JP3684348B2 - Method for producing polyethylene terephthalate - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレート単量体を出発物質とするポリエチレンテレフタレートの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ポリエチレンテレフタレートを製造する方法としては、ジメチルテレフタレートまたはテレフタル酸をエチレングリコールと反応させる方法が広く知られている。ジメチルテレフタレートを原料とする方法(エステル交換法)は、ジメチルテレフタレートとエチレングリコールに触媒を加えてエステル交換反応を行い、次いで得られたビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートおよび重合度が4程度以下のオリゴマーからなる反応生成物を重縮合させてポリエチレンテレフタレートを製造するものである。一方、テレフタル酸を原料とする方法(直接重合法)は、テレフタル酸とエチレングリコールのエステル化反応を行い、次いで得られたビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートを含む平均重合度が9〜10のオリゴマーを重縮合させてポリエチレンテレフタレートを製造するものである。
【0003】
これらの反応においては、エチレングリコールからジエチレングリコールが生成する副反応も同時に起こる。この副反応はテレフタル酸のカルボキシル基によって促進される。ジエチレングリコールがポリエチレンテレフタレート中に多く含まれると、ポリエチレンテレフタレートの耐加水分解性、耐熱性および耐光性などの物性が低下し、着色を起こすなどの問題も生じることから、ジエチレングリコール成分の含有量をできるだけ低くすることが必要となる。
【0004】
例えばテレフタル酸を用いる方法では、ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートの生成にテレフタル酸1モルに対して理論上2モルのエチレングリコールを必要とするが、このビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートの縮合で発生するエチレングリコールをテレフタル酸とのエステル化反応に用いることにより、前記割合をできるだけ小さくし、例えば1.02〜1.1モル程度とし、ジエチレングリコールの生成を抑制するような方法がとられている。
【0005】
一方、特開2000−169623号公報に記載されているように、使用済みポリエチレンテレフタレートの回収処理により得られた粗製ポリエチレンテレフタレート(チップまたはフレーク)を原料として、高純度のビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートを得、これを重合触媒の存在下で重縮合させてポリエチレンテレフタレートを製造する方法も知られている。この方法によれば、使用済みポリエチレンテレフタレートをエチレングリコールで解重合し、精製して高純度のビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートとし、これを再度重縮合させてポリエチレンテレフタレートとエチレングリコールにするので、副生成物が生じず、エチレングリコールの補給も原則として不要であるという利点がある。また、使用済みポリエチレンテレフタレート製品のリサイクルを閉リサイクルシステムで行うことが可能となる。しかしながら、得られるポリエチレンテレフタレート中のジエチレングリコールの含有量が直接重合法により得られるポリエチレンテレフタレートの場合よりも多くなるために、前記物性の低下や着色(特にカラーb値の増加)が見られるという問題があった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートを用いて、諸物性に優れたポリエチレンテレフタレートを製造する方法を提供することにある。
【0007】
本発明の他の目的は、使用済みポリエチレンテレフタレートのケミカルリサイクル(すなわち、ポリエチレンテレフタレートを解重合し、精製処理すること)により得られる、ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートの含有量が97重量%以上であり、そして(1)Na,Mg,Ca,Fe,Co,Zn,Ti,Sn,Sb,GeおよびPよりなるカチオンおよび(2)ハロゲン,NO2,NO3,PO4およびSO4よりなるアニオンの合計含有量が15ppm以下であるビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートを利用することにより、使用済みポリエチレンテレフタレートのリサイクルを考慮に入れた、ポリエチレンテレフタレートの製造方法を提供することにある。
【0008】
本発明のさらに他の目的および利点は、以下の説明から明らかになろう。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、本発明の上記目的および利点は、ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートのオリゴマー化反応により生成したオリゴマーと、ジメチルテレフタレートとエチレングリコールのエステル交換反応生成物またはテレフタル酸とエチレングリコールのエステル化反応生成物を含む混合物をプレポリマー化反応に付し、さらに重縮合反応に付してポリエチレンテレフタレートを生成せしめることを特徴とするポリエチレンテレフタレートの製造方法によって達成される。
【0010】
前述したように、ポリエチレンテレフタレートの製造方法において、テレフタル酸から製造する方法およびジメチルテレフタレートから製造する方法は、いずれも中間生成物としてビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートを生成し、これを重縮合するものである。したがって、本発明者は、このビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートに、例えば使用済みポリエチレンテレフタレートの解重合、精製処理によって得られる高純度の精製ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートを混合させてもポリエチレンテレフタレートを生成することができると考え、鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成するに至ったのである。
【0011】
