CN112608455A - 一种聚氨酯合成用芳香族-脂肪族共聚酯多元醇合成方法 - Google Patents

一种聚氨酯合成用芳香族-脂肪族共聚酯多元醇合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚氨酯合成芳香族‑脂肪族聚酯多元醇合成及其工艺。聚酯多元醇原料中己二酸与对苯二甲酸的摩尔比为2:1‑10:1,原料中二元醇总量与二元酸总量的摩尔比为1.18:1‑1.40:1,聚酯多元醇数均分子量为1000‑4000,酸值不高于0.8mgKOH/g。本发明所述的芳香族‑脂肪族聚酯多元醇合成原料包括对苯二甲酸和1,4‑丁二醇,采用分步合成方法,有效减缓1,4‑丁二醇在对苯二甲酸存在下高温成环的副反应,从而能够以较低的物料比和常压酯化的条件下合成聚氨酯合成用级别的聚酯多元醇。

Description

一种聚氨酯合成用芳香族-脂肪族共聚酯多元醇合成方法
技术领域
本发明涉及聚酯多元醇合成,尤其是指聚氨酯用芳香族-脂肪族共聚酯多元醇的合成,涉及聚酯多元醇合成工艺过程控制包括分步合成涉及顺序选择和酯化过程工艺控制。
技术背景
在聚氨酯领域,芳香族聚酯多元醇通常应用于硬泡型和半硬泡型聚氨酯材料,而脂肪族聚酯多元醇多应用于聚氨酯油墨、弹性体、革用树脂、胶黏剂等领域。芳香族聚酯型聚氨酯在力学强度、耐温性和成本方面具有明显优势,而脂肪族聚酯型聚氨酯在产品形态、伸长率和曲绕强度方面更具可行性。为将两者优势结合,在原材料选择上,芳香族-脂肪族共聚酯多元醇应运而生。
由于线性聚氨酯合成要求的特殊性,以合成革用线性聚氨酯树脂为例,所用聚酯多元醇数均分子量基本为1000~6000,酸值通常控制不高于1mgKOH/g,因此对于聚酯多元醇合成品质要求较高。对于普通己二酸系为代表的脂肪族聚酯多元醇而言,由于酯化反应速率和程度相对较高,通常在常压下酯化反应,负压下进行酯交换反应的工艺路线即可实现,但对于反应速率和程度都偏低的对苯二甲酸为代表的芳香族聚酯多元醇而言,常压下酯化反应酸值通常较难控制,在常用的脂肪族聚酯多元醇生产设备中工艺较难实现。同时在芳香族-脂肪族共聚酯多元醇生产过程中将原料一次全部投入反应釜中仍存在对苯二甲酸反应速率低问题,若通过升高温度来提高反应速率,组分中以1,4-丁二醇(1,4-BDO)为代表的小分子二醇易发生环化副反应和低沸点小分子二醇回流量过大和逸出问题,在不增加物料醇酸比情况下合成的聚酯多元醇酸值高,不能满足聚氨酯合成需要。
芳香族-脂肪族共聚酯多元醇合成工艺上以聚对苯二甲酸乙二醇酯和对苯二甲酸二醇酯为原料提供苯环基团较为常见,如专利CN 104144965公开了使用聚对苯二甲酸乙二酯为原料,通过解聚聚对苯二甲酸乙二醇酯与己二酸和1,4-丁二醇进行反应,生产聚对苯二甲酸-共-己二酸丁二酯共聚物;专利CN 103881072公开了使用对苯二甲酸二甲酯先制得脂肪族—芳香族嵌段混合聚酯预聚体,再反应合成可生物降解脂肪族-芳香族嵌段混合聚酯。此类工艺对1,4-丁二醇脱水生产四氢呋喃副反应控制较为有效,但工艺流程较长,批次稳定性控制较难,所用芳香族结构原料相对成本也较高。
发明内容
本发明旨在提供一种芳香族-脂肪族共聚酯多元醇合成方法,通过对生产工艺的调整,达到在普通脂肪族聚酯多元醇生产设备上直接生产芳香族-脂肪族共聚酯多元醇目的。原材料使用上采用成本经济的对苯二甲酸作为芳香族苯环刚性结构来源,通过分步合成的方式减缓1,4-丁二醇的成环副反应。
