СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНОГО ВОЛОКНА Российский патент 1999 года по МПК D01F6/90 

Изобретение относится к области получения высокопрочных волокон на основе ароматических сополиамидобензимидазолов (ПАБИ), используемых, как правило, в органопластиках авиакосмического, оборонного и др. назначения.

Известно, что высокопрочные волокна органической природы отличаются низкой прочностью по отношению к осевому сжатию. Она, как правило, на порядок ниже, чем прочность на растяжение, что ограничивает применение синтетических армирующих нитей в органопластиках основного назначения.

В патенте РФ N 2017866, 1994 описаны высокопрочные волокна на основе ПАБИ различного химического строения и способы их получения, но данные по прочности на сжатие или изгибоустойчивости волокон отсутствуют.

Известен способ получения высокопрочных нитей из смеси поди-п-фенилентерефталамида (ПФТА) и поливинилпирролидона (ПВП) через общий растворитель (100%-ую серную кислоту), описанный в патенте фирмы Дюпон. Данные по изгибоустойчивости этих нитей отсутствуют (EP 0396020, 1990).

Наиболее близким техническим решением является способ получения волокнистых материалов из смеси ПВП и ароматических сополиамидов сложного строения, включающих звенья трех диаминов и терефталевой кислоты, с содержанием ПВП от 7 до 70% (оптимально 45-55%).

Однако данные по изгибоустойчивости нитей и прочности на сжатие также отсутствуют (2024654, 1994).

Технической задачей данного изобретения является повышение изгибоустойчивости и, следовательно, прочности к осевому сжатию ПАБИ волокон, а также их удешевление без потери прочности.

Поставленная задача достигается тем, что ПВП вводят в поликонденсационный раствор ароматического сополимера в диметилацетамиде (ДМАА), при этом в качестве ароматического сополиамида используют ПАБИ, полученный низкотемпературной растворной поликонденсацией в смеси диметилацетамида и хлористого лития из 100 мол.% терефталоилхлорида, 70 мол.% 5(6)-амино-2-n-аминофениленбензимидазола и 30 мол.% n-фенидендиамина, а поливинилпирролидон вводят в количестве 5-10 мас. %. Кроме того, термообработку проводят при 350^oC. Диамины в количестве 9,92 и 2,05 г соответственно растворяют в 464 мл ДМАА, содержащем 3% хлористого лития. После растворения диаминов раствор охлаждают до 8^oC и при постоянном перемешивании добавляют 12,64 г (0,0623 М) терефталоилхлорида в течение 55 мин. Вязкость раствора при этом постепенно увеличивается и после дополнительного перемешивания при 20-22^oC в течение 1,5 ч составляет 500-600 П.

В полученный раствор вводили различное количество ПВП, после растворения которого при комнатной температуре прядильные растворы фильтровали и обезвоздушивали. Нити получали мокрым формованием через фильеру 100/0,1 (100 отверстий диаметром 0,1 мм) в горизонтальную осадительную ванну из 55-60%-ного водного раствора ДМАА при 20^oC со скоростью 3-13 м/мин с отрицательной фильерной вытяжкой. После формования волокна тщательно промывали от компонентов осадительной ванны, высушивали при 120^oC и подвергали термической обработке при 350^oC в течение 30 мин.

В таблице приведены характеристики растворов и механические показатели нитей.

Из таблицы видно, что:
- концентрация прядильных растворов смеси полимеров при введении в них ПВП до 20% практически полностью соответствует расчетной на суммарное присутствие обоих полимеров. Поскольку она определялась весовым методом по высаживанию пленки водой, это свидетельствует о полном осаждении ПВП совместно с ПАБИ и, следовательно, об образовании интерполимерного комплекса из этих полимеров. Все высаженные пленки являются прозрачными, что также свидетельствует о совместимости ПВП с ПАБИ.

- рост вязкости прядильных растворов при введении ПВП также может свидетельствовать о сильном межмолекулярном взаимодействии ПВП с ПАБИ;
- для термообработанных волокон высокие прочностные показатели сохраняются до 10% ПВП в смеси полимеров, хотя в абсолютном выражении прочности несколько снижаются. Если учесть, что ПВП не является волокнообразующим полимером и рассчитать относительные прочности смесевых нитей с учетом этого, то прочность и при 10%-ном содержании ПВП не ниже показателя для ПАБИ волокон;
- линейная плотность смесевых нитей после термообработки снижается в несколько большей степени, чем нитей, не содержащих ПВП, что свидетельствует о частичной деструкции ПВП и удалении продуктов деструкции из волокна. Действительно, согласно данным ИКС содержание ПВП в смесевых волокнах несколько снижается после термообработки, но не менее 70% от первоначального количества этого полимера остается в волокне;
- изгибоустойчивость нитей при введении в них ПВП в количестве всего 5% возрастает почти в два раза;
Следует отметить, что ПВП гораздо дешевле ПАБИ и его добавка в количестве 5-10% в высокопрочное волокно способствует существенному удешевлению этого волокна.

Зависимость прочности исходных и термообработанных смесевых нитей от количества введенных добавок представлена на графике. На вертикальной оси обозначена прочность в СН/текс. На горизонтальной оси - мас.% вводимого полимера.

На графике представлены следующие обозначения:
х - ПВП;
о - сополимер капролактама и соли АГ;
□ - поли-м-фениленизофталамид;
• - сополиамид м-фенилендиамина и смеси тере- и изофталевых кислот (40: 60);
▪ - ПВХ.

Как это видно из прилагаемого графика, в отличие от ПВП другие исследованные добавки приводят к резкому снижению прочности термообработанных волокон, хотя прочности свежесформованных нитей для всех добавок остаются на прежнем уровне. Высаженные из прядильных растворов смеси ПАБИ и этих полимеров пленки являются мутными, что свидетельствует о несовместимости гибкоцепных алифатических и ароматических полиамидов с ПАБИ.

Высокопрочные волокна на основе ароматических сополиамидобензимидазолов (ПАБИ) используются в органопластиках авиакосмического, оборонного и др. назначения. Получение высокопрочного волокна включает введение поливинилпирролидона в поликонденсационный раствор ароматического сополиамида в диметилацетамиде, формование его в осадительную ванну, промывку, сушку и термообработку. При этом в качестве ароматического сополиамида используют сополиамидобензимидазол, полученный низкотемпературной растворной полуконденсацией в смеси диметилацетамида и хлористого лития из 100% терефталоилхлорида, 70 мол.% 5(6)-амино-2-n-аминофениленбензимидазола и 30 мол.% n-фенилендиамина, а поливинилпирролидон вводят в количестве 5 - 1 мас.%. Полученное волокно обладает повышенной изгибоустойчивостью и, следовательно, повышенной прочностью к осевому сжатию ПАБИ. 1 з.п.ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Способ получения высокопрочного волокна, включающий введение поливинилпирролидона и поликонденсационный раствор ароматического сополиамида в диметилацетамиде, формование его в осадительную ванну, промывку, сушку, термообработку, отличающийся тем, что в качестве ароматического сополиамида используют сополиамидобензимидазол, полученный низкотемпературной растворной поликонденсацией в смеси диметилацетамида и хлористого лития из 100 мол.% терефталоилхлорида, 70 мол.% 5(6)-амино-2-n-аминофениленбензимидазола и 30 мол. % n-фенилендиамина, а поливинилпирролидон вводят в количестве 5 - 10 мас.%. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термообработку проводят при 350^oC.