低温阳离子可染聚酯组合物及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及一种低温阳离子可染聚酯组合物及其制备方法和应用。具体的，涉及一种可低温染色、不溶性化合物和二甘醇含量少、纺丝时的滤压上升小的阳离子可染聚酯组合物。


背景技术：

2.聚酯树脂，由于其具有优异的机械力学性能和化学特性，被广泛应用于衣料、产业用纤维，磁带、表面涂层用薄膜，以及轮胎子午线、网线等工业领域。
3.在作为衣料纤维使用的时候，为了提高聚酯的染色性，以间苯二甲酸-5-磺酸钠为代表的含有磺酸盐基团的间苯二甲酸成分被作为共聚单体制得共聚改性阳离子可染聚酯，或者含有磺酸盐基团的间苯二甲酸成分和聚乙二醇等一起使用进行共聚改性，但是磺酸盐基团在聚酯中容易发生物理交联，导致聚酯在固有粘度（iv）不高的情况下熔融粘度明显上升，导致最终所得到的纱线强度较低；限制了其在一些对强度要求较高的领域的应用。
4.另外，使用含有磺酸盐基团的间苯二甲酸成分改性后得到的共聚酯在进行熔融纺丝时，滤压上升快，很难进行稳定生产。
5.为了改善磺酸盐基团所产生的增粘现象以及滤压问题，日本专利特开平5-25708公开了一种改性聚酯纤维，通过使用末端封锁阳离子成分、聚醚以及二醇成分进行聚酯改性，所得改性聚酯中的阳离子基团主要接在分子链末端，分子链中间没有相互作用的物理交联基团，大大降低了聚酯的粘度，获得的阳离子聚酯纤维强度较现有磺酸盐基团的间苯二甲酸成分改性的聚酯有大幅度提高。但是该专利中使用的末端封锁阳离子成分具有羧酸基团，直接添加会导致deg高的问题存在。且末端封锁阳离子存在聚酯封端的现象，会导致聚酯的分子量低下的问题。此外由于片末端封锁阳离子化合物的引入，使得聚合物的分子结构接近于普通聚酯，分子间结构的致密性比较高，从而使得该聚合物的染色温度较高。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种通过抑制聚合物中不溶性化合物的量，制得具有优异阳离子可染性、高强度的聚酯组合物及其制备方法，从而抑制聚酯纺丝时的滤压上升。另外通过引入脂肪族二元酸或其酯化衍生物，从而提高聚酯化合物分子量以及染色效果。
7.本发明的技术解决方案：低温阳离子可染聚酯组合物，主要由芳香族二元羧酸结构单元和乙二醇结构单元构成。该聚酯组合物中含有如式1所示磺酸盐基团，且如式1所示磺酸盐基团的含量以硫元素计占聚酯组合物总量的1000～5000ppm，优选1000～3500ppm；如式2所示的化合物的含量以硫元素计相当于式1所示磺酸盐基团总量的10.00mol%以下，优选5.00mol%以下；该聚合物中含有脂肪族二元酸结构单元；该聚酯组合物中二甘醇含量相对于聚酯组合物总量为0.8～5.0wt%；
式1，式2，式1和式2中，y为碳原子数2～20的烷基、苯基或烷基苯，z和m分别为li离子、na离子或k离子。
8.所述脂肪族二元酸结构单元中碳原子个数优选4～10，占聚酯组合物重量的0.1～10.0wt%。
9.本发明还公开了一种上述低温阳离子可染聚酯组合物的制备方法，首先由芳香族二元羧酸或其酯化衍生物以与乙二醇经过酯化或酯交换反应得到低聚物，然后将所得低聚物进行聚合反应得到聚酯组合物。在聚合反应结束前的任意阶段添加如式3所示磺酸盐化合物和乙二醇反应得到的酯化液、脂肪族二元酸或其酯化衍生物以及碱金属化合物，所述酯化液的酯化反应率在95%以上，式3，式3中，y为碳原子数2～20的烷基、苯基或烷基苯，z为li离子、na离子或k离子。
10.所述酯化液的添加量优选以酯化液中硫元素计占聚酯组合物总量的1000～3500ppm。
