DE1795215C3 - Verfahren zur Herstellung von faserbildenden linearen Polyestern durch Direktveresterung von Terephthalsäure mit einem Glykol - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von faserbildenden linearen Polyestern durch Direktveresterung von Terephthalsäure mit einem GlykolInfo
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Description
40
50
Faserbildende lineare Polyester von Terephthalsäure und Glykolen können durch Umsetzung, beispielsweise
aus Dimethylterephthalat und Glykol unter .Bildung des Bisglykolesters, der dann weiter polykondensiert wird,
hergestellt werden. Eine andere Verfahrensweise ist die Direktveresterung zwischen der freien Säure und dem
Glykol. Bei der Direktveresterung muß man von einer freien Terephthalsäure hohen Reinheitsgrades ausgehen.
Nachdem hochreine Terephthalsäure in technischem Ausmaße zur Verfügung steht, besteht ein
Interesse an der Direktveresterung von Terephthalsäure mit Glykolen.
Es sind zahlreiche Verfahren zur Direktveresterung von Terephthalsäure mit Glykolen bekannt. So wird in
der GB-PS 10 77 379 die Direktveresterung von Terephthalsäure mit einem Glykol beschrieben, bei dem
eine Aufschlämmung von Terephthalsäure in dem Glykol kontinuierlich in eine erste Reaktionsvorrichtung,
welche ein auf höhere Temperatur gehaltenes, geschmolzenes, niedermolekulares Polyesterreaktionsprodukt
enthält, eingeführt wird. Das erhaltene niedermolekulare Polyesterreaktionsprodukt wird dann
nach einer gewissen Verweilzeit abgezogen und das überschüssige Glykol durch Destillation entfernt,
während das niedermolekulare Polyesterreaktionsprodukt zum hochmolekularen, faserbildenden Polyester
polymerisiert wird. Bei diesem Verfahren beträgt die Temperatur während der Veresterung des Glykols mit
der Terephthalsäure 210 bis 2800C und vorzugsweise bis 2600C, und das Verhältnis von Terephthalsäure
zu Glykol liegt im Bereich von etwa 1 :1,05 bis 1 :1,8.
Ein ähnliches Verfahren wird in GB-PS 9 88 548 beschrieben. Auch in AT-PS 2 47 004 wird die
Direktveresterung beschrieben, wobei der dortige Temperaturbereich zwischen 200 und 2800C liegt
Temperaturen für die Direktveresterung oberhalb 3000C sind beim Stand der Technik nicht empfohlen
worden, weil man die Erfahrung machte, daß bei Temperaturen oberhalb etwa 285 bis 300° C die
Zersetzung der Reaktionsprodukte zunimmt aufgrund unerwünschter Nebenreaktionen und Abbauprozesse.
Man erhält deshalb Produkte mit schlechterer Farbe und schlechterer Chemikalienfestigkeit und auch verminderten
physikalischen Eigenschaften.
Da Glykol unter normalem Druck bei 198° C siedet,
mußte man beim Arbeiten unter Normaldruck oder bei nur geringen Drücken auch befürchten, daß übermäßige
Glykolmengen verdampfen und dadurch die Ausbeuten vermindert wurden oder die Verluste an Glykol das
Verfahren unwirtschaftlich machen. Andererseits besteht aber doch ein Interesse bei höheren Temperaturen,
auch höheren Temperaturen als 3000C zu arbeiten, weil hierbei die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht und
ein höherer Durchsatz durch die Apparatur möglich wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von faserbildenden linearen Polyestern durch Direktveresterung
von Terephthalsäure mit einem Glykol, bei dem man eine Aufschlämmung von Terephthalsäure in
dem Glykol im molaren Verhältnis von Glykol zu Terephthalsäure von 1:1 bis 8 :1 kontinuierlich in eine
erste Reaktionsvorrichtung, welche ein auf höhere Temperatur gehaltenes geschmolzenes, niedermolekulares
Polyesterreaktionsprodukt enthält, einführt, das erhaltene niedermolekulare Polyesterreaktionsprodukt
mit einem durchschnittlichen Polykondensationsgrad von 6 bis 20 nach einer Verweilzeit in der Reaktionsvorrichtung
von 0,5 bis 2 Stunden, bezogen auf die Zuführungsgeschwindigkeit der Terephthalsäure, abzieht,
