专利名称：萃取聚酰胺用的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过萃取从聚酸胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺中去除低分子量组分的方法。
此外，本发明还涉及一种通过萃取从聚酰胺6和基于己内酰胺的共聚酰胺中去除低分子量组分的设备。
此外，本发明还涉及一种制备聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺的方法以及实施该方法的设备。
聚酰胺、其制备和其作为工业塑料的应用是已知的。这在由G.W.Becker和D.Braun编的“塑料手册”中有所描述，它由Hanser-Verlag，München und Wien出版，1998，第3卷“工业热塑料”，第4分卷“聚酰胺”。
本发明涉及聚酰胺6和基于己内酰胺的共聚酰胺。聚酰胺6是己内酰胺的均聚物。本发明所指的基于己内酰胺的共聚酰胺是包含至少50重量％的由己内酰胺衍生的单体单元的共聚酰胺。此外，这种基于己内酰胺的共聚酰胺包含其它通过酰胺基连结的重复单元。例如这种重复单元可以是从己二酸和六亚甲基二胺衍生的那些，即聚酰胺6，6-单元。它也可以是由其它二羧酸和其它二胺衍生的重复单元。或也可以是由氨基羧酸衍生的重复单元，例如聚酰胺11或聚酰胺12的重复单元。
可按各种方法制备聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺。例如可通过己内酰胺的水解聚合来制备。这是在工业上有意义的方法。它也是本发明所优选的方法。此外，还可通过碱性内酰胺聚合来制备。用于制备聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺的方法例如在上述塑料手册，第3卷“工业热塑性塑料”，第4分卷“聚酰胺”第22-75页中有所描述。
聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺的制备通常是通过己内酰胺的水解聚合来实现的。如果要制备基于己内酰胺的共聚酰胺，则要加入所需共聚单体。共聚单体优选是二羧酸和二胺的混合物或氨基羧酸或内酰胺。
如在上述塑料手册，第3卷“工业热塑性塑料”，第4分卷“聚酰胺”，第2.2.2.2.4章中所述的水解聚合通常是在常压下通过加入一般为1-5重量％的水，在通常240-270℃及排除空气氧的条件下聚合来实现的。聚合也可以用解离水(Wasser-abspaltenden)的化合物如氨基羧酸或AH-盐(由己二酸和六亚甲基二胺形成的盐)引发。通常聚合用水引发。聚合物的摩尔质量由水含量预计，但在实践中是通过调节剂如羧酸或胺加以有利的稳定。
基于己内酰胺的聚酰胺6或共聚酰胺通常是以连续式制备。该连续式制备一般在竖管式反应器，即所谓的VK-管(VK＝简化连续式)中进行。通常采用下列方法进行将含水己内酰胺(需要时与共聚单体一起和需要时与其它助剂如摩尔质量调节剂一起)从上端装入VK-管中。蒸馏掉多余的水以达足够高的摩尔质量。该熔体在常压下通常用15-30小时流过该管，其中熔体温度一般为240-270℃。在VK-管末端，该聚酰胺熔体用齿轮泵通过圆孔喷嘴以线状压出到水浴中，经冷却并接着制粒。
在制备聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺时，还产生低分子量的化合物作为副产物。它特别包括低聚化合物，该化合物由己内酰胺和有时还可由共聚单体形成。这种低分子量化合物对聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺的特性有不利影响，因此一般要加以去除。特别是己内酰胺的环二聚物对聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺的特性有不利影响。
该低分子量部分对由聚酰胺制备的产品如注塑体或薄膜等有不利影响，该低分子量部分扩散到表面上并形成油腻的薄膜。此外，扩散到表面上的低分子量部分还导致聚酰胺的产品表面的损害。它使光泽下降，有损颜色感。
需加工成薄膜的聚酰胺要求其低分子量化合物的含量特别低。聚酰胺6和基于己内酰胺的共聚酰胺在紧接聚合后的低分子量化合物(己内酰胺和其低聚物以及还可是共聚单体的低聚物)含量通常为5重量％以上。要加工成注塑件的聚酰胺的低分子量化合物的含量通常应为小于1重量％，更好是小于0.5重量％。对要加工成薄膜的聚酰胺通常有更高的要求。这时其低分子量化合物的含量通常不应超过0.1重量％，更好为不超过0.05重量％。
低分子量化合物的去除例如可通过萃取来实现。该萃取通常可通过水或通过主要是含水的液体来进行。
