TWI630221B - 聚酯的製法 - Google Patents

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Abstract

一種聚酯的製法，包含(a)在一第一溫度中使一混合物進行預聚合反應，以形成一預聚物，並在預聚合反應期間透過蒸餾持續移除由化學式1所示的二醇，該混合物包括主要量的由化學式2所示的第一單體及次要量的由化學式3所示的第二單體；及(b)在一高於該第一溫度的第二溫度中使該預聚物進行聚合反應，以獲得該聚酯。於化學式1及化學式2中，R表示H、碳數範圍為1~6的直鏈或支鏈烷基、或苯基。該聚酯的製法能在較低的溫度中進行該預聚合反應以減少能耗，且可維持所製得之聚酯的良好物性。

Description

聚酯的製法
本發明是有關於一種聚酯的製法，特別是指一種在一第一溫度中使一包括第一單體及第二單體的混合物進行預聚合反應的製法。
工業上合成聚酯[如：聚對苯二甲酸乙二酯(PET)]的現有製程有以下三種：酯交換縮聚法、酯化縮聚法及環氧乙烷法。其中，環氧乙烷法一般是將對苯二甲酸(terephthalic acid,TPA)與環氧乙烷反應生成雙(2-羥基乙基)對苯二甲酸酯[bis(2-hydroxyethyl)terephthalate,BHET]，先於約245~270℃中進行預聚合反應，再於約270~290℃中進行聚合反應。
美國專利第6350851號公開一種雙(2-羥基乙基)對苯二甲酸酯的聚合方法，是利用回收聚對苯二甲酸乙二酯降解生成雙(2-羥基乙基)對苯二甲酸酯，再降低其中所含的陽離子或陰離子至50ppm以下以得到經純化的BHET，隨後於245℃中進行預聚合反應，再於280℃中進行聚合反應。
然而，為了獲得後續得以加工成型的聚酯材料，上述聚酯製程中的預聚合反應溫度需要在約245~270℃的範圍內，因此，其製程能耗高的問題未能被有效解決。
因此，本發明之目的，即在提供一種聚酯的製法，可以克服上述先前技術的缺點。
於是，本發明聚酯的製法包含以下步驟：(a)在一第一溫度中使一混合物進行預聚合反應(pre-polymerization reaction)，以形成一預聚物(prepolymer)，並在預聚合反應期間透過蒸餾持續移除由化學式1所示的二醇，該混合物包括主要量(major amount)的由化學式2所示的第一單體及次要量(minor amount)的由化學式3所示的第二單體：
〔化學式1〕HO-CH2CHR-OH
於化學式1及化學式2中，R表示H、碳數範圍為1~6的直鏈或支鏈烷基、或苯基；及(b)在一高於該第一溫度的第二溫度中使該預聚物進行聚合反應，以獲得該聚酯。
本發明之功效在於：透過使上述包括第一單體及第二單體的混合物進行預聚合反應，得以有效降低該預聚合反應所需的反應溫度，並可維持所製得之聚酯的良好物性。
以下將就本發明內容進行詳細說明：
較佳地，在該混合物中，該第二單體與該第一單體的重量比例為0.1：100至10：100。更佳地，在該混合物中，該第二單體與該第一單體的重量比例為0.5：100至5：100。
較佳地，該第一溫度不高於230℃。更佳地，該第一溫度介於195~230℃。
在本發明的具體實施例中，該第二溫度為280℃。
較佳地，於化學式1及化學式2中，R表示H或乙基。該混合物還包括一金屬鹽催化劑。更佳地，該金屬鹽催化劑是選自於銻化合物、鍺化合物或鈦化合物，例如但不限於氧化銻(III)(即Sb2O3)、二氧化鍺(GeO2)或四丁氧基鈦(titanium tetrabutoxide)。在本發明的具體實施例中，該金屬鹽催化劑是氧化銻(III)。
較佳地，該混合物還包括一多官能基單體，該多官能基單體選自於對苯二甲酸(terephthalic acid)、間苯二甲酸(isophthalic acid)、1,4-環己烷二甲醇(1,4-cyclohexanedimethanol,CHDM)或其組合。更佳地，該多官能基單體與該第一單體的重量比例為0.1：100至30：100。
本發明將就以下實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。
<合成例1a>製備第一單體M1a
將100g對苯二甲酸及60g水於120~150℃中混合，並緩慢加入2~3當量的環氧乙烷(ethylene oxide)，反應2小時後得到第一單體M1a，即雙(2-羥基乙基)對苯二甲酸酯[bis(2-hydroxyethyl)terephthalate,BHET]。
<合成例1b>製備第一單體M1b
將100g對苯二甲酸及60g水於120~150℃中混合，並緩慢加入2~3當量的1,2-環氧丁烷(1,2-epoxybutane)，反應2小時後得到第一單體M1b，即雙(2-羥基丁基)對苯二甲酸酯[bis(2-hydroxybutyl)terephthalate,BHBT]。
