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本申请要求来自在韩国知识产权局(koreanintellectualpropertyoffice)下的于2014年10月22日提交的韩国专利申请第10-2014-0143329号的优先权的权益，其公开内容通过引用以其整体并入本文。
本发明涉及用于在无另外的添加剂下产生包含低水平的副产物例如二丙二醇醚(dipropyleneglycolether)和丙烯醛并且具有高的熔点的聚(对苯二甲酸丙二酯)(poly(trimethyleneterephthalate))的连续工艺。
技术背景
聚(对苯二甲酸丙二酯)是可以通过1,3-丙二醇与对苯二甲酸或对苯二甲酸二甲酯的酯化及其缩聚来制备的聚酯。
用于产生聚(对苯二甲酸丙二酯)的工艺已经被公布若干次。例如，美国专利第6,277,947号公开了用于通过在催化的钛化合物的存在下使对苯二甲酸与亚丙基二醇酯化，预缩合和缩聚来产生聚(对苯二甲酸丙二酯)的工艺。此处，初始地，酯化通过在1.25至2.5的亚丙基二醇与对苯二甲酸的摩尔比、0ppm至40ppm的钛含量、245℃至260℃的温度和1巴至3.5巴的压力的条件下的至少两个步骤进行，并且在至少一个随后的步骤中比在初始步骤中多35ppm至110ppm的钛被添加于此。
另外，美国专利第6,353,062号公开了用于制备聚(对苯二甲酸丙二酯)的连续的3-容器、3-阶段工艺，其中第一容器是用于制备双(3-羟丙基)对苯二甲酸酯(bis(3-hydroxypropyl)terephthalate)和低分子量低聚物的混合物的酯化反应器，第二容器是预聚合器(prepolymerizer)，并且第三反应器是最终聚合器或后缩聚器(finisher)。
另外，美国专利第7,132,484号和第6,538,076号公开了用于制备聚(对苯二甲酸丙二酯)的连续的4-容器、4-阶段工艺，其中第一容器是用于制备双(3-羟丙基)对苯二甲酸酯和低分子量低聚物的混合物的酯化反应器，第二容器是闪蒸器(flasher)，第三容器是预聚合器，并且第四反应器是最终聚合器。
此外，美国专利第5,599,900号公开了用于通过促使二羟基亚丙基对苯二甲酸酯(dihydroxytrimethyleneterephthalate)或其低分子量低聚物(通过使对苯二甲酸或对苯二甲酸二甲酯和1,3-丙二醇酯化来获得的)与惰性气体在聚合反应的工艺中接触来排除副产物的方法。
同时，副产物例如丙烯醛和烯丙醇在聚(对苯二甲酸丙二酯)的制备工艺中形成。然而，这些副产物是高度有毒的并且因此优选的是，使有毒副产物在聚(对苯二甲酸丙二酯)的制备工艺中的形成最小化。
已经存在用于在制备聚(对苯二甲酸丙二酯)的工艺中减少有毒副产物例如丙烯醛的已知的若干方法。例如，为了降低有毒副产物的产生，美国专利第7,381,787号公开了向聚(对苯二甲酸丙二酯)熔体添加磷化合物的方法；美国专利第6,093,786号公开了向聚(对苯二甲酸丙二酯)熔体一起添加受阻酚和芳香族有机亚磷酸酯的方法；以及美国专利第7,223,471号公开了向聚(对苯二甲酸丙二酯)熔体添加多官能的醇、羧酸的酸酐、羧酸及其盐、碳水化合物等等的方法。
然而，如在此类已知方法中使用另外的添加剂减少副产物的方法不仅使生产工艺复杂化，而且还可能形成其他预料之外的副产物，并且特别地，存在使最终聚合物的物理性质劣化的问题。
发明详述
【技术问题】
本发明的方面是，提供可以在无另外的添加剂下连续地产生包含低水平的有毒副产物例如丙烯醛和烯丙醇的聚(对苯二甲酸丙二酯)的工艺。
【技术方案】