经聚合和其后的萃取后，该所得的聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺通常经干燥。干燥例如在90-130℃下于惰性气流中进行。例如可采用氮气。通过将干燥温度提高到例如180-190℃，可经所谓的后缩合提高适于特定应用的聚酰胺的摩尔质量。
代替上述的单级VK-管，也可应用具有多级VK-管的装置或带有上游无压预聚合级的装置。
按现有技术，聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺的萃取可在低于常压下水的沸点温度(即小于100℃)条件下用水间歇或连续进行。
包括萃取聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺步骤的用于制备聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺的现有技术方法具有缺点。已知方法的缺点特别是，为使在萃取后的聚酰胺中的低分子量部分低于所规定的含量，需使聚酰胺在萃取设备中有长的停留时间。这就是说该萃取方法的时空产率低。此外，按已知工业方法的萃取结果常常是不够的。特别是在聚酰胺中保留的低分子量物质的含量太高。特别是在聚酰胺中保留的己内酰胺的环二聚物的含量太高。
此外，用于萃取的现有技术已知的方法的缺点是，对每单位量的待萃取聚酰胺需要的水量太多。用于萃取的低水量是值得力求的，因为它简化了方法，可以使所用设备设计得较小，这样就降低了成本。采取逆流萃取是有利的。因为聚酰胺6和基于己内酰胺的共聚酰胺的密度比用于萃取的水或含水液体的密度大，所以下述的逆流萃取是合适的，即聚酰胺在重力下向下流动，这时用于萃取的液体(通常是水)以与重力相反向上流向聚酰胺。在这种方式中出现的问题是，在每单位量的聚酰胺采用少量水的情况下，所用的水越少，则在萃取终端的水中的要萃取的低分子量化合物的负荷越高。低分子量化合物的负荷使水和要萃取的低分子量化合物的混合物的密度升高。
在所述逆流方法中，其结果是具有低密度的液体层(含少量要萃取的化合物的水)位于具有高密度的液体层(含大量要萃取的化合物的水)的下面。这就又会引起不利的返混问题，因为位于上面的具有高密度的液体层会由于重力而穿过下面的具有低密度的液体层。这对逆流过程是有害的。萃取的有效性下降。按本发明，优选的方法是要避免由于萃取时形成的密度差所引起的上述有害于萃取的问题。
本发明中时空产率意指每单位时间每单位设备体积的聚酰胺萃取设备中聚酰胺的通过量。
本发明的目的是提供一种用于聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺的改进的萃取方法，该方法克服了现有技术的缺点，并能使萃取以高的时空产率进行，萃取后在聚酰胺中含少量的低分子量物质，特别是己内酰胺和低聚物。
该目的是通过一种萃取聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺的方法解决的，该方法中采用一种其至少80％是由水组成的液体在高于该液体在常压下的沸点温度下来萃取聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺。
此外，本发明还包括萃取聚酰胺或基于己内酰胺的共聚酰胺的设备，该设备包括预萃取器(1)和压力萃取器(2)和注入器(Injektor)(5)，该注入器(5)串接于预萃取器(1)之后，并用此注入器(5)将要萃取的聚酰胺从预萃取器送入压力萃取器。
此外，本发明还提供一种用于制备聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺的设备，该设备包括本发明的用于萃取聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺的设备。
该萃取在高于用于萃取的液体在常压下的沸点的温度下进行，其结果是该萃取需在高压下进行，以使萃取液体不蒸发。
本发明中“高压下”意指大于1bar的压力。
本发明方法有很多优点。本发明的萃取有高的时空产率。本发明的萃取中对每单位量的聚酰胺仅需少量的水。该萃取使聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺中低分子量杂质的含量非常低。特别是在萃取的聚酰胺6或萃取的基于己内酰胺的共聚酰胺中的己内酰胺的环二聚物的含量非常低。由于低的时空产率该萃取可以工业规模在小的设备中进行。因此，本发明的萃取方法比现有技术已知方法更经济和更廉价。此外，本发明方法的优点是，通常以颗粒形式提供给萃取过程的聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺在萃取中不会粘结或结块，而通常当聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺在高温下长时间与含水液体相接触会出现粘结或结块。本发明方法通过有目的的限制上限温度以使不出现粘结或结块而达到了最后提到的优点。
