555786 玖、發明說明： 發明頜域 本發明是有關於本發明之申請專利範圍中所揭露的主 題。 特別地說’本發明是有關於一種聚酿胺6的製造方法， 其係在其他成分（II)至（VI)存在的情形下，經由己內酿胺 (caprolactam) (la)聚合反應或 胺基己酸（s-amin〇eapn)ie acid)(Ib)之聚縮合反應而形成；一種由前述成分（Ia/b)至成 分(VI)所製成的聚醯胺6,其中成分（II)至（VI)係以酿胺鍵 (amide bond)連接於聚合物鏈(p〇lymer Chain)上；以及一種 以前述之聚醯胺6製造纖維的方法，特別是以其製造，細絲 (filament)與切斷纖維（staple fiber)的方法。 習知技藝說明 在由碳數6至12之內醯胺（lactam)，或碳數6至12 的ω-胺基羧酸（ω-aminocarboxylic acid)所製成之脂族聚酸 胺（aliphatic polyamide)之中，尤以聚己內釀胺 (polycaprolactam ; PA 6，即聚醯胺6)於製成纖維以及其後 加工成紡織成品最具經濟及技術價値。雖然聚_胺6具有 良好整體加工特性，且其紡織成品之品質優良，但隨著近 年來肪絲（spinning)科技的進步’業界亟需可提供更快的糸方 速（spinning speed)，並可以減少紡廢料（spinning waste_ 聚醯胺6。 另外’對某些後段應用來說，其所使用之聚醯胺6亦 須具備熱穩定性與光穩定性，以因應特定的製程需求。 4 5686pifl.doc/008 #許多專利申請案件中，已提出數種解決上述問題的 方法。例如，EP 644 959 B1即是有關於聚己內醯胺材質 之咼紡速絲線（filament yams)的製造方法，其中聚合物係 於至少一種雙羧酸（dicarb〇xylic acid)存在之情形下聚合而 成’並或許再加入不同的胺基化合物以改善陰離子式染料 (anionic dyes)的染色親合力（dyeing affinity)。因此，這些 胺基化合物之角色與雙羧酸相同，皆爲鏈轉移劑（chain transfer agents)。 另外’ DE 197 22 135 A1揭露出抗氣候變化的聚醯胺 與其生產方法’其中聚醯胺係由可形成聚醯胺之成分在4-月女基-2,2,6,6-四;I：兀基氮雜環己院（4-amin〇-2,2,6,6-tetraalkyl piperidine)與 2，6_ —院基酣（2,6-仙11<：}^]^11〇1)存在之情形 下聚合而成。其中，2,6-二烷基酚之C4位置，也就是與- 〇H相對之位置被取代，而此二烷基酚上的第二個官能基 爲羧基（carboxyl group)或一級胺基(primary amino group) 〇 在DE 197 22 135 A1之一實施例中，並揭露了由內醯胺或 ω-胺基殘酸製造聚醯胺的方法，其中並添加有三羧酸 (tricarboxylic acids)或四竣酸（tetracarb〇Xylie acids)以及其 他鏈轉移劑。 此外’上述之C4取代的2,6-二烷基酚對於聚醯胺成 品之熱穩定性與光穩定性的影響，係說明於FR-PS 155 350、DE-OS 22 37 849、以及 jp 4 159 327 之中。 在以上所引述之各專利案中，DE 19 722 135 A1並提 出可供高速紡絲的聚醯胺6,其同時具有增強的熱穩定性、 5686pifl.doc/008 5 555786 光穩定性與抗氣候變化的特性，以及對於酸性染料的染色 親合力。 如以上述各種化合物爲原料，則可使用5000至6000 m/rnin的繞線（winding)速度與紡速，且在此高紡速下的紡 絲品質相當優良。因爲產品的品質優良，所以使用這種方 法可以彌補其原料成本甚高的缺點，而使其具有經濟價 値。 然而在實際應用上，因爲筒紗形狀之均勻度的限制， 繞線速度與紡速之設定有其上限。