根据本发明，提供用于产生聚(对苯二甲酸丙二酯)的连续工艺，所述连续工艺包括以下步骤：
通过向第一酯化反应器提供包含1,3-丙二醇和对苯二甲酸或对苯二甲酸二甲酯的原材料混合物，并且然后在非催化条件下加压并且加热，形成第一酯化产物；
通过向第二酯化反应器提供第一酯化产物并且然后在非催化条件和常压条件下加热，形成第二酯化产物；
通过向第一聚合反应器提供第二酯化产物并且进行缩聚，形成聚(对苯二甲酸丙二酯)的预聚物；以及
通过向第二聚合反应器提供所述预聚物连同催化剂并且进行缩聚，形成高分子量聚(对苯二甲酸丙二酯)。
此处，原材料混合物可以包含相对于1摩尔的对苯二甲酸或对苯二甲酸二甲酯的1.0摩尔至1.5摩尔的1,3-丙二醇。
第一酯化产物的形成可以在1kgf/cm2至4kgf/cm2的压力和230℃至250℃的温度下进行。另外，第二酯化产物的形成可以在常压和240℃至260℃的温度下进行。
第一酯化产物和第二酯化产物各自可以包含双(3-羟丙基)对苯二甲酸酯、1,3-丙二醇与对苯二甲酸或对苯二甲酸二甲酯的低分子量聚酯、或其混合物。
第一聚合反应器可以被保持在230℃至270℃的温度和100mmhg至300mmhg的压力下。
第二聚合反应器可以被保持在230℃至270℃的温度和10mmhg至200mmhg的压力下。
此处，缩聚反应可以通过向第三聚合反应器提供从第二聚合反应器排放的流来进一步进行。
在另一方面，被提供至第二聚合反应器的催化剂可以是有机或无机化合物，所述有机或无机化合物包含选自由以下组成的组的一种或更多种活性金属：钛和锡。
被提供至第二聚合反应器的催化剂可以被添加于此，使得基于最终聚合物的重量的20ppm至250ppm的活性金属被包含。
高分子量聚(对苯二甲酸丙二酯)可以具有0.8dl/g至1.2dl/g的固有粘度或70,000至130,000的重均分子量。
根据本发明，提供通过上文提及的工艺产生的聚(对苯二甲酸丙二酯)。
聚(对苯二甲酸丙二酯)可以包含2.0mol％或更少的二丙二醇醚，并且聚(对苯二甲酸丙二酯)可以包含20ppm或更少的丙烯醛和10ppm或更少的烯丙醇。
聚(对苯二甲酸丙二酯)可以具有227℃或更高的熔点。
在下文中，根据本发明的特定的实施方案的用于产生聚(对苯二甲酸丙二酯)的连续工艺将被更详细地描述。
在此之前，在本说明书中使用的技术术语仅是为了提及任意实施方案，并且它们不意图限制本发明，除非存在关于它们的特别的提及。
另外，本文使用的单数表达方式(singularexpression)可以包括复数表达方式(pluralexpression)，除非它们根据上下文不同地被表示。此外，本说明书中使用的术语“包含”的含义体现具体的特征、区域、本质、步骤、动作、要素和/或组分，并且不排除其他具体的特征、区域、整数、步骤、动作、要素、组分和/或组的存在或添加。
在本说明书中，包括序数的术语例如‘第一’或‘第二’可以被用于说明各种组分，但组分不限于该术语或不被该术语限制。所述术语仅被用于区分一种组分与其他组分。例如，在本发明的范围内，第一要素可以被称为第二要素，并且第二要素可以被称为第一要素。
i.用于产生聚(对苯二甲酸丙二酯)的连续工艺
根据本发明的一个实施方案，提供用于产生聚(对苯二甲酸丙二酯)的连续工艺，所述连续工艺包括以下步骤：
通过向第一酯化反应器提供包含1,3-丙二醇和对苯二甲酸或对苯二甲酸二甲酯的原材料混合物，并且然后在非催化条件下加压并且加热，形成第一酯化产物；
通过向第二酯化反应器提供第一酯化产物并且然后在非催化条件和常压条件下加热，形成第二酯化产物；
通过向第一聚合反应器提供第二酯化产物并且进行缩聚，形成聚(对苯二甲酸丙二酯)的预聚物；以及
