DE1720647C2 - Verfahren zur Herstellung von faserund filmbildenden Polyestern - Google Patents

Description

OH

Es ist bekannt, lineare faser- und fiimbildencJe Polyester oder Mischpolyester, die ganz oder teilweise «us aromatischen Dicarbonsäuren und Diolen aufgebaut lind, durch Umesterung niederer Alkylester entsprechender Dicarbonsäuren mit Diolen und Polykondensation des so erhaltenen »Vorkondensats« durch Erhitzen im Vakuum herzustellen. Beide Reaktionsstufen, sowohl die Umesterung als auch die Polykondensation, werden durch Zugabe von Katalysatoren stark beschleunigt. Man bevorzugt kurze Reaktionszeiten, um zu verhindern, daß — insbesondere bedingt durch die hohen Polykondensationstemperaturen — Ketten-Abbruch-Mnd Spaltungsreaktionen wirksam werden, als deren Folge dann Polyester mit nur geringem Polykondensaiionsgrad und unbefriedigender Farbe entstehen.

Für die Herstellung von linearen, faser- und filmbildenden Polyestern ist bereits eine große Zahl von Katalysatoren bekannt, die entweder die Umesterung oder die Polykondensation oder auch beide Reaktionsstufen katalysieren (vergleiche z. B. die zusammenfastende Übersicht von R. E. WiIföng, Journal of Polymer Science, 54,385 [1961]).

Diese Katalysatoren genügen jedoch in der Regel nicht allen Anforderungen. Ein Katalysator für die Herstellung linearer, faser- und filmbildender Polyester soll aktiv sein und keine Nebenreaktionen, wie z. B. Dehydratisierungsreaktionen oder den thermischen Abbau oder den Abbau der Polyester bei der Einwirkung von Licht katalysieren. Außerdem sollen die Polyester einen möglichst hohen Weißgrad aufweisen.

Es wurde nun gefunden, daß lineare, faser- und filmbildende Polyester durch Polykondensation von Bis-hydroxyalkyl-dicarbonsäureestem in Gegenwart von Siliciumverbindungen als Katalysatoren vorteilhaft hergestellt werden können, wenn man als Katalysatoren Ester und/oder Salze von Verbindungen der allgemeinen Formel

HO-P-CH₁-CH,-Si —OH—.VH₁O

I " " I

OH OH

in der χ 1,5 oder eine Zahl unterhalb von 1,5 oder auch den Wert O bedeutet, verwendet, wobei die Estergruppen die Reste von niederen aliphatischen Alkoholen mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen und die Salzgruppen die Ionen von Alkalimetallen darstellen.

OH

HO-P-CH₂-CH₂-Si-OH-XH₂O
OH OH

wobei χ 1,5 oder eine Zahl unterhalb von !,5 oder auch den Wert O bedeutet, verwendet, wobei die Estergruppen die Reste von niederen aliphatischen Alkoholen mit 1 bis 4 C-Atomen und die Salzgruppen die Ionen von Alkalimetallen darstellen.

Als Bis-hydroxyalkyl-dicarbonsäureester können alle diejenigen Bis-hydroxyalkyl-dicarbonsäureester verwendet werden, deren Polykondensationen faser- und filmbildende Polyester liefern. Bevorzugte Säurekomponenten dieser Bis-hydroxyalkyl-dicarbonsäureester sind z. B. Terephthalsäure, Isophthalsäure, 4,4-Diphenyldicarbonsäure, 2,5-Dimethylterephthalsäure, 5-Sulfoisophthalsäure, Bis-p-cnrboxyphenoxyäthan, Naphthalindicarbonsäure (-1,3, -1,4, -1,5, -2,6), Hexahydroterephthalsäure und Sebacinsäure.

Die Alkoholkomponenten der Bis-hydroxyalkyldicarbonsäureester sind Glykole mit vorzugsweise 2 bis 10 Kohlenstoffatomen, z. B. Äthylenglykol, Propandiol-1,2, Propandiol-1,3, Butandiol-1,4 und 2,2-DimethyI-propandiol und cycloaliphatische Diole, wie Cyclobutandiol-1,2 und -1,3, und 1,4-Dimethylolcyclohexan. Die Polykondensation der Bis-hydroxy-alkyl-dicarbonsäureester wird in an sich bekannter Weise bei erhöhter Temperatur und unter vermindertem Druck durchgeführt.