前記精製ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートの使用では、ジメチルテレフタレートまたはテレフタル酸にエチレングリコールおよび精製ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートを加えて反応させ、ポリエチレンテレフタレートを得る方法と、ジメチルテレフタレートまたはテレフタル酸をエチレングリコールと反応させて生成したビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートを含むオリゴマーに精製ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートのオリゴマー化生成物を加えて重合し、ポリエチレンテレフタレートを得る方法とがある。前者の方法では、従来のジメチルテレフタレートおよびエチレングリコールを供給したエステル交換反応器、または、テレフタル酸およびエチレングリコールを供給したエステル化反応器の中に精製ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートを添加すればよいことから、一見合理的な方法であるように思われる。しかしながら、反応器内のエチレングリコールの量を厳密に制御し、ジエチレングリコールの含有量を一定に維持することによってポリエチレンテレフタレートの品質の安定化を図ることは、前者の方法では反応が複雑になるため困難である。また、テレフタル酸を用いた場合、ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートやオリゴマーの水酸基とテレフタル酸のカルボキシル基の比をうまく制御することが必要となるため、商業生産規模で且つ連続したプロセスを経て得るポリエチレンテレフタレートの品質の安定化や、原料となるテレフタル酸、エチレングリコールおよびビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートの比率の制御を考えると、この方法をとることは一層の困難さを伴う。
【0012】
以上より、本発明者は、精製ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートを別途単独でオリゴマー化し、これをジメチルテレフタレートまたはテレフタル酸をエチレングリコールと反応させて生成したビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートを含むオリゴマーと混合して重合する方法が有用であると考え、本発明を完成するに至ったものである。本発明によれば、既存の設備において、エステル交換反応器またはエステル化反応器以降の重縮合工程の処理能力に十分な余裕があれば、従来条件の下で生成したビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートを含むオリゴマーに、精製ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートのオリゴマー化反応生成物を混合し、ポリエチレンテレフタレートを増産させることができる。一方、処理能力に余裕がない場合には、例えば、混合物の量が処理能力に見合った量となるように、エステル交換反応またはエステル化反応による生成物の量とオリゴマー化反応による生成物の量とのバランスをとればよい。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、具体例を挙げつつ詳細に説明する。本発明において用いられるビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートは如何なる方法で製造したものでもよいが、例えば、特開2001−48835号公報に開示されている方法に従って、使用済みのポリエチレンテレフタレートを公知の触媒の存在下で過剰のエチレングリコールと反応させて解重合することにより、粗製ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートと粗製エチレングリコールの混合溶液を準備し、これを吸着・イオン交換処理して着色物と溶存イオンを除去した後、冷却してビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートを晶析させ、エチレングリコールと固液分離し、さらに得られた濃縮ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートを分子蒸留することにより調製することができる。また、国際公開WO01/10812号、特開2000−53802号公報、特開2000−169623号公報等に記載されている方法で調製することが出来る。このようにして準備した精製ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートは、ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートの含有量が97重量%以上であり、そして(i)Na,Mg,Ca,Fe,Co,Zn,Ti,Sn,Sb,GeおよびPよりなるカチオンおよび(ii)ハロゲン,NO2,NO3,PO4およびSO4よりなるアニオンの合計含有量が15ppm以下とすることができる。これらカチオン及びアニオンは、主として使用済みのポリエチレンテレフタレートに含まれているものや、該ポリエチレンテレフタレートとともに解重合工程、精製工程等に混入した化合物に起因するものである。
【0014】
次に、このようにして得られた、精製されたビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートをオリゴマー化反応器に入れ、重合触媒の存在下において、例えば260℃で60分間オリゴマー化反応を行う。この際、例えばオリゴマー化反応を常圧で行うと、反応生成物の組成は、1つの例では、単量体19.9重量%,2量体22.5重量%,3量体18.4重量%,4量体12.8重量%,5量体8.2重量%,6量体5.3重量%,7量体7.9重量%,8量体2.0重量%,9量体1.1重量%,10量体以上0.5重量%およびエチレンージエチレングリコールテレフタレート5.9重量%であった。一方、13.3kPaの減圧下で行うと、対応する例で、反応生成物の組成は、単量体6.8重量%,2量体9.9重量%,3量体11.8重量%,4量体12.1重量%,5量体10.7重量%,6量体9.3重量%,7量体7.9重量%,8量体6.5重量%,9量体6.3重量%,10量体2.1重量%,11量体以上15.1重量%およびエチレンージエチレングリコールテレフタレート1.5重量%であった。重合触媒はいずれの場合もSb2O3を用い、ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレート1モルに対して0.0345モル添加した。
【0015】
前述したように、反応系内にエチレングリコールが多量に存在するとジエチレングリコールが生成し、ポリエチレンテレフタレートの物性に悪影響を与えることから、エチレングリコールを反応系から除去することが必要である。ここで、エチレングリコールの沸点は常圧で約198℃と高いことから、これを反応系から除去するには常圧下で加熱するよりも減圧下で加熱する方が有効である。実際、上記2つの実験結果を比較すると、常圧で重合した場合エチレンージエチレングリコールテレフタレートは5.9重量%含まれるのに対して、減圧下では1.5重量%であり、減圧下での反応がジエチレングリコールの生成を抑制するのに効果的であることがわかる。また、減圧下で重合した方が比較的低分子量成分が少ないという結果から、エチレングリコールを除去することによりオリゴマー化が促進されていることがわかる。
【0016】