一般來說，在進行聚醯 胺6之高速紡絲時，隨著紡速增加，筒紗凸邊變形(package side bulge deformation ;變形量r)以及筒紗凹頂變形 (package concave top deformation ;變形量 a)之程度即會變 大，如第1圖所示。這種現象不利於DE 19 772 135 A1等 專利中所提及之聚醯胺6的處理，解釋如下。 筒紗的均勻性會直接影響後段的處理步驟。例如，當 筒紗的形狀良好時，線軸（bobbin)之傳送較爲容易；且當 線軸上的筒紗形狀良好時，亦可降低線軸傳送時受破壞之 可能性，而能減少廢棄物數量。因此，良好的筒紗形狀有 利於所有其他的製程。 在Dr. F. Maag的「藉進步而精確的繞線法所形成之 較佳紡絲筒紗」（Bessere Spinnspulen mit der Stufenprazisionswicklung [Better Spinning Packages with Progressive Precision Winding])—文中（1985 年 6 月 35/87 特印），列述有許多形成筒紗時常見的問題。作者並以技 5686pifl.doc/008 6 555786 術上的觀點提出一種特別的繞線控制方法，以解決這些常 見問題。因此，爲因應日漸進步且多樣化的紡絲科技中對 筒紗品質的要求，聚合物的品質改善需求亦與日倶增。 另外，U.S· Patent Νο· 4δ63664亦揭露出一種可以改 善筒紗形狀（與其他性質）的高速紡絲程序，以產生聚醯胺 6與66細絲。此高速紡絲程序係於待紡之聚合物中加入 水、乙醇或羧酸，其雖然可以達成改善筒紗形狀的目的， 但卻多出計量與混合上述添加物的過程。因此就一般情形 而言，使用這種方法會使紡絲過程更爲複雜，並可能造成 其他問題。 發明槪要 本發明之目的即在於提出一種可供高速紡絲，或可作 爲高速紡出線成品之原料的聚醯胺6號，其可在高紡速情 形下使纏繞於線軸上的筒紗具有良好形狀，而不必藉助前 述之添加劑。 欲達成此目的之方法如申請利範圍第1項所述，其中 的聚醯胺6如申請專利範圍第5項所述，而其中聚醯胺6 的使用目的如申請專利範圍第6項所述。 發明說明 爲達成本發明之上述目的，可於成分（la)之聚合反應 (或成分（lb)之聚縮合反應)進行時或進行之前，加入一種雙 羧酸（II)與一種二烷基酚（IV)，及可加入單羧酸 (III)(monocarboxylic acid)，及可再分別加入成分（V)與成 分(VI)。其中，成分(V)與成分(VI)二者中至少有一種須在 5686pifl.doc/008 7 555786 聚合或聚縮合反應時存在於溶液中。 在上述成分中，成分(IV)是一種=院基酣；成分(V)是 一種脂族或環脂族二胺（diamine)，其上有一個一級胺基 (primary amino group)與一個三級胺基（tertiary amino group);而成分（VI)是一種脂族、環脂族或芳香脂族的 (araliphatic)、支化或直鏈二胺，其具有兩個一級胺基與4 至26個碳原子。 因此，本發明是有關一種生產聚醯胺6的方法，此聚 醯胺6係由己內醯胺（la)之水解聚合反應或是ε-胺基己酸 之聚縮合反應而得，其中聚合反應與聚縮合反應係在下列 化合物存在之情形下進行： ——重量百分比0.05%至0.7%之雙羧酸（II); 一一重量百分比〇至0.7%之單羧酸（III); --重星百分比0.05%至0.7%之—^院基酣（IV)， 一一重量百分比〇至0.5%之脂族或環脂族的二胺(V)，其 中有一個一級胺基與一個三級胺基； 一一重量百分比〇至0.7%之脂族、環脂族或芳香脂族的， 且爲具支鏈或直鏈的二胺（VI)，其中有兩個一級胺基與4 至26個碳原子， 在這些化合物中，成分（Ia/b)及（II)、成分（III)至成分（Vl) 量加重至1〇〇 wt%，且除成分（Ia/b)、（Π)與（IV)之外，至 少須包含成分（V)與（VI)之一且，成分（II)至成分（VI)係以 醯胺鍵連結於聚合物鏈上。 二烷基酚（IV)爲在相對於-0H基的C4位置被取代& 5686pin.doc/008 8 2,6-二烷基酚’具有下列結構式爲：