Bevorzugt werden solche Polyester hergestellt, deren Dicarbonsäureeinheiten zu mehr als 75% aus Terephthalsäureeinheiten bestehen.

Die Darstellung der erfindungsgemäß verwendeten Ester und/oder Salze der Silantriol-äthanphosphonsäure und ihrer Kondensationsprodukte erfolgt nach bekannten Methoden; so können beispielsweise die Pentaalkylester nach dem Verfahren der USA.-Patentschrift 31 22 581 aus einem Dialkylphosphit und einem Vinyl-trialkoxysilan hergestellt werden. Beim Versuch der Darstellung solcher Ester und Salze der Silantrioläthan-phosphonsäure, welche am Siliciumatom freie Hydroxylgruppen tragen, tritt unter Wasseraustritt Kondensation von zwei oder mehr Molekülen zu höhermolekularen Produkten unter Ausbildung von

— Si —O — Si-Bindunucn

ein, da bekanntlich freie Silanole kaum beständig sind.

Es ist auch möglich, daß in ein und demselben Molekül

verschiedene Ester- und Salzgruppen, sowohl Ester- als auch Salzgruppen und sogar Ester-, Salzgruppen und eine oder zwei freie OH-Gruppen am Phosphoratom vorhanden sind, z. B.

O OCH,

HO P CH_:, CH₂ Si OCH,

ONa OCH,

CH₃O-

ΐ
-P-

OC₂H₅
CH,- CH,- Si—OCH₅

OCH,

OC₂H₅

OCH₃

Na-O-P-CH₂-CH₂-Si-OCH₃
ONa OCH₃

O OK

τ ι

CH₃O-P-CH₂-CH₂-Si-OK

OCH₃

OK

O OCH, OCH, O

ΐ I ' I ' T

NaO-P-CH₁-CH₇-Si-O-Si-CH₁-CH,-P-ONa

I *" I 1 ~ — ι

OCH₃

OCH₃ OCH₃

OCH₃

Geeignete Katalysatoren sind ζ. B. Trimethoxysilanäthanphosphonsäurediäthylester, Triäthoxysilanäthanphosphonsäurediäthylester, Trimethoxysilanäthanphosphonsäuredimethylester, Tri-n-butoxysilanäthanphosphonsäure-di-n-butylester, die Kondensationsprodukte von Silantriol-äthan-mononatriumphosphonat und von Silantriol-äthan-dinatriumphosphonat.

Natürlich können auch Gemische der genannten Verbindungen verwendet werden.

Die Menge der Katalysatoren in dem Polykondensationsansatz soll vorzugsweise so bemessen sein, daß O₁Ol bis 0,1 Gewichtsprozent, bezogen auf Bis-hydroxyalkyldicarbonsäureester, Silicium vorhanden ist Dio flüssigen oder pulverisierten festen Katalysatoren werden entweder als solche oder in Lösung oder Dispersion vorzugsweise mit dem Diol, welches auch die Alkoholkomponente der zu kondensierenden Bis-hydroxyalkyldicarbonsäureester ausmacht, dem Polykondensationsansatz zugegeben.

Erfindungsgemäß erhält man in kurzer Zeit Polyester mit hohen Polykondensationsgraden, die sich durch hohe Schmelzpunkte, hohen Weißgrad und gute Wärme- und Lichtstabilität auszeichnen. Es wird ferner eine beträchtliche Erhöhung der Schmelzviskosität der Polykondensate und eine starke Herabsetzung der Biegebeständigkeit der aus den Polykondensaten hergestellten Fäden erreicht. Diese beiden Effekte zusammen machen es möglich, Fasern herzustellen, die sich zu nicht pillenden Geweben verarbeiten lassen, d. h. Geweben, die beim Gebrauch nicht zur Bildung von Knötchen an der Oberfläche neigen.