11.所述脂肪族二元酸的碳原子个数优选4～10，所述脂肪族二元酸或其酯化衍生物的添加量优选聚酯组合物总量的0.1～10.0wt%。
12.所述碱金属化合物优选醋酸锂、氢氧化钾或氢氧化钠中的一种或几种，其添加量以其中碱金属元素计优选相对于聚酯组合物总量的10～1000ppm。
13.本发明所述的聚合物低温可染，且具有优异阳离子可染性和强度，且其中二甘醇和不溶性化合物含量少，可以抑制纺丝时滤压的上升。
具体实施方式
14.现有技术中，一般通过在聚酯中共聚含有磺酸盐基团的阳离子可染成分，如间苯二甲酸-5-磺酸盐等，从而赋予聚酯阳离子可染性能。但是，由于磺酸盐基团分布在聚酯分子链的中间，磺酸盐基团在聚酯中容易发生物理交联，导致聚酯的粘度上升、强度降低。同时，也会导致聚酯的耐水解性变差。
15.在聚酯中加入末端封锁阳离子成分，所得改性聚酯中的阳离子基团主要接在分子链末端，分子链中间没有相互作用的物理交联基团，能改善聚酯的熔融粘度。但是由于阳离子基团主要接在分子量末端，影响了改性聚酯的染色性能，同时一般加入末端封锁阳离子成分导致聚酯反应性差，所得到的聚酯的分子量不大，存在强度低的问题。通过使用脂肪族二元羧酸及其酯化衍生物进行聚酯改性，能改善聚酯的染色性能，同时能提高改性聚酯的分子量，从而提高聚酯纤维的强度，改善聚酯纤维染色前后的强度保持率。
16.本发明所使用的阳离子可染成分为如式3所示的磺酸盐化合物，
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式3，式3中，y为碳原子数2～20的烷基、苯基或烷基苯，z为li离子、na离子或k离子。
17.所述如式3所示的磺酸盐化合物仅含有一个羟基反应基团，在聚酯中该磺酸盐化合物主要接在分子链末端，分子链中间没有相互作用的物理交联基团，因此能保证获得的聚酯组合物具有较高的分子量和较好的强度。
18.所述如式3所示的磺酸盐化合物，具体可以举例的有22-羧基苯磺酸钠、2-羧基苯磺酸钾、3-羧基苯磺酸钠、3-羧基苯磺酸锂、4-羧基苯磺酸钠、2-磺酸钠苯甲酸甲酯、3-磺酸钠苯甲酸甲酯、4-磺酸钠苯甲酸甲酯、2-磺酸钠苯甲酸乙酯、2-磺酸钾苯甲酸乙二醇酯、3-磺酸钠苯甲酸乙酯、4-磺酸钠苯甲酸乙二醇酯、3-磺酸锂苯甲酸乙二醇酯等，其中优选3-羧基苯磺酸钠。
19.添加了阳离子可染成分如式3所示磺酸盐化合物的聚酯组合物中，含有如式1所示磺酸盐基团，
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式1，式1中，y为碳原子数2～20的烷基、苯基或烷基苯，z为li离子、na离子或k离子。
20.本发明所述聚酯组合物中如式1所示磺酸盐基团的含量，以硫元素计占聚酯组合物的1000～5000ppm。当聚酯组合物中如式1所示磺酸盐基团的含量低于1000ppm时，所得产品在后续的染色过程中难以达到满意的色彩浓度；当聚酯组合物中如式1所示磺酸盐基团的含量高于5000ppm时，会抑制聚酯分子链的增长，聚合体系还未达到目标粘度就终止聚合，不能获得物性良好的聚酯组合物。从染色性以及聚酯组合物物性综合考虑，所述如式1所示磺酸盐基团的含量优选以硫元素计占聚酯组合物的1000～3500ppm。
21.另外，为了提高聚酯组合物的强度以及降低染色温度，本发明在制备聚酯组合物时添加了脂肪族二元酸或其酯化衍生物，使所得聚酯组合物中含有脂肪族二元酸结构单元。所述脂肪族二元酸结构单元可为直链脂肪族二元酸结构单元，也可以是支链脂肪族二元酸结构单元。所述脂肪族二元酸结构单元的碳原子数优选4～10，具体的可为丁二酸结构单元、己二酸结构单元、壬二酸结构单元、癸二酸结构单元、2，2-二甲基己二酸结构单元等，其中更优选丁二酸、壬二酸和癸二酸结构单元。