通过向第二聚合反应器提供所述预聚物连同催化剂并且进行缩聚，形成高分子量聚(对苯二甲酸丙二酯)。
即，根据本发明人的研究的结果，已经发现的是，在用于使用原材料通过酯化、预缩合和缩聚产生聚(对苯二甲酸丙二酯)的连续工艺中，当在非催化条件下进行酯化和预缩合并且然后通过将催化剂添加于此进行缩聚时，有毒副产物例如丙烯醛和烯丙醇的形成可以在没有另外的添加剂下被最小化，从而获得具有优良的物理性质的聚(对苯二甲酸丙二酯)。
此外，已经发现的是，当上文提及的酯化在两步中进行时，如果第一酯化步骤在压力下进行而第二酯化步骤在常压下进行，那么有毒副产物的产生明显地被减少。
当第二酯化步骤如上文所描述地在常压下进行时，被包含在酯化产物中的未反应的1,3-丙二醇的量被降低，并且因此副产物例如二丙二醇醚在酯化步骤中的形成被最小化，这导致降低被包含在最终聚合物中的有毒副产物例如丙烯醛和烯丙醇的量的效果。另外，因为二丙二醇醚的形成被最小化，所以最终聚合物的熔点(tm)还可以被保持为高的。
基本上，ptt可以通过1,3-丙二醇与对苯二甲酸的酯化产物或1,3-丙二醇与对苯二甲酸二甲酯的酯交换产物的缩聚来制备。此外，其可以包括用于获得具有较高分子量的ptt的固相聚合。
ptt可以通过连续工艺、间歇工艺(batchprocess)或类似工艺来制备。本发明提议了作为一个实施方案的ptt的连续制备方法。然而，对本领域那些技术人员将明显的是，本发明不限于连续工艺并且可以通过间歇工艺或类似工艺进行。
如在图1中所图示的，根据本发明的一个实施方案的ptt的制备方法在向酯化反应器提供在浆料熔化罐(s)处制备的原材料之后，在非催化条件下形成酯化产物。
此时，酯化可以通过串联地连接的第一酯化反应器(e1)和第二酯化反应器(e2)连续地进行，其中第一酯化反应器(e1)在加压和加热条件下操作，而第二酯化反应器(e2)在常压和加热条件下操作。
随后，酯化产物被提供至第一聚合反应器(p1)并且通过在非催化条件下的缩聚形成预聚物，并且使预聚物与催化剂混合并且提供至第二聚合反应器(p2)并且另外经历缩聚。另外，从第二聚合反应器(p2)排放的流可以被提供至第三聚合反应器(p3)并且另外经历缩聚。
在下文中，将描述被包括在根据一个实施方案的ptt的连续产生方法中的每个步骤。
i)在非催化条件下从原材料混合物形成酯化产物
1,3-丙二醇和对苯二甲酸或对苯二甲酸二甲酯可以被用作用于产生ptt的原材料。
使原材料混合并且在浆料熔化罐(s)中熔化，以形成浆料相原材料混合物。此时，原材料混合物可以被保持，以便包含相对于1摩尔的对苯二甲酸或对苯二甲酸二甲酯的1.0摩尔至1.5摩尔的1,3-丙二醇。
将在浆料熔化罐(s)中制备的原材料混合物转移到酯化反应器，以形成酯化产物。根据本发明的一个实施方案，酯化产物的形成可以在串联地连接的第一酯化反应器(e1)和第二酯化反应器(e2)处连续地进行，并且气态副产物流可以连续地被蒸发并且从每个酯化反应器中排除。为了防止逆向反应(reversereaction)，优选的是，排除主要包含水蒸气的气态副产物。在第二酯化反应器(e2)处，优选的是，将未反应的1,3-丙二醇排放到体系之外。作为非限制性实例，为了工艺效率，可以优选的是，当反应产物的相对粘度达到1或更大时，将第一酯化反应器(e1)的反应产物转移到第二酯化反应器(e2)。
特别地，根据一个实施方案，酯化产物的形成可以通过以下步骤进行：通过向第一酯化反应器提供原材料混合物并且然后在非催化条件下加压并且加热，形成第一酯化产物的步骤；以及通过向第二酯化反应器提供第一酯化产物并且然后在非催化条件和常压条件下加热，形成第二酯化产物的步骤。