Gegenüber der Verwendung der aus der belgischen Patentschrift fi 67 089 als Polykondensations-Katalysatoren bekannten Benzylsilantriol-p-Sulfonsäure- Derivate erbringt die Verwendung der Polykondensationskatalysatoren gemäß der Erfindung einen noch stärkeren Effekt hinsichtlich der Erhöhung der Schmelzviskosität, der Herabsetzung der Pillneigung der Faser und insbesondere der Verbesserung der Anfärbbarkeit der Fäden und Fasern. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ohne die üblichen Zusätze von Verbindungen des dreiwertigen Phosphors Polyester mit hohem Weißgrad und guter thermischer Stabilität erhalten werden. Zudem sind die Katalysatoren, die gemäß der Erfindung verwendet werden, leicht und technisch vorteilhaft herzustellen.

S Beispiel 1

12 kg Terephthalsäuredimethylester, 9 kg Äthylenglykol und 2,4 g Zinkacetat werden unter Rühren in einer V2A-Apparatur 2'/2 Stunden unter Stickstoff erhitzt, wobei die Temperatur von 160⁰C auf 215°C gesteigert wird. Dabei bildet sich unter Abspaltung von Methanol ein im wesentlichen aus Bis-/?-hydroxyäthylterephthalat bestehendes Umesterungsprodukt. Dieses so erhaltene Vorkondensat wird nach Zugabe von 48 g Trimethoxysilanäthanphosphonsäurediäthylester und 288 g einer 17gewichtsprozentigen Suspension von Titanoxid in Äthylenglykol polykondensiert. Zu diesem Zweck wird unter Rühren die Temperatur innerhalb von 2 Stunden von 245 auf 275° C gesteigert und der Druck gleichzeitig auf 1 Torr gesenkt. Nach weiterem Erhitzen bei 275° C und 0,6 Torr während 15 Minuten wird das zähflüssige Polykondensat durch eine Einlochdüse gedrückt, der erhaltene Draht mit Wasser augeschreckt und zu Schnitzel von etwa 5 mm Länge geschnitten. Die erhaltenen Schnitzel haben einen Erweichungspunkt von 260,2°C und eine relative Viskosität von 1,695, gemessen an einer 1 gewichtsprozentigen Lösung in Phenol-Tetrachloräthan 3:2 (Volumverhältnis) bei 25⁰C. Das bei 40 Torr 4 Stunden bei 8O⁰C und 2'/2 Stunden bei 16O⁰C getrocknete Polykondensat zeigte bei 285°C eine Schmelzviskosität von 1405 Poise, bei einer relativen Viskosität des Schmelzkuchens von 1,660. Dagegen ergab ein unter Verwendung von Antimontrioxid als Polykondensationskatalysator hergestelltes Polyethylenterephthalat der gleichen relativen Viskosität eine Schmelzviskosität von nur 1045 Poise.

Die unter Verwendung des Trimethoxysilanäthanphosphonsäurediäthylester-Katalysators hergestellten und getrockneten Polyäthylenterephthalat-Schnitzel werden wieder aufgeschmolzen und mittels eines Extruders durch eine 24-Loch-Düse, Lochdurchmesser 0,25 mm, mit einer Förderung von 19.2 g/Minute und einem Spinnabzug von 500 m/Minute bei 280⁰C versponnen.

Die Fäden von 100 Spinnspulen werden zu einem Kabel mit einem Titer von etwa 2000 vereinigt. Das Kabel wird dann im Verhältnis 1 :4 verstreckt, wobei es mit einer Einlaufgeschwindigkeit von 13,5 m eine 2 m

lange Wasserdampfzone passiert. Nach Überleiten über zwei 2,40 m lange Bügeleisen mit Temperaturen von 100 und 118°C wird das Kabel über eine Präparationswalze geleitet und zur Trocknung über ein 2,40 m langes 140⁰C warmes Bügeleisen geführt. Das Band wird dann

5<i nach dem Stauchkammerverfahren gekräuselt und auf die Längen 65,80 und 140 mm geschnitten. Die so erhaltene Faser hat eine Reißfestigkeit von 3,2 g/den und eine Bruchdehnung von 60,7%. Die Remissionswerte der Faser gemessen nach dem Normvalentsystem DIN 5033 mit dem Zeiß-ELREFO-Gerät und den Farbmeßfiltern FMX-C, FMY-C, FMZ-C betrugen:

Rx 76,8, Ry 75,6, Rz 72,6.

