乙二醇鈦的制備與應用研究

Vol, 30 No 6華東理工大學(xué)學(xué)報2004-12Journal of East China University of Science and Technology657文章編號:1006-3080(2004)06-0657-04乙二醇鈦的制備與應用研究顧宇輝,黃偉,古宏展2,徐宏2,韓哲文1(1.華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海200237;2.上海交通大學(xué)納米科學(xué)與技術(shù)工程中心,上海200030摘要:用尼萊斯方法合成了一類(lèi)新型的有機鈦酸酯—乙二醇鈦(Ti(OCH2CH2O)2)晶體,并用TG-DTA、FT-IR、透射電鏡(TEM)、XRD粉末衍射對其進(jìn)行了表征。XRD衍射及TEM結果表明該化合物是由TiO八面體共棱相連構成的鏈狀聚合物。乙二醇鈦作為聚對苯二甲酸乙二酯(PET)的縮聚催化劑,表現出了較銻系催化劑(Sb2O3)更高的催化活性關(guān)鍵詞:聚酯;縮聚催化劑;乙二醇鈦;合咸中圖分類(lèi)號:O631.5;O643.36文獻標識碼:APreparation and Application of Titanium GlycolateGU Yu-hui, HUANG Wei, GU Hong-chen', XU Hong?, HAN Zhe-wen'(1. College of Material Science and Engineering ECUST, Shanghai 200237, China; 2. EngineerinCenter of Nano Science and Technology, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China)Abstract: Using Nelles method, titanium glycolate crystal, Ti(OCH2CH O)2, was synthesized andcharacterized by thermal analysis (TG-DTA), infrared spectroscopy, transmition electron microscopy(TEM)and powder X-ray diffraction (XRD). Results of XRD and TEM show that the structure is decribed as parallel chains built up from edge-sharing Ti-O octahedra. Furthermore, titanium glycolate isused as polycondensation catalyst of poly-ethyleneterephthalate(PET), and shows more active than antimony-based catalysts (Sb, OKey words: polyester polycondensation catalyst; titanium glycolate; synthesis目前,國內外纖維級聚對苯二甲酸乙二酯解穩定性差,易與水反應失去活性,而且對熱降解反(PET)的合成主要采用對苯二甲酸(PTA)與乙二應的催化活性過(guò)高導致PET產(chǎn)品的品質(zhì)下降,色醇(EG)直接酯化脫水生成縮聚單體對苯二甲酸雙相發(fā)黃,從而限制了Ti系催化劑在工業(yè)中的應-羥乙酯(BHET),然后縮聚脫EG生成PET聚酯。用21,縮聚催化劑在聚酯的生產(chǎn)過(guò)程中起著(zhù)至關(guān)重要的作為了提高鈦酸酯的抗水解性能,各大聚酯公司用。T系催化劑(主要為鈦酸酯類(lèi)如鈦酸四正丁進(jìn)行了大量的研究,如英國帝國化學(xué)公司(ICI酯與鈦酸四異丙酯)的活性高,且無(wú)毒性但是其水LTD.)使用a羥基羧酸作為絡(luò )合物與鈦酸酯反應,得到的鈦酸酯對水穩定,在反應過(guò)程中能夠很好基金項目:科技部“十五”攻關(guān)項目(20BA310A09);上海市納米專(zhuān)地維持催化活性,所得的PET色相與熱穩定性都得項基金(0159NMo37,0213NM002)到了很大程度的改善。美國杜邦公司( Dupont)也E-mailaesting@163.com提出將多官能團有機物(如多元醇胺、羥基羧酸、多收稿日期:2003-12-22作者簡(jiǎn)介:顧宇輝(1975-),男,江蘇蘇州人博士,主要研究方向:催元羧酸、縮水多元羧酸)與鈦酸酯反應,改善鈦酸酯化新材料設計與制備的水解穩定性。本文擬采用聚合反應體系中本身含華東理工大學(xué)學(xué)報第30卷有的具有雙官能團的乙二醇作為配體,與四氯化鈦品;為增比粘度;[們?yōu)樘匦哉扯?dL/g;to為溶劑反應得到具有抗水解性能的一類(lèi)新的聚酯縮聚催化流出時(shí)間,s;t為溶液流出時(shí)間,s。劑—乙二醇鈦。我們認為,由于乙二醇與鈦形成的1.3.2熔點(diǎn)的測試將樣品切成厚為25m的薄是一個(gè)五元環(huán)的整合結構環(huán)的熱力學(xué)穩定性高因片,剪取約0.5mm2的樣品,放在載玻片上,用蓋玻此將具有良好的抗水解特性,并在縮聚過(guò)程中能表片壓緊,然后升溫測熔點(diǎn)現出較好的催化效果1.3.3色度的測定聚酯樣品粉碎后,取20~40目的顆粒,放入烘箱中,在(135±5)℃下加熱301實(shí)驗部分min,使其結晶完全?？