СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОСТОЙКОГО ВОЛОКНА Российский патент 2002 года по МПК D01F6/74 

Изобретение относится к области получения термостойких волокон на основе ароматических сополиамидобензимидазолов. Волокна предназначены для изготовления негорючих текстильных изделий, обеспечивающих безопасность населения (защитная одежда спасателей, пожарных, сварщиков металла, металлургов, военное обмундирование, ковровые покрытия и декоративно-отделочные ткани для мебели, штор, занавесей в воздушном, морском и наземном транспорте и т.п.).

Известно, что за рубежом для этих целей используются в основном метаарамидные волокна типа номекс (США) и конекс (Япония), а в Советском Союзе вырабатывалось волокно фенилон, производство которого прекратилось в 1996 г. Эти волокна получают переработкой поли-м-фениленизофталамида формулы

из растворов в амидных растворителях, например, в N,N-диметилацетамиде. Преимущественное использование полиметаарамидов обусловлено прежде всего тем, что синтез и переработка в волокно полипараарамидов являются более сложным и дорогостоящим процессом. Так, волокно из наиболее известного полипарафенилентерефталамида получают из анизотропных растворов в концентрированной серной кислоте. Этот полимер сначала синтезируют низкотемпературной поликонденсацией в амидном растворителе с солевой добавкой, причем на завершающей стадии синтеза система превращается в гель. Полимер выделяют из геля водой, промывают, сушат, а затем проводят повторное растворение в серной кислоте. Поэтому процесс получения таких волокон является сложным и дорогим. В патенте США 4018735, 1977 предложена аналогичная переработка в волокна из анизотропных сернокислотных растворов полипараарамидов с гетероциклами в основной цепи и, в частности, сополиамидобензимидазолов формулы при m = 10-70 и m + n = 100 мол. %, где Х = NH, О, S

Известно получение волокон и пленок непосредственно из поликонденсационных растворов в диметилацетамиде или N-метилпирролидоне с солевыми добавками полипарарамидов с гетероциклами в основной цепи, и в частности, сополиамидобензимидазолов формулы

При m = 20-80 и m+n = 100 мол.%, где R - алкил, алкокси радикал или атом Cl (Пат. РФ 2017866, 1994). Для этих полимеров с относительно небольшим содержанием звеньев на основе диамина с гетероциклом (m = 20-40 мол.%) избегают структурирования растворов (получения высокой вязкости растворов при низкой удельной вязкости полимеров) или гелеобразования, вероятно, благодаря наличию заместителя R в бензольном ядре парафенилендиамина. Однако диамины с замещением в бензольном ядре являются малодоступными и более дорогими, чем парафенилендиамин.

Известно, что параарамиды, в том числе и с гетероциклами в основной цепи, разработаны для получения высокопрочных и высокомолекулярных термостойких волокон, где в ряде случае оправдан выбор более дорогих мономеров ради достижения экстремально высоких показателей. Иной подход лежит в основе моделирования состава сополиамида для выработки термостойкого волокна текстильного назначения, который обусловлен достижением нужного комплекса физико-механических показателей с учетом максимальной экономичности производства и описан в настоящем изобретении.

Полипараарамиды являются жесткоцепными полимерами с высокой асимметрией макромолекул (палочкоподобного типа). Такие полимеры даже при небольшой концентрации дают высоковязкие растворы. Поэтому переработка в волокна производится из умеренно концентрированных (3-5%-ных мас.) поликонденсационных растворов, что также снижает экономические показатели их получения. Введение в их состав метаструктуры дает возможность использовать более концентрированные поликонденсационные растворы с той же вязкостью. Кроме того, волокна на основе параарамидов, такие как кевлар и тварон, в том числе и с гетероциклами в основной цепи, несмотря на высокую прочность имеют низкие показатели по разрывному удлинению (3,3%) и гигроскопичность - их влагосодержание при 65%-ной влажности воздуха (W) составляет 4-5%. Эти волокна склонны к фибриллизации при текстильных операциях и носке одежды.