Ein aus dieser Faser hergestellter Jersey (0,4 den/ 75 M Nm 40/1, 505 Z, Bindung Wevenit, Monit 16-er Teilung) pillte im Random-Tumble-Pilling-Tester der Atlas Electric Devices Co. (s. ASTM-Standard on Textil

Materials, 1961, S. 552, und Bulletin X 96 der DuPont Co, Wilmington/USA) nach IV2 Stunden nicht, während ein Vergleichsgewebe ?.us normalem Polyäthylenterephthalat stark pillte.

Beispiel 2

12 kg Terephthalsäuredimethylester werden nach Zugabe von 0,69 g Zinkacetat und 2,14 g Mangan(N)-acetat mit 9 kg Athylenglykol, wie im Beispiel 1 beschrieben, umgeestert Nach Zugabe von 24 g Trimethoxysilanäthanphosphonsäurediäthylester und 288 g einer 17gewichtsprozentigen Suspension von Titandioxid in Athylenglykol wird das Umesterungsprodukt polykondensiert Dazu wird die Temperatur innerhalb von 2 Stunden von 245 auf 275° C erhöht und der Druck gleichzeitig auf 1 Torr vermindert Nach weiterem I³A Stunden langem Erhitzen auf 278° C bei 0,3 Torr wird das Polykondensat wie im Beispiel 1 zu Schnitzel verarbeitet. Die Schnitzel haben einen Erweichungspunkt von 261,5°C und eine relative Viskosität von 1,718 gemessen wie im Beispiel 1. Das Polykondensat wird dann, wie im Beispiel 1 beschrieben, getrocknet, versponnen und zu Fasern verarbeitet Die Fasern haben eine Reißfestigkeit von 3,1 g/den und eine Bruchdehnung von 31,8%.

Die Remissionswerte der Faser, gemessen nach dem Normvalentsystem DlN 5033, betrugen:

Rx 77,8, Ry 67A, Rs 73,8.

Beispiel 3

Zu einem Umesterungsprodukt aus 12 kg Terephthalsäuredimethylester, 9 kg Athylenglykol und 2,4 g Zinkacetat — hergestellt nach Beispiel 1 — werden 288 g einer 17gewichtsprozentigen Suspension von Titandioxid in Athylenglykol und eine Lösung von 48 g eines durch intermolekulare Abspaltung von IV2 Molekülen Wasser entstandenen Kondensationsproduktes aus /S-Silantriol-äthan-dinatriumphosphonat in 1 I Äthylenglyko! zugegeben. Zur Herstellung dieser Lösung werden 48 g ß-Silantriol-äthan-dinatrium-phosphonat-Kondensat in 500 ml Wasser heiß gelöst, die Lösung wird in l'/2l Athylenglykol eingetragen, sodann wird unter vermindertem Druck auf 1 1 eingeengt. Dieses Löseverfahren ist nötig, da sich daj ß-Silantriol-äthandinatrium-phosphonat-Kondensat nicht direkt im Athylenglykol löst.

Zur Polykondensation wird unter Rühren die Temperatur innerhalb von 2 Stunden von 245 auf 275°C erhöht und der Druck gleichzeitig auf 1 Torr vermindert. Dann wird noch bei 275⁰C und 0,3 Torr 3¹A Stunden lang weitererhitzt. Das Polykondensat wird dann, wie im Beispiel 1 beschrieben, zu Schnitzel verarbeitet. Die Schnitzel haben einen Erweichungspunkt von 260,7° C, eine relative Viskosität von 1,482 (Messung wie im Beispiel 1) und eine Schmelzviskosität von 810 Poise. Ein normales Polyäthylenterephthalat mit der gleichen relativen Viskosität dagegen hat eine Schmelzviskosität von 305 Poise.

Nach Trocknen und Verspinnen wie im Beispiel 1 bei einer Spinntemperatur von 285⁰C und Verstrecken auf einer Zinser-Streckmaschine im Verhältnis 1 :4 erhält man Fäden mit einer Reißfestigkeit von 2,5 g/den und einer Bruchdehnung von 27,1%. Die mittlere Knickbruchzahl, bestimmt nach K. H. Grünewald, Chemiefasern, Bd. 12, S. 853, 1962, beträgt 415, die einer normalen Polyäthylenterephthalat-Faser im Viskositätsbereich 1,780 bis 1,840 dagegen 3000 bis 3500.