本发明萃取方法在逆流运行情况下的优点不会由于萃取液体的密度差出现不利的返混而影响萃取。
萃取时耗水的下降也是有利的，因为萃取后的水必需经再处理。这通常是经水的蒸发来进行的。这时蒸馏的水可再次用作萃取的新水。在蒸馏釜中保留的由水、己内酰胺和其低聚物和其它低分子量化合物组成的混合物或可返回到聚酰胺的制备中或必需加以处置。
本发明的萃取设备有许多优点。它可使萃取过程连续进行，而不会因密度差出现返混问题。
本发明的萃取设备可有高的时空产率、萃取后低含量的低分子量化合物残留和可防止萃取中聚酰胺的粘结或结块。
本发明方法优选以连续式运行。
优选的是，聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺与液体呈逆流运行。
优选的是，聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺靠重力向下流动，而液体相对重力向上流动。
优选的是，该液体在开始萃取和萃取终点的密度差保持足够小，以致基本不出现该液体相反于物流方向的有害返混。
优选的是，以下列方法保持小的密度差，即萃取按两步进行，在第一步中也可在低于液体沸点下运行，分离掉一部分可萃取的组分，以致在第二步中使其在高于液体沸点下运行，甚至在水对聚酰胺的低液比下其密度差仍然小。
这种方法是优选的，即对每1千克聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺所使用的液体量为1-3千克，优选2-3千克。
优选该液体主要由水组成。
萃取优选在100-130℃下进行。
特别优选的方法是萃取在120-125℃进行，优选的聚酰胺对液体的液流比为1kg∶2kg-1kg∶3kg及萃取优选时间为10-14小时。
在优选的设备中，在压力萃取器后串接第二注入器(9)，以完成离开压力萃取器的输送。
优选是设备包括导管(4)将液体从压力萃取器(2)的上端送到预萃取器(1)。
本发明方法优选在本发明的设备中实施。
本发明的另一目的是提供一种制备聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺的方法，它包括按照本发明方法的萃取。
本发明优选的聚酰胺选自聚酰胺6和基于己内酰胺的共聚酰胺，其含至少90重量％的基于己内酰胺的单体单元。其余的10重量％衍生于聚酰胺6，6、聚酰胺11或聚酰胺12的重复单元。
本发明中特别优选是聚酰胺6。
本发明中的萃取用至少由80重量％的水组成的液体进行。优选用水萃取。特别优选是软化水。
为输送在本发明方法中优选存在的聚酰胺-颗粒在水中的悬浮液，优选采用所谓的注入器。这类注入器是抽吸式动力燃料压缩机，也称喷射器。它们属于水喷射固体物料泵类。它用水作为输送剂运行。该水输送要运送的聚酰胺-颗粒。该聚酰胺-颗粒以水中悬浮液形式离开注入器。通过注入器输送的优点是，可毫无困难地从大气压下的区域输送到较高的压力区域。应用其它输送设备如槽轮闸(Zellrad-Schlensen)不能将聚酰胺-颗粒水悬浮液从低压区域输送到高压区域。经注入器的输送量可通过水流或通过注入器后的反压来调节。在本发明方法中输送时要克服的压差通常为1-2bar，特别是1.5bar。此外，注入器的优点是无运动部件、制造简单成本低，并且磨损小。意外的是不需在注入器前安装计量设备来调节输送量，这在现有技术中是需要的。
至今在现有技术中还未知用注入器可输送在水(用水作为输送剂)中的塑料颗粒，特别是聚酰胺-颗粒的悬浮液。此外，也未知可由低压区域向高压区域输送。同时还未知可用输送剂流(即用每单位时间以输送液送入的水量)和用注入器流出侧的压力来调节输送量。该要输送的塑料-颗粒在输送前可以是无水的即干燥的，也可是与少量水相混合的。
本发明的其它方面是采用以水作为输送介质的注入器来输送塑料-颗粒，特别是聚酰胺-颗粒在水中的悬浮液的方法。
优选是从低压区域输送到高压区域。压差优选为0.5-5，特别优选1-1.5bar。
在从低压区域向高压区域输送的情况下，该方法的优选实施方案是通过水的输送流来控制输送量。对这种情况的该方法的另一优选实施方案是通过注入器排出悬浮液侧的压力来控制输送量。如可通过恒压调节阀来进行，以致输送的调节与输出区域和输入区域之间的压差无关。
