DE2559290B2 - Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von hochmolekularem PoIyäthylenterephthalat - Google Patents
Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von hochmolekularem PoIyäthylenterephthalatInfo
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- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
- C08G63/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carboxylic ester link in the main chain of the macromolecule
- C08G63/78—Preparation processes
- C08G63/80—Solid-state polycondensation
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von hochmolekularem
Polyäthylenterephthalat durch Polykondensation in fester Phase, bei welchem in der Schmelze polykondensiertes,
nach Verfestigung granuliertes und getrocknetes Polyäthylenterephthalat, das eine Intrinsic-Viskositiit
von mindestens 0,15 — gemessen in einer Lösung von
0,5 g Polyäthylenterephthalat in 100 ml eines Gemisches aus Phenol und Tetrachloräthan (60:40) bei einer
Temperatur von 25° C — aufweist, in einem (nertgasstrom der Feststoff-Polykondensation unterworfen
wird.
Bekanntlich läßt sich Polyäthylenterephthalat durch Polykondensation unter Abspaltung von Äthyleiiglykol
in der Schmelze aus Präpolykondensaten in Autoklaven bekannter Bauart auf Intrinsic-Viskositäten von etwa
0,7 bringen oder, wenn Reaktoren spezieller Bauart verwendet werden, welche die Glykolausdampfung
begünstigen, auch auf Intrinsic-Viskositäten von 1,00.
Diesem Verfahren haftet allerdings der Nachteil an, daß zur Erreichung hoher Viskositäten immer höhere
Reaktionstemperaturen, höhere Katalysatorkonzentrationen und längere Reaktionszeiten erforderlich werden.
Dies führt zwangsläufig zu einer zunehmenden thermischen Abbauschädigung der Schmelze bereits
während des Herstellungsprozesses, was sich dann in hohen Carboxylendgruppen und einer starken Gelbfärbung
des Endproduktes äußert. Ein hoher Anteil an Carboxylendgruppen führt bekanntlich beim Wiederaufschmelzen
des Polykondensats zu starken Abbauerscheinung-en. Die Verfärbungen sind besonders dann
unerwünscht, wenn glasklare Polykondensate zur Herstellung von z. B. Verpackungsmaterialien für
Lebensmittel oder Getränke benötigt werden. Parallel zur Verfärbung sind außerdem höhere Konzentrationen
an Aldehyden in der Schmelze zu erwarten, die besonders dann unerwünscht sind, wenn das Endprodukt
zur Herstellung von Flaschen für Getränke dient. Die Aldehyde diffundieren in die Flüssigkeit ein und
beeinträchtigen den Geschmack dieser Getränke. Außerdem sind derartige Getränke vom Standpunkt
J5 der Lebensmittelgesetzgebung als nicht brauchbar
anzusehen.
Zur Vermeidung der vorstehend aufgeführten Nachteile ist es bekannt, daß man die Herstellung
hochviskoser Polyester in der festen Phase bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes dieser
Kondensate unter Inertgasbeschleierung oder unter Vakuum durchführt. Nachteil aller bisher bekannten
Verfahren zur Feststoff-Polykondensation war der Umstand, daß hierfür hohe Aufwendungen getroffen
werden mußten, um das Verkleben des Granulates bei der Feststoff-Polykondensation zu verhindern. Dieser
sehr unerwünschten Erscheinung wurde bisher auf verschiedene Weise entgegengetreten.
Bei einem der bekannten Verfahren wird das Granulat während der Feststoff-Polykondensation
einer ständigen mechanischen Bewegung unterworfen. Nachteil dieses Verfahrens ist, daß es zur Feststoff-Polykondensation
sehr langer Verweilzeiten bedarf, wodurch sehr teure Reaktionsapparate mit aufwendigen
Rührorganen zur Anwendung kommen müssen. Bei kontinuierlicher Verfahrensführung trat noch hinzu, daß
nur ein sehr schlechtes Verweilzeitspektrum erhalten wurde, so daß erhebliche Viskositätsschwankungen im
fertigen Granulat zu beobachten waren, was für viele
bo Anwendungszwecke unerwünscht ist.
Bei dem aus der DD-PS 94 895 bekannten Verfahren, dem im wesentlichen die hier nicht gegebene Aufgabe
zugrunde liegt, die monotone Abnahme des Viskositätszuwachses je Zeiteinheit nach Erreichen einer bestimm-
ten Viskosität des Kondensats zu verhindern, wird als Reaktionsgefäß vorzugsweise ein adaptierter Vakuumtrockner,
ζ. B. ein Vakuumtaumeltrockner, verwendet. Bei diesem Verfahren wird während der Feststoffkon-
densation eine ständige mechanische Bewegung des Granulats herbeigeführt, was einen erheblichen apparativen
Aufwand erfordert Maßnahmen zur Herabsetzung der während der Feststoffkondensation sehr
nachteilig in Erscheinung tretenden Vei klebungsnei- s
gung, die Voraussetzung einer kontinuierlichen Verfahrensführung wären, sind bei diesem bekannten Verfahren
nicht vorgesehen.
Zur Vermeidung der erwähnten Verklebung ist euch bereits eine Feststoff-Polykondensation in einer Wirbelschicht
unter Beaufschlagung mit heißen Inertgasen wie beispielsweise Stickstoff bekanntgeworden. Die erforderlichen
hohen Verweilzeiten, die je nach Polykondensationsfähigkeit und Molekulargewicht des Ausgangsmaterials,
erwünschter Molekulargewichtserhöhung oder Teilchengröße, bis zu ca. 20 Stunden betragen
können, bedingen jedoch einen außerordentlich großen technischen Aufwand, und zwar sowohl hinsichtlich der
Investitionen als auch bezüglich des Energiebedarfs. Hinzu kommt wiederum, daß Wirbelschichtverfahren zu
ungünstigen Verweilzeitspektren führen. Außerdem hat dieses Verfahren, bei dem das Granulat durch
Fluidisierung mit Inertgas in Bewegung gehalten wird, den Nachteil, daß zum Fluidisieren sehr große
Inertgasmengen benötigt werden, die entweder verworfen oder einer ständigen Regeneration zu unterziehen
sind. Auch dies trägt zu dem sehr hohen und in vielen Fällen wirtschaftlich nicht vertretbaren Energieaufwand
bei.
