王玉合，戴鈞明，王樹(shù)霞，司 虎

（中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司研究院，江蘇儀征 211900）

研究論文

鈦系聚酯預(yù)結(jié)晶性能探索

王玉合，戴鈞明，王樹(shù)霞，司 虎

（中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司研究院，江蘇儀征 211900）

主要通過(guò)DSC對(duì)鈦催化劑合成PET聚酯的預(yù)結(jié)晶性能進(jìn)行了研究，以探索鈦催化劑對(duì)聚酯預(yù)結(jié)晶性能的影響，并將其與銻系聚酯進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，相比較銻系聚酯，鈦催化劑合成PET聚酯切片內(nèi)部殘留結(jié)晶度低，冷結(jié)晶速度慢，同樣工藝條件下鈦系聚酯預(yù)結(jié)晶過(guò)程更容易粘結(jié)。

鈦催化劑 PET聚酯 預(yù)結(jié)晶

PET聚酯具有吸濕傾向，如不對(duì)其進(jìn)行處理而直接用于拉膜、紡絲，會(huì)導(dǎo)致切片進(jìn)入螺桿擠壓機(jī)時(shí)由于結(jié)晶度和軟化點(diǎn)較低，在高溫下粘結(jié)螺桿，造成“環(huán)結(jié)”阻料現(xiàn)象。同時(shí)切片含有的水分在高溫熔融過(guò)程中會(huì)引起聚合物大分子斷裂，直接導(dǎo)致切片的后加工性能變差。因此紡絲、拉膜前一般都要對(duì)切片進(jìn)行干燥處理，降低切片的含水率。同時(shí)為防止切片在干燥過(guò)程中發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象，干燥前還需對(duì)切片進(jìn)行預(yù)結(jié)晶處理，以提高切片的結(jié)晶度和軟化點(diǎn)。由此可以看出，預(yù)結(jié)晶在整個(gè)后道加工過(guò)程中起到了不可忽視的作用。

筆者主要通過(guò)DSC對(duì)鈦催化劑合成PET聚酯預(yù)結(jié)晶性能進(jìn)行探索，并與銻系聚酯進(jìn)行對(duì)比，以考察不同催化劑對(duì)聚酯預(yù)結(jié)晶過(guò)程的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 原料

試驗(yàn)所用原料為中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司生產(chǎn)的鈦系聚酯切片與銻系聚酯切片。

1.2 儀器與設(shè)備

美國(guó)Voscotek公司Y501相對(duì)粘度儀；安捷倫氣相色譜儀；Perkin-Elmer公司DSC-7型差示掃描量熱儀；Perkin-Elmer公司TAC／DX型熱重分析儀。

1.3 表征分析

a）特性粘數(shù)分析：美國(guó)Voscotek公司Y501相對(duì)粘度儀，溫度（25±0.1）℃，溶劑為苯酚∶四氯乙烷＝3∶2（質(zhì)量比）；

b）端羧基分析：采用容量滴定法滴定，溶劑為苯酚∶三氯甲烷＝2∶3（體積比），滴定溶液為氫氧化鉀－乙醇標(biāo)準(zhǔn)溶液，指示劑為溴酚藍(lán)；

c）DSC分析：將PET樣品從室溫以10℃／min升溫至290℃，保持5 m in，然后以400℃／m in的速度降溫至25℃，再以10℃／min的升溫速度從25℃升高到290℃，保持5 m in，最后以10℃／min的速度降溫至100℃。

d）DEG含量分析：將樣品溶于甲醇，利用氣相色譜儀測(cè)試，通過(guò)內(nèi)標(biāo)法計(jì)算出二甘醇含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 鈦系聚酯常規(guī)性能