本発明者はさらに検討を重ねた結果、オリゴマー化の反応は、好ましくは220〜270℃の温度の下、圧力7〜70kPa、より好ましくは9〜50kPaで、30〜90分間行うことが有利であることを見出した。圧力が7kPaよりも小さいと反応器内の内容物の突沸が起こり、70kPaよりも大きいとオリゴマー化に長時間を要してジエチレングリコール増加の原因となる。安定した状態で反応を行い且つ反応後の低分子量成分を少なくするには、9〜50kPaで行うのが好ましい。10〜30kPaの圧力下で重縮合のオリゴマー化反応を行うことにより、重合度6〜10のオリゴマーが生成する。
【0017】
また、共重合ポリエチレンテレフタレートを製造する場合には、例えばビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートのオリゴマー化反応器に共重合成分を加えてビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートとの共重合オリゴマーを生成し、これをジメチルテレフタレートまたはテレフタル酸とエチレングリコールの反応生成物と混合して重縮合すればよい。共重合成分としては例えばイソフタル酸、ナフタレンジカルボン酸、アジピン酸のようなジカルボン酸やシクロヘキサンジメタノールのようなジオールを用いることができる。かかる共重合成分の共重合割合は全酸成分に対して10モル%以下が好ましい。また、オリゴマー化反応器への供給は、例えばビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートと共重合成分を、ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートの融点以上の温度で混合し、適当な溶媒または分散媒を用いて溶液または分散液とした状態で行うことができる。溶融ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートは低粘度であり、取り扱いは容易である。例えば、共重合成分としてイソフタル酸を用いた場合、ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートとの重量比1:1の混合物の粘度は120℃で0.03Pa・s程度である。また、ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートは両末端が水酸基であることから他のジオール成分と相溶性がある。したがって、適当なジオールを共重合成分として混合すると混合液の融点が低下し、一層取り扱い性は良好になる。
【0018】
ジメチルテレフタレートとエチレングリコールのエステル交換反応またはテレフタル酸とエチレングリコールのエステル化反応については、公知の方法により行うことができる。例えば、エステル交換反応はジメチルテレフタレートに対するエチレングリコールの量を2.01〜3.0モル倍とし、最終温度190〜250℃、常圧で行うことができる。また、エステル化反応はテレフタル酸に対するエチレングリコールの量を1.02〜1.1モル倍とし、最終温度260〜265℃、圧力100〜150kPaで行うことができる。この際、ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートのオリゴマー化反応器から留出したエチレングリコールを凝縮させ、前記エステル交換反応またはエステル化反応の原料の一部として使用してもよい。
【0019】
前記エステル交換反応またはエステル化反応の生成物を前記オリゴマー化反応生成物と混合し、該混合物をプレポリマー化反応器に供給して重合度25〜30のプレポリマーを生成する。次に、最終重合器に供給して重縮合反応を行い、目的物であるポリエチレンテレフタレートを得る。前記エステル交換反応またはエステル化反応の生成物と前記オリゴマー化反応生成物の混合割合は任意であるが、重量比で、1:9〜9:1、さらには2:8〜8:2であることが好ましい。前記プレポリマー化の反応は温度270〜290℃、圧力0.5〜30kPaで行うことが好ましい。また、前記重縮合反応は、最終温度280〜300℃(好ましくは280〜290℃)、最終圧力5〜100Paで行うことが好ましい。
【0020】
ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートのオリゴマー化反応器には、他に重合触媒、安定剤または他の添加剤を添加することができる。重合触媒としては、例えば、三酸化アンチモン、酢酸アンチモンなどのアンチモン化合物や二酸化ゲルマニウムなどのゲルマニウム化合物が挙げられる。また、安定剤としては、例えばリン酸、亜リン酸、これらのジ(またはトリ)メチルエステル、ジ(またはトリ)フェニルエステルなどのリン化合物が挙げられる。これらは、例えば、エチレングリコールに溶かし溶液の状態で添加してもよいし、エチレングリコールに分散させ分散液の状態で添加してもよい。また、原料であるビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートを分散媒として用いてもよい。重合触媒の使用量は、例えばゲルマ二ウム元素として80〜200ppm、さらには100〜150ppmであることが好ましく、またアンチモン元素として150〜300ppm、さらには170〜250ppmであることが好ましい。また、リン化合物の使用量はリン元素として20〜50ppm、さらに25〜40ppmであることが好ましい。
【0021】
さらに、酸化チタンなどの艶消剤、染料および顔料などの着色剤またはシリカ、アルミナ、硫酸バリウムおよびセラミックなどの他の機能性付与剤を前記オリゴマー化反応器に添加してもよい。添加は、例えば、シリカ、アルミナ、硫酸バリウムまたはセラミックをビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートと該ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートの融点以上の温度で混練し、粗大粒子を除去した混練物とした状態で行うことができる。また、これらの添加剤は、前記オリゴマー化反応器以外に、ジメチルテレフタレートのエステル交換反応器やテレフタル酸のエステル化反応器、プレポリマー化反応器へ移送するための配管およびプレポリマー化反応器のいずれにおいても添加可能である。添加剤の性質に応じて適当な添加場所を選択すればよい。添加剤の量は従来から知られている量であり、例えば、酸化チタンは0.05〜5.0重量%の範囲から、シリカ、アルミナ、硫酸バリウム、及びセラミックはそれぞれ0.1〜5.0重量%の範囲から目的に応じて選択するとよい。
【0022】
【実施例】
本発明をさらに具体的な態様について説明するために、以下に具体例を挙げる。本発明がこれのみに限定されるものでないことはいうまでもない。また、例中の特性は下記の方法で測定した。
(1)オリゴマーの重合度及び量
1)オリゴマー成分の分離
2)LC/MSによる同定
HPLCのピークを同定するために、LC/MS測定を行った。
日本電子製SX−102A型を用い、上記と同じ条件で測定同定した。
(2)ポリマーの固有粘度
試料250mgをフェノール/テトラクロロエタン(1/1)の混合液25mlに溶解し、30℃で測定した。
(3)カルボキシル基の濃度