22.所述脂肪族二元羧酸结构单元的含量为相对于聚酯重量优选0.1～10.0wt%。当所述脂肪族二元羧酸结构单元的含量太低时，不能实现染色温度降低的目的；当所述脂肪族二元羧酸结构单元的含量太高时，脂肪族共聚成分过多，造成聚酯组合物的耐热性下降，强度也会降低。本发明所述脂肪族二元酸结构单元更优选占聚酯组合物的0.5～8.0wt%。
23.虽然如式3所示单羧基磺酸盐化合物的使用可以提高聚酯组合物的强度，但是也容易导致二甘醇含有量的增加，聚酯组合物的耐热氧化性能变差。为了抑制二甘醇的增加，本发明在聚酯组合物中添加了碱性化合物，所述碱金属化合物可以是氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化镁、氢氧化锂、醋酸镁、醋酸钾、醋酸锂、碳酸钾、碳酸钙、碳酸镁、六偏磷酸钠等，其中优选醋酸锂、氢氧化钾、氢氧化钠。所述碱金属化合物可以单独添加，也可以混合添加。
24.本发明所述聚酯组合物中二甘醇含量超过5.0wt%，会导致聚酯组合物的耐热氧化
性能变差，同时使聚酯组合物的规整性变差，后期纤维的蠕变不可逆部分增加；如果所述聚酯组合物中二甘醇的含量低于0.8wt%，聚酯组合物的结构会变得紧密，影响染料和可染位置的结合，进一步影响染色的均匀性和稳定性。
25.因此，为了保证本发明聚酯组合物中二甘醇含量在合适的范围之内，所述碱金属化合物的添加量以其中碱金属元素计优选相对于聚酯组合物总量的10～1000ppm。当碱金属化合物的添加量太多时，过多的碱金属化合物会使聚酯组合物的色调变差；当金属碱化合物的添加量太低时，不能有效的抑制二甘醇的生成。
26.然而，所述碱金属化合物会和如式3所示磺酸盐化合物反应，生成如式2所示化合物，式2，式2中，m和z分别为li离子、na离子或者k离子，y为碳原子数2～20的烷基、苯基或烷基苯。
27.所述如式2所示化合物不溶于聚酯组合物，在熔融纺丝阶段会成为异物，使得熔融纺丝时的滤压上升，缩短纺丝工程中的滤网更换周期，增加了纺丝成本。因此，为了使得聚酯组合物达到良好的可纺性、减少纺丝成本，本发明在添加如式3所示磺酸盐化合物时，以其和乙二醇的酯化液的形式添加，并通过提高反应率来降低末端羧基值，从而降低碱金属化合物和如式3所示磺酸盐化合物的反应几率，使得聚酯组合物中如式2所示化合物的含量以硫元素计相对于式1所示磺酸盐基团总量的10.00mol%以下，优选5.00mol%以下。
28.具体的，如式3所示磺酸盐化合物和乙二醇所形成的酯化物如式4所示，
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式4，式4中，y为碳原子数2～20的烷基、苯基或烷基苯，z为li离子、na离子或者k离子。
29.所述酯化液的添加量以酯化液中硫元素计相对于聚酯组合物总量为1000～5000ppm。当酯化液的添加量量低于1000ppm时，所得产品在后续的染色过程中难以达到满意的色彩浓度；当酯化液的添加量高于5000ppm时，会抑制聚酯分子链的增长，造成聚合打头现象，所得聚酯组合物的分子量小，物性不良。从染色性以及聚酯组合物物性综合考虑，所述酯化液的添加量以酯化液中硫元素计相对于聚酯组合物总量优选1000～3500ppm。
30.所述酯化液的酯化率在95%以上，如果所述酯化液的酯化率低于95%，会导致如式2所示化合物的大量生成，熔融纺丝时的滤压上升，缩短纺丝工程中的滤网更换周期，大大的增加了成本。