Rt
其中心與R2爲相同或相異之烷基，其碳原子數由丨至6 ; 可爲氫原子或甲基；官能基A可爲游離羧基或以q至 C4之醇類脂化的羧基，或是一個一級胺基，當A爲一級 胺基時’ X、y値可爲適當組合：（x=2，y=l)、（χ=2，y=0)、 (x=l，y=0)、與(x=〇，y=l);而當A爲脂化之羧基時，則χ 與y之値除以上組合外，尙可包含(x=〇, y==())—項。 再者，本發明更有關一種聚醯胺6之組成，此聚醯胺 6係主要由己內醯胺（la)或是ε-胺基己酸（lb)製成，其中尙 包括： ——重量百分比0.05%至0.7%之雙羧酸（Π)、 ——重量百分比0至0.7%之單竣酸(HI)、 --重量百分比0.05%至0.7%之二烷基酚（IV)、 一一重量百分比〇至0.5%之脂族或環脂族的二胺(V)，其 中有一個一級胺基與一個三級胺基、 --重量百分比0至0.7%之脂族、環脂族或芳香脂族的’ 且爲具支鏈或直鏈的二胺（VI)，其中有兩個一級胺基與4 至26個碳原子。在這些化合物中’成分(Ia/b)與成分（Π)、 5686pifl.doc/008 9 555786 成分（III)至成分(VI)總計達溶液重量的100%，且除必要成 分（Ia/b)、（II)與（IV)之外，成分（V)與（VI)中至少須有一種 存在於溶液中。另外，成分(II)至成分（VI)係以醯胺鍵連結 於聚合物鏈上。 最後，本發明是有關一種可以用來生產纖維的聚醯胺 6，特別是一種可以用來生產高速紡出之絲線的聚醯胺6。 在本發明中，加入雙羧酸(II)與二烷基酚（IV)是其一大 特徵（尙可在成分（la)聚合之前，或在成分（lb)聚縮合之前， 先加入一種單羧酸（ΙΠ)，以及成分（V)與（VI)中的至少一 種）。由於加入雙羧酸（II)與二烷基酚（IV)，紡絲過程中才 能得到形狀良好的筒紗。 在雙羧酸（II)之種類方面，直鏈或具支鏈的、脂族或 環脂族的，以及含氮的碳原子數6至36之雙羧酸(第一群） 皆可使用，且取代或未取代的碳原子數8至18之芳香族 (aromatic)雙羧酸（第二群）亦可使用。在上述兩群雙羧酸 中，以下列各種爲較佳之選擇：第一群中脂族的己二酸 ((CH2CH2COOH)2 ; adipic acid)、壬二酸（（CH2)7(COOH)2 ; azelaic acid)、癸二酸（(CH2)8(COOH)2 ; sebacic acid)、十 二碳二酸（Ci〇H2()(COOH)2 ; dodecandioic acid)、三甲基己 二酸（trimethyl-adipic acid);第一群中環脂族的順式或反 式環己院-1，4-二羧酸（cis- or trans-cyclohexane-154-dicarboxy lie acid);以及第二群中的對苯二甲酸（terephthalic acid)、間苯二甲酸（isophthalic acid)、萘-1，6-二竣酸 (naphthaline -1,6-dicarboxylic acid)、 二苯基-4,4-二羧酸 5686pin.doc/008 10 555786 (diphenyl-4,4-dicarboxylic acid) ° 另外，單羧酸（III)可以是直鏈或支鏈的、脂族或環脂 族的、以及芳香族之碳原子數2至18的單羧酸。 此外，二烷基酚(IV)可以是上述C4位置，β卩-0H之 相對位置被取代的2,6-二烷基酚。 