試料0.3gを30mlのベンジルアルコールに加熱溶解したのち冷却し、20mlのクロロフォルムを加え、0.01N−KOHにより滴定して測定した。
(4)ジエチレングリコールの量
試料1gと30mlのメタノール及び酢酸亜鉛2mgを100mlのカリウス管中200℃でメタノリシスした液を用いてクロマトグラフで測定した。
(5)エステル化率
試料の酸価を測定し、カルボキシル基の残存量を求めて、エステル化率を算出した。
(6)ポリマーの色調(カラー)
試料ポリマーを135℃で1時間乾燥結晶化したのち、日本電色工業製 色差計ZE−2000にて、ハンター値L、a、bを測定した。
【0023】
実施例1
エチレングリコールとテレフタル酸とのモル比1.06のスラリーを、流量300kg/時で連続してエステル化反応器に仕込み、圧力150kPa、温度262℃、滞留時間3.6時間でエステル化反応を行った。次に、生成物をプレポリマー化反応器に供給するため、配管を通じて流速258kg/時で連続して抜き出した。この際、抜き出し液を分析したところ、カルボキシル基872.3μeq/g,エチレングリコール0.16重量%,ジエチレングリコール0.67重量%,エステル化率91.3%であった。
【0024】
一方、ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレート165kgおよび2重量%の三酸化アンチモンのエチレングリコール溶液5kgを、前記エステル化反応器とは別に設けた250リットルのオリゴマー化反応器に仕込み、圧力13kPa、温度265℃でエチレングリコールを留去しながら、バッチ方式でオリゴマー化を60分間行った。窒素を導入して反応器内の圧力を常圧に戻した後、生成物をプレポリマー化反応器に供給される前の前記エステル化反応生成物と混合するために、1時間かけて前記エステル化反応器の抜き出し配管中に供給した。この際、オリゴマー化生成物を分析したところ、カルボキシル基82.8μeq/g,エチレングリコール0.16重量%,ジエチレングリコール0.79重量%であった。
【0025】
前記エステル化反応生成物と前記オリゴマー化反応生成物を、配管内に設けた10エレメントのスタティックミキサーで混合した後、第1のプレポリマー化反応器に供給した。次いで、第2のプレポリマー化反応器を経て最終重合器に供給し、生成したポリエチレンテレフタレートをペレット化した。
・第1プレポリマー化反応の条件:圧力6.6kPa、温度273℃、滞留時間0.5時間。
・第2プレポリマー化反応の条件:圧力1.5kPa、温度278℃、滞留時間0.7時間。
・最終重合の反応条件:圧力53Pa、温度285℃。
第2のプレポリマー化反応器の抜き出し液を分析したところ、固有粘度0.239dl/g,カルボキシル基82.8μeq/g,ジエチレングリコール0.811重量%,エステル化反応率99.20%であった。また、得られたポリエチレンテレフタレートは、固有粘度0.642dl/g,カルボキシル基22.6μeq/g,ジエチレングリコール0.865重量%,融点260.9℃,色度はハンター法でL(明るさ)=90.2,a(赤色度)=−2.1,b(黄色度)=−4.7であった。
【0026】
ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートのオリゴマー化生成物を添加しないで生成したポリエチレンテレフタレートを分析したところ、固有粘度0.644dl/g,カルボキシル基21.8μeq/g,ジエチレングリコール0.858重量%,融点260.8℃,色度はハンター法でL(明るさ)=90.2,a(赤色度)=−2.2,b(黄色度)=−4.7であり、上記分析結果との差は認められなかった。
【0027】
なお、ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートのオリゴマー化によって留出したエチレングリコールを分析したところ、水0.49重量%,ジエチレングリコール0.23重量%,オリゴマー0.17重量%であり、前記テレフタル酸のスラリーに十分使用可能な値を示した。
【0029】
【発明の効果】
以上に説明した如く、本発明のポリエチレンテレフタレートの製造方法によれば、従来のジメチルテレフタレートとエチレングリコールのエステル交換反応生成物またはテレフタル酸とエチレングリコールのエステル化反応生成物に、ビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートのオリゴマーを混合して重縮合させることにより、諸物性に優れたポリエチレンテレフタレートを製造することができる。また、例えば、使用済みのポリエチレンテレフタレートのケミカルリサイクルにより得られるビス(2−ヒドロキシエチル)テレフタレートを利用することによって、使用済みのポリエチレンテレフタレートのリサイクルを進めることができる。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing polyethylene terephthalate using a bis (2-hydroxyethyl) terephthalate monomer as a starting material.
[0002]
[Prior art]
As a method for producing polyethylene terephthalate, a method of reacting dimethyl terephthalate or terephthalic acid with ethylene glycol is widely known. In the method using dimethyl terephthalate as a raw material (transesterification method), a catalyst is added to dimethyl terephthalate and ethylene glycol to conduct a transesterification reaction, and then the obtained bis (2-hydroxyethyl) terephthalate and the degree of polymerization are about 4 or less. Polyethylene terephthalate is produced by polycondensing a reaction product comprising an oligomer. On the other hand, the method using terephthalic acid as a raw material (direct polymerization method) is an esterification reaction of terephthalic acid and ethylene glycol, and then the average degree of polymerization including bis (2-hydroxyethyl) terephthalate obtained is 9-10. Polyethylene terephthalate is produced by polycondensation of oligomers.