附图示出本发明的优选实施方案。
图1为用于萃取聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺的本发明的优选设备。
向在大气压下工作的预萃取器1送入来自聚合过程的未萃取过的聚酰胺-颗粒3。萃取介质为来自压力萃取器2的水4。通过以水6作为输送介质操作的注入器5，将在设备7中进行水分离后的聚酰胺-颗粒送入用与聚酰胺-颗粒呈逆流的水8运行的压力萃取器2。通过第2个注入器9由压力萃取器排出经萃取过的聚酰胺，并将其送入干燥。注入器的输送量通过输送介质流或通过排出悬浮液的导管的压力来调节。为此在该导管上装有恒压调节阀(图中未示出)。
图1设备的优点是，通过在预萃取器1中实现部分低分子量化合物的去除，该压力萃取器2甚至在水对聚酰胺的低液流比下也不会由于密度差而显示出返混的缺点。
实施例1和2下列实施例1和2是在图1的设备中以连续式运行得到的。所给数值是在实验过程中所经历过的范围。将含低分子化合物(萃取物)约为8.5-10重量％的聚酰胺6送入预萃取器，该萃取器在大气压和约95℃下运行。在预萃取器中的停留时间为3小时。
实施例1经预萃取器后，将聚酰胺送入在100-120℃下运行的压力萃取器。在压力萃取器中的停留时间为6小时。水对聚酰胺的液流比为1.3∶1。在压力萃取器后的萃取物含量为0.3-0.6重量％。二聚物含量从预萃取器前的0.6-1重量％降至压力萃取后的0.075-0.3重量％。
实施例2经预萃取器后，将聚酰胺送入在120-125℃下运行的压力萃取器。在压力萃取器中的停留时间为10-14小时。水对聚酰胺的液流比为2.5∶1。在压力萃取器后的萃取物含量为0.25-0.4％。二聚物含量从预萃取器前的0.4-0.8％降至在压力萃取器后的0.01-0.03％。
实施例1和2表明，加入少量水就已达到优良的萃取质量，该质量满足注塑领域的通常应用。在实施例2中水量、温度和停留时间的增加所达到的萃取质量适用于食品包装薄膜领域的应用，该领域要求特别低的萃取物含量。
其它实施例实验系列3-6下列描述在实验室规模所进行的用水和含己内酰胺的水萃取聚酰胺6(PA6)的实验。
这些实验证实了本发明方法及本发明设备的优点。
这些实验测定经真空脱内酰胺的PA6的己内酰胺的环二聚物的萃取速率，并与未经萃取的PA6比较。真空脱内酰胺意指在真空中于高温下通过蒸馏从PA6中去除部分内酰胺。
实验结果综述如下从已基本上去除单体己内酰胺(真空脱内酰胺的PA6)的PA6中萃取二聚物和高级低聚物的速率与温度有很大关系。与含己内酰胺(未经萃取的)的PA6的萃取速率相比，得出下列结果在萃取温度为95℃时，从真空脱内酰胺的PA6中二聚物的萃取大大慢于从未经萃取的PA6中的二聚物的萃取。而在萃取温度为125℃时，从这二种PA6中的低聚物的萃取是同样快。
这种结果对两步法萃取概念是重要的，该两步法萃取由预萃取大部分己内酰胺的预萃取和其后的在高压下用于精萃取的逆流萃取组成，该精萃取特别是要将低聚物部分降低到所需程度。这类萃取原理的优点是不再出现一步法含水萃取中存在的返混问题(源于密度梯度)。由此可实现每重量单位的要萃取的PA6可使用低的水量，最终的效果是节约了能量，并提高了萃取的时空产率。
按本发明的结果，这样一种萃取原理是可实现的，因为在125℃下从脱内酰胺的PA6中的二聚物的萃取是足够快的。也可设想用内酰胺蒸发或真空脱内酰胺化来代替含水预萃取。
实验系列395℃下对真空脱内酰胺的聚酰胺6的萃取将50g真空脱内酰胺的PA6和500g水在搅拌下于95℃加热0.5、1、2、4和8小时。用吸滤器分离颗粒并用100g水洗涤颗粒。干燥后的颗粒中单体含量和低聚物含量通过HPLC测定。结果综合于下表中。
表195℃下对真空脱内酰胺的PA6的萃取(实验系列3)
实验系列4125℃下对真空脱内酰胺的PA6的萃取将50g真空脱内酰胺的PA6和500g水于125℃下在压热器中加热0.5、1、2、4和8小时。其后处理类似于实验系列3。单体含量和低聚物含量的测定结果列于下表中。
表2125℃下对真空脱内酰胺的PA6的萃取(实验系列4)
20分钟内将其加热至80-160℃。加入0.55mol的胺(例如105g四亚乙基五胺(TEPA)或82g三亚乙基四胺(TETA))。然后在150-180℃下持续搅拌90-180分钟。如果希望的话，然后减压除去醇。
为了确定皂化值，使1.0g产物在0.5当量KOH与作为溶剂的1∶1乙醇/甲苯形成的25ml溶液中回流10分钟，撤掉电炉，用20ml甲醇洗涤回流冷凝器，冷却之后，用HCl水溶液进行反滴定。
表1
