聚对苯二甲酸丙二醇酯

聚对苯二甲酸丙二醇酯(PPT)研究进展(二)

3 PTT的结构与性能

3.1 特性黏度与相对分子质量

聚酯相对分子质量由特性黏度[η]表示，两者之间的关系由Mark-Houwink方程表示，即[η]=KMα，这里K和α是与聚合物、溶剂类型及测量黏度时的温度相关的常数。表1归纳了PTT在不同溶剂体系和测量相对分子质量不同方法时的常数，分子量测量方法不同，分别代表MW和材Mn。

表1 PTT在各种溶剂中的Mark-Houwink常数

3.2 晶体结构

与PET和PBT一样，PTT晶体为三斜晶系晶体结构。表2列出了由广角X散射(WAXD)和电子散射(ED)法测得的PTT晶胞参数。图8(略)为分子链排列示意图。PTT分子链在c-轴方向上包含两个重复单元，亚甲基以高度收缩的旁式-旁式(gauche-gauche)构象排列，因此PTT链呈现Z形螺旋排列。正是这种高度收缩的结晶链才使PTT具备了某些不寻常的特性。

表2 PTT晶体晶胞参数和密度文献数值

PTT是一种半结晶高聚物，DSC测得的熔点为228℃。各文献用Hoffman-Week 作图法得到的平衡熔点Tm°分别为238℃、244℃和248℃。通常半结晶高聚物平衡熔点ym’比DSCym值高15-25℃。PBT的平衡熔点Tm°为245℃，那么PTT的平衡熔点Tm°为248℃是比较可信的。

3.5 结晶动力学

Chuah用DSC法比较了PET、PTT和PBT的等温结晶动力学，PTT的结晶速率介于PET和PBT之间。在175-195℃之间，Avrami速率常数K在10-3-10-2min-1数量级。在相同过冷度下这个K值数量级高于PET而低于PBT。陈国康等人用热台偏光显微镜和DSC差示扫描量热仪对PTT、PBT和PET的结晶性能进行了研究，总结晶速率排列顺序为PBT>PTT>PET，对应的结晶活化能分别为32.32、61.93和83.61kJ/mol。王兴良等人的研究得到了类似的结论。马雪琳研究了相对分子质量

对PTT结晶性能的影响，半结晶时间t1/2随PTT分子量增加而增加，即结晶速率随分子量增加而下降，当黏均分子量大于50000时对结晶的影响不明显。Huang和Chang报导球晶增长速率为117.0μm/min，片晶链折叠功为20.1kJ/mol，在PET 和PBT文献值之间，同样得到结晶速率顺序为PBT>PTT>PET。

在聚合物熔融加工过程中，半结晶时间t1/2常常是比Avrami速率常数更为有用的参数。图9(略)比较了PET、PTT和PBT的t1/2参数，PTT位于其它两种聚酯之间。

另外，所有熔融加工均是在剪切和非等温条件下进行的。比如，熔融纺丝时的剪切速率为103-104s-1，熔体离开喷嘴后在很短的距离内快速骤冷成固体。在凝固期间主要发生着高卷绕速度、高在线张力和非等温应力诱导结晶。波兰学者A.Ziabicki用DSC以不同的速率冷却熔体研究PTT的非等温结晶，用改性Avrami 方程分析数据，发现冷却速率从2.5℃/min升至35℃/min，PTF最大结晶速率温度从189℃向163℃飘移。Kim等人也报导了PTT非等温结晶的研究，得到Avrami指数为2.7，活化能为165kJ/mol。Lee等人对PTT非等温结晶进行了研究，冷却速率在2.5-20℃/min范围内，得到结晶活化能为114.8kJ/mol，而对应的PET的结晶活化能为210.9kJ/mol。

3.6 流变性能

PTT表现出与PET相类似的熔体流变行为，在低剪切速率下熔体接近于非牛顿流体，当剪切速率>1000s-1时呈切力变稀(图10略)。在PET熔体加工温度约290℃和PTT熔体加工温度约260℃下，两种聚合物具有相似的黏度约200Pa·s，在高剪切速率下PTT的非牛顿指数低于PET。流动行为能用Bueche方程进行模拟，即：η/η0=1/(1+0.6λγ)3/4，这里η是熔体黏度，η0是零剪切黏度，γ是剪切速率，λ是熔体松弛时间。图10曲线表明Bueche方程模拟的黏度与实验数据相当一致。

表5列出了PET、PTT和PBT的流动活化能Ea。PTT具有较低的流动活化能，表明温度变化对PTT熔体黏度变化不及PET和PBT敏感，但增加熔体加工温度会导致降解速率增加，从而对熔体黏度和特性黏度有不良影响。

表5 PET、PTT、PBT流动活化能

3.7 热稳定性与热降解动力学

刘泽华等人用热重分析方法研究了PTT树脂非等温热失重行为，并与PET热稳定性进行了比较，不同失重率所对应的分解温度如表6所列。PTT各失重率下的分解温度均低于PET对应失重率下的分解温度，表明PTT的热稳定性不及PET。

表6 不同失重率下的分解温度(℃)

王雪松等人利用热重分析法(TG)研究了304、309、314、319、324和336℃六个温度下的等温热失重行为，随着分解温度的升高，降解失重速率加快，在同一分解时间下的焦炭产率更低。对等温失重数据用最大失重速率法和iso-conversional procedure两种方法进行处理，得到了PTT分解的表观活化能分别为201kJ/mol和192kJ/mol，分解反应为一级反应，指前因子Ln(Z)分别为36min-

1和34min-1。这些动力学数据与以前报道的Kissinger动力学处理法得到的结果(E=192kJ/mol，N=1.0，Ln(Z)=37min-1)很接近。

4 研究展望

综上所述，特殊的结构(分子链Z型螺旋排列)赋予了PTT许多优异的性能。PTT纤维克服了PET纤维刚性强、染色性能差和PBT纤维柔性大、易变形的缺点，具有PET良好的耐化学性、像尼龙一样的高回弹性并兼有耐污性，是很好的纺织纤维用材料和地毯用纤维材料。我国若要发展PTT，在开发PTT产品应用的同时要研究PDO的生产。在PDO的几种生产方法中，笔者建议应优先开发环氧乙烷法，形成自主知识产权，尽早进行工业化生产，其次是加大力度研究生物发酵法。

.3 PTT物理机械性能

表3 PTT与PET和PBT物理机械性能的比较