再者，在具有一個一級胺基與一個三級胺基的二胺(V) 之中，特別較佳的是3-二烷基胺基-1-丙胺（3-(dialkylamino)-l-propylamine)、2-二院基胺基-1-乙胺（2-(dialkylamino)-l-ethylamine)、以及氮雜環己基院基胺 (piperidinoalkylamine)、 氮雜環戊基院基胺 (pyrrolidinoalkylamine)、與 4-胺基-1，2,2,6,6-五垸基氮雜 環己院（4-amino-1，2,2,6，6-pentaalkylpiperidine)。 最後，二胺（VI)包括下列三類化合物：直鏈或具支鏈 的脂族二胺，其碳原子數目爲4至13，且具有二個一級胺 基；環脂族二胺，其碳原子數目爲6至26，且具有二個一 級胺基；以及芳香脂族二胺（araliphatic(aromatic/aliphatic) diamine)，其碳原子數目爲8至26,且具有二個一級胺基。 此處須注意的是，上述各種化合物中的一級胺基皆位於脂 族之碳原子上。 在上述三類二胺中，較佳之選擇如下：直鏈或具支鏈 的脂族一胺中的 1，6-一胺基己院（1，6-diaminohexane)、1，10_ 二胺基癸烷（l，l〇-diaminodecane)、1，12-二胺基十二烷 (1,12-diaminododecane) 、 1,4-二胺基丁 烷（1，4- diaminobutane)、2,2,4-與/或 2,4,4-三甲基-1，6-二胺基己烷 11 5686pifl.doc/008 555786 (2,2,4- and/or 2,4,4-trimethyl-l，6-diaminohexane);環脂族 二胺中的順式與/或反式1，4-二胺基環己烷（cis- and/or trans-l，4-diaminocyclohexane)、順式與/或反式 1，4-二（胺 基甲基）-環己院（cis- and/or trans-l，4-Bis(aminomethyl)-cyclohexane)、3-胺基-3,5,5-三甲基環己胺（3-amino-3,5,5-trimethylcyclohexylamine)、同分異構物的（Isomeric)二（4-胺基-3-甲基環己基）甲院（Bis(4-amino-3-methylcyclohexyl)methane)、以及同分異構物的 2,2-二（4-胺基環己基）丙院（2,2-Bis(4-aminocyclohexyl)propane);以 及芳香脂族二胺中的1，3-與1，4-二（胺基甲基）苯（1，3- and l，4-Bis(aminomethyl)benzol) 〇 接著，在製造方法方面，本發明所得之聚醯胺主要是 經由聚合反應或聚縮合反應而得，其係在批次(batch-wise) 或連續反應槽中進行。 另外，成分（Π)至成分（VI)係在製程中的適當時機加 入：羧酸類化合物（II、III，或許再加上IV)以及胺類(V、 VI，或許再加上IV)可以純物質型態或溶解狀態（溶劑爲水 或己內醯胺）。這些化合物通常很容易加入溶液中，其加 入方式可以是一起加、分開加、或連續地加，而加入時機 可以在聚合或聚縮合反應之前或之中。 另外，在本發明所提出之聚醯胺6的製造過程中，尙 可在聚合或聚縮合反應之中或之前，加入一般所使用之主 成分爲二氧化鈦（titanium dioxide ; Ti02)的抗光劑 (Delusterant)，以增加產品之光穩定性。 12 5686pifl.doc/008 555786 接著，本發明所提出之聚醯胺6係以久爲業界採用的 連續或批次反應法製成。其中製造聚醯胺6的連續反應法 包括單步驟、雙步驟與多步驟方法，並使用開放式或封閉 式的管狀反應器(tubular reactor*)，也就是直式連續管狀反 應器（vertical continuous tubes) 0 在聚合反應完成後，未聚合之己內醯胺與寡聚物 (oligomer)可藉常用之熱水萃取法，由聚合物顆粒中除去， 此熱水萃取法可以是利用逆流原理（coimtercurrent principle)的連續萃取法，或是批次萃取法。