31.本发明所述阳离子可染聚酯组合物的制备方法为，首先由芳香族二元羧酸或其酯化衍生物与乙二醇经过酯化或酯交换反应得到低聚物，然后将所得低聚物进行聚合反应得到聚酯组合物。在聚合结束前的任意阶段添加如式3所示磺酸盐化合物和乙二醇反应得到的酯化液、脂肪族二元酸或其酯化衍生物以及碱金属化合物，所述酯化液的酯化反应率在95%以上，
式3，式3中，y为碳原子数2～20的烷基、苯基或烷基苯，z为li离子、na离子或k离子。
32.所述脂肪族二元酸或其酯化衍生物增加了聚酯组合物的柔性链，提高了聚酯组合物的活动性，使得染料分子容易进入到聚酯内部，从而提高聚酯组合物的染色性。同时，脂肪族二元酸或其酯化衍生物能促进改性聚酯的聚合反应性，提高聚酯组合物的分子量，有利于纺丝工程中的纱线配向，从而提高纱线强度，改善染色前后纱线的强度保持率。
33.本发明所述脂肪族二元酸或其酯化衍生物是指脂肪族二元酸或者该脂肪族二元酸的酯化衍生物。所述脂肪族二元酸的碳原子个数优选4～10，对所述脂肪族二元酸的酯化衍生物的碳原子个数不做特别限定，酯化衍生物的碳原子个数可以大于10，只要是在碳原子个数4～10脂肪族二元酸的基础上形成的酯化衍生物就可以。比如，脂肪族二元酸为癸二酸时，它的酯化衍生物可以是癸二酸二甲酯，也可以是癸二酸二乙酯等。
34.本发明所述脂肪族二元酸或其酯化衍生物可为直链脂肪族，也可以是支链脂肪族。具体的可为丁二酸、己二酸、壬二酸、癸二酸，丁二酸二甲酯、壬二酸二甲酯、癸二酸二甲酯、2-2-二甲基己二酸等，本发明更优选丁二酸、壬二酸和癸二酸。
35.所述脂肪族二元羧酸或其酯化衍生物的添加量优选聚酯组合物总量的0.1～10.0wt%，更有选0.5～8.0wt%。
36.本发明所述芳香族二元羧酸或其酯化衍生物可以是对苯二甲酸、间苯二甲酸酸、萘二甲酸甲酸、对苯二甲酸二甲酯、间苯二甲酸二甲酯、萘二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二甲酯等，其中优选对苯二甲酸或对苯二甲酸二甲酯。
37.所述酯化反应，可以是在预先存在低聚物的酯化反应槽中，一边连续添加摩尔比为1.05～1.50的乙二醇和芳香族二元羧酸的浆料，一边进行酯化反应；也可以是在预先存在低聚物的酯化反应槽中，在酯化反应开始前，将乙二醇和芳香族二元羧酸全部添加后，然后再进行酯化反应。
38.所述酯交换反应，可以通过调整乙二醇和芳香族二元羧酸酯化衍生物的摩尔比为在1.50～2.50范围内，以控制合适的酯交换反应速度。
39.所述酯交换反应催化剂可以是各种公知的催化剂，例如钴、镁、锰、钛等金属的氧化物或者其醋酸盐，可以混合使用也可以单独使用。
40.所述阳离子可染聚酯组合物制备方法中使用的聚合催化剂可以是公知的各种聚合催化剂。例如锑化合物、锗化合物、钛化合物等。这些催化剂可以混合使用也可以单独使用。
41.本发明的阳离子可染聚酯组合物制造用酯化及聚合反应装置，可以使用各种通常使用的反应装置。
42.为了进一步提高本发明阳离子可染聚酯组合物的耐热性和强度，在阳离子可染聚酯组合物的制备过程中，优选在聚合反应结束后再进行固相聚合。
43.对固相聚合的条件不做特别的限定，本领域的通常反应条件都可以。具体的，可以是将聚合反应得到的聚酯产物经预结晶处理后，在反应温度为200～240℃，反应压力1000pa以下，反应时间100小时以下的条件下进行固相聚合以得到最终聚酯组合物。
44.本发明的阳离子可染聚酯组合物的物性良好，染色性优良，聚酯组合物的染色稳定性好。且通过控制阳离子染料可染成分酯化液的末端羧基的量，从而使得聚酯组合物中不溶性异物的含量低，聚酯熔融纺丝时的异物较少，纺丝过程中滤压上升少、滤网的更换周期长、成本低。