das überschüssige Glykol durch Destillation entfernt und das erhaltene niedermolekulare Polyesterreaktionsprodukt
zum hochmolekularen, faserbildenden Polyester polymerisiert, das dadurch gekennzeichnet ist,
daß die Reaktionsvorrichtung in der ersten Stufe mit dem darin befindlichen niedermolekularen Polyesterreaktionsprodukt
auf einer Temperatur zwischen 303 und 3300C gehalten wird, wobei die Aufschlämmung der
Terephthalsäure in dem Glykol unter die Oberfläche des niedermolekularen Polyesterreaktionsproduktes eingeleitet
wird.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die Verbundstufe bei hoher Geschwindigkeit und hoher
Umwandlung von Terephthalsäure in Polyester von ausgezeichneter Güte in einem auf einer Temperatur
zwischen 303 und 3300C gehaltenen Glykol-Terephthalat-Polyester-Reaktionsmedium
durchführbar ist. Wird die Umsetzung bei 303 bis 315°C und Atmosphärendruck durchgeführt, löst sich die Terephthalsäure rasch
in dem Polyester und kann eine verhältnismäßig hohe Konzentration an Glykol in Lösung gehalten werden
unter Erzielung einer Umwandlung von Terephthalsäure in Glykol-Terephthalat-Polyester von mindestens
90% in weniger als 2 Stunden. Bei der Durchführung der Reaktion bei Temperaturen von 315 bis 3300C kann ein
mäßiger Druck, von bis zu etwa 4,2 atü, erwünscht sein, um eine hohe Konzentration an Glykol in Lösung zu
ilten. Zu einer schlechten Farbe, einem hohen /uhergehalt und bzw. oder einem hohen Gehalt an
freiem Carboxyl führende Nebenreaktionen treten bei Temperaturen unter 3300C nicht auf. Das Fertigpolymere
ist nicht nur in seiner Farbe dem durch Umesterung erhaltenen Handelspolyäthylenterephthalat mindestens
gleichwertig, sondern besitzt auch eine beträchtlich bessere Wärmebeständigkeit als das auf Umesterungsbasis
erhaltene Polymere.
Zur Errechnung der Verweilzeit wird die Gesamtgewichtsmenge des Gutes in der Reaktionsvorrichlung
durch die je Stunde der Reaktionsvorrichtung zugefüi :rte
Gewichtsmenge an Terephthalsäure dividiert
In Abhängigkeit von dem Beschickungsverhältnis der Reaktionsteilnehmer und der Reaktionstemperatur
erhält man Umwandlungen von 88 bis 97% bei Verweilzeiten von' /2 bis 2 Std.
Die Erfindung ist nachfolgend näher an Hand der Zeichnung beschrieben, die schematisch eine zur
Durchführung der Erfindung geeignete Vorrichtung zeigt.
Beim Arbeiten mit der Vorrichtung nach der Zeichnung wird zum Anfahren der Reaktionsbehälter 1
teilweise mit niedermolekularem Polyäthylenterephthalat mit einem Polykondensationsgrad im Bereich von 6
bis 20 gefüllt. Dieses niedermolekulare Polymere wird auf die Temperatur zwischen 303 und 330° C, bestimmt
mit dem Thermopaar 2, erhitzt und mit dem Rührer 3 gerührt. In den Behälter wird durch das Einlaßrohr 4,
das unter der Oberfläche des niedermolekularen Polymeren in dem Behälter mündet, kontinuierlich die
Aufschlämmung von Terephthalsäure in Äthylenglykol eingeführt. Kontinuierlich und gleichzeitig wird durch
das Auslaßrohr 5 ein Anteil der Reaktionsmischung in einer der durch das Einlaßrohr eingeführten Terephthalsäure
äquivalenten Menge entfernt. Durch die Umsetzung entstehender Wasserdampf und überschüssiges
Glykol werden durch den luftgekühlten Rückflußkühler 6 entfernt und in dem wassergekühlten Kühler 7
kondensiert. Im Kopf des Rückflußkühlers ist ein Thermometer 8 vorgesehen. Das durch das Rohr 5
entfernte, niedermolekulare Polymere wird in einen herkömmlichen Polykondensationsbehälter übergeführt,
in dem es bei niedrigem Druck weiterpolykondensiert wird.
Die Erfindung wird ohne Veresterungskatalysator durchgeführt, wodurch all die mit dem Vorliegen
katalytischer Mengen bestimmter Metalle verbundenen Nachteile beseitigt werden. Ferner hat das anfallende
Polymere eine wesentlich bessere Wärmebeständigkeit als das bei einem Verfahren mit Umesterung erhaltene.