Die Remissionswerte der Faser, gemessen nach dem Normalvalentsystem DIN 5033, betrugen:

Rx 90,8, Ry 90,7, Rz 85,9.

Beispiel 4

Ein Umesterungsprodukt aus 12 kg Terephthalsäuredimethylester, 9 kg Athylenglykol und 2,4 g Zinkacetat, hergestellt nach Beispiel 1, wird nach Zugabe einer Lösung von 48 g eines durch intermolekulare Abspaltung von l'/2 Molekülen Wasser entstandenen Kondensationsproduktes von 0-Silantrioläthan-di-natriumphosphonat in 11 Athylenglykol und 288 g einer 17gewichtsprozentigen Suspension von Titandioxyd in Athylenglykol polykondensiert Dazu wird unter Rühren die Temperatur innerhalb 2 Stunden von 245 auf 275° C gesteigert und der Druck während der gleichen Zeit auf 1 Torr vermindert Nach weiterem 45 Minuten langem Erhitzen bei 0,3 Torr wird das Poiykondensat, wie im Beispiel 1 beschrieben, zu Schnitzel verarbeitet. Die Schnitzel haben einen Erweichungspunkt von 260,3⁰C und eine relative Viskosität von 1,472 (Messung wie im Beispiel 1). Die Schmelzviskosität betrug 845 Poise. Dagegen hatte ein Vergleichsprodukt derselben Lösungsviskosität eine Schmelzviskosität von 301 Poise.

Nach Trocknen und Verspinnen nach Beispiel 1 bei einer Spinntemperatur von 285° C und Verstrecken auf einer Zinser-Streckmaschine im Verhältnis i : 4 erhält man Fäden mit einer Reißfestigkeit von 2,4 g/den und einer Bruchdehnung von 27,1%. Die mittlere Knickbruchzahl (vergleiche Beispiel 3) beträgt 245.

Die Remissionswerte der Faser, gemessen nach dem Normvalentsystem DlN 5033, betrugen:

Rx 90,3, Ry 90,2, Rz 86,7.

Beispiel 5

Zu einer 160°C warmen Schmelze von 200 g reinem trockenem Terephthalsäure-bis-j9-hydroxyäthylester wird unter Rühren eine Lösung von 0,544 g eines durch intermolekulare Abspaltung von 1 '/2 Molekülen Wasser entstandenen Kondensationsproduktes von j?-Silantriol-äthan-di-natrium-phosphonats in 25 ml Athylenglykol zugegeben. Zur Herstellung dieser Lösung wird das Salz zunächst in 50 ml Wasser heiß gelöst, dann werden 75 ml Athylenglykol zugegeben und schließlich unter vermindertem Druck auf 25 ml eingeengt.

Nach Zugabe dieser Lösung wird unter Stickstoff auf 250⁰C erhitzt, wobei der Druck innerhalb von 2³A Stunden allmählich bis unter 1 Torr gesenkt wird. Nun erhöht man die Temperatur innerhalb von 15 Minuten auf 278° C und erhitzt noch 4 Stunden bei 0,3 Torr. Der erhaltene Polyester hat einen Erweichungspunkt von 257⁰C und eine relative Viskosität von 1,593 (Messung wie im Beispiel 1).

Beispiel 6

122,4 g Terephthalsäuredimethylester, 13,6 g Isophthalsäuredimethylester, 108,9 g Athylenglykol und 0,0272 g Zinkacetat werden unter Rühren in 3³A Stunden bis zur Beendigung der Methanolabspaltung von 160 auf 210°C erhitzt. Das so erhaltene Umesterungsprodukt wird nach Zugabe von 0,5440 g Triäthoxysilanäthanphosphonsäurediäthylester und 3,2 g einer 1 /gewichtsprozentigen Suspension von Titandioxid in Athylenglykol polykondensiert. Dazu wird zunächst unter Stickstoff auf 250⁰C erhitzt, wnhpi nrr Di-nrl·

allmählich innerhalb von 2³A Stunden bis unter 1 Torr vcmindert wird. Die Temperatur wird dann innerhalb kurzer Zeit auf 278°C erhöht, und schließlich wird noch 1 Stunde und 10 Minuten bei 0,5 Torr weitererhitzt. Es wird ein farbloses Polykondensat mit einem Erweichungspunkt von 249°C und einer relativen Viskosität von 1,716 (Messung wie im Beispiel 1) erhalten.