<合成例2>製備第二單體M2
在100mL反應瓶中置入10g BHET(上述合成例1a得到的M1a)，再加入11.4mL二甘醇(diethylene glycol,DEG)及7.4mg醋酸鋅，於180℃中反應6h後降至室溫，以乙酸乙酯(ethyl acetate,EtOAc)與水(體積比為1：1)萃取並移除乙二醇(ethylene glycol,EG)及DEG。收集有機層並濃縮後，以管柱層析進行純化(沖提液為EtOAc/正己烷，體積比3/1)。最後利用乙醇與水(體積比為1：1)進行再結晶，移除固體雜質及溶劑後得到第二單體M2，即如化學式3所示的對苯二甲酸2-(2-羥乙氧基)乙醇酯-2-羥乙醇酯[2-(2-hydroxyethoxy)ethyl 2-hydroxyethyl terephthalate,BHEET]。
<實施例1>聚酯E1
將350g上述合成例1a得到的BHET及1.75g上述合成例2得到的BHEET置入容量為1L且配置有攪拌設備並連接真空抽氣裝置的反應釜中，將反應釜中的空氣以氮氣置換後，升溫至110 ℃使反應物熔化，再加入0.3g Sb2O3觸媒。使反應物與觸媒充分混合均勻後升高反應溫度至200℃以進行預聚合反應，於200℃中反應1h，同時透過蒸餾持續移除EG，以形成一預聚物。隨後提高反應溫度到280℃，並在負壓90Pa中使該預聚物進行聚合反應，於此溫度與壓力中反應3h，以獲得實施例1的聚酯E1。
<實施例2~4>聚酯E2~E4
實施例2~4的製程與實施例1類似，差異之處在於分別將BHEET的用量改變為3.5g、17.5g及35g，以分別獲得實施例2~4的聚酯E2~E4。
<實施例5>聚酯E5
實施例5的製程與實施例1類似，差異之處在於將BHET改變為上述合成例1b得到的BHBT，並於200℃中透過蒸餾持續移除1,2-丁二醇及EG，以形成一預聚物。最後獲得實施例5的聚酯E5。
<實施例6>聚酯E6
實施例6的製程與實施例1類似，差異之處在於將反應物與觸媒進行預聚合反應的溫度改變為230℃，以獲得實施例6的聚酯E6。
<實施例7~9>聚酯E7~E9
實施例7~9的製程與實施例2類似，差異之處在於在將反應釜中的空氣以氮氣置換前，分別在反應釜中額外加入105g對苯二甲酸、105g間苯二甲酸及105g 1,4-環己烷二甲醇，以分別獲得實施例7~9的聚酯E7~E9。
<比較例1>聚酯CE1
比較例1的製程與實施例1類似，差異之處在於未在反應釜中加入BHEET，以獲得比較例1的聚酯CE1。
<比較例2>聚酯CE2
比較例2的製程與比較例1類似，差異之處在於將反應物與觸媒進行預聚合反應的溫度改變為230℃，以獲得比較例2的聚酯CE2。
<比較例3>聚酯CE3
比較例3的製程與比較例1類似，差異之處在於將反應物與觸媒進行預聚合反應的溫度改變為245℃，以獲得比較例3的聚酯CE3。
<性質測試>
[預聚物的平均聚合度]
由蒸餾出的EG量計算上述實施例1~9及比較例1~3中預聚物的平均聚合度n，結果如下表1所示。
[聚酯的特性黏度]
分別取0.1g上述實施例1~9及比較例1~3的聚酯E1~E9及CE1~CE3溶於25mL苯酚/四氯乙烷(重量比3：2)的混合溶劑中，在30℃下以烏氏黏度計(Ubbelohde viscometer)測量其特性黏度(intrinsic viscosity,IV,[η])，結果如下表1所示。
[聚酯的色相]
利用日本NIPPON DENSHOKU公司的色差儀(型號為NE4000)分別測量上述實施例1~9及比較例1~3的聚酯E1~E9及CE1~CE3的CIE L*值、a*值及b*值，結果如下表1所示。其中， 比較例1及比較例2的聚酯CE1及CE2無法拉條造粒，故無法進行色相測量。
由上表1可以明顯看出，實施例1~9的聚酯E1~E9之預聚物及比較例3的聚酯CE3之預聚物的平均聚合度約為3.4~3.7，聚酯的特性黏度約為0.637~0.668，惟其中實施例1~9是在相對較低的溫度(200~230℃)中進行預聚合反應，比較例3則是在相對較高的溫度(245℃)中進行預聚合反應。比較例1及比較例2的聚酯CE1及CE2之預聚物的平均聚合度僅分別為1.2及1.8，其聚酯CE1及 CE2的特性黏度亦僅分別為0.236及0.315，導致其無法拉條造粒。此外，比較例3的聚酯CE3相較於實施例1~9的聚酯E1~E9之色相略為偏綠(CIE a*值負值較大)且些許偏黃(CIE b*值正值較大)，而較偏離較佳的白色。
綜上所述，本發明聚酯的製法藉由使包括該第一單體及該第二單體的混合物進行預聚合反應，能在相對較低的溫度(200~230℃)中進行該預聚合反應以減少能耗，且可維持所製得之聚酯的良好物性，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims (8)