Die im Beispiel genannten numerischen Werte für die Polymerfarbe werden erhalten, indem man das Polymere
so weit mahlt, daß es ein 20-Maschen-Sieb passiert, das gemahlene Polymere in einem durchsichtigen
Probehalter ausbreitet und dann die Lichtreflexion mit einem Colorimeter der Bauart Hunter mißt, wobei die
Werte für die Gesamtreflexion (L) und für Gelbgrad (b) ermittelt werden und der Weißgradindex (W) nach der
Gleichung IV=O1Ol L(L-5,72 ^ermittelt wird.
Der Begriff der relativen Viskosität im Beispiel bezieht sich auf das Verhältnis der Viskosität einer
1O°/oigen Lösung (2,15 g Polymeres in 20 ml Lösungsmittel)
von Polyäthylenterephthalat in einer Mischung von 10 Teilen Phenol und 7 Teilen 2,4,6-Trichlorphenol,
bezogen auf das Gewicht, zur Viskosität der Phenol-Trichlorphenol-Mischung
als solchen, bestimmt in der gleichen Einheit bei 25°C. Die relative Viskosität stellt
ein Maß für das Molekulargewicht des Polymeren dar.
Die im Beispiel genannte Carboxylzahl wird bestimmt, indem man eine Probe des niedermolekularen
Produktes der direkten Veresterung in erhitztem Dimethylformamid löst und mit Standardnatronlauge
auf den Phenolrotendpunkt titriert Die Ergebnisse werden in Äquivalenten je 10* g Produkt ausgedrückt
Der Gehalt des Polymeren an freiem Carboxyl wird bestimmt indem man eine Probe des Polymeren in
erhitztem Benzylalkohol löst und mit Standardnatronlauge auf den Phenolrotendpunkt titriert Die Ergebnis-
se werden in Äquivalenten je !0*g Polymeres
ausgedrückt
Die im Beispiel genannte, in Prozent ausgedrückte Umwandlung ist ein Maß für die Zahl der verfügbaren
Carboxylgruppen, die zur Bildung von Estergruppen reagiert haben. Die Umwandlung wird nach der
Gleichung
Umwandlung (%) = 100 -
Carboxylzahl
Terephthalyl(%)-1,52
bestimmt.
Der Prozentcatz an Terephthalji bedeutet den
Gewichtsprozentsatz an Terephthalsäureresten, d. h.
Il
—c
// V
in einer gegebenen Probe. Zur Bestimmung wird eine ausgewogene Probe des Polymeren in einer bekannten
Menge Kalilauge verseift und dann die überschüssige Base mit Standardsalzsäure in bezug auf den Phenolphthalein-Endpunkt
rucktitriert.
Der Prozentsatz an freiem Glykol in dem Produkt der direkten Veresterung wird bestimmt, indem man das
Produkt mit einem bekannten Überschuß Orthoperjodsäure behandelt, bis die Umsetzung mit freiem Glykol
vollständig ist. die überschüssige Orthoperjodsäure mit Kaliumjodidlösung zur Bildung von elementarem Jod
umsetzt und dann auf das Jod mit Standardnatriumthiosulfatlösung in bezug auf den Stärke-Jod-Endpunkt
titriert. Man errechnet die durch das Glykol zerstörte Menge an Orthoperjodsäure und rechnet auf den
Prozentsatz an freiem Glykol, bezogen auf das Gewicht der Produktprobe, um. Die genannten Werte stellen
ungefähre Werte dar.
Der Gehalt des Polymeren an Äther wird durch Analyse von IR-Absorptionsspektren des Polymeren
unter Heranziehung der relativen Intensität der Spektrenbanden für aliphatischen und aromatischen
Wasserstoff bestimmt. Die in den Beispielen genannten Werte beziehen sich auf Molprozent, bezogen auf die
Molgesamtzahl wiederkehrender Einheiten in der Probe, und speziell auf den Molprozentsatz an
aliphatischen Ätherbindungen.
Es wird eine Versuchsreihe zur Erläuterung des
ho Verfahrens gemäß der Erfindung bei Anwendung
verschiedener Reaktionsteilnehtiierverhältnisse und verschiedener Temperaturen durchgeführt. Dabei wird
ein Reaktionsbehälter ähnlich dem in der Zeichung gezeigten eingesetzt. Man mischt Äthylenglykol und
(<< Terephthalsäure in den benötigten Anteilen in einem
mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Mischer und führt das Gut kontinuierlich dem Einlaßrohr 4 mittels
piner Dosierpumpe zu, die auf die gewünschte
Beschickungsgeschwindigkeit eingestellt ist. Ein Katalysatorzusatz
erfolgt nicht. Die Beschickungsgeschwindigkeiten, die Temperatur des Reaktionsmediums, die
Geschwindigkeit des Dampfabzuges, die Verweilzeit und die Produktanalysen nennt die Tabelle I.