Beispiel 7

136,0 g Terephthalsäuredimethylester, 4,4 g Isophthalsäuredimethylester-5-sulfonsaures Natrium, 108,9 Äthylenglykol und 0,0272 g Zinkacetat werden unter Rühren in 5¹A Stunden bis zur Beendigung der Methanolabspaltung von 160°C auf 210°C erhitzt. Das so erhaltene Umesterungsprodukt wird nach Zugabe von 0,5440 g Triäthoxysilanäthanphosphonsäurediäthylester und 3,2 g einer 17gewichtsprozentigen Suspension von Titandioxid in Äthylenglykol, wie im Beispiel 6 beschrieben, polykondensiert. Nach Erreichen der Temperatur von 278°C wird bei 0,8 Torr V/a Stunden weitererhitzt. Das farblose Polykondensat hat einen Erweichungspunkt von 225⁰C und eine relative Viskosität von 1,915 (Messung wie im Beispiel 1).

Beispiel 8

Ein Umesterungsprodukt aus 12 kg Terephthalsäuredimethylester, 9 kg Äthylenglykol und 2,4 g Zinkacetat nach Beispiel 1, wird nach Zugabe von 48 g eines durch intermolekulare Abspaltung von 1 Ui Molekülen Wasser entstandenen Kondensationsproduktes aus /3-SiIantrioläthanmono-natriumphosphat in 1 1 Äthylenglykol gelöst und polykondensiert. Dazu wird zunächst die Temperatur innerhalb von 2 Stunden von 245 auf 275° C erhöht und der Druck gleichzeitig auf 1 Torr vermindert. Schließlich wird noch 45 Minuten bei 275°C und 0,5 Torr weitererhitzt. Das Polykondensat wird wie im Beispiel 1 zu Schnitzel verarbeitet. Die Schnitzel haben einen Erweichungspunkt von 260,7⁰C und eine relative Viskosität von l,559(Messung wie im Beispiel 1).

Beispiel 9

593 g Terephthalsäuredimethylester, 475 g Äthylenglykol und 0,1168 g Zinkacetat werden unter Rühren 5Ά Stunden bis zur Beendigung der Methanolabspaltung von 160 auf 210⁰C erhitzt. Das so erhaltene Umesterungsprodukt wird nach Zugabe von 4,744 g eines Gemisches aus etwa gleichen Gewichtsteilen Mono- und Di-Natriumsalz eines durch intermolekulare Abspaltung von l'/2 Molekülen Wasser entstandenen Kondensationsproduktes der Silantrioläthanphosphonsäure als l,5%ige Lösung in Äthylenglykol und 13,95 g einer 17gewichtsprozentigen Suspension von Titandioxid in Äthylenglykol, wie im Beispiel 6 beschrieben polykondensiert. Nach Erreichen der Temperatur von 278°C wird bei 0,5 Torr noch 1 Stunde und 50 Minuten weitererhitzt. Es wird ein farbloses Polykondensat mit einem Erweichungspunkt von 258°C und einer relativen Viskosität von 1,509 (Messung wie im Beispiel 1 erhalten.

Nach Zerkleinern des Polykondensates mit einer Schlagkreuzmühle wird das Granulat mit einer Korn größe von etwa 2 mm nach 5stündigem Trocknen be 150° C und 1 Torr mittels eines Extruders bei 290⁰C durch eine 24-Loch-Düse, Lochdurchmesser 0,25 mm mit einer Förderung von 18,3 g und einem Spinnabzuj von 1000 m/Minute versponnen. Die so erhaltener Fäden haben nach dem Verstrecken auf der Zinser Streckmaschine im Verhältnis 1 -.3,65 eine Reißfestig keit von 2,4 g/den und eine Bruchdehnung von 30,8%.

Knickbruchbeständigkeit 148 Hübe.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Herstellung von faser- und filmbildenden Polyestern durch Polykondensation von Bis-hydroxyaikyl-dicarbonsäureestern in Gegenwart von Siliciumverbindungen als Katalysatoren, dadurch gekennzeichnet, daß man als Katalysatoren Ester und/oder Salze von Verbindungen der allgemeinen Formel