Zur Vermeidung von Verklebungen ist es bereits bekanntgeworden, dem zu polykondensierenden Granulat
sogenannte Trennmittel zuzusetzen. Als Trennmittel sind bereits eine Vielzahl von Stoffen bekanntgeworden,
die von Flüssigkeiten bis zu festen Stoffen reichen. Hierzu gehören Lösungen, Dispersionen oder Emulsio- J5
nen. In der DE-OS 21 17 748 werden als feste bzw. pulverförmige Trennmittel beispielsweise Siliziumdioxyd
und Silikate genannt. Es ist auch bereits bekannt. Glaspulver als Trennmittel einzusetzen. In jedem Falle
muß das Trennmittel auf die Oberfläche des Granulats aufgebracht werden. Für viele Anwendungszwecke muß
das Trennmittel nach Abschluß der Polykondensation wieder vom Granulat entfernt werden, was aber nur in
wenigen Fällen wirklich quantitativ möglich ist, und zwar nur dann, wenn die Trennmittel löslich sind. Dieses
erfordert dann aber wieder ein Trocknen des Granulates vor der Weiterverarbeitung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs bezeichneten Gattung bereitzustellen,
mit welchem unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Verfahren bei nur geringem verfahrenstechnischen
Aufwand und ohne Verwendung zusätzlicher Trennmittel Verklebungen des Granulats während
der Feststoff-Polykondensation sicher verhindert werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch V5
gelöst, daß das Granulat vor Beginn der Feststoff-Polykondensation unter erzwungener Bewegung bei Temperaturen
zwischen 220 und 260°C unter Inertgasatmosphäre bis zu einem Dichtewert von mindestens
1,390 g/cm3 kristallisiert wird, worauf das kristallisierte t>o
Granulat bei gleichbleibender oder niedrigerer Temperatur unter Vermeidung eines Luftzutritts in einen
kontinuierlich arbeitenden Festbettreaktor übergeführt und dort bei einer der Kristallisationstemperatur
entsprechenden oder niedrigeren Temperatur polykon- b5
densiert wird.
Der Erfindung liegt die überraschende Feststellung zugrunde, daß sich das Verkleben des Granulates
während der Feststoff-Polykondensation vollständig verhindern läßt wenn der Feststoff-Polykondensation
eine Kristallisation vorgeschaltet wird, bei welcher Temperaturen zur Anwendung gelangen, die höher oder
gleich derjenigen Temperatur sind, bei der die Feststoff-Polykondensation durchgeführt wird. Bei
dieser erfindungsgemäßen Verfahrensführung ist auch nur innerhalb der Kristallisationszone ein ständiges
Bewegen des Granulates erforderlich. Da aber die Kristallisation weniger als 25% der Gesamtreaktionszeit
die zur Feststoff-Polykondensation erforderlich ist erfordert fällt der zum Bewegen des Granulates
während der Kristallisation zu treffende Aufwand kaum ins Gewicht Hinzu kommt noch, daß unterschiedliche
Verweilzeitspektren während der Kristallisation nur eine untergeordnete Bedeutung haben, weil insoweit die
erfindungsgemäß nachfolgende Feststoff-Polykondensation im Festbett eine ausgleichende Wirkung hat Bei
einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kristallisation bei einer
Temperatur zwischen 230 und 245°C bis zu einem Dichtewert zwischen 1,403 und 1,415 g/cm3 durchgeführt
Diese Verfahrensführung sichert einerseits eine zufriedenstellende Reaktionsgeschwindigkeit während
der Kristallisation und verhindert andererseits thermische Schädigungen während dieses Verfahrensabschnittes.
Die Feststoff-Polykondensation erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 230 und 245°C, was auch
für diesen Verfahrensabschnitt eine optimale Reaktionsgeschwindigkeit bei geringstmöglicher thermischer
Schädigung ergibt
Es wirkt auch in Richtung der gewünschten hohen Reaktionsgeschwindigkeiten, wenn das Ausgangsmaterial
ein Endgruppenverhältnis OH zu COOH von mindestens 1,5 :1, vorzugsweise von 3 : 1 und höher,
aufweist.
Unter den angegebenen Kristallisationsbedingungen ist es für den mit der Erfindung angestrebten Zweck
vollständig ausreichend, wenn die Kristallisationsdauer zwischen 0,5 und 3 Stunden, vorzugsweise zwischen 1
und 2 Stunden, beträgt.
Bei Kreislaufführung des Inertgases, die aus wirtschaftlichen
Gründen bevorzugt wird, ist es ausreichend, wenn der als Inertgas zur Anwendung gelangende
Stickstoff einen Wassergehalt kleiner 250 mg/kg N2,
einen Äthylenglykolgehalt kleiner 10 mg/kg N2, einen Sauerstoffgehalt kleiner 10 mg/kg N2 und einen Aldehydgehalt
kleiner 1 mg/kg N2 besitzt. Bei Überschreitung des angegebenen Wassergehaltes kann es zu
unerwünschten Hydrolyseerscheinungen für das Polymere kommen. Falls indessen der Äthylenglykolgehalt
im Inertgas zu hohe Werte annimmt, virkt sich das nachteilig auf die Reaktionsgeschwindigkeit aus. Höhere
Sauerstoffgehalte sind aus dem Grunde unerwünscht, weil sie zu Verfärbungen des Endproduktes führen
können. Dasselbe gilt für zu große Aldehydgehalte, die zudem auch noch im Hinblick auf die Giftigkeit der
Aldehyde nicht unbedenklich sind.