本发明的芳香族-脂肪族共聚酯多元醇对酸值控制较高,适用于单组分和多组分聚氨酯合成,提供一种聚氨酯合成用芳香族-脂肪族共聚酯多元醇。
本发明通过以下技术方案实现:
一种聚氨酯合成用芳香族-脂肪族共聚酯多元醇合成方法,其特征在于,其合成原料组成为:对苯二甲酸、己二酸、小分子二醇、催化剂和抗氧剂;其中己二酸与对苯二甲酸的摩尔比为2:1-10:1,原料中二元醇总量与二元酸总量的摩尔比为1.18:1-1.40:1,催化剂占反应物质量分数为0.01%-0.15%,抗氧剂占总反应物质量分数为0.01%-0.15%;小分子二醇为1,4-丁二醇(1,4-BDO)单一组份,或者为1,4-BDO和其它类型小分子二醇组成,催化剂为有机铋类催化剂,抗氧剂为亚磷酸酯和受阻酚复配物;
合成工艺:将聚酯设计组份中的1,4-丁二醇(1,4-BDO)与己二酸先进行酯化反应,生成低聚物后,再加入对苯二甲酸、配方中剩余的小分子二醇和己二酸,进行后续的酯化和酯交换反应,包括以下步骤:
(1)将原料中包括1,4-BDO在内的小分子二醇和己二酸投入反应釜中,控制投料二元醇总量和二元酸总量摩尔比1.2:1-1.8:1,在聚酯合成釜中常压下升温进行酯化反应,待酯化率不低于95%后停止加热,在氮气保护下降温至130℃以下后进行后续反应;
(2)在步骤(1)基础上向反应釜中加入设计配方中的对苯二甲酸、剩余的己二酸、小分子二醇和抗氧剂,在常压下经升温搅拌,控制最高反应温度240~260℃,加入催化剂,启动真空泵,控制真空度由低至高,待数均分子量指标达到设计要求后,停止升温,反应结束。
合成的芳香族-脂肪族共聚酯多元醇,其数均分子量为1000-4000,酸值不高于0.8mgKOH/g。
反应料中的对苯二甲酸在步骤(2)投入。
所述的小分子二醇可以在步骤(1)中全部加入,也可以部分在步骤(2)中加入,当在步骤(2)中加入时,步骤(2)所述的小分子二醇,包括1,3-丙二醇(1,3-PG)、新戊二醇(NPG)、1,6-己二醇(1,6-HDO)和一缩二乙二醇(DEG),具体组分可以为上述中的一种或多种组合。
步骤(1)在常压下进行反应,步骤(2)在常压和负压下进行反应。
所述的有机铋类催化剂为钛酸四异丙酯(TPT),所述的亚磷酸酯和受阻酚复配物抗氧剂为亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯与N,N’-双-[3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基]己二胺质量比1:1的复合物。
步骤(1)所述的小分子二醇可以为1,4-BDO单一组分,也可以为1,4-BDO与乙二醇(EG)、1,2-丙二醇(1,2-PG)、1,3-丙二醇(1,3-PG)、新戊二醇(NPG)、1,6-己二醇(1,6-HDO)和一缩二乙二醇(DEG)中的一种或多种组合。
所述的小分子二醇中组份有沸点低于210℃时,优先在步骤(1)与己二酸先反应。
合成工艺上通过将1,4-BDO与己二酸在常压反应釜中先反应,形成酯化低聚物,再与对苯二甲酸反应,降低游离1,4-BDO含量,达到减缓1,4-BDO与对苯二甲酸高温下发生成环副反应的目的。当设计配方中除了1,4-BDO以外,存在沸点低于210℃的小分子二醇时,在第一步己二酸的酯化反应中小分子二醇优先选择沸点低于210℃和高温易在对苯二甲酸存在下发生副反应的原料,与己二酸反应形成沸点和稳定性更高的的低聚物,为后续对苯二甲酸加入升高反应温度提供保护。在此基础上,再加入对苯二甲酸、配方中剩余的小分子二醇和己二酸,反应釜能够在常压下升至更高釜温,同时降低物料回流比,可以使用己二酸系聚酯多元醇合成反应釜在不加压条件下就能够进行芳香族-脂肪族共聚酯多元醇的生产。
