温度下熔融。并且，液晶聚酯可以是液晶聚酯酰胺，也可以是液晶聚酯醚，也可以是液晶聚酯碳酸酯，还可以是液晶聚酯酰亚胺。液晶聚酯优选是仅使用芳香族化合物作为原料单体而成的全芳香族液晶聚酯。
本发明的全芳族液晶聚酯由芳族氧基羰基重复单元、芳族二氧基重复单元和芳族二羰基重复单元组成。
本发明的全芳族液晶聚酯树脂必须包含式[I]表示的对氧基苯甲酰基重复单元和式[II]表示的6～氧基～2～萘甲酰基重复单元作为芳族氧基羰基重复单元：
Figure BDA0002331855860000041
其中a和b分别族液晶聚酯树脂中由式[I]和[II]表示的重复单元的摩尔比(摩尔％)。
本发明的全芳族液晶聚酯树脂包含重复单元总量的35～60摩尔％、优选40～60摩尔％式[I]表示的重复单元，并包含构成本发明的全芳族液晶聚酯树脂酯的重复单元总量的10～25摩尔％、优选15～25摩尔％的式[II]表示的重复单元。
含有式[I]表示的重复单元的单体的实例包括基酯对羟基苯甲酸及其酯衍生物，如酰基衍生物、酯衍生物及酰基卤。
含有式[II]表示的重复单元的单体的实例包括6～羟基～2～萘甲酸及其成酯衍生物，如酰基衍生物、酯衍生物及酰基卤。
本发明的全芳族液晶聚酯树脂必须包含式[III]表示的芳族二羰基重复单元以及和[IV]芳族二氧基重复单元。
其中c和d分别代表在本发明的全芳族液晶聚酯树脂中由式[III]和[IV]表示的重复单元的摩尔比(摩尔％)，并满足式：c＝d。
本发明的全芳族液晶聚酯树脂包含重复单元总量的10～20摩尔％的式[III]表示的重复单元，并包含10～20摩尔％式[IV]表示的重复单元。
含有式[III]表示的重复单元的单体的实例包括对苯二甲酸及其酯衍生物，如酯衍生物和酰基卤。
含有式[IV]表示的重复单元的单体的实例包括对苯二酚及其酯衍生物，如酰基衍生物。
在本发明的全芳族液晶聚酯树脂中，a、b、c、d满足下式：
a+b+c+d＝100。
由式[I]至[IV]所示的重复单元组成的本发明的全芳族液晶聚酯树脂具有15～150Pa·s、优选30～90Pa·s的熔体粘度(P1)；并具有5～70Pa·s、优选10～40Pa·s的熔体粘度(P3)，P1、P2、P3分别是在剪切速率1000s-1的条件下，结晶熔融温度(Tm)、Tm+10℃的温度、Tm+20℃的温度下的熔体粘度。P3的熔融粘度低于70Pa·S。在本发明中，使用尺寸为0.5mm的毛细管在剪切速率1000s-1的条件下测量该全芳族液晶聚酯树脂的熔体粘度。
Pl/P3比是本发明的全芳族液晶聚酯树脂的熔体粘度的温度依赖性的指标。本发明的全芳族液晶聚酯树脂表现出高于3.0的Pl/P3比。
在实施例和比较例中，通过下列程序评估结晶熔融温度(下文中也称为Tm)、熔体粘度：
<测定结晶熔融温度的方法＞
使用差示扫描量热计DSC 8000(PeckinElmec Inc，UDA)，将待检测的LCP样品从室温以20℃/分钟的速率加热并记录吸热峰(Tm l)。随后样品保持在Tm l高20℃的温度下5分钟。随后将样品以10℃/分钟的速率冷却至室温，并再次以10℃/分钟的速率加热。记录最终步骤中得到的吸热峰作为样品LCP的结晶熔融温度(Tm)。
<测定熔体粘度的方法＞
使用熔体粘度流变仪Capillacy Cheometec Ch2000(Malvecn)。通过使用0.5mm的毛细管，在剪切速率1000s―1的条件下测量该LCP样品结晶熔融温度(Tm)、Tm+10℃的温度、Tm+20℃的温度下的熔体粘度。
下面阐述制备本发明的全芳族液晶聚酯树脂的方法。
制备本发明的全芳族液晶聚酯树脂的方法没有限制，可以采用本领域已知的任何方法。例如，如熔融酸解法。
