基于SWOT分析的钛系聚酯的开发及应用

臧国强

(中国石油化工股份有限公司天津分公司研究院，天津300271)

聚酯是以精对苯二甲酸和乙二醇为主要原料生产的聚合物，是我国目前应用领域最广、增长速度最快的合成材料之一，主要用于生产聚酯纤维、聚酯瓶、薄膜、工程塑料等。近10年来，国内聚酯工业发展迅猛，2013年国内聚酯生产能力已超过40 000 kt/a，约占世界聚酯总生产能力的55%［1］。

目前，聚酯催化剂主要分锑、锗和钛3个系列。锑系催化剂应用最为广泛，聚酯生产中主要使用三氧化二锑 、醋酸锑和乙二醇锑等［2］，但锑对人体及生物具有慢性毒性及致癌性［3－4］。锗系催化剂在反应过程中副反应较小，但是资源少，价格昂贵，因此很少使用［5］。钛系催化剂对人体健康及生态环境均无影响，具有较高的催化活性，缺点是副反应大、聚酯产品色相严重发黄。近年来国外各种钛系催化剂相继问世，国内许多机构也开展了其制备和应用研究，钛系聚酯的研究和生产日益成为当前聚酯工业的热点与难点［6－10］。

作者运用势态(SWOT)分析方法，对钛系聚酯开发应用的有利条件、不利因素以及机会和威胁几个方面进行综合评估、分析，对钛系聚酯开发应用提出对策和建议。

1 钛系聚酯开发应用的SWOT分析

1.1 钛系聚酯的优势

(1)钛系催化剂具有无毒、高效、来源广泛、种类多等特点。目前，国内对于锑系催化剂的生产使用已在 GB 9685—2008中作出了迁移量的规定［11］，食品容器用聚酯产品的锑含量在 GB 13114—1991作出锑溶出量小于等于1.5 mg/kg的限制［12］，生态纺织品在 GB/T 18885—2009 作出锑可萃取量小于等于30 mg/kg的限制［13］，聚酯纤维中的锑含量的限量由 GB 22282—2008规定为小于等于260 mg/kg［14］。钛系催化剂的主要成分为钛，属于非重金属，钛被广泛应用于牙科医疗材料及化妆品中，对人体健康及生态系统无毒、无不良影响，因此，钛系催化剂为环保型催化剂。

通常，聚酯生产中钛系催化剂的用量(以钛对聚酯的含量计)为5～60 μg/g，而锑系催化剂用量(以锑对聚酯的含量计)为160～260 μg/g，因此，钛系催化剂用量较少，催化效率更高。

钛元素在地球上储量排名在所有化学元素中位列第七，钛的无机物和有机物种类较多，来源丰富有利于钛系催化剂的生产。近年来，国内外发表了众多钛系催化剂的发明专利，也推出了许多种钛系催化剂，例如:美国 Dupont、德国 Acordis、英国 Synetix、日本 Mitsubishi Chemical、Teijin 和Mitsui Chemicals等公司都相继开发了各种牌号的钛系聚酯催化剂［15］。

(2)钛系聚酯产品具有不含重金属、色相L值高、灰分少等特性。钛系聚酯与锑系聚酯并无本质上的区别，从已有的研究结果看，钛系聚酯的L值一般比锑系聚酯高，外观表现为更亮、无“锑灰色”，所含灰分更少，因此，在某些高档膜用、片材用聚酯等方面更有优势。钛系催化剂合成的聚酯色相较锑系产品严重泛黄，但目前推出的钛系催化剂已较好地解决了色相黄的问题。

(3)钛系聚酯对酯化、缩聚等工艺过程有利。锑系催化剂对酯化过程无催化作用，但是，钛系催化剂对酯化过程有促进作用，可降低酯化温度，降低能耗［7］，如中国石化股份有限公司天津分公司在使用钛系催化剂的过程中，酯化温度比正常值降低了5℃以上。由于钛系催化剂活性好，对于缩聚工艺过程，可适当降低反应温度、反应釜搅拌电流等，有利于工艺操作和延长设备使用周期。锑系催化剂呈固体，在乙二醇中溶解度较小，使用时需要加热溶解、保温保存的;而液体钛系催化剂通常是与乙二醇互溶的，在催化剂的调制与计量方面，使用方便，节能。

(4)钛系聚酯对后续产品加工有利。钛系聚酯由于使用量少，不含重金属，灰分少，纺丝过程中可减少纺丝组件上杂质的累积，延长使用周期等;在织物的染色、印染等过程中，不会析出重金属锑和产生含锑废水，利于环保。