Für die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere zur Begrenzung der Regenerationskosten
für das im Kreislauf geführte Inertgas und zur Verringerung der Energiekosten ist es von Vorteil,
wenn das Gewichtsverhältnis Stickstoff zu Granulat in der Feststoff-Polykondensation zwischen 0,7 : 1 und
3 : !,vorzugsweise zwischen 1 : 1 und 2 : 1, liegt.
Weitere Einzelheilen der Erfindung werden nachfolgend
anhand von Verfahrensbeispielen erläutert.
Vergleichsbeispiele 1 — 10 und Beispiele 1 bis8
Aus einem Silo wurden stündlich 25 kg Polyäthylenterephthalatgranulat
mit einer Intrinsic-Viskosität von 0,5, einer Korngröße von 4x4x2 mm und einem Endgruppenverhältnis
OH zu COOH von 6,3:1, einem mit Rührflügeln und Mantelheizung vesehenen Mischer zugeführt. Im kontinuierlich arbeitenden Mischer wurde
das Granulat auf die in Tabelle 1 angegebenen Temperaturwerte Tk aufgeheizt und unter fortlaufender
Stickstoffspülung bei einem Gewichtsverhältnis von Stickstoff zu Granulat von 2 :1 gemäß der in Tabelle 1
angegebenen Zeitwerte Ik kristallisiert. Das Granulat
wurde dann kontinuierlich unter Luftabschluß einem stehenden mit Mantelheizung versehenen Rohrreaktor
zugeführt, in welchem es ein Festbett bildete. Durch das Festbett wurde im Gegenstrom Stickstoff im Gewichtsverhältnis Stickstoff zu Granulat von 2 :1 durchgeleitet,
der eine Temperatur gemäß der Tp- Werte der Tabelle 1 aufwies. Nach einer Feststoff-Polykondensationszeit
von 8 Stunden hatte das aus dem Rohrreaktor austretende Endgranulat die aus der nachstehenden
Tabelle 1 ersichtlichen Verklebungseigenschaften.
Wie Tabelle 1 veranschaulicht, wurden bei den Verfahrensbeispielen 1 bis 8 und den Vergleichsbeispielen
1-10 die Kristallisationszeit tK(h), die Kristallisationstemperatur
Tk(0C) und die Feststoff-Polykondensationstemperatur
7V(0C) variiert. In der Tabelle 1 sind auch jeweils die Dichten Dk (g/cm3) des Granulats nach
dem Kristallisieren angegeben. Die in Tabelle 1 angegebenen Verklebungswerte V(Nm) sind Relativwerte, die mit Hilfe einer von uns speziell für diesen
ίο Zweck entwickelten Meßapparatur festgestellt worden
sind. Die Entwicklung einer derartigen Meßapparatur war notwendig, nachdem die Suche nach einem
marktgängigen Gerät vergeblich war. Die neu entwikkelte Meßapparatur gestattet es, durch die Messung von
Relativwerten (Drehmomente) die Reibung und Verklebung von Kunststoff-Granulaten unter den Bedingungen
der Feststoff-Polykondensation zu ermitteln. Der Aufbau der Meßapparatur und die Auswertungsmethodik
werden am Schluß der Beschreibung anhand der beigefügten Abbildung im zum Verständnis erforderlichen
Ausmaß erläutert. Im übrigen ist das Verfahren und die Vorrichtung zur Messung von Reibungswerten
innerhalb einer Schüttung Gegenstand unserer älteren Patentanmeldung P 25 38 885.6.
Ά·
(h)
if
(h)
(C)
TF (C)
(g/cm3)
V
(Nm)
(Nm)
Bemerkungen
Vergleichs-Beispiel Nr.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Beispiele
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1,5
1,5
2
1
2
1
2
1
2
1
1
2
1
2
1
2
1
180 180 180 180 180 180 220 220 220 220
250 250 245 245 240 240 230 230
230 | ,385 | 2,5 | Verklebung |
230 | ,385 | 2,7 | Verklebung |
235 | ,385 | 2,8 | Verklebung |
235 | ,385 | 3,0 | Verklebung |
240 | ,385 | 5,0 | Verklebung |
240 | ,385 | 5,5 | Verklebung |
235 | ,401 | 2,7 | Verklebung |
235 | ,398 | 3,0 | Verklebung |
240 | ,401 | 3,2 | Verklebung |
240 | 1,398 | 3,6 | Verklebung |
240 | ,414 | 0,5 | keine Verklebung |
240 | 1,409 | 0,6 | keine Verklebung |
235 | 1,411 | 0,2 | keine Verklebung |
235 | 1,407 | 0,4 | keine Verklebung |
230 | 1,408 | 0,2 | keine Verklebung |
230 | 1,405 | 0,3 | keine Verklebung |
230 | 1,405 | 0,3 | keine Verklebung |
230 | 1,400 | 0,4 | keine Verklebung |
Die Intrinsic-Viskosität des Ausgangsgranulats wurde auch bei den noch nachfolgenden Versuchsbeispielen
wie folgt bestimmt 0,5 g Polyethylenterephthalat wurden in 100 ml eines Gemisches aus Phenol-Tetrachloräthan
mit einem Mischungsverhältnis von 60:40 gelöst und die Viskosität wurde bei 25° C gemessen.