熔融酸解法优选用于制备本发明的全芳族液晶聚酯树脂。在这种方法中，将单体加热，产生熔融液，随后令熔融液反应以产生熔融的聚合物。该方法的最后的步骤可以在真空中进行以利于除去挥发性副产物，如乙酸或水。
在熔融酸解法中，用于制备该全芳族液晶聚酯树脂的聚合单体可以是通过室温下酰化羟基获得的低级酰基衍生物形式。低级酰基可具有优选2～5和更优选2～3个碳原子。乙酰化单体最优选用于该反应。
单体的低级酰基衍生物可以通过预先独立地酰化单体制备，或者在制备该全芳族液晶聚酯树脂时向单体中加入酰化剂(如乙酸酐)而在反应体系中制得。
在熔融酸解法中，如果需要的话可以在反应中使用催化剂。
催化剂的实例包括有机锡化合物，如二烷基氧化锡(例如二丁基氧化锡)和二芳基氧化锡；钛化合物，如二氧化钛、三氧化二梯、烷氧基钛硅酸盐和烷氧基钛；羧酸的碱金属盐或碱土金属盐，如乙酸钾；无机酸的盐(例如K2S04)，路易斯酸(例如BF3)；和气态酸催化剂，如卤化氢(例如HCl)。
当使用催化剂时，加入到反应中的催化剂的量优选为全部单体的1～l000ppm,更优选30～300ppm。
可以从聚合反应容器中以熔融状态获得本发明的全芳族液晶聚酯树脂，并加工以获得颗粒、薄片或粉末。
此后，如果需要的话，对颗粒、薄片或粉末形式的全芳族液晶聚酯树脂施以在真空中或在惰性气氛(如氮气和氦气)下的固相加热过程以改进耐热性等等。
本文中的纤维可将上述液晶聚酯树脂通过公知的纺丝方法得到，例如使用熔融纺丝的方法来得到。利用熔融纺丝将液晶聚酯树脂进行纤维化时，将液晶聚酯树脂加热而形成熔融状态，将该熔融状态的材料通过规定的纺丝孔挤出，将细丝状熔体拉长同时冷却并再次使其固化，从而可以得到液晶聚酯树脂纤维。
参照下列实施例进一步描述本发明，但本发明不限于这些实施例。
在实施例和比较例中，使用下列缩写：
POB：对羟基苯甲酸
BON6：6～羟基～2～蔡甲酸
BP：4,4～二羟基联苯
HQ：对苯二酚
TPA：对苯二甲酸
IPA：间苯二甲酸
实施例1
将552.48g的POB(4mol)、338.72g的BON6(1.8mol)、231.23g的HQ(2.1mol)和348.87g的TPA(2.1mol)供料到带有扭矩计和冷凝器的装有搅拌装置的反应容器中，使得单体总量为10摩尔。随后将单体羟基总量(摩尔)的1.03倍摩尔的乙酸酐加入到容器中。混合物在下列条件下聚合。
在氮气气氛下，混合物经1小时从室温加热至150℃，并在150℃下保持30分钟，随后经7小时加热至345℃，同时蒸出副产物乙酸。随后经80分钟将压力降低至5毫米汞柱。当扭矩达到预定水平时，终止聚合反应。所得聚合物从容器中以料条形式取出，并切割料条获得液晶聚酯树脂的颗粒。
使用差示扫描量热计测定的全芳族液晶聚酯树脂的结晶熔融温度为330℃。
使用江西华圆机电有限公司的复丝纺丝装置，使熔融的材料通过过滤器(不锈钢制)后，从喷丝孔吐出，在Tm+10℃进行熔融纺丝。喷丝孔使用孔径为0.2mm、孔数为22个的喷丝孔，以吐出量为25g/分钟，纺速为400m/分钟的条件进行卷绕，在3小时的纺丝时间内，记录最长一次连续纺丝的时间标记为LLT(min)。
实施例2、3和比较例1至3
以与实施例1相同的方式获得全芳族液晶聚酯树脂，除了如表1中所示那样改变反应容器中的单体的类型与摩尔比以及出料时的最终温度。使用所得的颗粒，与实施例1同样地进行纺丝。该全芳族液晶聚酯树脂的结晶熔融温度、熔体粘度、熔体粘度比及纺丝情况显示在表1中。
表1为实施例1-3和比较例1-3的纺丝情况
Figure BDA0002331855860000081
表2为表1的评估结果。
Figure BDA0002331855860000082