1.2 钛系聚酯的劣势

(1)钛系聚酯的研发及应用尚处于未成熟阶段。目前国内能够生产钛系聚酯产品的厂家很少，中石化聚酯企业的钛系聚酯生产也未达到产业化程度。原因有两点:一是钛系聚酯的核心是钛系催化剂完全取代锑系催化剂，钛系催化剂应用的前提是良好的活性与选择性，并满足现有聚酯装置的调制、计量等方面的所有使用要求，以及聚酯生产工艺参数不能有大的改变、对后续加工应用的工艺无影响;二是还没有技术成熟的钛系催化剂市售。国外公司的催化剂通常不对外销售、价格昂贵，国内聚酯企业在催化剂研发上能力不足，专业的催化剂研发机构与实际装置又脱节，而已开发的比较成熟的钛系催化剂的制备和应用技术，都是开发厂家独享的专有技术。

(2)钛系聚酯的市场推广和接受程度受制约。聚酯产品的后续加工应用的工艺流程比较长，例如，纤维用聚酯的后续加工工艺通常经历纺丝、织造、染色等工序。相对于锑系聚酯，钛系聚酯在后续加工中可能要微调工艺参数，而且会受到后续用户的使用习惯、市场供求关系等非技术因素的制约。

1.3 钛系聚酯的机遇

(1)贴有生态标签的纺织品深受客户欢迎。由于锑是重金属，欧盟的最新法规已限制纺织品的锑含量，如果产品中不含锑，能以生态标签“Eco-label”来区别辨识，这类产品很受消费者的青睐。我国生态纺织品的技术要求也在GB/T 18885—2009作出锑可萃取量小于等于30 mg/kg的规定［13］。人们日益注重环保、生态等，钛系聚酯产品将会越受重视;另外，出口纺织品中重金属含量的技术要求会愈加严格，开发钛系聚酯产品符合绿色环保要求。

(2)聚酯企业增强装置和产品竞争力的需要。我国聚酯工业发展迅猛的同时，市场竞争激烈。简化工艺流程、扩大生产规模、提高单线生产能力已成为当今聚酯生产技术的发展趋势。因此开发应用包括钛系催化剂在内的新型高效催化剂，可以降低生产成本、增强装置的竞争力。

(3)限制重金属锑、清洁生产、保护环境的需要。近年来，国际社会对锑的限制使用提出一些新的要求，锑及其化合物被美国环保局及欧盟列为优先污染物，也是日本环境厅密切关注的污染物，在巴塞尔公约中关于危险废物的越境迁移限定中将锑列为危险废物之列。欧盟规定饮用水中锑的最大允许质量浓度为5 μg/L。美国环保局规定空气中锑的允许质量浓度为6 μg/L，饮用水中锑的最高污染水平为 6 μg/L［16］。我国《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)和《生活饮用水卫生规范》(GB5749—2006)中均将锑的限值定为5 μg/L，《城市给水工程规划规范》(GB 50282—1998)规定水厂出水中锑的质量浓度小于10 μg/L，同时还规定饮用水水源中锑的质量浓度小于50 μg/L［17－19］。从国家对生态环保的发展要求看，未来对锑的使用限制将会越来越严格，而钛系聚酯的开发应用，可以避免重金属在催化剂的制造及使用过程、聚酯制品的合成、应用和回收过程中，对人和环境造成不利的影响。

1.4 钛系聚酯面临的挑战

(1)钛系聚酯的研发涉及的技术环节多，难度大，时间周期长。目前国内还没有成熟的钛系催化剂市售，各聚酯企业均在研发自有的钛系催化剂技术，涉及催化剂的制备、聚酯合成、产品性能考察等方面，涵盖小试、扩试、工业化试验的技术环节，所耗人力、物力、财力较大，经历的时间很长;同时，一些研究机构虽然对钛系催化剂作了大量研究，但与装置结合不紧密，应用效果欠佳。

(2)钛系聚酯的研究开发各自为战。由于钛系聚酯有良好的市场前景，近10年来已成为热点，各研究机构、生产企业纷纷加入此行列，发表了大量的专利，但最终投入应用的较少，低水平的重复较多;另外，钛系聚酯产品的生产、应用还没有统一的规范和标准。

(3)聚酯行业竞争激烈、推行新产品存在市场风险。目前国内聚酯产能过剩，行业竞争激烈，钛系聚酯属于市场上的新产品，新产品开发起始阶段面临较大的市场风险。

基于SWOT分析，钛系聚酯开发应用的优势在于钛系催化剂属于环保型高效催化剂、钛系聚酯产品性能优良、对后续工艺有利;劣势在于钛系聚酯开发还不成熟、受市场竞争的影响大;钛系聚酯在绿色产品发展、聚酯装置提高竞争力及保护环境等发展方面存在良好机遇;钛系聚酯在发展过程中还将面临一些技术及市场风险。