諝饫鋮s后,在色差儀(SC80C,北京康光光學(xué)儀器公司)上測定試樣的L和b1.1試劑與儀器值。L值反應了樣品的透明性,L值越高,透明性就干燥氨氣、三氧化二銻、四氯乙烷為化學(xué)純;其越好;而b值代表了黃色與藍色的相對值,b值越余試劑為分析純。高,樣品就越黃熱重(TG)分析: UNIVERSAL V2.4F,TAInstrument;FRR紅外光譜分析: bruker equinox2結果與討論55, Bruker Optics;形貌TEM觀(guān)測:JEM-1200EXJEOL;XRD粉末衍射(晶型測定):日本 RIGAKU2.1乙二醇鈦的TG分析圖1是乙二醇鈦的TG曲線(xiàn),升溫速率為1.2實(shí)驗方法10C/min,分解溫度為328.42°C,從300~350C乙二醇鈦的制備:在干燥的N2氣氛保護下,將呈現陡降區域,相對應的質(zhì)量損失約49%,這與定量的TiCl4緩慢加入劇烈攪拌的無(wú)水乙二醇Ti(OCH2CH2O)2分子結構中TO2的含量48%相一中,容器內產(chǎn)生大量的白煙,溶液呈淺黃色,持續攪致。曲線(xiàn)上前面的失重是由于未洗凈的有機物引起拌5min,通入干燥NH3中和反應生成的HCl,一段的,而500°左右的失重峰由微量殘余的NHCl固時(shí)間后出現大量的白色NHCl沉淀,至pH值為中體分解造成的性左右,停止通入NH3,靜置20min,過(guò)濾去除反應生成的NHCl便得到粘稠的溶液,密封,防止水汽100r-13213842t354進(jìn)入。將所得溶液在1kPa,80"C下減壓蒸餾,當體積減少到原來(lái)的一半時(shí),溶液開(kāi)始變成白色不透明并有大量白色的固體析出,停止加熱,過(guò)濾。將沉淀用丙酮洗滌,便得到乙二醇鈦固體15197C50777C催化性能研究:在20L的不銹鋼反應釜中,加50}58s9c人8kg(48.15mol)對苯二甲酸、4kg(64.47mol)乙二醇及準確稱(chēng)量的催化劑進(jìn)行反應,酯化在一定400500600壓力下進(jìn)行,酯化結束時(shí)間以出水量來(lái)判斷。酯化結束后,加入穩定劑磷酸三甲酯1.6g(0.01143圖1乙二醇鈦的TG曲線(xiàn)mol),進(jìn)行逐步減壓縮聚,縮聚最后階段釜內壓力Fig 1 TG curve of titanium glycolate應保持在300Pa以下,反應一段時(shí)間,后用水急冷2.2FrR分析并切粒。Hampden-Smith等人報道,鈦酸異丙酯與其1.3測試方法他鈦酸酯中TiO鍵的伸縮振動(dòng)在619cm-,而在1.3.1特性粘度的測試測試方法參照GB/圖2中,TO的伸縮振動(dòng)頻率分別在632.9cmT14189-14190-93。和593.7cm-1,這說(shuō)明在乙二醇鈦中,Ti-O可能[η]=√1+1.47有兩種鍵長(cháng);1086cm-1和1042cm-1對應著(zhù)乙二醇中的C—C—O伸縮振動(dòng);1124、1056、1030[7]=2=tcm-1和635、595cm-1對應于與鈦原子相連的式中C為溶液濃度每100mL溶液中有0.5g樣Ti-OC振動(dòng):534.2、497,4cm和411cm-對第6期宇輝等:乙二醇鈦的制備與應用研究應Ti-O-Ti的伸縮和彎曲振動(dòng)。圖2a與Dan兩者具有完全相同的晶體結構。這種物質(zhì)具有聚合Wang等人所得的乙二醇鈦FT-IR圖譜相吻合,物的特征,在c軸方向上,通過(guò)鈦氧八面體的共棱相說(shuō)明所得的乙二醇鈦固體組成一致連并無(wú)限伸長(cháng),形成一維鏈狀的結構,在a軸與b軸方向上,聚合物鏈間是通過(guò)較弱的范德華力相連,因此在c軸方向容易解離,與TEM觀(guān)測到的現象相吻合。4000360032002800240020001600120080040圖2乙二醇鈦的FT-R譜圖Fig. 2 FT-IR spectra of titanium glycolatea-Titanium glycolate: b--Ethylene glycol102030405060702.3乙二醇鈦的TEM形貌分析從圖3的TEM照片可見(jiàn),乙二醇鈦本身具有圖4乙二醇鈦的XRD粉末衍射圖明顯的結構各向異性,在長(cháng)度方向的強度較高,而在Fig 4 XRD pattern of titanium glycolate徑向的強度較弱,易發(fā)生解離同時(shí)乙二醇鈦顯示出2.5乙二醇鈦的催化性能纖維的特征,并且各纖維之間聚集而形成纖維束狀從表1可看出,乙二醇鈦的催化活性比傳統的催化劑Sb2O3高。每克PTA中加入乙二醇鈦為37.5pg/g時(shí),其催化效果就可以達到加入360g/gSb2O3的效果,因此,其催化活性是銻系催化體系的10倍左右。使用乙二醇鈦作催化劑時(shí),切片的透明性明顯高于Sb2O3作催化劑,這可以歸結于催化劑濃度較小的原故。乙二醇鈦作催化劑時(shí),所得PET切片色相都有不同程度的發(fā)黃,而且,反應時(shí)間越圖3乙二醇鈦的TEM照片長(cháng),催化劑濃度越高,發(fā)黃現象越嚴重。