Figure BDA0002331855860000091
作为评价的结果，发现在Tm+10℃的纺丝温度时，实施例相比比较例具有更高的熔融粘度，在该温度下可以没有断头、且稳定地进行纺丝，具有更长的连续纺丝时间，初生丝的强度在4-7cN/dtex的范围内。因此，该树脂更适合于制备纤维。

Claims (10)

1.一种全芳香族液晶聚酯树脂，其特征在于：由式[I]～[IV]所示的重复单元组成：
Figure FDA0002331855850000011
其中，a、b、c、d分别代表液晶聚酯树脂中重复单元的摩尔比(摩尔％)，并满足下式：
(a)35≤a≤60；10≤b≤25；10≤c≤20；10≤d≤20；
(b)c＝d；
(c)a+b+c+d＝100。
2.根据权利要求1所述的一种全芳香族液晶聚酯树脂，其特征在于：所述的液晶聚酯树脂熔点范围为260～350℃，并具有大于或等于3.0的P1/P3比；其中，P1、P2、P3分别是在剪切速率1000s-1的条件下，结晶熔融温度(Tm)、Tm+10℃的温度、Tm+20℃的温度下的熔体粘度；P3的熔融粘度低于70Pa·S。
3.根据权利要求1所述的一种全芳香族液晶聚酯树脂，其特征在于：本发明的全芳族液晶聚酯树脂包含重复单元总量的40～60摩尔％式[I]表示的重复单元；并包含构成本发明的全芳族液晶聚酯树脂酯的重复单元总量的15～25摩尔％的式[II]表示的重复单元。
4.根据权利要求1或3所述的一种全芳香族液晶聚酯树脂，其特征在于：含有式[I]表示的重复单元的单体包括基酯对羟基苯甲酸及其酯衍生物；含有式[II]表示的重复单元的单体包括6～羟基～2～萘甲酸及其成酯衍生物；含有式[III]表示的重复单元的单体包括对苯二甲酸及其酯衍生物；含有式[IV]表示的重复单元的单体包括对苯二酚及其酯衍生物。
5.根据权利要求4所述的一种全芳香族液晶聚酯树脂，其特征在于：含有式[I]表示的重复单元的单体为酰基衍生物、酯衍生物及酰基卤；含有式[II]表示的重复单元的单体为酰基衍生物、酯衍生物及酰基卤；含有式[III]表示的重复单元的单体为酯衍生物和酰基卤；含有式[IV]表示的重复单元的单体为酰基衍生物。
6.根据权利要求1-5任意之一所述全芳香族液晶聚酯树脂的制备方法，其特征在于：全芳族液晶聚酯树脂采用熔融酸解法制备，先将单体加热，产生熔融液，随后令熔融液反应以产生熔融的聚合物。
7.根据权利要求6所述全芳香族液晶聚酯树脂的制备方法，其特征在于：该方法的最后的步骤在真空中进行以利于除去挥发性副产物的乙酸或水；
用于制备该全芳族液晶聚酯树脂的聚合单体可以是通过室温下酰化羟基获得的低级酰基衍生物形式；低级酰基具有2～5个碳原子；
单体的低级酰基衍生物通过预先独立地酰化单体制备，或者在制备该全芳族液晶聚酯树脂时向单体中加入酰化剂(如乙酸酐)而在反应体系中制得。
8.根据权利要求6所述全芳香族液晶聚酯树脂的制备方法，其特征在于：在熔融酸解法中，如果需要的话可以在反应中使用催化剂；催化剂包括有机锡化合物，如二烷基氧化锡(例如二丁基氧化锡)和二芳基氧化锡；钛化合物，如二氧化钛、三氧化二梯、烷氧基钛硅酸盐和烷氧基钛；羧酸的碱金属盐或碱土金属盐，如乙酸钾；无机酸的盐，如K2S04，路易斯酸，如BF3；和气态酸催化剂，如卤化氢，如HCl。
9.根据权利要求6所述全芳香族液晶聚酯树脂的制备方法，其特征在于：当使用催化剂时，加入到反应中的催化剂的量为全部单体的1～l000ppm。
10.权利要求1-5任意之一所述全芳族液晶聚酯树脂应用于制备纤维。
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