[0003]
In these reactions, a side reaction in which diethylene glycol is produced from ethylene glycol also occurs simultaneously. This side reaction is promoted by the carboxyl group of terephthalic acid. If a large amount of diethylene glycol is contained in polyethylene terephthalate, the properties of polyethylene terephthalate, such as hydrolysis resistance, heat resistance, and light resistance, will deteriorate, causing problems such as coloration. It is necessary to do.
[0004]
For example, in the method using terephthalic acid, the formation of bis (2-hydroxyethyl) terephthalate theoretically requires 2 moles of ethylene glycol per mole of terephthalic acid, but this bis (2-hydroxyethyl) terephthalate is condensed. By using ethylene glycol generated in the esterification reaction with terephthalic acid, the ratio is made as small as possible, for example, about 1.02 to 1.1 mol, and a method of suppressing the production of diethylene glycol is taken. Yes.
[0005]
On the other hand, as described in JP-A No. 2000-169623, high-purity bis (2-hydroxyethyl) is obtained by using crude polyethylene terephthalate (chips or flakes) obtained by a used polyethylene terephthalate recovery process as a raw material. A method for producing polyethylene terephthalate by obtaining terephthalate and polycondensing it in the presence of a polymerization catalyst is also known. According to this method, spent polyethylene terephthalate is depolymerized with ethylene glycol, purified to high purity bis (2-hydroxyethyl) terephthalate, and this is polycondensed again into polyethylene terephthalate and ethylene glycol. By-products are not generated, and there is an advantage that ethylene glycol supplementation is unnecessary in principle. In addition, it is possible to recycle used polyethylene terephthalate products in a closed recycling system. However, since the content of diethylene glycol in the obtained polyethylene terephthalate is higher than that in the case of polyethylene terephthalate obtained by the direct polymerization method, there is a problem that the physical properties are deteriorated or colored (particularly, the color b value is increased). there were.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a method for producing polyethylene terephthalate having excellent physical properties using bis (2-hydroxyethyl) terephthalate.
[0007]
Another object of the present invention is that the content of bis (2-hydroxyethyl) terephthalate obtained by chemical recycling of used polyethylene terephthalate (that is, depolymerizing and purifying polyethylene terephthalate) is 97% by weight or more. And (1) a cation composed of Na, Mg, Ca, Fe, Co, Zn, Ti, Sn, Sb, Ge and P, and (2) composed of halogen, NO 2 , NO 3 , PO 4 and SO 4. By using bis (2-hydroxyethyl) terephthalate having a total anion content of 15 ppm or less, it is an object of the present invention to provide a method for producing polyethylene terephthalate taking into account the recycling of used polyethylene terephthalate.
[0008]
Still other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, the above objects and advantages of the present invention are that the oligomer produced by the oligomerization reaction of bis (2-hydroxyethyl) terephthalate, the transesterification product of dimethyl terephthalate and ethylene glycol, or terephthalic acid and ethylene glycol It is achieved by a method for producing polyethylene terephthalate, characterized in that a mixture containing the esterification reaction product is subjected to a prepolymerization reaction and further subjected to a polycondensation reaction to produce polyethylene terephthalate.
[0010]
As described above, in the method for producing polyethylene terephthalate, both the method of producing from terephthalic acid and the method of producing from dimethyl terephthalate produce bis (2-hydroxyethyl) terephthalate as an intermediate product and polycondense it. Is. Accordingly, the present inventor can mix polyethylene with this bis (2-hydroxyethyl) terephthalate, for example, by mixing high-purity purified bis (2-hydroxyethyl) terephthalate obtained by depolymerization and purification of used polyethylene terephthalate. The present invention was completed as a result of intensive researches on the belief that terephthalate can be produced.
[0011]
In the use of the purified bis (2-hydroxyethyl) terephthalate, dimethyl terephthalate or terephthalic acid is added with ethylene glycol and purified bis (2-hydroxyethyl) terephthalate and reacted to obtain polyethylene terephthalate, and dimethyl terephthalate or terephthalic acid. There is a method of obtaining polyethylene terephthalate by adding an oligomerized product of purified bis (2-hydroxyethyl) terephthalate to an oligomer containing bis (2-hydroxyethyl) terephthalate produced by reacting styrene with ethylene glycol. In the former method, if purified bis (2-hydroxyethyl) terephthalate is added into a conventional transesterification reactor supplied with dimethyl terephthalate and ethylene glycol, or an esterification reactor supplied with terephthalic acid and ethylene glycol. At first glance, it seems to be a reasonable method. However, it is difficult to stabilize the quality of polyethylene terephthalate by strictly controlling the amount of ethylene glycol in the reactor and keeping the content of diethylene glycol constant, because the reaction becomes complicated by the former method. It is. In addition, when terephthalic acid is used, it is necessary to control the ratio of the hydroxyl group of bis (2-hydroxyethyl) terephthalate or oligomer to the carboxyl group of terephthalic acid, so that it goes through a commercial production scale and a continuous process. Considering stabilization of the quality of the obtained polyethylene terephthalate and control of the ratios of terephthalic acid, ethylene glycol and bis (2-hydroxyethyl) terephthalate as raw materials, it is more difficult to adopt this method.