优选地，第一酯化产物的形成可以在1kgf/cm2至4kgf/cm2、1.5kgf/cm2至3.5kgf/cm2或1.5kgf/cm2至2.5kgf/cm2的压力,和230℃至250℃、235℃至250℃或235℃至245℃的温度下进行。然后，第二酯化产物的形成可以在常压和240℃至260℃、240℃至255℃或245℃至255℃的温度下进行。
通过上文提及的工艺获得的第一酯化产物和第二酯化产物各自可以包含双(3-羟丙基)对苯二甲酸酯、1,3-丙二醇与对苯二甲酸或对苯二甲酸二甲酯的低分子量聚酯(例如，低聚物)、或其混合物。
ii)预缩聚
第二酯化产物通过温度控制供应管线被提供至第一聚合反应器(p1)。
预聚合反应步骤在第一聚合反应器(p1)处进行，其中过量的1,3-丙二醇从体系中被排除，并且形成长链分子并且从而产物的粘度在此步骤中逐渐地增大。此处，常规的设备例如装配有真空供应器的蒸汽管线(steamline)、喷雾冷凝器(spraycondenser)等等可以被用于从体系中排除过量的1,3-丙二醇。
根据本发明的一个实施方案，预缩聚在类似于酯化的非催化条件下进行。优选地，第一聚合反应器(p1)可以在保持230℃至270℃、240℃至260℃或245℃至260℃的温度和100mmhg至300mmhg、100mmhg至250mmhg或150mmhg至250mmhg的压力的条件下操作。
然后，从第一聚合反应器(p1)排放的ptt预聚物可以具有3至7的相对粘度。为了这个目的，在第一聚合反应器(p1)中的停留时间可以是30min至90min。
iii)最终缩聚
从第一聚合反应器(p1)排放的ptt预聚物通过温度控制供应管线被提供至第二聚合反应器(p2)。在第二聚合反应器(p2)中，进行增大ptt预聚物的分子链长度或粘度以形成高分子量ptt的步骤，高分子量ptt为最终聚合物。
特别地，根据本发明，通过将催化剂添加至从第一聚合反应器(p1)连接至第二聚合反应器(p2)的供应管线，ptt预聚物连同催化剂被提供至第二聚合反应器(p2)。以此方式，根据本发明的ptt的连续产生方法遵循通过在预聚合之后添加催化剂的缩聚方法，不同于在酯化反应之前将催化剂添加至原材料混合物的一般工艺。通过此，根据本发明的ptt的连续产生工艺能够产生具有优良的物理性质的ptt，因为二丙二醇醚(dpg)的含量是低的，熔点是高的，并且有毒副产物例如丙烯醛的形成可以被最小化。
此处，被提供至第二聚合反应器(p2)的催化剂可以是用于缩聚的常规的催化剂化合物，并且其可以优选地是有机或无机化合物，所述有机或无机化合物包含选自由以下组成的组的一种或更多种活性金属：钛和锡。作为非限制性实例，催化剂可以是选自由以下组成的组的一种或更多种化合物：钛酸四异丙酯、钛酸四丁酯和二丁基氧化锡。
此时，催化剂可以被添加于此，使得基于最终聚合物的重量的20ppm至250ppm、50ppm至250ppm或50ppm至200ppm的活性金属被包含。即，为了在第二聚合反应器(p2)中提供合适的反应速率的同时获得具有合适的颜色的最终聚合物，优选的是，将催化剂含量控制在上文提及的范围内。
以此方式，在催化剂的存在下在其中进行缩聚的第二聚合反应器(p2)可以在保持230℃至270℃、240℃至260℃或245℃至260℃的温度和10mmhg至200mmhg、100mmhg至150mmhg或10mmhg至100mmhg的压力的条件下操作。
优选地，从第二聚合反应器(p2)排放的流可以被提供至第三聚合反应器(p3)以进行另外的缩聚反应。此处，使未反应的1,3-丙二醇在第三聚合反应器(p3)中的材料转移最大化对于获得高分子量ptt是有利的。因此，优选的是，第三聚合反应器(p3)具有可以使聚合物的表面积最大化的结构，例如如装配有搅拌器的水平圆柱形容器的结构。