聚酯切片質(zhì)Fig 3 TEM micrographs of titanium glycolate量指標(GB/T14189-14190-93)中,對b值的要求2.4乙二醇鈦的XRD粉末衍射是:優(yōu)級品(0~(4±2)),一級品(0~(4±3),合格從乙二醇鈦固體的粉末XRD衍射圖(圖4)可品(0~(4±4)。由此可以看出,使用乙二醇鈦作催知,具有完整的晶體結構,并且與文獻[7]用水熱方化劑時(shí),在適當的濃度,合適的反應時(shí)間可以得到合法得到的單晶乙二醇鈦XRD圖譜完全一致,說(shuō)明格的,甚至是質(zhì)量?jì)?yōu)良的聚酯切片。表1催化劑的催化性能Table 1 Characteristics of polycondensation catalystsMeltingCatalystdL·g-1)point/CL valueb2030,684253.478.87150TiCOCHICH:O)2 62.5256.40.681254.886.091) The amount of catalyst added for 1 g PTA華東理工大學(xué)學(xué)報第30卷3結論參考文獻:(1)用經(jīng)典 Nelles方法合成了新型的有機鈦酸1]張師民聚酯的生產(chǎn)及應用[M].北京:中國石化出版社,199酯——乙二醇鈦催化劑。與其他鈦酸酯(如鈦酸正丁2華道本囊酯催化劑研究的進(jìn)展[.菜酯工業(yè),20014:11酯、鈦酸異丙酯)不同,乙二醇鈦由Ti(OCH2CHO)2(3] Naylor CC, Polyester article [P.GB:97/01505,199.為單元的一種新型一維長(cháng)鏈分子構成,具有確定的4] Lustig S R, Burch R. Poly (alkylene arylates) having im晶體結構。它不僅在有機溶劑中,甚至在水中表現高proved optical properties [P]. US:5981690,1999.度的水解穩定性。[5]黃偉,吳越,顧宇輝,等鈦的乙二醇鹽水解制備超細二氧(2)通過(guò)在20L聚合反應釜的實(shí)驗,進(jìn)行了乙化鈦[]華東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2003,29:198-201二醇鈦作聚酯縮聚催化劑的可行性研究,結果表明[6 Hampden S MJ, williams D S, Rheingold A L. Synthesis andcharacterization of alkali-metal titanium alkoxide compounds乙二醇鈦具有較原來(lái)的銻系催化體系(如Sb2O3)更MTi(O-iso-Pr)s(M= Li, Na, K): Single crystal X-ray diffrac-高的催化活性(約10倍),每克PTA中催化劑的最tion structure of [LiTi(O-iso- Pr)s]2LJ]. Inorg Chem, 1990佳含量為40g左右,用量較少。從色相上來(lái)看,用29(20):4076-4081乙二醇鈦作催化劑時(shí)所得聚酯切片的透明性好;即71 Wang Dan, Yu Ranbo, Kumada N, et al. Hydrothermal syn使有一定程度的發(fā)黃,仍然可以達到優(yōu)級品的質(zhì)量指標。因此,乙二醇鈦是一類(lèi)很有前景的PET聚酯glycolate complex single orystal, Ti(OCH CH2O)20J].ChemMater,1999,11:2008-2012縮聚催化劑。(上接第647頁(yè))3] Lai J Y, Lin FC, Wang CC, et al. Effect of nosolvent addi.參考文獻tives on the porosity and morphology of asymmetric TPXmembranes [J]. J Membrane Science, 1996, 118:49-61.[4] Lin FC. Wang DM, Lai J Y. Asymmetric TPX membra[1J Nyman S, Gottlow J, Karring T. The regeneration potentialith high gas flux []. J Membrane Science,1996.110:25-monkey []. J Clin Periodontal, 1982.91257-265.[51 Wang D M, Lin F C. Chiang JC, et al. Control of porosity[2 Cortellini P, Pini PG P, Tonetti M S. Periodontal regenera-of asymmetric TPX membranes [J]. J Membrane Scienc1998,141:1-12brane: A controlled clinical trial [J]. J Periodontal. 1996.67.217-2236]灣澤章主編,水處理的高分子科學(xué)與技術(shù)叢書(shū)(上卷)[M]朱簡(jiǎn)文充譯.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1985.119.