45.本发明各项指标的测定方法及评价方法如下：（1）特性粘度（iv）将聚酯组合物切片0.8g溶于10ml邻氯苯酚溶液中，在水浴温度为25
±
0.2℃条件下，使用乌氏粘度计来测定其特性粘度。
46.（2）不溶性化合物中硫元素含量称取2g试样，用30ml六氟异丙醇进行溶解，然后使用4μm的滤纸将溶解液进行过滤，对滤纸上的硫元素的含量通过sem-edx进行定量分析。
47.（3）聚酯组合物中硫元素含量分析通过sem-edx元素分析仪对聚合物中硫元素含量进行定量分析。
48.（4）染色稳定性评价将聚酯组合物进行纺丝得到延伸丝，然后将得到的延伸纤维进行2根并丝，在22针距条件下制得袜筒，将此袜筒在染料(blue.tr)3%owf、醋酸0.5ml/l、醋酸钠0.2g/l、浴比1:100的130℃的热水浴中染色60分。染色后的样品重叠成不透光状后用分光测色计(datacolor asia pacific(h.k.)ltd.制造的datacolor 650)在cei标准光源d65、10o角条件下进行测色得出l*。
49.（5）酯化液反应率的计算（羧基含量的测试）称取0.5g试样用10ml邻甲酚溶解，用0.2 mol/l的氢氧化钠通过电位滴定仪器测试羧基量。
50.（6）二甘醇测试间苯二甲酸二乙二醇磺酸盐溶液中的二甘醇：称取0.5g试样加入10ml己二酸，通过lc测定，并通过内标法确定二甘醇含量。
51.聚酯中的二甘醇：称取0.5g试样加入乙醇胺加热溶解，加入10ml己二酸，通过lc测定，并通过内标法确定二甘醇含量。
52.（7）耐热性评价方法（δcooh，eq/t）称取8g的切片放入试管中，将其在300℃氮气下保温3小时进行加热处理，分别测试加热处理前后切片的羧基含量。如果加热处理前后羧基含量δcooh（加热处理前cooh-加热处理后cooh）值大的话就表示聚酯的耐热性比较差。
53.（8）聚酯组合物中脂肪族二元羧酸结构单元含量取一定量的聚酯组合物，通过用h-nmr测试的氢元素特征峰（例如苯环的氢和直链的氢）算出脂肪二酸在聚酯组合物中含量。
54.（9）滤压差δpa使用滤压测试用小型过滤性实验机进行测试。在一定的吐出量条件下，使阳离子可染聚酯通过滤网，滤网孔径为5μm，测试温度为聚酯的熔点＋25℃，吐出量为10g/min，开始进料后30min时滤网前的压力记为初压pa1，从初压开始的1小时后记录终了压力pa2，则1小时的滤压上升值为δpa＝pa2－pa1。δpa越小时则表示聚酯中异物越少，纺丝越稳定。
55.（10）纤维的强伸度积强度和伸度测定参照jis l1013：2010（化学纤维中长纤维实验方法）8.8.1的基准算出。通过orientec co.,rtc-1225a强伸度试验机测出强度和伸度，强伸度积＝强度
×
(伸度)
0.5
。
56.下面将从列举的实施例和比较例对本发明的优点进行详细的说明。本发明并不限于下述的实施例。
57.实施例1将对苯二甲酸（pta）、乙二醇（eg）混合均匀后投入到反应釜中，于240～260℃进行酯化反应。酯化反应结束后，将反应产物移入缩聚釜，然后加入丁二酸，再加入酯化率为99%的酯化液，然后再添加醋酸锂溶液，之后添加催化剂三氧化二锑以及热稳定剂磷酸三甲酯，于260℃～290℃进行聚合反应。待聚合物达到需要粘度后吐出、切粒，得到所需要的聚酯组合物。聚酯组合物的特性粘度iv为0.64dl/g,聚酯的滤压差为0.20mpa/h，二甘醇（deg）含量为2.5wt%。