[0012]
From the above, the present inventors include bis (2-hydroxyethyl) terephthalate produced by reacting dimethylterephthalate or terephthalic acid with ethylene glycol separately and separately oligomerizing purified bis (2-hydroxyethyl) terephthalate. The method of polymerizing by mixing with an oligomer is considered useful, and the present invention has been completed. According to the present invention, bis (2-hydroxyethyl) produced under conventional conditions if there is a sufficient margin in the capacity of the polycondensation step after the transesterification reactor or the esterification reactor in the existing equipment. The oligomerized reaction product of purified bis (2-hydroxyethyl) terephthalate can be mixed with the oligomer containing terephthalate to increase the production of polyethylene terephthalate. On the other hand, when the processing capacity is not sufficient, for example, the amount of the product by the transesterification reaction or the esterification reaction and the amount of the product by the oligomerization reaction so that the amount of the mixture corresponds to the processing capacity. You should balance with.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with specific examples. The bis (2-hydroxyethyl) terephthalate used in the present invention may be produced by any method. For example, according to the method disclosed in JP-A-2001-48835, used polyethylene terephthalate is converted into a known catalyst. By reacting with an excess of ethylene glycol in the presence of water and depolymerizing, a mixed solution of crude bis (2-hydroxyethyl) terephthalate and crude ethylene glycol is prepared, and this is adsorbed and ion-exchanged to obtain a colored product. After removing dissolved ions, cooling to crystallize bis (2-hydroxyethyl) terephthalate, solid-liquid separation from ethylene glycol, and molecular distillation of the resulting concentrated bis (2-hydroxyethyl) terephthalate Can be prepared. Moreover, it can prepare by the method described in international publication WO01 / 10812, Unexamined-Japanese-Patent No. 2000-53802, Unexamined-Japanese-Patent No. 2000-169623, etc. The purified bis (2-hydroxyethyl) terephthalate thus prepared has a bis (2-hydroxyethyl) terephthalate content of 97% by weight or more, and (i) Na, Mg, Ca, Fe, Co, The total content of cations composed of Zn, Ti, Sn, Sb, Ge and P and (ii) anions composed of halogen, NO 2 , NO 3 , PO 4 and SO 4 can be made 15 ppm or less. These cations and anions are mainly caused by compounds contained in used polyethylene terephthalate and compounds mixed with the polyethylene terephthalate in the depolymerization process, the purification process, and the like.
[0014]
Next, the purified bis (2-hydroxyethyl) terephthalate thus obtained is put into an oligomerization reactor, and an oligomerization reaction is performed at 260 ° C. for 60 minutes in the presence of a polymerization catalyst. In this case, for example, when the oligomerization reaction is carried out at normal pressure, the composition of the reaction product is, in one example, 19.9% by weight of monomer, 22.5% by weight of dimer, 18.4% of trimer. Wt%, tetramer 12.8 wt%, pentamer 8.2 wt%, hexamer 5.3 wt%, heptamer 7.9 wt%, octamer 2.0 wt%, 9 amount It was 1.1% by weight of the product, 0.5% by weight of the 10-mer or more, and 5.9% by weight of ethylene-diethylene glycol terephthalate. On the other hand, when carried out under a reduced pressure of 13.3 kPa, in the corresponding example, the composition of the reaction product was 6.8 wt% monomer, 9.9 wt% dimer, 11.8 wt% trimer. , Tetramer 12.1 wt%, pentamer 10.7 wt%, hexamer 9.3 wt%, heptamer 7.9 wt%, octamer 6.5 wt%, 9mer 6 The content was 3% by weight, 2.1% by weight of 10-mer, 15.1% by weight of 11-mer or more, and 1.5% by weight of ethylene-diethylene glycol terephthalate. In each case, Sb 2 O 3 was used as the polymerization catalyst, and 0.0345 mol was added to 1 mol of bis (2-hydroxyethyl) terephthalate.
[0015]
As described above, when a large amount of ethylene glycol is present in the reaction system, diethylene glycol is produced, which adversely affects the physical properties of polyethylene terephthalate. Therefore, it is necessary to remove ethylene glycol from the reaction system. Here, since the boiling point of ethylene glycol is as high as about 198 ° C. under normal pressure, heating under reduced pressure is more effective than removing under normal pressure to remove it from the reaction system. In fact, when the above two experimental results are compared, 5.9% by weight of ethylene-diethylene glycol terephthalate is contained when polymerized at normal pressure, whereas 1.5% by weight under reduced pressure, and the reaction under reduced pressure. Is effective in suppressing the production of diethylene glycol. Moreover, it can be seen that oligomerization is promoted by removing ethylene glycol from the result that the polymerized under reduced pressure has relatively low molecular weight components.
[0016]
As a result of further studies by the inventor, it is advantageous that the oligomerization reaction is carried out at a temperature of 220 to 270 ° C. and a pressure of 7 to 70 kPa, more preferably 9 to 50 kPa, for 30 to 90 minutes. I found out. When the pressure is less than 7 kPa, the contents in the reactor are bumped, and when the pressure is more than 70 kPa, oligomerization takes a long time and increases diethylene glycol. In order to carry out the reaction in a stable state and reduce the low molecular weight components after the reaction, it is preferably carried out at 9 to 50 kPa. By performing the oligomerization reaction of polycondensation under a pressure of 10 to 30 kPa, an oligomer having a polymerization degree of 6 to 10 is generated.