发明效果:
本发明所述的芳香族-脂肪族共聚酯多元醇合成工艺对配方和设备适应性广。配方组份上,本发明所述的芳香族-脂肪族共聚酯多元醇中原料小分子二元醇涵盖低沸点和高沸点的小分子二醇,对于高温易被对苯二甲酸催化产生成环反应的1,4-丁二醇(1,4-BDO)也同样适用,通过合成工艺的调整控制,明显减缓1,4-BDO二醇成环副反应的发生,在不增加投料醇酸比情况下合成的聚酯多元醇酸值能够满足聚氨酯合成要求。
在生产设备上,本发明通过将低沸点小分子二醇优先于己二酸酯化反应生成沸点更高的低聚物,在不明显增加回流比条件下完成后续加入对苯二甲酸和高沸点小分子二醇的酯化反应,整个酯化过程能够在普通己二酸系聚酯多元醇合成反应釜中不加压条件下进行,整体回流比控制要求没有明显额外增加,不需要对现有设备进行改造。
本发明所述的芳香族-脂肪族共聚酯多元醇在色度和酸值方面能够满足聚氨酯树脂合成要求。
具体实施方式:
实施案例一:
将1,6-己二酸(AA)292g和1,4-丁二醇(1,4-BDO)234g投入体积为1L的聚酯多元醇合成反应釜中,在常压搅拌回流条件进行升温反应,反应物料最高温度控制不高于240℃,控制回流冷凝管上端温度不高于105℃,取样检测酸值,通过酸值推算反应酯化率,待反应酯化率达98%停止反应,向反应釜底部通氮气保护,降温至130℃。
向上述反应釜中加入配方中剩余的对苯二甲酸(PTA)33.2g,抗氧剂0.06g,在常压搅拌回流条件下升温至260℃进行酯化反应,取样检测数值,待酸值不高于30mgKOH/g加入催化剂钛酸四异丙酯(TPT)0.06g,开启抽真空设备,真空度控制由低至高,等物料至设计粘度指标后停止反应,向反应釜中通入氮气破除真空,降温后进行卸料。
原料 AA 1,4-BDO PTA TPT 抗氧剂
重量/g 292 234 33.2 0.06 0.06
实施案例二:
将1,6-己二酸(AA)292g、乙二醇(EG)99.2g和1,4-丁二醇(1,4-BDO)180g投入体积为1L的聚酯多元醇合成反应釜中,在常压搅拌回流条件进行升温反应,反应物料最高温度控制不高于240℃,控制回流冷凝管上端温度不高于105℃,取样检测酸值,通过酸值推算反应酯化率,待反应酯化率达95%停止反应,向反应釜底部通氮气保护,降温至120℃。
向上述反应釜中加入配方中剩余的对苯二甲酸(PTA)166g,抗氧剂1.1g,在常压搅拌回流条件下升温至260℃进行酯化反应,取样检测数值,待酸值不高于30mgKOH/g加入催化剂TPT 0.4g,开启抽真空设备,真空度控制由低至高,等物料至设计粘度指标后停止反应,向反应釜中通入氮气破除真空,降温后进行卸料。
原料 AA EG 1,4-BDO PTA TPT 抗氧剂
重量/g 292 99.2 180 166 0.4 1.1
实施案例三:
将1,6-己二酸(AA)292g、1,6己二醇(1,6-HDO)50g和1,4-丁二醇(1,4-BDO)180g投入聚酯多元醇合成反应釜中,在常压搅拌回流条件进行升温反应,反应物料最高温度控制不高于240℃,控制回流冷凝管上端温度不高于105℃,取样检测酸值,通过酸值推算反应酯化率,待反应酯化率达97%停止反应,向反应釜底部通氮气保护,降温至110℃。
