基于SWOT分析的鈦系聚酯的開發(fā)及應用

臧國強

(中國石油化工股份有限公司天津分公司研究院，天津300271)

聚酯是以精對苯二甲酸和乙二醇為主要原料生產的聚合物，是我國目前應用領域最廣、增長速度最快的合成材料之一，主要用于生產聚酯纖維、聚酯瓶、薄膜、工程塑料等。近10年來，國內聚酯工業(yè)發(fā)展迅猛，2013年國內聚酯生產能力已超過40 000 kt/a，約占世界聚酯總生產能力的55%［1］。

目前，聚酯催化劑主要分銻、鍺和鈦3個系列。銻系催化劑應用最為廣泛，聚酯生產中主要使用三氧化二銻 、醋酸銻和乙二醇銻等［2］，但銻對人體及生物具有慢性毒性及致癌性［3－4］。鍺系催化劑在反應過程中副反應較小，但是資源少，價格昂貴，因此很少使用［5］。鈦系催化劑對人體健康及生態(tài)環(huán)境均無影響，具有較高的催化活性，缺點是副反應大、聚酯產品色相嚴重發(fā)黃。近年來國外各種鈦系催化劑相繼問世，國內許多機構也開展了其制備和應用研究，鈦系聚酯的研究和生產日益成為當前聚酯工業(yè)的熱點與難點［6－10］。

作者運用勢態(tài)(SWOT)分析方法，對鈦系聚酯開發(fā)應用的有利條件、不利因素以及機會和威脅幾個方面進行綜合評估、分析，對鈦系聚酯開發(fā)應用提出對策和建議。

1 鈦系聚酯開發(fā)應用的SWOT分析

1.1 鈦系聚酯的優(yōu)勢

(1)鈦系催化劑具有無毒、高效、來源廣泛、種類多等特點。目前，國內對于銻系催化劑的生產使用已在 GB 9685—2008中作出了遷移量的規(guī)定［11］，食品容器用聚酯產品的銻含量在 GB 13114—1991作出銻溶出量小于等于1.5 mg/kg的限制［12］，生態(tài)紡織品在 GB/T 18885—2009 作出銻可萃取量小于等于30 mg/kg的限制［13］，聚酯纖維中的銻含量的限量由 GB 22282—2008規(guī)定為小于等于260 mg/kg［14］。鈦系催化劑的主要成分為鈦，屬于非重金屬，鈦被廣泛應用于牙科醫(yī)療材料及化妝品中，對人體健康及生態(tài)系統(tǒng)無毒、無不良影響，因此，鈦系催化劑為環(huán)保型催化劑。

通常，聚酯生產中鈦系催化劑的用量(以鈦對聚酯的含量計)為5～60 μg/g，而銻系催化劑用量(以銻對聚酯的含量計)為160～260 μg/g，因此，鈦系催化劑用量較少，催化效率更高。

鈦元素在地球上儲量排名在所有化學元素中位列第七，鈦的無機物和有機物種類較多，來源豐富有利于鈦系催化劑的生產。近年來，國內外發(fā)表了眾多鈦系催化劑的發(fā)明專利，也推出了許多種鈦系催化劑，例如:美國 Dupont、德國 Acordis、英國 Synetix、日本 Mitsubishi Chemical、Teijin 和Mitsui Chemicals等公司都相繼開發(fā)了各種牌號的鈦系聚酯催化劑［15］。

(2)鈦系聚酯產品具有不含重金屬、色相L值高、灰分少等特性。鈦系聚酯與銻系聚酯并無本質上的區(qū)別，從已有的研究結果看，鈦系聚酯的L值一般比銻系聚酯高，外觀表現(xiàn)為更亮、無“銻灰色”，所含灰分更少，因此，在某些高檔膜用、片材用聚酯等方面更有優(yōu)勢。鈦系催化劑合成的聚酯色相較銻系產品嚴重泛黃，但目前推出的鈦系催化劑已較好地解決了色相黃的問題。