鈦系聚酯和銻系聚酯常規(guī)性能如表1所示。

表1 鈦系聚酯和銻系聚酯常規(guī)性能

由表1數(shù)據(jù)可知，相比銻系聚酯，鈦系聚酯的端羧基含量與二甘醇含量偏低，同時(shí)色值L與b值偏大，即鈦系聚酯比銻系聚酯的外觀(guān)更亮，但同時(shí)偏黃。這是由于在縮聚過(guò)程中，鈦系催化劑比銻系催化劑更容易引起苯環(huán)的羥基化以及化合物的羥基結(jié)構(gòu)向醌型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致PET的顏色泛黃［1］。PET在聚合過(guò)程中同時(shí)伴隨有熱降解反應(yīng)，熱降解可引起分子鏈斷裂，相對(duì)分子質(zhì)量降低，生成著色的乙烯基團(tuán)和凝膠而使切片色澤泛黃［2］。催化劑對(duì)PET的熱降解起著關(guān)鍵作用，因?yàn)榭s聚反應(yīng)是可逆反應(yīng)，催化劑催化縮聚的同時(shí)也催化熱降解反應(yīng)和副反應(yīng)，鈦催化劑催化活性高于銻系催化劑，因此鈦催化劑對(duì)熱降解反應(yīng)和副反應(yīng)的催化活性也高于銻催化劑，導(dǎo)致產(chǎn)物b值偏高。

2.2 鈦系聚酯熱性能

表2、3分別為鈦系聚酯與銻系聚酯樣品的DSC原始熱性能數(shù)據(jù)及消除熱歷史熱性能數(shù)據(jù)。

表2 PET試樣DSC原始熱性能

表3 PET試樣DSC消除熱歷史熱性能

從表2中冷結(jié)晶峰溫Tc可以粗略判斷切片的預(yù)結(jié)晶狀態(tài)。鈦系聚酯的Tc遠(yuǎn)高于銻系聚酯，說(shuō)明鈦系聚酯在后道預(yù)結(jié)晶過(guò)程中相比銻系聚酯容易發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象。熔融結(jié)晶峰溫Tmc與高聚物在熔體冷卻過(guò)程中的結(jié)晶難易程度有關(guān)，Tmc值越大，高聚物從熔融狀態(tài)降溫過(guò)程中越容易形成結(jié)晶。表3數(shù)據(jù)顯示鈦系聚酯的Tmc高于銻系聚酯，表明鈦系聚酯在熔融降溫過(guò)程中容易形成結(jié)晶?！鱄c＋△Hm值可粗略描述熔體經(jīng)切粒后切片內(nèi)部的殘留結(jié)晶度，銻系聚酯的△Hc＋△Hm值遠(yuǎn)大于鈦系聚酯，說(shuō)明銻系聚酯切片內(nèi)部的結(jié)晶度大于鈦系聚酯，即同樣的切粒溫度下銻系聚酯的結(jié)晶速度快于鈦系聚酯。

聚酯的過(guò)熱度（△T過(guò)熱）反映了聚酯在拉伸溫度下的冷結(jié)晶性能，其值越大，表明拉伸工藝的加工區(qū)間越大，越有利于拉伸。過(guò)冷度（△T過(guò)冷）表征高聚物在高溫下相對(duì)結(jié)晶成核的難易程度，過(guò)冷度越大，表明從熔融到結(jié)晶越慢，相對(duì)結(jié)晶成核越慢，且結(jié)晶過(guò)程主要受均相成核控制。結(jié)晶峰溫差△Tc反映了聚酯是否容易驟冷為無(wú)定形態(tài)，值愈小表示聚酯愈易驟冷為無(wú)定形態(tài)。

表4為兩種聚酯的結(jié)晶性能數(shù)據(jù)。由表4數(shù)據(jù)可知，鈦系聚酯的△T過(guò)熱與銻系聚酯相當(dāng)，△T過(guò)冷值小于銻系聚酯，△Tc值大于銻系聚酯，表明相同條件下銻系聚酯容易驟冷為無(wú)定形態(tài)，在同樣的拉伸溫度下兩種催化劑合成PET聚酯的拉伸性能相當(dāng)，而鈦系聚酯在相同的熱定型溫度下結(jié)晶速度快于銻系聚酯。