向上述反应釜中加入配方中剩余的对苯二甲酸(PTA)83g,1,6己二醇(1,6-HDO)70g抗氧剂0.4g,在常压搅拌回流条件下升温至260℃进行酯化反应,取样检测数值,待酸值不高于30mgKOH/g加入催化剂TPT 1g,开启抽真空设备,真空度控制由低至高,等物料至设计粘度指标后停止反应,向反应釜中通入氮气破除真空,降温后进行卸料。
原料 AA 1,6-HDO 1,4-BDO PTA TPT 抗氧剂
重量/g 292 120 180 83 1 0.4
实施案例四:
将1,6-己二酸(AA)219g和1,4-丁二醇(1,4-BDO)180g投入体积为1L的聚酯多元醇合成反应釜中,在常压搅拌回流条件进行升温反应,反应物料最高温度控制不高于240℃,控制回流冷凝管上端温度不高于105℃,取样检测酸值,通过酸值推算反应酯化率,待反应酯化率达99%停止反应,向反应釜底部通氮气保护,降温至130℃。
向上述反应釜中加入配方中剩余的对苯二甲酸(PTA)83g、己二酸(AA)73g、1,6-己二醇(1,6-HDO)160g抗氧剂0.1g,在常压搅拌回流条件下升温至240℃进行酯化反应,取样检测数值,待酸值不高于30mgKOH/g加入催化剂TPT0.1g,开启抽真空设备,真空度控制由低至高,等物料至设计粘度指标后停止反应,向反应釜中通入氮气破除真空,降温后进行卸料。
原料 AA 1,6-HDO 1,4-BDO PTA TPT 抗氧剂
重量/g 292 160 180 83 0.1 0.1
对比案例
将1,6-己二酸(AA)292g、对苯二甲酸(PTA)83g、1,6-己二醇(HDO)120g、1,4-丁二醇(1,4-BDO)180g和抗氧剂0.1g投入体积为1L的聚酯多元醇合成反应釜中,在常压搅拌回流条件进行升温反应,反应物料最高温度控制不高于240℃,控制回流冷凝管上端温度不高于105℃,取样检测数值,待酸值不高于30mgKOH/g加入催化剂TPT 0.1g,开启真空设备,真空度控制由低至高,等物料至设计粘度指标后停止反应,向反应釜中通入氮气破除真空,降温后进行卸料。
原料 AA 1,6-HDO 1,4-BDO PTA TPT 抗氧剂
重量/g 292 120 180 83 0.1 0.1
检测标准及结果
将实施案例1~4和对比案例所合成聚酯多元醇按HG/T 2708-1995和HG/T 2709-1995检测酸值和羟值,按GB/T 605-2006检测合成聚酯多元醇的色度,具体结果见下表:
Figure BDA0002812208320000061
从表中数据可以看出,本专利实施案例1~4所合成的芳香族-脂肪族共聚酯多元醇酸值明显低于对比案例采用一步法合成的芳香族-脂肪族共聚酯多元醇,所合成的聚酯多元醇更适用于聚氨酯合成用原料。
在合成工艺上,本专利所述聚酯合成工艺通过先将低沸点小分子二醇先与己二酸反应,有利于后续更高温度下反应回流量的降低,对于投料过量比要求相对较低,生产的聚酯多元醇品质可控性相对更好。