(3)鈦系聚酯對酯化、縮聚等工藝過程有利。銻系催化劑對酯化過程無催化作用，但是，鈦系催化劑對酯化過程有促進作用，可降低酯化溫度，降低能耗［7］，如中國石化股份有限公司天津分公司在使用鈦系催化劑的過程中，酯化溫度比正常值降低了5℃以上。由于鈦系催化劑活性好，對于縮聚工藝過程，可適當降低反應溫度、反應釜攪拌電流等，有利于工藝操作和延長設備使用周期。銻系催化劑呈固體，在乙二醇中溶解度較小，使用時需要加熱溶解、保溫保存的;而液體鈦系催化劑通常是與乙二醇互溶的，在催化劑的調制與計量方面，使用方便，節(jié)能。

(4)鈦系聚酯對后續(xù)產品加工有利。鈦系聚酯由于使用量少，不含重金屬，灰分少，紡絲過程中可減少紡絲組件上雜質的累積，延長使用周期等;在織物的染色、印染等過程中，不會析出重金屬銻和產生含銻廢水，利于環(huán)保。

1.2 鈦系聚酯的劣勢

(1)鈦系聚酯的研發(fā)及應用尚處于未成熟階段。目前國內能夠生產鈦系聚酯產品的廠家很少，中石化聚酯企業(yè)的鈦系聚酯生產也未達到產業(yè)化程度。原因有兩點:一是鈦系聚酯的核心是鈦系催化劑完全取代銻系催化劑，鈦系催化劑應用的前提是良好的活性與選擇性，并滿足現(xiàn)有聚酯裝置的調制、計量等方面的所有使用要求，以及聚酯生產工藝參數(shù)不能有大的改變、對后續(xù)加工應用的工藝無影響;二是還沒有技術成熟的鈦系催化劑市售。國外公司的催化劑通常不對外銷售、價格昂貴，國內聚酯企業(yè)在催化劑研發(fā)上能力不足，專業(yè)的催化劑研發(fā)機構與實際裝置又脫節(jié)，而已開發(fā)的比較成熟的鈦系催化劑的制備和應用技術，都是開發(fā)廠家獨享的專有技術。

(2)鈦系聚酯的市場推廣和接受程度受制約。聚酯產品的后續(xù)加工應用的工藝流程比較長，例如，纖維用聚酯的后續(xù)加工工藝通常經歷紡絲、織造、染色等工序。相對于銻系聚酯，鈦系聚酯在后續(xù)加工中可能要微調工藝參數(shù)，而且會受到后續(xù)用戶的使用習慣、市場供求關系等非技術因素的制約。

1.3 鈦系聚酯的機遇

(1)貼有生態(tài)標簽的紡織品深受客戶歡迎。由于銻是重金屬，歐盟的最新法規(guī)已限制紡織品的銻含量，如果產品中不含銻，能以生態(tài)標簽“Eco-label”來區(qū)別辨識，這類產品很受消費者的青睞。我國生態(tài)紡織品的技術要求也在GB/T 18885—2009作出銻可萃取量小于等于30 mg/kg的規(guī)定［13］。人們日益注重環(huán)保、生態(tài)等，鈦系聚酯產品將會越受重視;另外，出口紡織品中重金屬含量的技術要求會愈加嚴格，開發(fā)鈦系聚酯產品符合綠色環(huán)保要求。

(2)聚酯企業(yè)增強裝置和產品競爭力的需要。我國聚酯工業(yè)發(fā)展迅猛的同時，市場競爭激烈。簡化工藝流程、擴大生產規(guī)模、提高單線生產能力已成為當今聚酯生產技術的發(fā)展趨勢。因此開發(fā)應用包括鈦系催化劑在內的新型高效催化劑，可以降低生產成本、增強裝置的競爭力。

(3)限制重金屬銻、清潔生產、保護環(huán)境的需要。近年來，國際社會對銻的限制使用提出一些新的要求，銻及其化合物被美國環(huán)保局及歐盟列為優(yōu)先污染物，也是日本環(huán)境廳密切關注的污染物，在巴塞爾公約中關于危險廢物的越境遷移限定中將銻列為危險廢物之列。歐盟規(guī)定飲用水中銻的最大允許質量濃度為5 μg/L。美國環(huán)保局規(guī)定空氣中銻的允許質量濃度為6 μg/L，飲用水中銻的最高污染水平為 6 μg/L［16］。我國《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)和《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》(GB5749—2006)中均將銻的限值定為5 μg/L，《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》(GB 50282—1998)規(guī)定水廠出水中銻的質量濃度小于10 μg/L，同時還規(guī)定飲用水水源中銻的質量濃度小于50 μg/L［17－19］。從國家對生態(tài)環(huán)保的發(fā)展要求看，未來對銻的使用限制將會越來越嚴格，而鈦系聚酯的開發(fā)應用，可以避免重金屬在催化劑的制造及使用過程、聚酯制品的合成、應用和回收過程中，對人和環(huán)境造成不利的影響。