  1. 一種聚酯的製法，包含以下步驟：(a)在一第一溫度中使一混合物進行預聚合反應，以形成一預聚物，並在預聚合反應期間透過蒸餾持續移除由化學式1所示的二醇，該混合物包括主要量的由化學式2所示的第一單體及次要量的由化學式3所示的第二單體：〔化學式1〕HO-CH2CHR-OH 於化學式1及化學式2中，R表示H、碳數範圍為1~6的直鏈或支鏈烷基、或苯基；其中，該第一溫度不高於230℃；在該混合物中，該第二單體與該第一單體的重量比例為0.1：100至10：100；及(b)在一高於該第一溫度的第二溫度中使該預聚物進行聚合反應，以獲得該聚酯。
  2. 如請求項1所述的聚酯的製法，其中，在該混合物中，該第二單體與該第一單體的重量比例為0.5：100至5：100。
  3. 如請求項1所述的聚酯的製法，其中，該第一溫度介於195~230℃。
  4. 如請求項1所述的聚酯的製法，其中，於化學式1及化學式2中，R表示H或乙基。
  5. 如請求項1所述的聚酯的製法，其中，該混合物還包括一金屬鹽催化劑。
  6. 如請求項5所述的聚酯的製法，其中，該金屬鹽催化劑是選自於銻化合物、鍺化合物或鈦化合物。
  7. 如請求項1所述的聚酯的製法，其中，該混合物還包括一多官能基單體，該多官能基單體選自於對苯二甲酸、間苯二甲酸、1,4-環己烷二甲醇或其組合。
  8. 如請求項7所述的聚酯的製法，其中，在該混合物中，該多官能基單體與該第一單體的重量比例為0.1：100至30：100。
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