Ver- | Reaktions^edingungen | Tempe | der Reaktions | "C | Beschickungs- | Produkl- | Dampf | Ver | Produkt | Tere- | freies Ί | % | !G/T- | Um |
such | Mol | ratur | teilnehmer | 305 | geschwindig | strom | abzug | weilzeit | Carb- | phthalyl | Glykol > | 6.0 | /erhält- | wand |
verhältnis | 310 | keit | oxylzahl | r | 4,1 | lis im | lung | |||||||
4/1 | 315 | 5,4 | 'rodukl | |||||||||||
4/1 | 305 | g/Std. | g/Std. | g/Sld. | Sld. | % | 6,2 | % | ||||||
4/1 | 315 | 410 | 195 | 216 | 1,54 | 66,8 | 3,9 | ,0 | 89 | |||||
1 | 6/1 | 325 | 480 | 224 | 244 | 1.34 | 1096 | 66,8 | ,0 | 89 | ||||
2 | 6/1 | 410 | 189 | 21! | 1,59 | 1078 | 55,1 | ,1 | 90 | |||||
3 | 4/1 | 455 | 171 | 285 | 1.75 | 974 | 65,8 | .1 | 93 | |||||
4 | 455 | 163 | 292 | 1,84 | 720 | 66,0 | .1 | 93 | ||||||
5 | 509 | 187 | 322 | 1.18 | 677 | 67,4 | ,04 | 88 | ||||||
6 | 1250 | |||||||||||||
Proben jedes der in der Tabelle 1 genannten Niederpolymerprodukte werden dann mit einer kleinen,
zusätzlichen Menge an Glykol (zur Umsetzung mit den freien Carboxylendgruppen genügend) und einer
katalytischen Menge Antimonoxid gemischt und in einem Glasrohr 2 Stunden bei 285° C und 0,5 bis
2 mm Hg Druck polykondensiert. Das Polymere wird auf die relative Viskosität, den Gehalt an freiem
Carboxyl, den Äthergehalt und die Farbe bestimmt, wobei die Ergebnisse nach Tabelle Il erhalten werden.
Zur Erläuterung einer vollständigen Polymerdarstellung ohne Katalysatorzusatz mischt man 150 g des in
Versuch 2 nach Tabelle I erhaltenen Produktniederpolymeren mit 8,5 ml Äthylenglykol in einem mit einem
Rührer und mit Vakuumanschlüssen versehenen Dreihals-Rundkolben, erhitzt die Mischung und rührt
6 Stunden bei 3000C und 2 mm Hg Druck, wobei ein Hochpolymeres mit einer relativen Viskosität von 20,8
anfällt.
Tabelle | Il | 100 ppm Sb | Carboxyl | Äther | Farbe | Farbe | Weißgrad | 200 ppm Sb | Carboxyl | All |
relative | gruppen | index | relative | gruppen | ||||||
Polymereigenschaften | Viskosität | Aquiv./Iff'g | Mol-% | 1. | b | W | Viskosität | Äquiv./10* g | Mc | |
Ver- | 40 | 96 | 2,8 | 77,2 | 76 | 2.9 | ||||
10.2 | 58 | — | 97 | 3.4 | 75,0 | 13,9 | 33 | 3.1 | ||
9.9 | 27 | — | 95 | 2.4 | 77.6 | 14.8 | 32 | 3.2 | ||
12.3 | 40 | 3.9 | 97 | 3.0 | 77.6 | 16.7 | 53 | 3.6 | ||
1 | 13.9 | 52 | 4,0 | 96 | 2.7 | 79.6 | 14,2 | 71 | 4.0 | |
2 | 17.1 | 42 | 4.5 | V6 | 2b | 77.9 | 12,4 | |||
3 | 14.5 | |||||||||
4 | ||||||||||
5 | ||||||||||
6 |
Zum Vergleich mit dem Beispiel wird die allgemeine Arbeitsweise dieses Beispiels mit der Abänderung
wiederholt, daß man die direkte Veresterung bei Temperaturen von 280 und 350°C. die außerhalb der
Erfindung liegen, durchführt. Die Reaktionsbedingungen und Polymeranalysen sind in den Tabellen III und IV
zeigen eine allgemein langsamere Reaktion ohne wesentliche Verbesserung des Produktpolymeren. Bei
350° C ist die Qualität des Polymeren schlecht.
Die Probe e von Tabelle IV zeigt zum Vergleich die so Eigenschaften eines Polymeren, das bei den gleichen
Polykondensationsbedingungen wie oben, aber auf Basis von Bis-0-hydroxyäthylterephthalat, erhalten
durch Umesterung unter Verwendung von Manganoacetat
als Umesterungskatalysator, hergestellt wird.