另外，第三聚合反应器(p3)可以在保持230℃至270℃、240℃至265℃或250℃至260℃的温度和1mmhg或更小的压力的条件下操作。
以此方式，在使用第二聚合反应器(p2)和第三聚合反应器(p3)的情况下，在每个反应器处的停留时间可以考虑反应产物的粘度和分子量来控制。例如，在第二聚合反应器(p2)和第三聚合反应器(p3)中的停留时间可以分别是30min至90min。
ii.聚(对苯二甲酸丙二酯)
根据本发明的另一个实施方案，提供通过上文描述的工艺产生的ptt。
当ptt通过上文描述的工艺来产生时，其可以包含低水平的二丙二醇醚(dpg)，具有高的熔点(tm)并且包含低水平的有毒副产物例如丙烯醛和烯丙醇，从而呈现优越的物理性质。
通过上文公开的工艺最终获得的ptt可以具有0.8dl/g至1.2dl/g的固有粘度或70,000至130,000的重均分子量。另外，所述ptt可以示出75至85的颜色l*值和5至20的颜色b*值。
特别地，当ptt通过上文公开的工艺来产生时，ptt可以包含明显地低水平的二丙二醇醚，例如基于最终聚合物的2.0mol％或更少、优选地1.0mol％至2.0mol％、1.2mol％至1.8mol％或1.5mol％至1.6mol％。由于此低水平的二丙二醇醚，ptt可以具有227℃或更高、优选地227℃至228℃或227.2℃至227.5℃的高的熔点(tm)。
此外，当ptt通过上文公开的工艺来产生时，ptt可以包含低水平的丙烯醛，例如基于最终聚合物的重量的20ppm或更少、17ppm或更少、5ppm-17ppm或10ppm-15ppm。同时，ptt可以包含低水平的烯丙醇，例如基于最终聚合物的重量的10ppm或更少、优选地8ppm至10ppm或8ppm至9.5ppm。
通过上文公开的一系列工艺连续地制备的ptt可以被制粒(pelletize)并且以固态被获得，并且可以直接被提供至常规的成形工艺(figurationprocess)，例如纤维纺丝(fiberspinning)、膜形成(filmforming)、模制等等。
【有益效果】
根据本发明的聚(对苯二甲酸丙二酯)的连续产生工艺能够产生具有优越的物理性质的聚(对苯二甲酸丙二酯)，因为二丙二醇醚(dpg)的含量是低的，熔点是高的，并且有毒副产物例如丙烯醛的形成可以被最小化。
附图简述
图1示意地图示可以被用于根据本发明的一个实施方案的制备方法的设备。
<参考符号的说明>
s：浆料熔化罐
e1,e2：酯交换反应器
p1,p2,p3：聚合反应器
具体实施方式
在下文中，提供优选的实施例以帮助理解本发明。然而，以下实施例仅用于例证本发明，并且本发明不限于它们或受它们限制。
实施例1
均匀的浆料相的原材料混合物通过使作为原材料的1,3-丙二醇和对苯二甲酸在浆料熔化罐(s)中混合来制备。此时，约1.3摩尔的1,3-丙二醇每1摩尔的对苯二甲酸被包含在原材料混合物中。
将制备的原材料混合物从浆料熔化罐(s)转移到第一酯化反应器(e1)，并且酯化在约2kgf/cm2的压力和约245℃的温度下进行。当进行酯化时，形成双(3-羟丙基)对苯二甲酸酯和低聚物的混合物。
然后，将从第一酯化反应器(e1)排放的流转移到第二酯化反应器(e2)，并且酯化在约255℃的温度和常压下连续地进行。此时，将分别在第一酯化反应器(e1)和第二酯化反应器(e2)处产生的气态副产物流连续地蒸发并且排除。
随后，将酯化产物转移到第一聚合反应器(p1)，并且在保持约255℃的温度和100mmhg至200mmhg的减压条件下进行缩聚反应。将从第一聚合反应器(p1)排放的流在将催化剂添加于此之后提供至第二聚合反应器(p2)。此时，钛酸四异丙酯被用作催化剂，并且其含量受控制，使得基于最终聚合物的重量的约180ppm的钛原子被包含在其中。
