生物基 PTT(聚对苯二甲酸丙二醇酯)的制备工艺主要有直接酯化法(PTA法)和酯交换法(DMT法)。由于PTA 价格比 DMT便宜,且 PTA法生产成本较低,工艺成熟、合理,生产效率高,生产过程中产生的水比甲醇更容易处理,回收过程更简化,并能减少环境污染,因此直接酯化法是大规模制备PTT的主要方法。
在PTA法制备过程中,将PTA和1,3-丙
二醇进行酯化反应,生成对苯二甲酸丙二酯,这一过程可采用 Ti 催化剂,在260-275℃常压下进行,酯化时间 100-140min,原料摩尔比1.4。酯化完成后,经过降温、降压进行缩聚反应,即可得到 PTT。具体来说,先在 255-270℃下把压力降至10KPa进行预缩合,30-45min 后再将压力降至0.2KPa进行缩聚反应,时间为 160 -210min。
PTA与1,3-丙二醇的摩尔比为 1:1.4(PTA过量40%),这看似违背了化学计量学原理,但实际上在工业聚酯生产中非常常见。
核心原因: 反应平衡与产物移除酯化反应是可逆反应
PTA+1,3-丙二醇-->对苯二甲酸丙二酯+2H2O
根据勒夏特列原理,要提高转化率并推动平衡向右移动,需要采取一些策略,比如:
1) 移除产物水: 通入氮气或抽真空带走生成的水。
2) 增加某一反应物浓度: 让1,3-丙二醇过量(摩尔比1.4)。
3) 及时分离产物: 预缩合和缩聚阶段逐步降压。
选择1,3-丙二醇过量的具体原因包括:
1. PTA是固体粉末,1,3-丙二醇是液体。让液体二醇过量可以:
•作为反应介质/溶剂,使固相PTA更好地分散和接触
•降低体系粘度,改善传热传质
2. 1,3-丙二醇沸点较高(约214°C),在260-275°C反应温度下不易挥发损失,适合过量使用。
3. PTA过量反而有害:如果PTA过量,未反应的对苯二甲酸难以分离,且可能导致产物酸值过高、色泽变差。
4. 后续回收循环:过量的1,3-丙二醇可以通过蒸馏回收,重新用于反应,实际消耗量仍接近化学计量比。
合成的工艺条件也支持1,3-丙二醇过量这一点:
•酯化温度 260-275°C(高于1,3-丙二醇沸点,需加压或及时回流)
•酯化时间 100-140分钟(足够让过量二醇充分反应)
•后续预缩合压力降至 10 kPa → 最终 0.2 kPa(逐步移除残留二醇和低聚物)
总结:
1.4的摩尔比是工程优化结果,不是化学计量比。它通过增加廉价易回收的1,3-丙二醇投料量,来提高PTA的实际转化率、加快反应速率,并改善工艺操作性。最终产品中两者的结构单元仍然是1:1。
这在PET(对苯二甲酸乙二醇酯)生产中也一样——工业上EG(乙二醇)通常过量约1.1-1.5倍。