1.4 鈦系聚酯面臨的挑戰(zhàn)

(1)鈦系聚酯的研發(fā)涉及的技術環(huán)節(jié)多，難度大，時間周期長。目前國內還沒有成熟的鈦系催化劑市售，各聚酯企業(yè)均在研發(fā)自有的鈦系催化劑技術，涉及催化劑的制備、聚酯合成、產品性能考察等方面，涵蓋小試、擴試、工業(yè)化試驗的技術環(huán)節(jié)，所耗人力、物力、財力較大，經歷的時間很長;同時，一些研究機構雖然對鈦系催化劑作了大量研究，但與裝置結合不緊密，應用效果欠佳。

(2)鈦系聚酯的研究開發(fā)各自為戰(zhàn)。由于鈦系聚酯有良好的市場前景，近10年來已成為熱點，各研究機構、生產企業(yè)紛紛加入此行列，發(fā)表了大量的專利，但最終投入應用的較少，低水平的重復較多;另外，鈦系聚酯產品的生產、應用還沒有統(tǒng)一的規(guī)范和標準。

(3)聚酯行業(yè)競爭激烈、推行新產品存在市場風險。目前國內聚酯產能過剩，行業(yè)競爭激烈，鈦系聚酯屬于市場上的新產品，新產品開發(fā)起始階段面臨較大的市場風險。

基于SWOT分析，鈦系聚酯開發(fā)應用的優(yōu)勢在于鈦系催化劑屬于環(huán)保型高效催化劑、鈦系聚酯產品性能優(yōu)良、對后續(xù)工藝有利;劣勢在于鈦系聚酯開發(fā)還不成熟、受市場競爭的影響大;鈦系聚酯在綠色產品發(fā)展、聚酯裝置提高競爭力及保護環(huán)境等發(fā)展方面存在良好機遇;鈦系聚酯在發(fā)展過程中還將面臨一些技術及市場風險。

2 鈦系聚酯開發(fā)應用的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外鈦系聚酯的現(xiàn)狀

近10年來，歐、美、日等國外公司推出了各自牌號的鈦系聚酯催化劑，有的還推出了鈦系聚酯產品。其中，荷蘭的Acordis公司1995年推出了C-94催化劑，催化劑呈固體，易分散于乙二醇中，活性至少是銻系催化劑的6～8倍，缺點是制得的聚酯產品色度存在泛黃的問題。德國Sachtleben公司開發(fā)了名為Hombifast PC的高活性TiO2聚酯催化劑，已應用于纖維級和瓶級聚酯切片的生產，制得的產品色度存在泛黃的問題;英國Synetix公司(2002年后被John Mathy公司收購)推出了VC系列液體鈦系催化劑，在國外聚酯裝置上有應用，正在對外商業(yè)推廣催化劑。

日本帝人公司開發(fā)的完全不含銻等重金屬的聚酯縮聚催化劑，注冊為“PURITY”商標，已批量生產，廣泛用于聚酯纖維、瓶片、薄膜等領域。帝人公司希望通過技術轉讓，擴大其在亞洲、歐美的“PURITY”技術使用范圍，爭取在2015年前，使“PURITY”的使用量達全球聚酯催化劑消費量的10%。三井化學公司于2002年推出鈦系CA 135型聚酯催化劑，主要用于碳酸飲料和礦泉水瓶用聚酯的生產，并擴大其在熱灌裝和對乙醛高度敏感領域的應用，取得了一定效果。三菱化學公司開發(fā)了名為“Novacat”的NC2系列鈦系催化劑，該催化劑為液體催化劑，可以和乙二醇互溶，使用該催化劑生產的聚酯產量明顯增加。