表4 PET試樣結(jié)晶性能

2.3 鈦系聚酯預(yù)結(jié)晶性能初探

因?yàn)镻ET有光切片的軟化點(diǎn)較低，為了防止聚酯切片在干燥過(guò)程中結(jié)塊和進(jìn)入擠出機(jī)時(shí)發(fā)生抱螺桿現(xiàn)象，必須對(duì)它們進(jìn)行預(yù)結(jié)晶和干燥處理，使其轉(zhuǎn)變成堅(jiān)硬的、不透明的結(jié)晶體。一方面提高聚合物的軟化點(diǎn)，避免其在干燥和熔融擠出過(guò)程中切片粒子互相粘連、結(jié)塊；另一方面去除切片中的水分，防止聚合物的酯基在熔融塑化過(guò)程中發(fā)生水解和產(chǎn)生氣泡。預(yù)結(jié)晶過(guò)程可視作恒溫結(jié)晶過(guò)程，在180℃以下聚酯恒溫結(jié)晶一般隨溫度升高而加快，為了在短時(shí)間內(nèi)將結(jié)晶度提高至30%～35%，通常預(yù)結(jié)晶溫度要在140℃以上［3］。

PET的預(yù)結(jié)晶和干燥設(shè)備通常采用帶有結(jié)晶床的填充塔?；旌虾蟮奈锪贤ㄟ^(guò)旋轉(zhuǎn)閥先進(jìn)入預(yù)結(jié)晶器，被具有一定壓力的熱風(fēng)加熱并呈沸騰狀態(tài)而結(jié)晶。經(jīng)過(guò)預(yù)結(jié)晶的物料在此停留一定時(shí)間后便在循環(huán)熱風(fēng)的推動(dòng)下，緩慢進(jìn)入充填式干燥塔，與來(lái)自塔底的干熱空氣進(jìn)行對(duì)流、熱交換，將物料中的水分帶走，完成干燥的目的。通常情況下，預(yù)結(jié)晶溫度150～160℃，預(yù)結(jié)晶時(shí)間10～25 min，干燥溫度170℃左右，干燥時(shí)間約3～5 h［4，5］。筆者利用鼓風(fēng)烘箱，選取145，150，155，160℃4個(gè)溫度對(duì)兩種催化劑合成的PET聚酯的預(yù)結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行了模擬，以考察兩種聚酯切片預(yù)結(jié)晶過(guò)程中發(fā)粘情況及結(jié)晶后熱性能的差異。

2.3.1 鈦系聚酯預(yù)結(jié)晶發(fā)粘分析

表5為兩種催化劑合成PET聚酯預(yù)結(jié)晶過(guò)程中發(fā)粘情況。由表5可知，在145℃的溫度下預(yù)結(jié)晶5～20 m in，鈦系聚酯和銻系聚酯均未發(fā)生發(fā)粘情況；當(dāng)溫度高于150℃，鈦系聚酯和銻系聚酯均不同程度地發(fā)生了粘結(jié)現(xiàn)象，且發(fā)粘程度均隨著預(yù)結(jié)晶溫度升高及時(shí)間的延長(zhǎng)而加重，開(kāi)始結(jié)塊或成餅狀。同時(shí)，隨著溫度的升高，相同的條件下鈦系聚酯的發(fā)粘程度要比銻系聚酯加劇，這與Tc數(shù)據(jù)規(guī)律一致。根據(jù)相關(guān)研究報(bào)道，切片在預(yù)結(jié)晶和烘干條件下是否結(jié)塊，取決于切片在結(jié)晶條件下形成的片晶尺寸，而片晶尺寸決定其結(jié)晶熔點(diǎn)。當(dāng)預(yù)結(jié)晶和烘干溫度高于切片結(jié)晶熔點(diǎn)時(shí)，便有可能發(fā)生結(jié)塊，具體內(nèi)容將結(jié)合下面數(shù)據(jù)進(jìn)行討論。