1)TEPA四亚乙基五胺2)TETA三亚乙基四胺实施例8-11作为润滑油用添加剂的双琥珀酰亚胺的制备一般步骤在一个1升的三颈烧瓶内，将680g聚异丁烯基琥珀酸酐1000(数均分子量Mn为1000道尔顿，皂化值为95)与0.2-2mol醇(ROH)混合，在20分钟内将其加热至80-160℃。加入0.3mol四亚乙基五胺(TEPA)或三亚乙基四胺(TETA)。在150-180℃下持续搅拌90-160分钟。然后在减压下从产物中除去醇。
细节示于下表2中。
该实验系列的原料是未经萃取的PA6，如聚合反应后得到的。要萃取的PA6对萃取水的比为1∶10，这样在继续的萃取中单体和低聚物在萃取介质中的浓集仅仅很小，以致萃取过程主要由萃取动力学来决定，并且在颗粒和萃取介质之间的单体和低聚物的分配平衡仅在萃取后期有意义。
实验系列7在95℃下未经萃取的PA6的萃取将50g聚酰胺6(未经萃取)和500g水在搅拌下于95℃加热0.5、1、2、4和8小时。用吸滤器分离出颗粒，并用水洗涤颗粒。在90℃下干燥过的颗粒中的单体含量和低聚物含量通过HPLC测定。结果列于下表中。
表5在95℃下未经萃取的PA6的萃取
实验系列8在110℃下未经萃取的PA6的萃取将50g聚酰胺6(未经萃取)和500g水在压热器中于110℃下加热0.5、1、2、4和8小时。其后的处理类似实验系列7。单体含量和低聚物含量的测定结果列于下表中。
表6在110℃下未经萃取的PA6的萃取
实验系列9在125℃下未经萃取的PA6的萃取将50g聚酰胺6(未经萃取)和500g水在压热器中于125℃下加热0.5、1、2、4和8小时。其后的处理类似实验系列7。单体含量和低聚物含量的测定结果列于下表中。
表7在125℃下未经萃取的PA6的萃取
由实验系列7-9的实验结果清楚看出，萃取温度从95℃经110℃到125℃的升高使萃取速率大大提高。这同样适用于单体己内酰胺和二聚物。因此，对给定的实验设计，在125℃下经1小时的萃取达到己内酰胺含量为0.36％和二聚物含量为0.073％，这达到相应于注塑质量的萃取标准。与此相反，在萃取温度为95℃下，要在经4-8小时萃取后达到该相应值。
实验系列7-9表明，当温度从95℃经110℃上升到125℃情况下，其萃取速率大大增加。在温度为135℃下颗粒发生粘结。因此在135℃的萃取不能进行。
权利要求
1.一种萃取聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺的方法，其中该聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺用至少由80重量％的水组成的液体在高于大气压下该液体的沸点的温度下进行萃取。
2.权利要求1的方法，该方法按液体对聚酰胺呈逆流的方式连续运行，并且液体反向于重力向上流动，萃取开始时与萃取终止时的液体的密度差保持足够小，以致基本上不出现该液体反物流方向的有害返混。
3.权利要求2的方法，其中以如下方法实现小的密度差，即萃取以两步式进行，在第一步中也可在低于液体沸点的温度运行，去除部分可萃取的组分，以致在第二步中以高于液体沸点的温度下运行，甚至在水对聚酰胺的低液流比下也保持小的密度差。
4.一种用于萃取聚酰胺或基于己内酰胺的共聚酰胺的设备，它包括预萃取器(1)和压力萃取器(2)及注入器(5)，该注入器串接在预萃取器之后，并借此将要萃取的聚酰胺从预萃取器输送到压力萃取器中。
5.权利要求4的设备，其中在压力萃取器后串接第二注入器(9)，并借此实现离开压力萃取器的输送。
6.权利要求4或5的设备，它包括导管(4)，用以将液体从压力萃取器(2)的上端输送到预萃取器(1)。
7.权利要求1-3之一的方法，其中该方法在权利要求4-6之一的设备中实施。
8.一种制备聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺的方法，它包括按权利要求1-3之一或权利要求7进行的萃取。
9.一种制备聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺的设备，它包括权利要求4-6之一的设备。
全文摘要
本发明涉及一种通过萃取从聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺中去除低分子量组分的方法。此外，本发明还涉及一种通过萃取从聚酰胺6和基于己内酰胺的共聚酰胺中去除低分子量组分的设备。本发明还涉及一种制备聚酰胺6或基于己内酰胺的共聚酰胺的方法以及实施该方法的设备。
文档编号C08G69/48GK1509303SQ02810260
公开日2004年6月30日 申请日期2002年5月8日 优先权日2001年5月21日
发明者H·豪普特, D·格贝尔斯, K·特里贝内克, A·吉廷格, ⒏, H 豪普特, 炊, 锉茨诳 申请人:拜尔公司