美國Wellman公司推出基于鈦催化劑的瓶用聚酯，品級 Therma Clear Ti 842用于果汁類和運動飲料瓶的成型加工，其耐熱性比已有品級高5～10℃;品級Therma ClearTi 818用于灌裝碳酸飲料和礦泉水軟質包裝。

2.2 國內鈦系聚酯的現(xiàn)狀

近10年來，國內眾多研究機構在鈦系聚酯催化劑制備和聚酯合成方面，做了大量研究工作，例如北京服裝學院、華東理工大學、濟南化纖有限公司等，但是真正進入工業(yè)化應用的還不多。

中石化聚酯企業(yè)近幾年來在鈦系聚酯的研究開發(fā)方面，取得了較好的進展［20］。例如:中石化天津分公司從2000年開展鈦系催化劑的研究，自主開發(fā)的鈦系催化劑于2009年4月在2條100 kt/a聚酯生產線上連續(xù)使用至今已5年，50%取代乙二醇銻生產纖維級聚酯產品，減少了銻系催化劑的使用，并提升了聚酯產品的性能，并于2012年在100 kt/a裝置上完全取代乙二醇銻開發(fā)生產了不含重金屬銻的膜級鈦系聚酯產品HFG800，產品深受市場歡迎。中國石化上海石化滌綸事業(yè)部于2009年使用鈦系催化劑在10 kt/a連續(xù)聚合裝置上進行工業(yè)化開發(fā)應用試驗，批量合成無重金屬的聚酯切片(NEP)，出口歐盟。儀征化纖公司于2013年6月使用鈦催化劑生產熱灌裝聚酯瓶片BG811，切片的注塑和吹瓶實驗結果表明，其L值與銻系基本相當，b值與醛含量比銻系聚酯略高，于2013年10月進行了生產非銻膜用聚酯切片(FG650)的工業(yè)化試驗，有望很快進入工業(yè)生產。

3 鈦系聚酯開發(fā)應用的建議

(1)各聚酯生產企業(yè)應高度重視加快推進鈦系聚酯產品的開發(fā)。鈦系聚酯的規(guī)?；a、應用、發(fā)展仍需要一段時間。目前正是聚酯行業(yè)發(fā)展的轉折點，鈦系聚酯或許能為我國聚酯產業(yè)的發(fā)展提供一個新的平臺。因此，各聚酯企業(yè)要立足鈦系聚酯的優(yōu)勢，高度重視鈦系聚酯產品的開發(fā)工作。

(2)聚酯裝置以應用鈦系催化劑為基礎，進行技術革新和工藝優(yōu)化。鈦系催化劑對酯化過程有促進作用，有助于節(jié)能降耗，能夠提升產品質量，有利于后續(xù)加工應用等。因此，現(xiàn)有聚酯裝置可針對工藝現(xiàn)狀并在控制生產風險的前提下，挑選較成熟的鈦系催化劑進行逐步應用，即按照一定比例逐步取代銻系催化劑，最終實現(xiàn)鈦系聚酯的生產，同時達到產品升級、工藝優(yōu)化的目的。

(3)研發(fā)、生產和市場各環(huán)節(jié)有機結合，培育和擴大鈦系聚酯產品市場。目前國外部分企業(yè)已推出鈦系聚酯產品，國內正處于起步階段，聚酯生產企業(yè)要主動積極地向后續(xù)企業(yè)推廣介紹鈦系聚酯產品的優(yōu)點、培育市場、以銷定產，穩(wěn)步推出常規(guī)鈦系聚酯后，研發(fā)生產差別化的鈦系聚酯產品，不斷地擴大鈦系聚酯產品的應用領域。

(4)各方有條件展開合作，制訂和完善鈦系聚酯產品和測試等技術標準。聚酯企業(yè)在不泄露技術秘密、相互促進提高等條件下，可相互交流鈦系聚酯的生產應用技術;在鈦系聚酯產品標準、測試方法等方面可開展合作，共同修改和確定鈦系聚酯產品的技術方法和產品標準，例如，鈦系聚酯中重金屬含量上限、端羧基含量、b值、L值等質量指標相對于銻系聚酯作一系列新的規(guī)定，使得生產鈦系聚酯有統(tǒng)一公認的產品技術標準。

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