此外，爲使此 萃取過程更有效率，可先將聚合物置於薄膜蒸發器（film evaporation)中，增溫使聚合物融化並同時降低壓力，以除 去相當數量的單體。 爲讓本發明之上述和其他目的、特微、和優點能更明 顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細 說明如下： 圖式之簡單說明 第1圖所繪示爲兩種不良筒紗形狀之示意圖。 圖式之標記說明 D :筒紗對徑(package diameter) Η ··筒紗橫徑(package traverse) r:筒紗凸邊變形 a:筒紗凹頂變形 較佳實施例之說明 下文中舉出一些範例，以說明本發明。 5686pifl.doc/008 13 555786 根據本發明提出之方法所合成之聚醯胺6，以及用來 作爲比較之習知聚醯胺6,皆是在工業用反應槽中以連續 聚合法（continuous polymerization method)製成’每天產量 約爲10.8公噸。此聚合反應單元中的核心元件是所謂的封 閉式”VK tube”，其基本功能說明於CH-PS 3 181 68之中。 此連續聚合法係將己內醯胺(溫度85°C)與其他成分由進料 管泵入反應槽中，其中包括相當數量的水以調整此混合物 的黏度（viscosity)。在此方法中，聚合反應係於一特定溫 度分佈狀態下進行，而產量係由泵速作控制，前文中提及 之瑞士專利中對此製造程序亦有詳細說明。在所有範例 中，反應區中最高的產物溫度介於278至280°C之間，而 在反應槽的輸出端，熔融狀態的聚醯胺6之溫度介於248 至25CTC之間。另外，在這種方法之中，當產量爲430kg/hom· 時，反應物與其產物在反應槽內停留之平均時間約爲16·5 小時。 此處熔融狀態的聚醯胺6係由PC tube中擠出，而形 成聚合物纖維的型態，然後以水浴冷卻，使其形成顆粒狀。 接著將這些聚合物顆粒移至連續萃取管中，並在略高於 1〇〇。〇之溫度的熱水中，以逆流原理進行萃取，直至己內 醯胺與環狀寡聚物（雙體（dimer)或三體(trimer))之含量甚低 爲止。最後將萃取過的顆粒乾燥，直至殘存水分之重量僅 剩0.03%至0.08%爲止，然後再放入容器中保存。 接著說明此聚醯胺6的溶液黏度決定方法，其係將經 過萃取與乾燥的聚醯胺6配成重量百分比1%的溶液’而 5686pifl.doc/008 14 此溶液爲重量百分比96%的硫酸溶液。接著，於20°C下 決定此溶液之黏度。 此聚醯胺6的端基(end group，即胺基與羧基）濃度係 由酸鹼滴定來決定。其中在滴定胺基濃度時，可將此聚酿 胺6溶於重量比2:1之間甲酚/異丙醇(m-cresol/isopropanol) 中，再以0.IN之過氯酸乙醇溶液來滴定；而在滴定羧基 濃度時，可將聚醯胺6溶於苯甲醇(benzyl alcohol)中，再 以0.1N之氫氧化鉀苯甲醇溶液來滴定。 以下先列出使用於此範例中的簡寫之意義，再列出本 發明之實施結果： LC-6 : 己內醯胺 TPA ： 對苯二甲酸 TAD : 三丙酮二胺（triacetone diamine) = 4-胺基- 2,2,6,6-四甲基氮雜環己烷 DEAPA: 3-二乙基胺基-1-丙胺 (3-diethylamino-1 -propylamine) DBHPP : 3-(3,5-二特丁基-4-羥苯基）丙酸 3-(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl)-propionic acid [C]： 羧基端基濃度，單位meq/kg [A]： 胺基端基濃度，單位meq/kg RV : 1%聚醯胺6之96%硫酸溶液的20°C相對黏度 r : 筒紗凸邊變形，單位mm(見第1圖） a ： 筒紗凹頂變形，單位mm(見第1圖） 5686pifl.doc/008 15 555786 D : 筒紗對徑(package diameter)，單位 mm(第 1 圖） Η · 筒紗橫徑(package traverse)，單位 mm(第 1 圖） S1至S8 :線軸1至線軸8 TAD ： Huls AG; Marl (Germany) DEAPA ·· Hoechst Werk Ruhrchemie; Oberhausen(Germany) DBHPP ·· Ciba Geigy AG; Basel (Switzerland) 1.