In Tabelle 1 geben die Vergleichsbeispiele 1 bis 10 die
Ergebnisse von Vergleichsversuchen wieder, bei welchen außerhalb der erfindungsgemäßen Temperaturbereiche
gearbeitet wurde. Diese Beispiele veranschaulichen, daß bei Kristallisationstemperaturen Tk unterhalb
höherer Feststoff-Polykondensationstemperaturen 7> keine verklebungsfreien Granulate erhalten werden
können. Demgegenüber spiegeln die Ergebnisse der Beispiele 1 bis 8 den überraschenden Effekt wieder,
wenn erfindungsgemäß gearbeitet wird, d. h. wenn die
Kristallisationstemperatur Tk höher oder gleich gewählt
wurde wie die Feststoff-Polykondensationstemperaturen Tr. Hierbei kommt es zu keiner Verklebungsneigung.
Wie großtechnische Erfahrungen gezeigt haben, müssen Vcrklebungswerte V<
I Nm erzielt werden, um einen verklebungsfreien und damit störungsfreien
Produktfluß im kontinuierlichen Feststoff-Polykondensationsbetrieb zu erreichen. Verklebungswerte
V=O sind aus Gründen der weiter unten noch eingehend beschriebenen Meßapparatur auch bei ι ο
totaler Abwesenheit von Verklebungserscheinungen nicht zu erreichen. Die in den Beispielen 1 bis 8
angegebenen Verklebungswerte V zwischen 0,2 und 0,6 Nm entsprechen daher bereits vollständiger Verklebungsfreiheit.
Beispiele 9 bis 16
Beispiel Nr. kg N2: kg PET /,,„„./:
Polyethylenterephthalat mit den Ausgangswerten gemäß der Beispiele 1 bis 8 wurden unter Verwendung
der in den Beispielen 1 bis 8 beschriebenen Apparatur bei einer Temperatur 7* von 235°C für die Dauer von
tK= 1,5 Stunden kristallisiert (Dichte des kristallisierten
Granulats: 1,404 g/cm3) und anschließend für eine Zeit f#.-von
8 Stunden bei einer Temperatur 7>von 2300C einer
Feststoff-Polykondensation unterworfen. Dabei wurde in den Beispielen 9 bis 16 jeweils das Gewichtsverhältnis
Stickstoff zu Granulat variiert, um den Ijnfluß der Inertgasmenge auf den Reaktionsablauf und die
Verklebungsneigung des Granulates im Rohrreaktor darzustellen. Die dabei erzielten Ergebnisse sind in der
nachstehenden Tabelle 2 wiedergegeben.
Beispiel Nr. kg N2: kg PET ,,,„„,£
AT
(C)
(C)
9 | 0,3: | 0,72 | 5 |
10 | 0,5: | 0,83 | 4 |
11 | 0,7: | 0,90 | 2 |
12 | 1,0: | 0,94 | 2 |
13 | 2,0: | 0,98 | 1 |
ΔΤ
( C)
( C)
14 | 3,0:1 | 1,0 | 1 |
15 | 4,0:1 | 1,01 | 1 |
16 | 5,0:1 | 1,01 | 1 |
Bei den Versuchen 9 bis 16 trat in keinem Falle eine Verklebung des Granulats im Rohrreaktor auf. Bei
jedem Versuch war eine gleichmäßige Durchströmung des Rohrreaktors gesichert, was durch Temperaturmessungen
über dem Querschnitt des Rohrreaktors festgestellt werden konnte. Die gemessene Temperaturdifferenz
Δ T sind in der letzten Spalte der Tabelle 2 angegeben. Die Variation des Temperaturgradienten
zlTerklärt sich aus den unterschiedlichen Kreislaufverhältnissen
Stickstoff zu Granulat. Falls Verklebungen aufgetreten wären, hätte ein wesentlich größeres Δ Tin
2« der Größenordnung von 100C und darüber auftreten
müssen. Weiterhin zeigen die Beispiele 9 bis 16, daß ein wesentlicher Anstieg der Endviskosität 7jin,r.£ erst mit
einem Gewichtsverhältnis Stickstoff zu Granulat von über 0,7 :1 zu erreichen ist. Ein weiteres Heraufsetzen
dieses Gewichtsverhältnisses auf Werte über 3 :1 bringt keine nennenswerten Verbesserungen mehr. Eine
Vergrößerung des Gewichtsverhältnisses würde auch eine Vergrößerung des im Kreislauf befindlichen
Inertgasvolumens mit sich bringen, woraus höhere
jo Energieverbriiuche resultieren würden.
Beispiele 17 bis 22
Die in der nachstehenden Tabelle 3 angegebenen Beispiele 17 bis 22 wurden aus Versuchen erhalten, die
mit Hilfe der bezüglich der Beispiele 1 bis 8 erläuterten Apparatur durchgeführt worden sind. Die Tabelle 3
zeigt die Abhängigkeit der Dichte (g/cm3) des verwendeten Polyäthylenterephthalat-Granulats von
der Kristallisationszeit /«und der Kristallisationstemperatur
7"*. Für jedes der Beispiele 17 bis 22 wurde für jede
der gewählten Kristallisationszeiten 5 Kristallisationsversuche bei unterschiedlichen Kristallisationstemperaturen
durchgeführt. Die Intrinsic-Viskosität des verwendeten Granulats betrug 0,54.
17 | 0,5 | 1,390 | 1,395 | 1,402 | 1,403 | 1,403 |
18 | 1 | 1,395 | 1,400 | 1,405 | 1,409 | 1,408 |
19 | 1,5 | 1,398 | 1,402 | 1,406 | 1,412 | 1,410 |
20 | 2 | 1,400 | 1,405 | 1,408 | 1,414 | 1,410 |
21 | 3 | 1,401 | 1,407 | 1,411 | 1,416 | 1,411 |
22 | 4 | 1,401 | 1,408 | 1,412 | 1,416 | 1,410 |
Wie Tabelle 3 zu erkennen gibt, liegen die gewählten
Kristallisationszeiten und Kristallisationstemperaturen innerhalb der erfindungsgemäßen Grenzen. Die bei der
Kristallisation erzielten Dichtewerte des Polyäthylentcrephthalat-Granulats ließen in jedem Fall eine Feststoff-Polykondensation unter den erfindungsgemäßen Bedingungen zu, wobei keinerlei Verklebungserscheinungen
festgestellt wurden.