表5 兩種催化劑合成PET聚酯預(yù)結(jié)晶過(guò)程發(fā)粘情況

2.3.2 鈦系聚酯預(yù)結(jié)晶后熔點(diǎn)及結(jié)晶度變化

據(jù)相關(guān)研究報(bào)道，在DSC譜圖上有時(shí)可觀(guān)察到2個(gè)以上的熔融吸熱峰，即2個(gè)以上的熔點(diǎn)，這便是多重熔融現(xiàn)象，大部分文獻(xiàn)認(rèn)為產(chǎn)生多重熔融現(xiàn)象的原因是由于聚酯內(nèi)部多種晶態(tài)的結(jié)果［6－10］。按Thomson-Gibbs公式，一種條件下結(jié)晶只形成一種相應(yīng)的晶態(tài)（一種厚度的片晶），對(duì)應(yīng)這種晶態(tài)就有一個(gè)熔融峰（熔點(diǎn)），若試樣中有2種晶態(tài)出現(xiàn)，則會(huì)有2個(gè)熔融峰，不論這2種晶態(tài)是原來(lái)就存在的還是在測(cè)定過(guò)程中轉(zhuǎn)化而成的［11］。Holdsworth［12］、Roberts R.C.［10］等認(rèn)為低溫峰是退火條件下形成的不完善結(jié)晶的熔融峰，而高溫峰是不完善的結(jié)晶在DSC的升溫過(guò)程中進(jìn)一步完善、增厚或熔融再結(jié)晶的結(jié)晶熔融峰。

2.3.2.1 催化劑對(duì)預(yù)結(jié)晶聚酯熔點(diǎn)影響

經(jīng)預(yù)結(jié)晶和烘干的PET試樣的DSC譜圖如圖1所示，由圖可知，結(jié)晶聚酯有一個(gè)相應(yīng)處理?xiàng)l件下形成的結(jié)晶熔點(diǎn)Tm1，又有一個(gè)測(cè)定條件下形成的結(jié)晶的熔點(diǎn)，即通常的熔點(diǎn)，以Tm2表示，即兩種PET聚酯在預(yù)結(jié)晶后DSC譜圖上出現(xiàn)了雙熔融峰現(xiàn)象，這與Groeninckx，G.［13，14］等人報(bào)道的在一定的升溫速度條件下，當(dāng)結(jié)晶熔點(diǎn)在150℃＜Tm1＜215℃時(shí)有雙熔融峰出現(xiàn)的規(guī)律相一致。通常情況下，低溫熔融峰高（峰面積）與預(yù)結(jié)晶的時(shí)間有關(guān)，峰高隨預(yù)結(jié)晶時(shí)間的延長(zhǎng)而增大；峰溫Tm1與結(jié)晶溫度有關(guān)，隨處理溫度的升高而升高，并逐漸向 Tm2靠攏，而Tm2基本不變。這是由于隨著處理溫度的升高及處理時(shí)間的延長(zhǎng)，不完善結(jié)晶逐漸完善的結(jié)果［15，16］，由此可知，實(shí)際生產(chǎn)中如果要提高結(jié)晶熔點(diǎn)Tm1，可以通過(guò)提高預(yù)結(jié)晶溫度和延長(zhǎng)預(yù)結(jié)晶時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 鈦系聚酯155℃預(yù)結(jié)晶20 min樣品DSC譜圖

不同催化劑合成PET聚酯結(jié)晶熔點(diǎn)Tm1性能如表6和圖2、3所示。表6數(shù)據(jù)為切片預(yù)結(jié)晶5～15 m in相應(yīng)Tm1升高值。