2 钛系聚酯开发应用的发展现状

2.1 国外钛系聚酯的现状

近10年来，欧、美、日等国外公司推出了各自牌号的钛系聚酯催化剂，有的还推出了钛系聚酯产品。其中，荷兰的Acordis公司1995年推出了C-94催化剂，催化剂呈固体，易分散于乙二醇中，活性至少是锑系催化剂的6～8倍，缺点是制得的聚酯产品色度存在泛黄的问题。德国Sachtleben公司开发了名为Hombifast PC的高活性TiO2聚酯催化剂，已应用于纤维级和瓶级聚酯切片的生产，制得的产品色度存在泛黄的问题;英国Synetix公司(2002年后被John Mathy公司收购)推出了VC系列液体钛系催化剂，在国外聚酯装置上有应用，正在对外商业推广催化剂。

日本帝人公司开发的完全不含锑等重金属的聚酯缩聚催化剂，注册为“PURITY”商标，已批量生产，广泛用于聚酯纤维、瓶片、薄膜等领域。帝人公司希望通过技术转让，扩大其在亚洲、欧美的“PURITY”技术使用范围，争取在2015年前，使“PURITY”的使用量达全球聚酯催化剂消费量的10%。三井化学公司于2002年推出钛系CA 135型聚酯催化剂，主要用于碳酸饮料和矿泉水瓶用聚酯的生产，并扩大其在热灌装和对乙醛高度敏感领域的应用，取得了一定效果。三菱化学公司开发了名为“Novacat”的NC2系列钛系催化剂，该催化剂为液体催化剂，可以和乙二醇互溶，使用该催化剂生产的聚酯产量明显增加。

美国Wellman公司推出基于钛催化剂的瓶用聚酯，品级 Therma Clear Ti 842用于果汁类和运动饮料瓶的成型加工，其耐热性比已有品级高5～10℃;品级Therma ClearTi 818用于灌装碳酸饮料和矿泉水软质包装。

2.2 国内钛系聚酯的现状

近10年来，国内众多研究机构在钛系聚酯催化剂制备和聚酯合成方面，做了大量研究工作，例如北京服装学院、华东理工大学、济南化纤有限公司等，但是真正进入工业化应用的还不多。

中石化聚酯企业近几年来在钛系聚酯的研究开发方面，取得了较好的进展［20］。例如:中石化天津分公司从2000年开展钛系催化剂的研究，自主开发的钛系催化剂于2009年4月在2条100 kt/a聚酯生产线上连续使用至今已5年，50%取代乙二醇锑生产纤维级聚酯产品，减少了锑系催化剂的使用，并提升了聚酯产品的性能，并于2012年在100 kt/a装置上完全取代乙二醇锑开发生产了不含重金属锑的膜级钛系聚酯产品HFG800，产品深受市场欢迎。中国石化上海石化涤纶事业部于2009年使用钛系催化剂在10 kt/a连续聚合装置上进行工业化开发应用试验，批量合成无重金属的聚酯切片(NEP)，出口欧盟。仪征化纤公司于2013年6月使用钛催化剂生产热灌装聚酯瓶片BG811，切片的注塑和吹瓶实验结果表明，其L值与锑系基本相当，b值与醛含量比锑系聚酯略高，于2013年10月进行了生产非锑膜用聚酯切片(FG650)的工业化试验，有望很快进入工业生产。

3 钛系聚酯开发应用的建议

(1)各聚酯生产企业应高度重视加快推进钛系聚酯产品的开发。钛系聚酯的规模化生产、应用、发展仍需要一段时间。目前正是聚酯行业发展的转折点，钛系聚酯或许能为我国聚酯产业的发展提供一个新的平台。因此，各聚酯企业要立足钛系聚酯的优势，高度重视钛系聚酯产品的开发工作。

(2)聚酯装置以应用钛系催化剂为基础，进行技术革新和工艺优化。钛系催化剂对酯化过程有促进作用，有助于节能降耗，能够提升产品质量，有利于后续加工应用等。因此，现有聚酯装置可针对工艺现状并在控制生产风险的前提下，挑选较成熟的钛系催化剂进行逐步应用，即按照一定比例逐步取代锑系催化剂，最终实现钛系聚酯的生产，同时达到产品升级、工艺优化的目的。

(3)研发、生产和市场各环节有机结合，培育和扩大钛系聚酯产品市场。目前国外部分企业已推出钛系聚酯产品，国内正处于起步阶段，聚酯生产企业要主动积极地向后续企业推广介绍钛系聚酯产品的优点、培育市场、以销定产，稳步推出常规钛系聚酯后，研发生产差别化的钛系聚酯产品，不断地扩大钛系聚酯产品的应用领域。

(4)各方有条件展开合作，制订和完善钛系聚酯产品和测试等技术标准。聚酯企业在不泄露技术秘密、相互促进提高等条件下，可相互交流钛系聚酯的生产应用技术;在钛系聚酯产品标准、测试方法等方面可开展合作，共同修改和确定钛系聚酯产品的技术方法和产品标准，例如，钛系聚酯中重金属含量上限、端羧基含量、b值、L值等质量指标相对于锑系聚酯作一系列新的规定，使得生产钛系聚酯有统一公认的产品技术标准。

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