上述详细说明是针对本发明其中之一可行实施例的具体说明,该实施案例并非用以限制本发明的专利范围,凡未脱离本发明所为的等效实施或变更,均应包含于本发明的技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种聚氨酯合成用芳香族-脂肪族共聚酯多元醇合成方法,其特征在于,其合成原料组成为:对苯二甲酸、己二酸、小分子二醇、催化剂和抗氧剂;其中己二酸与对苯二甲酸的摩尔比为2:1-10:1,原料中二元醇总量与二元酸总量的摩尔比为1.18:1-1.40:1,催化剂占反应物质量分数为0.01%-0.15%,抗氧剂占总反应物质量分数为0.01%-0.15%;小分子二醇为1,4-丁二醇(1,4-BDO)单一组份,或者为1,4-BDO和其它类型小分子二醇组成,催化剂为有机铋类催化剂,抗氧剂为亚磷酸酯和受阻酚复配物;
合成工艺:将聚酯设计组份中的1,4-丁二醇(1,4-BDO)与己二酸先进行酯化反应,生成低聚物后,再加入对苯二甲酸、配方中剩余的小分子二醇和己二酸,进行后续的酯化和酯交换反应,包括以下步骤:
(1)将原料中包括1,4-BDO在内的小分子二醇和己二酸投入反应釜中,控制投料二元醇总量和二元酸总量摩尔比1.2:1-1.8:1,在聚酯合成釜中常压下升温进行酯化反应,待酯化率不低于95%后停止加热,在氮气保护下降温至130℃以下后进行后续反应;
(2)在步骤(1)基础上向反应釜中加入设计配方中的对苯二甲酸、剩余的己二酸、小分子二醇和抗氧剂,在常压下经升温搅拌,控制最高反应温度240~260℃,加入催化剂,启动真空泵,控制真空度由低至高,待数均分子量指标达到设计要求后,停止升温,反应结束。
2.如权利要求1所述的芳香族-脂肪族共聚酯多元醇合成方法,其特征在于,合成的芳香族-脂肪族共聚酯多元醇,其数均分子量为1000-4000,酸值不高于0.8mgKOH/g。
3.如权利要求1所述的芳香族-脂肪族共聚酯多元醇合成方法,其特征在于,反应料中的对苯二甲酸在步骤(2)投入。
4.如权利要求1所述的芳香族-脂肪族共聚酯多元醇合成方法,其特征在于,
所述的小分子二醇可以在步骤(1)中全部加入,也可以部分在步骤(2)中加入,当在步骤(2)中加入时,步骤(2)所述的小分子二醇,包括1,3-丙二醇(1,3-PG)、新戊二醇(NPG)、1,6-己二醇(1,6-HDO)和一缩二乙二醇(DEG),具体组分可以为上述中的一种或多种组合。
5.如权利要求1所述的芳香族-脂肪族共聚酯多元醇合成方法,其特征在于步骤(1)在常压下进行反应,步骤(2)在常压和负压下进行反应。
6.如权利要求1所述的芳香族-脂肪族共聚酯多元醇合成方法,其特征在于所述的有机铋类催化剂为钛酸四异丙酯,所述的亚磷酸酯和受阻酚复配物抗氧剂为亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯与N,N’-双-[3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基]己二胺质量比1:1的复合物。
7.如权利要求1所述的芳香族-脂肪族共聚酯多元醇合成方法,其特征在于:步骤(1)所述的小分子二醇可以为1,4-BDO单一组分,也可以为1,4-BDO与乙二醇(EG)、1,2-丙二醇(1,2-PG)、1,3-丙二醇(1,3-PG)、新戊二醇(NPG)、1,6-己二醇(1,6-HDO)和一缩二乙二醇(DEG)中的一种或多种组合。
8.如权利要求1所述的芳香族-脂肪族共聚酯多元醇的合成方法,其特征在于:所述的小分子二醇中组份有沸点低于210℃时,优先在步骤(1)与己二酸先反应。
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