表6 聚酯切片預(yù)結(jié)晶過(guò)程Tm1增加值

由表6數(shù)據(jù)可知，在同樣的預(yù)結(jié)晶時(shí)間條件下，隨著溫度的升高，鈦系聚酯的結(jié)晶熔點(diǎn)增加值ΔTm1逐漸增大，但增加幅度比較小。銻系聚酯的結(jié)晶熔點(diǎn)增加值ΔTm1在145～150℃的溫度范圍內(nèi)增幅比較大，之后趨于平穩(wěn)，當(dāng)溫度大于155℃時(shí)，增幅反而減小，但仍比相同條件下鈦系聚酯的ΔTm1增加值大。說(shuō)明鈦系聚酯只通過(guò)升溫并不能達(dá)到銻系聚酯相應(yīng)的ΔTm1增加幅度，這也印證了前面關(guān)于鈦系聚酯的結(jié)晶速度慢于銻系聚酯的結(jié)論。

由圖2曲線(xiàn)可知，鈦系聚酯、銻系聚酯的Tm1隨預(yù)結(jié)晶溫度的升高而升高，且均比預(yù)結(jié)晶溫度高10～15℃。如前所述，切片是否結(jié)塊取決于結(jié)晶條件下形成的片晶尺寸，片晶尺寸決定其結(jié)晶熔點(diǎn)。Tm1的變化趨勢(shì)間接表明了片晶尺寸的變化趨勢(shì)，即片晶尺寸隨結(jié)晶溫度升高而增大。而兩種聚酯在同一溫度下的 Tm1值隨預(yù)結(jié)晶時(shí)間的延長(zhǎng)增加幅度較小，在15 min后趨于平緩，所以預(yù)結(jié)晶時(shí)間并不是越長(zhǎng)越好，可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)線(xiàn)上預(yù)結(jié)晶器的特點(diǎn)及能力進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

圖2 鈦系聚酯和銻系聚酯Tm1隨溫度變化曲線(xiàn)

圖3 鈦系聚酯和銻系聚酯相同預(yù)結(jié)晶時(shí)間Tm1對(duì)比曲線(xiàn)

如前所述，聚酯切片經(jīng)預(yù)結(jié)晶后在進(jìn)入擠出機(jī)熔融塑化前，還需要經(jīng)過(guò)干燥，以除去切片中的水分，防止PET聚酯在熔融擠出過(guò)程中因水解而發(fā)生降解。一般PET聚酯的干燥溫度在170℃左右，若干燥溫度接近結(jié)晶熔點(diǎn)，便會(huì)部分結(jié)晶熔化，此時(shí)切片如果受到一定壓力，則會(huì)引起結(jié)塊［15］。因此，如果要避免切片在干燥過(guò)程中結(jié)塊，則要保證切片的結(jié)晶熔點(diǎn)Tm1高于干燥溫度。根據(jù)圖2、3曲線(xiàn)可知，兩種PET聚酯至少在160℃下預(yù)結(jié)晶5 min才可使結(jié)晶熔點(diǎn)高于170℃，避免在干燥中結(jié)塊。

2.3.2.2 鈦系聚酯預(yù)結(jié)晶后結(jié)晶度程度

結(jié)晶度公式fc＝△Hm／△H0是DSC法測(cè)定結(jié)晶度的理論依據(jù)［15，17］，其中△Hm是所測(cè)得聚酯結(jié)晶部分對(duì)應(yīng)的熔融熱焓，△H0是PET完全結(jié)晶時(shí)對(duì)應(yīng)的熔融熱焓。根據(jù)結(jié)晶度公式可計(jì)算出第一種晶態(tài)對(duì)應(yīng)的結(jié)晶度f(wàn)c1，結(jié)果如表5所示。

圖4 鈦系聚酯和銻系聚酯峰高Area（1）隨結(jié)晶時(shí)間變化曲線(xiàn)