Ver- Reaktionsbedingungen
Molverhältnis
der Reaktionsteilnehmer
der Reaktionsteilnehmer
a 4/1
b 6/1
c 8/1
d 4/1
Tempe- Beschickungs- Produktratur
geschwindig- strom
keil
keil
g/Std.
g/Std.
280
280
280
350
280
280
350
210
390
440
460
390
440
460
106
148
136
199 Produkt
Dampf- Ver- Carb· Tcrc- freies
abzug wcilzcit oxylzahl phthalyl Glykol
g/Std. g/Std.
2.83
2.02
2.20
U5
2.02
2.20
U5
868
679
639
1335
60.5 5,0
64.3 Z7
6Z9 3.1
64.7 Z29
2G/T- Um-
Vcrhält- wand-
nis im lung
Produkt
Produkt
1.4
\2
1.3
1.03
\2
1.3
1.03
90
93
93
86.4
93
93
86.4
Tabelle | IV | 100 ppm Sb | Carboxyl | Äther | Farbe | Farbe | Weißgrad | 200 ppm Sb | Carboxyl | Äther |
relative | gruppen | index | relative | gruppen | ||||||
Polymereigenschaften | Viskosität | ÄquivyiO*g | Mol-% | L | b | W | Viskosität | Äquiv./10fc g | Mol-% | |
Ver- | 18 | 96 | 2,6 | 77,5 | 20 | 4,0 | ||||
sucn | 18,3 | 27 | 3,5 | 95 | 2,7 | 75,5 | 15,4 | 32 | 3,7 | |
15,9 | 24 | 4,6 | 96 | 2,1 | 81,2 | 11,7 | 30 | 3,8 | ||
12,5 | 86 | 3,47 | 89,5 | 7,5 | 41,8 | 14,6 | 42,2 | 3,95 | ||
a | 17,1 | 31,7 | 2,2 | 95 | 3,0 | 73,0 | 23,3 | 36 | 2,2 | |
b | 14,7 | Hierzu 1 Blatt | Zeichnungen | 22,1 | ||||||
C | ||||||||||
d | ||||||||||
e | ||||||||||
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung von faserbildenden linearen Polyestern durch Direktveresterung von
Terephthalsäure mit einem Glykol, bei dem man eine Aufschlämmung von Terephthalsäure in dem Glykol
im molaren Verhältnis von Glykol zu Terephthalsäure von 1:1 bis 8:1 kontinuierlich in eine erste
Reaktionsvorrichtung, welche ein auf höhere Tem- ι ο
peratur gehaltenes geschmolzenes, niedermolekulares Polyesterreaktionsprodukt enthält, einführt, das
erhaltene niedermolekulare Polyesterreaktionsprodukt mit einem durchschnittlichen Polykondensationsgrad
von 6 bis 20 nach einer Verweilzeit in der ι _s Reaktionsvorrichtung von 0,5 bis 2 Stunden,
bezogen auf die Zuführungsgeschwindigkeit der Terephthalsäure, abzieht, das überschüssige Glykol
durch Destillation entfernt und das erhaltene niedermolekulare Polyesterreaktionsprodukt zum
hochmolekularen, faserbildenden Polyester polymerisiert, dadurch gekennzeichnet, daß die
Reaktionsvorrichtung in der ersten Stufe mit dem darin befindlichen niedermolekularen Polyesterreaktionsprodukt
auf einer Temperatur zwischen 303 und 330° C gehalten wird, wobei die Aufschlämmung
der Terephthalsäure in dem Glykol unter die Oberfläche des niedermolekularen Polyesterreaktionsproduktes
eingeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den niedermolekularen Polyester
auf 305 bis 315°C hält und mit einem im wesentlichen dem Atmosphärendruck entsprechenden Druck in
der Reaktionsvorrichtung arbeitet.
Applications Claiming Priority (1)
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DE1795215A Expired DE1795215C3 (de) | 1967-08-23 | 1968-08-23 | Verfahren zur Herstellung von faserbildenden linearen Polyestern durch Direktveresterung von Terephthalsäure mit einem Glykol |
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1967
- 1967-08-23 US US662626A patent/US3496146A/en not_active Expired - Lifetime
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1968
- 1968-08-23 DE DE1795215A patent/DE1795215C3/de not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
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US3496146A (en) | 1970-02-17 |
DE1795215A1 (de) | 1972-01-20 |
DE1795215B2 (de) | 1977-05-12 |
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