聚合物 表1中列出依本發明所得之聚醯胺6的特性，並列出 習知聚醯胺6的特性以作比較。在聚合反應發生前，先加 入足量的水於溶有其他成分的己內醯胺溶液中，以使未經 萃取之聚合物的相對溶液黏度（相對於經萃取與乾燥之聚 合物的溶液黏度，此溶液爲1%重量之聚醯胺6的96%硫 酸溶液)介於2·42至2·45之間。另外，在計算此己內醯胺 溶液中的水含量時，亦須計入己內醯胺原料的水含量’以 使估計更爲準確。 表1 :依本發明所得之聚醯胺6與習知產品之特性比較(萃 取並乾燥之後） __ ---------------
範例 原料（重量百分比） 水含量b) %(同左） 卜析結: 果 LC-6 TPA DBHPP TAD DEAPA RV [A] [C] 比較la) 99.32 0.42 0.07 0.07 0.12 0.26 2.45 42 73 1 99.29 0.36 0.17 0.18 0.25 2^42^ 43 _HJ a) 根據DE 197 22 135 A1所得之聚醯胺6 b) 相對於有機成分之總量的比例 16 5686pifl.doc/〇〇8 2.紡絲測試 首先將用來紡絲的乾燥聚合物顆粒熔化於4E4單螺桿 擠壓器（single-screw extruder)之中，其係由 Barmag (Remscheid/Germany)製造。接著以行星齒輪幫浦（planet-wheel pump)將 融熔之 聚醯胺 6(T = 262°C)傳送至 紡絲頭 (spinning head)上，其間並藉融熔導線(melt line)之助，而 此融熔導線上裝配有靜態混合元件（static mixing element) 與對應之融熔散佈器(melt distributor)。此處之紡絲方法係 根據EMS Inventa AG的H4S程序，其中使用8個紡絲筒 紗（spinning package)、纖度（titer) 44/13 Ydex/f、以及交叉 冷卻（cross-quenching)之空氣流，而繞線速設定爲 5400m/min，其中線軸橫徑Η爲130mm，外管直徑爲 124mm 〇 表2列出這兩種聚醯胺6(本發明與習知）的筒紗形成 結果。由表2可以明顯看出本發明所得之聚醯胺6的筒紗 形狀較佳，特別是筒紗凸邊變形r較小。 5686pifl.doc/008 17 555786
丄I本發明與習知聚醯胺6之箇紗形成結里 範例 PA 6型 態 D 又。匕问；瓜肌卬口禾 筒紗變形程度 SP1 SP2 SP3 SP4 SP5 SP6 SP7 SP8 習知2 習知1 385 r 15 15 15 14 14 15 14 14 --— _ a 2.2 2.2 2.0 2.3 2.1 2.2 2 1.8 習知3 習知1 305 r 9 9 9 9 a 1.9 1.8 1.8 1.8 2 1 385 r 10 9 9 8 9 9 9 9 a 2.4 2.2 2.2 2.1 2.2 2.0 2.1 2.0 3 1 305 r 7 7 7 7 ~~ — a 1.6 1.8 - • • 1.7 LLJ 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發 明’任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各 手重之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所 界定者爲準。 18 5686pifl.doc/008