據(jù)表5數(shù)據(jù)及圖4、5曲線(xiàn)可知，相同溫度下低溫熔融峰高（峰面積）與預(yù)結(jié)晶時(shí)間有關(guān)，隨著結(jié)晶時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。結(jié)晶度f(wàn)c1隨預(yù)結(jié)晶時(shí)間的變化規(guī)律與峰高變化趨勢(shì)相似。鈦系聚酯在所測(cè)試的溫度及時(shí)間條件下，結(jié)晶度 fc1呈遞增趨勢(shì)，說(shuō)明第一種晶態(tài)的結(jié)晶數(shù)量一直在增加。銻系聚酯的結(jié)晶度f(wàn)c1在150，155℃溫度下預(yù)結(jié)晶15 m in后增長(zhǎng)趨于平緩，當(dāng)溫度升到160℃時(shí)，預(yù)結(jié)晶15 min后結(jié)晶度f(wàn)c1基本不再增長(zhǎng)，同時(shí)在相同條件下鈦系聚酯的結(jié)晶度f(wàn)c1比銻系聚酯的小，表明銻系聚酯的結(jié)晶速度對(duì)溫度的改變比較明顯，同樣條件下升高溫度后銻系聚酯的結(jié)晶速度快于鈦系聚酯。

表5 切片預(yù)結(jié)晶后結(jié)晶度f(wàn)c1

圖5 鈦系聚酯和銻系聚酯結(jié)晶度f(wàn)c1隨結(jié)晶時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖6 鈦系聚酯和銻系聚酯總熱焓△Hm（1＋2）變化對(duì)比曲線(xiàn)

根據(jù)表5數(shù)據(jù)及圖6曲線(xiàn)可知，在相同條件下鈦系聚酯的總熱焓△Hm（1＋2）比銻系聚酯的小，同樣說(shuō)明鈦系聚酯的結(jié)晶速度慢；在相同溫度下兩種PET聚酯預(yù)結(jié)晶后兩個(gè)熔融峰的總熱焓△Hm（1＋2）基本不變，規(guī)律與文獻(xiàn)報(bào)道相符［10］。

3 結(jié) 論

通過(guò)分析兩種催化劑合成的PET聚酯切片的常規(guī)性能及預(yù)結(jié)晶后發(fā)粘情況、結(jié)晶度差異等數(shù)據(jù)，得出相同條件下鈦系聚酯的結(jié)晶速度慢于銻系聚酯。同時(shí)筆者研究得出，兩種聚酯在160℃的溫度下至少預(yù)結(jié)晶5 min，結(jié)晶熔點(diǎn)才可能高于干燥溫度，避免切片在干燥過(guò)程中粘結(jié)。

總之，兩種催化劑合成的PET聚酯的結(jié)晶性能有差異，但是評(píng)價(jià)PET聚酯結(jié)晶性能的優(yōu)劣應(yīng)根據(jù)工藝或后道成品的要求綜合考察，因此不能簡(jiǎn)單地說(shuō)結(jié)晶快好或結(jié)晶慢好。另外，筆者研究所模擬的預(yù)結(jié)晶過(guò)程由于是靜止?fàn)顟B(tài)，不能真實(shí)反映出實(shí)際生產(chǎn)中沸騰床中PET聚酯預(yù)結(jié)晶的性能，因此筆者研究結(jié)果僅供參考。

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The exp loration of pre-crystallization properties of PET synthesized w ith Ti-based catalyst

Wang Yuhe，Dai Junming，Wang Shuxia，Sihu

（Sinopec Research Institute of Yizheng Chemical Fiber Co．，Ltd．，Yizheng Jiangsu 211900，China）

The pre-crystallization properties of PET synthesized with Ti-based catalyst was investigated using differential scanning calorimetry（DSC）.And the studied results was compared with the Sb-based catalyst synthesized PET polyesters.Results indicate that the PET polyester chips which synthesized with Ti-based catalyst have low degree of residual crystallinity and slower cold crystallization speed.And the Ti-based chips also easier to bonding under the same process condition compared with the Sb-based chips.

Ti-based catalyst；PET polyesters；pre-crystallization

TQ323.4

A

1006-334X（2013）04-0001-05

2013－11－10

王玉合（1983—），山東臨沂人，碩士研究生，主要從事聚酯改性及應(yīng)用研究工作。