[0017]
When producing copolymer polyethylene terephthalate, for example, a copolymer component is added to an oligomerization reactor of bis (2-hydroxyethyl) terephthalate to produce a copolymer oligomer with bis (2-hydroxyethyl) terephthalate. This may be mixed with dimethyl terephthalate or a reaction product of terephthalic acid and ethylene glycol and polycondensed. As the copolymer component, for example, a dicarboxylic acid such as isophthalic acid, naphthalenedicarboxylic acid or adipic acid, or a diol such as cyclohexanedimethanol can be used. The copolymerization ratio of the copolymer component is preferably 10 mol% or less with respect to the total acid component. The oligomerization reactor is supplied by mixing, for example, bis (2-hydroxyethyl) terephthalate and a copolymer component at a temperature equal to or higher than the melting point of bis (2-hydroxyethyl) terephthalate, and adding an appropriate solvent or dispersion medium. It can be performed in a state of using a solution or dispersion. Molten bis (2-hydroxyethyl) terephthalate has a low viscosity and is easy to handle. For example, when isophthalic acid is used as a copolymerization component, the viscosity of a 1: 1 weight ratio mixture with bis (2-hydroxyethyl) terephthalate is about 0.03 Pa · s at 120 ° C. Bis (2-hydroxyethyl) terephthalate is compatible with other diol components because both ends are hydroxyl groups. Therefore, when an appropriate diol is mixed as a copolymerization component, the melting point of the mixed solution is lowered, and the handleability is further improved.
[0018]
The transesterification reaction between dimethyl terephthalate and ethylene glycol or the esterification reaction between terephthalic acid and ethylene glycol can be performed by a known method. For example, the transesterification reaction can be carried out at a final temperature of 190 to 250 ° C. and normal pressure, with the amount of ethylene glycol based on dimethyl terephthalate being 2.01 to 3.0 mole times. Further, the esterification reaction can be carried out at a final temperature of 260 to 265 ° C. and a pressure of 100 to 150 kPa, with the amount of ethylene glycol with respect to terephthalic acid being 1.02 to 1.1 mol times. At this time, ethylene glycol distilled from the bis (2-hydroxyethyl) terephthalate oligomerization reactor may be condensed and used as a part of the raw material for the transesterification or esterification reaction.
[0019]
The product of the transesterification reaction or esterification reaction is mixed with the oligomerization reaction product, and the mixture is supplied to a prepolymerization reactor to produce a prepolymer having a polymerization degree of 25-30. Next, the polycondensation reaction is performed by supplying the final polymerizer to obtain the target product, polyethylene terephthalate. The mixing ratio of the product of the transesterification reaction or esterification reaction and the oligomerization reaction product is arbitrary, but is 1: 9 to 9: 1 by weight, or 2: 8 to 8: 2. It is preferable. The prepolymerization reaction is preferably performed at a temperature of 270 to 290 ° C. and a pressure of 0.5 to 30 kPa. The polycondensation reaction is preferably performed at a final temperature of 280 to 300 ° C. (preferably 280 to 290 ° C.) and a final pressure of 5 to 100 Pa.
[0020]
In addition, a polymerization catalyst, a stabilizer or other additives can be added to the oligomerization reactor of bis (2-hydroxyethyl) terephthalate. Examples of the polymerization catalyst include antimony compounds such as antimony trioxide and antimony acetate, and germanium compounds such as germanium dioxide. Examples of the stabilizer include phosphorous compounds such as phosphoric acid, phosphorous acid, di (or tri) methyl esters, and di (or tri) phenyl esters thereof. For example, these may be dissolved in ethylene glycol and added in the form of a solution, or dispersed in ethylene glycol and added in the form of a dispersion. Moreover, you may use the raw material bis (2-hydroxyethyl) terephthalate as a dispersion medium. The amount of the polymerization catalyst used is, for example, preferably 80 to 200 ppm as a germanium element, more preferably 100 to 150 ppm, and 150 to 300 ppm as an antimony element, and more preferably 170 to 250 ppm. Moreover, it is preferable that the usage-amount of a phosphorus compound is 20-50 ppm as a phosphorus element, and also 25-40 ppm.
[0021]
In addition, matting agents such as titanium oxide, colorants such as dyes and pigments or other functionalizing agents such as silica, alumina, barium sulfate and ceramics may be added to the oligomerization reactor. For example, silica, alumina, barium sulfate or ceramic is kneaded at a temperature equal to or higher than the melting point of bis (2-hydroxyethyl) terephthalate and the bis (2-hydroxyethyl) terephthalate to obtain a kneaded product from which coarse particles are removed. Can be done in the state. In addition to the above-mentioned oligomerization reactor, these additives may be used in a dimethyl terephthalate transesterification reactor, a terephthalic acid esterification reactor, a pipe for transferring to a prepolymerization reactor, and a prepolymerization reactor. Any of them can be added. What is necessary is just to select an appropriate addition place according to the property of an additive. The amount of the additive is a conventionally known amount. For example, titanium oxide is in the range of 0.05 to 5.0% by weight, and silica, alumina, barium sulfate, and ceramic are each in the range of 0.1 to 5. It may be selected according to the purpose from the range of 0% by weight.