In einer weiteren Versuchsreihe wurden die Einflüsse
verschiedener Verunreinigungen des Inertgases auf den Polykondensationsverlauf untersucht, nachdem sich
zuvor gezeigt hatte, daß auch bei geringen Gewichtsverhältnissen Stickstoff zu Granulat keine Verklebungen aufgetreten waren. Die in den Beispielen 23 bis 30 in
der nachfolgenden Tabelle 4 wiedergegebenen Ergebnisse wurden mit Hilfe der bezüglich der Beispiele 1 bis
8 beschriebenen Apparatur durchgeführt. Zum Einsatz gelangte ein Polyäthylenterephthalat-Granulat mit
einer Anfangsviskosität von 0,58. Die Kristallisationszeit betrug 1,5 Stunden bei 2300C; nach dem
Kristallisieren betrug die Dichte des Granulats 1,402 g/ cm3. Das Granulat wurde für die Dauer von 6 Stunden
bei 2300C im Rohrreaktor polykondensiert. Dabei wurde in den einzelnen Versuchen das Inertgas mit
unterschiedlichen Mengen an H2O und Äthylenglykol
angereichert.
Beispiel Nr. Äthylenglykol H2O
(mg/kg N2) (mg/kg N2)
23 | 0 | 62 | 1,05 |
24 | 12 | 41 | 1,03 |
25 | 28 | 41 | 0,98 |
26 | 53 | 48 | 0,92 |
27 | 10 | 102 | 1,01 |
28 | 19 | 245 | 0,98 |
ιυ
15
20
25
10
Äthylenglykol
(mg/kg N2)
(mg/kg N2)
H2O
(mg/kg N2)
15
21
21
319
464
464
0,94
0,89
0,89
Aus der Tabelle 4 ist ersichtlich, daß eine Erhöhung des Äthylenglykols im Kreislaufinertgas die erzielbare
Endviskosität i\mtr.E herabgesetzt (Beispiele 24 bis 26).
Tabelle 4 gibt auch zu erkennen, daß ein niedrig gehaltener Wasserwert im Kreislaufinertgasstrom
kaum einen Einfluß auf die Endviskosität t\mlr.E nimmt.
Eine Erhöhung des Wassergehalts über etwa 250 mg/kg N2 im Inertgasstrom führt allerdings zu einer Reaktionsbeeinflussung, so daß niedrigere Endviskositätswerte
erreicht wurden (Beispiele 28 bis 30).
Beispiele 31 bis34
Zur Untersuchung des Einflusses eines Sauerstoffgehalts im Kreislauf-Inertgas auf das Granulat wurden in
vier Versuchen unter den übrigen Bedingungen des Beispiels 23 dem Inertgasstrom unterschiedliche Mengen
O2 zugesetzt. Der Stickstoff hatte einen Ausgangs-O2-Gehalt
von 4 bis 5 mg/kg N2. Die erzielten Ergebnisse sind in Tabelle 5 dargestellt.
Beispiel Nr. O2
(mg/kg N2)
Äthylenglykol H2O (//1,,,.£
(mg/kg N2) (mg/kg N2)
Yellownessindex nach
ASTM D 1925
ASTM D 1925
31 | 4- 5 | 0 | 62 | 1,04 | 4 |
32 | 9-10 | 0 | 62 | 1,04 | 5 |
33 | 14-15 | 0 | 62 | 1,02 | 8 |
34 | 24-25 | 0 | 62 | 1,00 | 14 |
Die in Tabelle 5 angegebenen Werte iassen erkennen, daß 02-Gehalte
> 10 mg/kg N2 im Inertgas zu erheblichen Farbverschlechterungen des Granulates
führen. Andererseits nimmt die Endviskosität des Granulats bei der Feststoff-Polykondensation bei den
untersuchten Sauerstoffgehalten des Inertgases nur unwesentlich ab.
Beispiele 35 bis 38
In einer weiteren Versuchsreihe wurde der Einfluß ίο
der Feststoff-Polykondensationstemperatur 7> im Rohrreaktor auf die erzielbare Endviskosität η/ηΙΓ.Ε
untersucht, wobei wiederum die Apparatur gemäß der Beispiele 1 bis 8 verwendet wurde. Die Ausgangsviskosität
des Granulates betrug 0,67 bei einer Granulatgröße von 4x4 χ2 mm. Die Kristallisationstemperatur Tk
wurde jeweils entsprechend der Polykondensationstemperatur
Tf gewählt. Die Kristallisationszeit betrug 1,5 Stunden, diejenige der Feststoff-Polykondensation 6
Stunden. Der Stickstoff wurde nicht regeneriert.
Vergleichs- Vergleichs- Beispiel Beispiel Beispiel Beispiel
Beispiel 11 Beispiel 12 Nr. 35 Nr. 36 Nr. 37 Nr. 38
Tp ί C) | 200 | 210 | 220 | 230 | 240 | 250 |
l/inlr.E | 0,74 | 0,81 | 0,83 | 0,95 | 1,02 | 1,14 |
DK (g/cm3) | 1,390 | 1,394 | 1,398 | 1,402 | 1,406 | 1,412 |
Die in Tabelle 6 wiedergegebenen Versuchsergebnisse zeigen, daß zum Erreichen einer Endviskosität ·ηύατ£
>QS bei gleichbleibender Feststoff-Polykondensationszeit mindestens eine Feststoff-Polykondensationstemf>
5 peratur 7>über 2200C zu wählen ist In der letzten Zeile
der Tabelle 6 sind die Dichten nach der Kristallisation angegeben.