在保持约260℃的温度和10mmhg至100mmhg的减压条件下进行在第二聚合反应器(p2)处的缩聚，并且反应产物的粘度逐渐地增大。将从第二聚合反应器(p2)排放的流转移到第三聚合反应器(p3)，并且在保持约260℃的温度和1mmhg或更小的减压条件下进行缩聚。
ptt(固有粘度：约0.94dl/g，重均分子量：98,900)通过上文方法来获得，并且最终聚合物以小球的固体形式被获得。
实施例2
ptt(固有粘度：约0.95dl/g，重均分子量：99,900)以与实施例1中相同的方式来获得，除了第二酯化反应器(e2)在约250℃的温度下在常压下操作。
比较实施例1
ptt(固有粘度：约0.96dl/g，重均分子量：101,300)以与实施例1中相同的方式来获得，除了第二酯化反应器(e2)在约255℃的温度下在约1.5kgf/cm2的压力下操作。
比较实施例2
ptt(固有粘度：约0.96dl/g，重均分子量：101,500)以与实施例1中相同的方式来获得，除了第二酯化反应器(e2)在约255℃的温度下在约2.0kgf/cm2的压力下操作。
比较实施例3
ptt(固有粘度：约0.95dl/g，重均分子量：99,800)以与实施例1中相同的方式来获得，除了第二酯化反应器(e2)在约255℃的温度下在约2.5kgf/cm2的压力下操作。
比较实施例4
ptt(固有粘度：约0.94dl/g，重均分子量：94,000)以与实施例1中相同的方式来获得，除了第二酯化反应器(e2)在约255℃的温度下在约3.0kgf/cm2的压力下操作。
比较实施例5
ptt(固有粘度：约0.95dl/g，重均分子量：99,600)以与实施例1中相同的方式来获得，除了第二酯化反应器(e2)在约250℃的温度下在约2kgf/cm2的压力下操作。
实验实施例
通过实施例和比较实施例制备的ptt的物理性质通过以下方法来测试，并且结果在以下表1和表2中被列出。
1)丙烯醛和烯丙醇的含量：将通过低温碾磨(cryo-milling)制备的0.5g的粉末状样本收集并且密封在玻璃瓶中，并且在150℃下加热样本持续30min之后，丙烯醛和烯丙醇的含量通过气相色谱来定量地分析。
2)固有粘度(iv)：在将ptt溶解在邻氯苯酚中以具有1.2g/dl的浓度之后，固有粘度在35℃下通过使用乌氏粘度计(ubbelohdeviscometer)来测量。
3)二丙二醇醚(dpg)的定量通过nmr分析确定(将如通过600mhzhnmr分析的在2.2ppm、3.8ppm和4.5ppm处的峰的平均值转化成mol％)。
4)熔点(tm)：使用差式扫描量热计(dsc)，将样品填充在铝盘(aluminumpan)中，以10℃/min加热上升到280℃，保持在280℃下持续2min，并且然后以-150℃/min冷却。然后，当温度以10℃/min上升到280℃时，在吸热曲线的顶点的位置处的温度被定义为熔点(tm)。
【表1】
【表2】
如在表1和表2中所示出的，证实的是，在通过实施例的工艺形成的酯化产物(e2产物)中的二丙二醇醚(dpg)的含量低至1.2mol％或更小，并且在最终聚合物中的dpg的含量低至1.6mol％或更小。
特别地，证实的是，通过实施例的工艺形成的ptt包含低水平的二丙二醇醚(dpg)，这引起熔点(tm)的较少降低，并且具有227℃或更高的熔点。此外，通过实施例的工艺形成的ptt包含15ppm或更少的丙烯醛和9ppm或更少的烯丙醇，并且与根据比较实施例的ptt比较，示出低水平的副产物。