[0022]
【Example】
In order to describe the present invention more specifically, specific examples are given below. Needless to say, the present invention is not limited to this. The characteristics in the examples were measured by the following methods.
(1) degree of polymerization of the oligomer and amount 1) separation of the oligomer component
2) Identification by LC / MS LC / MS measurement was performed to identify the HPLC peak.
Measurement and identification were performed under the same conditions as described above using JEOL SX-102A type.
(2) Intrinsic viscosity of polymer 250 mg of a sample was dissolved in 25 ml of a mixed solution of phenol / tetrachloroethane (1/1) and measured at 30 ° C.
(3) Concentration of carboxyl group 0.3 g of a sample was dissolved in 30 ml of benzyl alcohol by heating and then cooled, 20 ml of chloroform was added, and titration with 0.01N-KOH was performed.
(4) Amount of diethylene glycol The amount of diethylene glycol was measured chromatographically using a solution obtained by methanolysis of 1 g of a sample, 30 ml of methanol and 2 mg of zinc acetate in a 100 ml Carius tube at 200 ° C.
(5) Esterification rate The acid value of the sample was measured, the residual amount of carboxyl groups was determined, and the esterification rate was calculated.
(6) Color of polymer (color)
After the sample polymer was dried and crystallized at 135 ° C. for 1 hour, Hunter values L, a, and b were measured with a color difference meter ZE-2000 manufactured by Nippon Denshoku Industries Co., Ltd.
[0023]
Example 1
A slurry of ethylene glycol and terephthalic acid in a molar ratio of 1.06 is continuously charged into an esterification reactor at a flow rate of 300 kg / hour, and an esterification reaction is performed at a pressure of 150 kPa, a temperature of 262 ° C., and a residence time of 3.6 hours. It was. Next, in order to supply the product to the prepolymerization reactor, it was continuously extracted at a flow rate of 258 kg / hour through a pipe. At this time, when the extracted liquid was analyzed, the carboxyl group was 872.3 μeq / g, ethylene glycol was 0.16 wt%, diethylene glycol was 0.67 wt%, and the esterification rate was 91.3%.
[0024]
On the other hand, 165 kg of bis (2-hydroxyethyl) terephthalate and 5 kg of ethylene glycol solution of 2% by weight of antimony trioxide were charged into a 250 liter oligomerization reactor provided separately from the esterification reactor, pressure 13 kPa, temperature While ethylene glycol was distilled off at 265 ° C., oligomerization was carried out in a batch mode for 60 minutes. After introducing nitrogen and returning the pressure in the reactor to normal pressure, the ester is taken over 1 hour to mix the product with the esterification reaction product before being fed to the prepolymerization reactor. It supplied in the extraction piping of the chemical reactor. At this time, when the oligomerization product was analyzed, it was found that the carboxyl group was 82.8 μeq / g, ethylene glycol was 0.16 wt%, and diethylene glycol was 0.79 wt%.
[0025]
The esterification reaction product and the oligomerization reaction product were mixed with a 10-element static mixer provided in a pipe, and then supplied to the first prepolymerization reactor. Subsequently, it was supplied to the final polymerization vessel via the second prepolymerization reactor, and the produced polyethylene terephthalate was pelletized.
-Conditions for the first prepolymerization reaction: pressure 6.6 kPa, temperature 273 ° C, residence time 0.5 hours.
-Conditions for the second prepolymerization reaction: pressure 1.5 kPa, temperature 278 ° C., residence time 0.7 hours.
-Reaction conditions for final polymerization: pressure 53 Pa, temperature 285 ° C.
When the extracted liquid of the second prepolymerization reactor was analyzed, the intrinsic viscosity was 0.239 dl / g, the carboxyl group was 82.8 μeq / g, diethylene glycol was 0.811% by weight, and the esterification reaction rate was 99.20%. . The obtained polyethylene terephthalate has an intrinsic viscosity of 0.642 dl / g, a carboxyl group of 22.6 μeq / g, diethylene glycol of 0.865% by weight, a melting point of 260.9 ° C., and a chromaticity of L (brightness) = 90.2, a (redness) = − 2.1, b (yellowness) = − 4.7.
[0026]
Analysis of polyethylene terephthalate produced without adding the bis (2-hydroxyethyl) terephthalate oligomerization product revealed an intrinsic viscosity of 0.644 dl / g, carboxyl group of 21.8 μeq / g, diethylene glycol of 0.858% by weight, melting point. 260.8 ° C., chromaticity is L (brightness) = 90.2, a (redness) = − 2.2, b (yellowness) = − 4.7 by the Hunter method. There was no difference.
[0027]
The ethylene glycol distilled by oligomerization of bis (2-hydroxyethyl) terephthalate was analyzed to find water 0.49% by weight, diethylene glycol 0.23% by weight, oligomer 0.17% by weight, and the terephthalic acid A sufficiently usable value for the slurry was shown.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, according to the method for producing polyethylene terephthalate of the present invention, the conventional transesterification product of dimethyl terephthalate and ethylene glycol or the esterification reaction product of terephthalic acid and ethylene glycol is converted into bis (2-hydroxy). By mixing and condensing an ethyl) terephthalate oligomer, polyethylene terephthalate having excellent physical properties can be produced. For example, by using bis (2-hydroxyethyl) terephthalate obtained by chemical recycling of used polyethylene terephthalate, recycling of used polyethylene terephthalate can be promoted.
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