Beispiele 39 bis 45
In einer weiteren Versuchsreihe, deren Ergebnisse in
Tabelle 7 angegeben sind, wurde das Endgrupponverhältnis OH zu COOH im Ausgangsmaterial auf den
Verlauf der Feststoff-Polykondensation untersucht, wobei wiederum die bezüglich der Beispiele 1 bis 8
erläuterte Apparatur verwendet wurde. Die Kristallisa-
tion wurde bei 2451C durchgeführt, während die
Festsloff-Polykondensationstemperatur 2400C betrug. Nach dem Kristallisieren betrug die Dichte 1,409 g/cm3.
Die Kristallisationszeit betrug 1,5 Stunden, diejenige der Feststoff-Polykondensation 6 Stunden. In der nachfolgenden
Tabelle 7 ist die Ausgangsviskosität als r\i„lr.o
bezeichnet.
Beispiel Nr. | i/inlr.O | OH | COOH | OH zu COOH | t/intr.E |
(mäq/kg) | (mäq/kg) | ||||
39 | 0,50 | 113,0 | H,3 | 10,00:1 | 1,12 |
40 | 0,57 | 90,0 | 13,9 | 6,47:1 | 1,08 |
41 | 0,62 | 80,5 | 12,7 | 6,34:1 | 1,08 |
42 | 0,62 | 69,1 | 22,9 | 3,02:1 | 1,08 |
43 | 0,59 | 66,9 | 28,1 | 2,38:1 | 0,99 |
44 | 0,57 | 60,6 | 40,1 | 1,51:1 | 0,94 |
45 | 0,61 | 50,6 | 41,4 | 1,22:1 | 0,87 |
Die Versuchsergebnisse gemäß der in Tabelle 7 wiedergegebenen Beispiele 39 bis 45 veranschaulichen
deutlich, daß bei Endgruppenverhältnissen OH zu COOH im Ausgangsmaterial über 3 :1, bei sonst nahezu
gleichen Ausgangsviskositäten und gleichen Reaktions- so bedingungen höhere Endviskositäten im Polyäthylenterephthalat-Granulat
zu erreichen sind.
Die Apparatur zur Bestimmung der in den Beispielen 1 bis 8 erwähnten relativen Verkiebungswerte V wird
nachfolgend anhand der das Gerät in schematischer r> Darstellung wiedergebenden Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung bezeichnet die Bezugszahl 10 einen aus Edelstahl bestehenden Behälter, der das eigentliche
Meßgefäß darstellt. Dieses ist mit einem Heizmantel 11
umgeben, der über die Anschlußstutzen 11a und 116 mit
einem Heizmedium, beispielsweise mit umgewälztem Öl, beaufschlagt werden kann. Die Temperatur des
Heizmediums kann beispielsweise in einer Heizeinrichtung 12 mit Thermostatsteüerung eingestellt werden.
Der Heizmantel 11 ist von einer isolierenden Umhüllung 4r>
13 umgeben, die in der Zeichnung durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist.
Innerhalb des Behälters 10 und koaxial zu diesem ist
eine Rührvorrichtung 14 angeordnet, die mit mehreren, von der Drehachse abstehenden Fortsätzen 15 ausgestattet
ist. Die Rührvorrichtung ist am unteren Ende einer Antriebswelle 16 befestigt, die nach oben hin zu
einem Antriebsmotor 17 führt, dessen Gehäuse drehbar aufgehängt ist und mit einer Anzeige- bzw. Auswertevorrichtung
18 in Verbindung steht Diese besteht aus einem Hebelarm 18a mit einem Schreibstift 186 und
einer Schreibwalze 18c Die Antriebswelle 16 ist mit dem Antriebsmotor 17 über eine lösbare Kupplung 19
verbunden, um die Rührvorrichtung 14 nach jeder Messung in axialer Richtung erneut kräftefrei einstellen w
zu können.
In dem Behälter 10 ist im unteren Teil ein
kreisscheibenförmiges Wandelement 20 mit nicht näher bezeichneten öffnungen ortsfest angeordnet. In definiertem
Abstand darüber und parallel dazu ist ein zweites, in senkrechter Richtung bewegliches Wandelement
21 von im wesentlichen gleichen Abmessungen angeordnet durch welches die Antriebswelle 16 in der
Weise hindurchgeführt ist, daß sich die Rührvorrichtung 14 zwischen den beiden Wandelementen 20 und 21
befindet. Das obere bewegliche Wandelement liegt an einer Hohlstrebe 22 an, welche die Antriebswelle 16
koaxial umgibt. Die Hohlstrebe 22 ist an ihrem oberen Ende über ein Gelenk 23 mit einem Hebelarm 24
verbunden, der durch ein in horizontaler Richtung verschiebbares Gewicht 25 unterschiedlich belastbar ist.
Der Hebelarm 24 besitzt einen Drehpunkt 26. der mittels einer Betätigungsspindel 27 höhenverstellbar ist.
Zur Ermittlung der Höhenlage bei horizontaler Ausrichtung des Hebelarms dient eine Anzeigevorrichtung
28, die aus einem Zeiger 28a und einer Skala 28/>
besteht. Mittels der Betätigungsspindel 27 ist es möglich, den Hebelarm 24 in Abhängigkeit von der Schüttgutmenge
zwischen den Wandelementen 20 und 21 stets horizontal auszurichten. Der Abstand zwischen den
Wandelementen 20 und 21 entspricht hierbei der Schichthöhe und ist an der Anzeigevorrichtung 28 zu
ermitteln. Die Kraftübertragung vom Hebelarm 24 auf das bewegliche Wandelement 21 erfolgt über die
Hohlstrebe 22 nach Maßgabe der Hebelgesetzte. Am freien Ende des Hebelarms 24 befindet sich eine
verstellbare Führung 29.