58.将上述切片在290℃进行熔融纺丝得到阳离子可染聚酯纱线。纤维中硫元素含量为2450ppm，热水处理后溶出水溶液中硫元素含量为4.7ppm，占聚酯组合物总的硫元素含量的0.19%。纤维的强伸度积为24，蓝色染料浓度3.0%o.w.f时，染色后的l值为25。
59.实施例2变更芳香族二元羧酸或其酯化衍生物的种类，其它条件同实施例1制备得到阳离子可染聚酯组合物。具体物性见表1。
60.实施例3～6变更如式3所示磺酸盐的添加量，其它条件同实施例1制备得到阳离子可染聚酯组合物。具体物性见表1。
61.实施例7变更如式3所示磺酸盐酯化液的反应率，也就是变更磺酸盐酯化液的末端羧基值，其它条件同实施例1制备得到阳离子可染聚酯组合物。具体物性见表1。
62.实施例8～12变更碱金属化合物醋酸锂的添加量，其它条件同实施例1制备得到阳离子可染聚酯组合物。具体物性见表1和表2。
63.实施例13～14变更碱金属化合物的种类，其它条件同实施例1制备得到阳离子可染聚酯组合物。具体物性见表2。
64.实施例15～16变更如式3所示磺酸盐的种类，其它条件同实施例1制备得到阳离子可染聚酯组合物。具体物性见表2。
65.实施例17聚合反应结束后，在反应温度为230℃，反应压力50pa，反应时间80小时以下的条件下进行固相聚合，其它条件同实施例1制备得到阳离子可染聚酯组合物，具体物性见表2。
66.实施例18～23变更脂肪族二元酸或其酯化衍生物的添加量，其它条件同实施例1制备得到阳离子可
染聚酯组合物。具体物性见表3。
67.实施例24～25变更脂肪族二元酸或其酯化衍生物的种类，其它条件同实施例1制备得到阳离子可染聚酯组合物。具体物性见表3。
68.比较例1直接添加磺酸盐3-羧基苯磺酸钠，其它条件同实施例1制备得到阳离子可染聚酯。具体物性见表4。
69.比较例1中，由于直接添加了未酯化的3-羧基苯磺酸钠，导致聚酯组合物中如式2所示的不溶性化合物的量太多，最终聚酯熔融滤压测试时的异物较多，滤压差δpa比较大、纺丝越不稳定。
70.比较例2直接添加未酯化的3-羧基苯磺酸钠单体，不添加碱金属化合物，其它条件同实施例1制备得到阳离子可染聚酯。具体物性见表4。
71.由于直接添加了未酯化的3-羧基苯磺酸钠单体，末端的羧基较多，整个聚合物体系呈酸性条件，在不加入deg抑制剂碱金属化合物条件下，容易生成过多的二甘醇，二甘醇会导致聚合物的耐热性变差，而且容易导致聚合物出现打头现象，从而聚酯的最终iv较低。
72.比较例3添加反应率在99%的磺酸盐酯化液，但是不加入碱金属化合物，其它条件同实施例1制备得到阳离子可染聚酯。具体物性见表4。
73.虽然是反应率在99%的酯化液，游离的酸性离子较少，但是由于过量eg较多，在不加入deg抑制剂碱金属化合物条件下，还是容易生成过多的二甘醇，二甘醇会导致聚合物的耐热性变差，最终聚酯的物性差。
74.比较例4～6变更磺酸盐酯化液的反应率，其它条件同实施例1制备得到阳离子可染聚酯组合物。具体物性见表4。
75.虽然是3-羧基苯磺酸钠经过酯化，但是由于反应率较低，末端羧基量很大，导致聚酯组合物中如式2所示的不溶性化合物的量太多，最终聚酯熔融滤压测试时的异物较多，滤压差δpa比较大、纺丝越不稳定。
76.比较例7～8变更如式3所示磺酸盐的添加量，其它条件同实施例1制备得到阳离子可染聚酯组合物。具体物性见表4。
77.磺酸盐的添加量过低，会导致染色性很差，染不出需要的色调。磺酸盐的添加量过高，会导致所得聚酯组合物的分子量小，物性不良，纱线的强度太低。
78.比较例9不添加脂肪族二元酸或其酯化衍生物，其余同实施例1。具体物性见表4。
79.在不添加脂肪族二元酸或其酯化衍生物的条件下，会导致同等染色温度的条件下，染色性下降，色调值不良，同时聚酯强度下降。