Unterhalb des unteren Wandelements 20 befindet sich eine Füllung 30 aus beispielsweise Glasringen, um
eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den gesamten Querschnitt des Behälters 10 zu erhalten. In
dieser Füllung ist ein Temperaturfühler 31 zur Erfassung der Prozeßtemperatur angeordnet Zwischen den
Wandelementen 20 und 21 befindet sich eine Schüttung 32 aus dem zu untersuchenden Granulat In der
Randzone dieser Schüttung ist auf dem Umfang verteilt eine Reihe von Schikanen 33 angeordnet die eine
Rotation der Schüttung verhindern sollen. In diese Schüttung ragt von oben durch das Wandelement 21
hindurch ein Temperaturfühler 34 hinein. Oberhalb des oberen Wandelements 21 befindet sich eine weitere
Schüttung 35 aus dem gleichen zu untersuchenden Granulat und darüber eine Füllung 36 aus Glaswolle, um
einerseits Wärmeverluste zu vermindern und andererseits den Zutritt von Luftsauerstoff zu verhindern.
Dem Behälter 10 vorgeschaltet ist eine Gasquelle 37,
beispielsweise für die Beschickung des Behälters mit Stickstoff. Die abgegebene Gasmenge wird über einen
Mengenmesser 38, beispielsweise in Form eines Rotameters, bestimmt. Das Gas tritt nachfolgend in
einen Gaserhitzer 39 ein, der aus einem liegenden Zylinder 40 mit einem Heizelement 41 besteht. Die
Gastemperatur wird mittels eines Temperaturfühlers 42 und eines Leistungsreglers 43 für das Heizelement 41
geregelt.
Aus der Anordnung der Fortsätze 15 des Rührers 14 im Winkel von 120 Grad zueinander sowie in
unterschiedlicher Höhe ergibt sich, daß das Granulat in dem von den Fortsätzen erfaßten Bereich zu Beginn
einer jeden Messung nach etwa 03 Umdrehungen der Rührvorrichtung eine geringfügige Bewegung erfährt,
während die Granulatteilchen nach einer vollen Umdrehung fast sämtlich einmal gegeneinander bewegt
werden. Eine ggf. vorher bestehende Verklebung wird spätestens bis zu diesem Zeitpunkt weitgehend aufgehoben,
so daß das verbleibende Drehmoment im Anschluß daran nur noch auf die normale Reibung der
Granulatteilchen gegeneinander und an der Fläche des Rührers zurückzuführen ist.
Die Messung der Verklebung zwischen den Granulatteilchen wurde mit Hilfe des vorstehend beschriebenen
Gerätes wie folgt vorgenommen. Nach Anbringung der Rührvorrichtung 14 wurden 850 g des der Messung
zugrundezulegenden Polyäthylenterephthalat-Granulats
eingefüllt und darauf das Wandelement 21 aufgelegt. Nach Einfüllen der Glaswolle und Aufstek- m
kung der Hohlstrebe 22 wurde der Hebelarm 24 aufgelegt Der Hebelarm 24 wurde mit einem Gewicht
25 von 80 kp belastet, was einem statischen Druck (am Boden) einer Polyäthylenterephthalat-Granulathöhe
von 7,1 m entsprach. Die Querschnittsfläche des ir> Granulats in der Schüttung 32 betrug 122 cm2. Die
Belastung von 80 kp wurde bei allen Versuchen gemäß der Beispiele 1 bis 8 beibehalten. Die Höhe der
Schüttung 32 wurde mit Hilfe der Anzeigevorrichtung 28 festgestellt. Die schreibende Anzeigevorrichtung 18 4»
wurde auf die 0-Marke eingestellt und der Hebelarm 18a wurde mit einer in seiner Längsrichtung wirkenden
(nicht dargestellten) Zugfeder belastet. Die Größe der Zugfeder wurde je nach erwartetem Drehmoment
gewählt. Es wurden Federn mit 28 mm, 50 mm und ίί
118 mm Dehnung je kp Zugspannung verwendet. Der Hebelarm 18a hatte eine Länge von 28 cm. Nach
Anziehen der lösbaren Kupplung 19 wurde die erste Messung bei Zimmertemperatur (25° C) durchgeführt.
Zur Messung wurde zur gleichen Zeit der Motor 17 und die schreibende Anzeigevorrichtung 18 in Bewegung
gesetzt. Dabei betrug die Rührerdrehzahl maximal 2 U/min. Der Papiervorschub wurde mit 26 cm/min
eingestellt Danach wurde die Kupplung 19 gelöst und ein Gasstrom von 6 Nm3 N2/h eingestellt. Anschließend
wurde die Heizeinrichtung 12 angeschaltet und der zugehörige Thermostat auf eine öltemperatur eingestellt,
bei welcher die nachfolgende Messung der Reibung und Verklebung durchgeführt wurde. Der
N2- Erhitzer wurde angeschaltet und auf eine Tempera- feo tür an dem Temperaturfühler 42 eingestellt, bei der die
gewünschte Meßtemperatur an den Temperaturfühlern 31 und 34 in etwa 40 min zu erreichen war, ohne daß
diese Temperatur am Meßfühler 31 um mehr als 1°C überschritten wurde. Die Temperatur am Temperaturfühler
42 war deshalb meistens 15 bis 7°C höher als am Temperaturfühler 31. Nach Durchführung der letzten
Messung und Abkühlung unter 2000C wurden alle
Heizelemente und der NrStrom abgestellt Nach Entfernung der Glaswolle und der übrigen abzunehmenden
Bauteile des Meßgeräts und Abkühlung des Granulats auf Zimmertemperatur wurde das Granulat
entnommen und anhand einer Durchschnittsprobe die Intrinsic-Viskosität und die Dichte bestimmt
Aus den an der schreibenden Anzeigevorrichtung 18
entstandenen Aufzeichnungen des Drehmomentverlaufs wurden die V-Werte ermittelt Bei den Aufzeichnungen
handelt es sich um Drehmomentskurven, deren Abstand von der Abszisse dem am Rührer angreifenden
Drehmoment proportional ist. Als Abszisse wurde die Zahl der Umdrehungen des Rührers gewählt, weil diese
den Sachverhalt der zu messenden Verklebung der Schnitzel in Abhängigkeit von deren Bewegung bei der
Messung am besten wicderspiegelt Die Drehzahl des Rührers und die Dauer der Messung spielten demgegenüber
eine untergeordnete Rolle. Bei den V-Werten handelt es sich um relative Zahlen, d. h. um Drehmomenten
in Nm, welche der Verklebungskomponente entsprechen. Die Absolutwerte der V-Werte hängen
selbstverständlich noch von der Geometrie der Meßapparatur, insbesondere von der Zahl und Größe
der Stifte am Meßrührer ab. Der K-Wert repräsentiert die »Stärke« bzw. »Festigkeit« der Verklebung, dies
allerdings nur bei höheren Temperaturen, insbesondere bei der Temperatur, bei der die Feststoff-Polykondensation
erfolgt. Während, wie ausgeführt, auf der Abszisse die Anzahl der Umdrehungen der Rührvorrichtung
aufgetragen war, wurde auf der Ordinate das jeweilige Drehmoment im Nm angegeben. Die Kurven zeigten
sämtlich einen charakteristischen Verlauf, nämlich ein hohes Drehmoment zu Beginn der Messung, d. h. beim
»Aufbrechen« etwa bestehender Verklebungen, und ein niedrigeres Drehmoment im Anschluß daran.
Zum Zwecke der Auswertung wurden die Maxima der aufgezeichneten Kurven miteinander verbunden. Im
Anschluß daran wurde parallel zur Abszisse eine Gerade in der Weise durch die erhaltene Kurve gelegt,
daß die Flächenabschnitte unterhalb und oberhalb der Geraden möglichst gleich groß sind. Auf diese Weise
wird ein Mittelwert der Maxima erhalten, der im wesentlichen durch die Reibung bedingt ist und daher
kurz als /?-Wert bezeichnet wird.
Außerdem wird parallel zur Abszisse eine zweite Gerade in analoger Weise durch die anfangs auftretenden
höheren Maxima gelegt. Auch auf diese Weise wird ein Mittelwert erhalten, wobei jedoch je nach
Ausbildung der Maxima ein unterschiedlich großer Kurvenabschnitt zu berücksichtigen ist. Dieser Abschnitt
liegt in der Praxis im allgemeinen zwischen 0,3 und 1,1 Umdrehungen der Rührvorrichtung. Da die
Überhöhung über den /?-Wert hinaus bei entsprechend hoher Temperatur auf die Verklebung innerhalb der
Schüttung zurückzuführen ist, wird die Differenz zwischen den beiden Geraden durch die unterschiedlichen
Maxima als sogenannter V-Wert bezeichnet Der V-Wert repräsentiert dabei vor allem die Stärke bzw.
Festigkeit der Verklebung.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von
hochmolekularem Polyäthylenterephthalat durch Polykondensation in fester Phase, bei welchem in
der Schmelze polykondensiertes, nach Verfestigung granuliertes und getrocknetes Polyäthylenterephthalat
das eine Intrinsic-Viskosität von mindestens 0,15 — gemessen in einer Lösung von 0,5 g
Polyäthylenterephthalat in 100 ml eines Gemisches aus Phenol und Tetrachloräthan (60:40) bei einer
Temperatur von 25° C — aufweist, in einem Inertgasstrom der Feststoff-Polykondensation unterworfen
wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Granulat vor Beginn der Feststoff-Polykondensation
unter erzwungener Bewegung bei Temp-eraturen
zwischen 220 und 2öO°C unter Inerigasatmosphäre bis zu einem Dichtewert von mindestens
1390 g/cm3 kristallisiert wird, worauf das kristallisierte
Granulat bei gleichbleibender oder niedrigerer Temperatur unter Vermeidung eines Luftzutritts
in einen kontinuierlich arbeitenden Festbettreaktor übergeführt und dort bei einer der Kristallisatiomstemperatur
entsprechenden oder niedrigeren Temperatur polykondensiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallisation bei einer Temperatur
zwischen 230 und 245° C bis zu einem Dichtewert zwischen 1,403 und 1,415 g/cm3 durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoff-Polykondensation
bei einer Temperatur zwischen 230 und 2450C erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial
ein Endgruppenverhältnis OH zu COOH von mindestens 1,5 :1, vorzugsweise von 3 :1 und höher,
aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallisationsdauer zwischen 0,5 und 3 Stunden, vorzugsweise
zwischen 1 und 2 Stunden, beträgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der als Inertgas zur Anwendung
gelangende Stickstoff einen Wassergehalt
< 250 mg/kg N2, einen Äthylenglykolgehalt
< 10 mg/kg N2, einen Sauerstoffgehalt
< 10 mg/kg N2 und einen Aldehydgehalt < 1 mg/kg N2 besitzt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis
Stickstoff zu Granulat in der Feststoff-Polykondensation zwischen 0,7 :1 und 3:1, vorzugswei.se
zwischen 1 :1 und 2 :1, liegt.
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