В патенте РФ 1621477, 1995 и журнале "Текстильная химия", 1992, 1, с. 20-34 описано волокно на основе сополиамидобензимидазола, сочетающего звенья пара- и метаструктуры формулы

При соотношении m: n от 20: 1 до 1:20 это волокно имеет существенные преимущества перед метаарамидными волокнами (номекс, конекс, фенилон), в частности, более высокие огнезащитные свойства и повышенное влагосодержание, что обусловливает повышенные гигиенические свойства одежды из них.

Полимер для волокна указанной выше структурной формулы получают методом низкотемпературной поликонденсации в растворе диметилацетамида с хлористым литием из трех мономеров - двух дихлорангидридов (теле- и изофталевых кислот) и одного диамина -5(6)-амино-2-парааминофенилбензимидазола (М-2). Однако стоимость М-2 в несколько раз превышает стоимость метафенилендиамина (а также парафенилендиамина, стоимость которого мало отличается от стоимости метафенилендиамина), используемого для получения метаарамидов и волокон на их основе. Поэтому сополиамидобензимидазольные волокна такого типа в настоящее время неконкурентноспособны по отношению к зарубежным аналогам.

Наиболее близкое техническое решение представлено в патенте РФ 2130980, 1999, где описан способ получения высокопрочного и высокомолекулярного волокна из ароматического сополиамида с гетероциклами в основной цепи, при синтезе которого на 100 мол.% терефталоилхлорида используют 70 мол.% 5(6)-амино-2-парааминофенилбензимидазола и 30 мол.% парафенилендиамина. Нити получают мокрым формованием из 4,35%-ного поликонденсационного раствора полимера в диметилацетамиде с добавкой 3% хлористого лития. Свойства нитей следующие: линейная плотность 21,2 текс, прочность 200 сН/текс, разрывное удлинение 3,0%, модуль упругости 120 ГПа. Нить выдерживает 1240 двойных изгибов при нагрузке 12 кгс/мм² до разрушения, что является недостаточно хорошим показателем. Указанное волокно рекомендовано использовать для армирования органопластиков авиакосмического, оборонного и другого назначения. Оно мало пригодно для применения в качестве текстильного термо-, огнестойкого материала из-за низкого разрывного удлинения, склонности к разрушению на изгибах ткани, фибриллизации высокопрочных нитей при текстильных операциях и носке одежды, и самое главное, высокой стоимости волокон.

Технической задачей настоящего изобретения является получение волокон с наилучшим сочетанием свойств для применения в качестве текстильных материалов, упрощение и удешевление технологического процесса получения термо-, огнестойкого волокна на основе сополиамидобензимидазола при существенном снижении его стоимости.

Поставленную задачу удалось решить за счет того, что волокна получают на основе ароматического сополиамидобензимидазола, при синтезе которого на 100 мол. % терефталоилхлорида используют 10-70 мол.% 5(6) амино-2-парааминофенилбензимидазола и 30-90 мол.% метафенилендиами на, из 7,5-12%-ных мас. поликонденсационных растворов в диметилацетамиде с добавкой хлористого лития или без его добавки для ряда составов сополиамида, мокрым формованием в осадительную водно-диметилацетамидную ванну с последующей промывкой и сушкой. Таким образом, технический результат достигается за счет замены парафенилендиамина в составе полимера по патенту 2130980, 1999 на метафенилендиамин (МФДА), а также снижения содержания дорогого М-2 в оптимальных составах полимера, в которых используют 20-30 мол.% М-2 и 70-80 мол.% МФДА.

Волокно по предлагаемому изобретению получают из полимера, синтезированного из смеси двух диаминов: 5(6)-амино-2-парааминофенилбензимидазола и метафенилендиамина, взаимодействующих с терефталоилхлоридом в среде амидного растворителя - диметилацетамида. Состав смеси диаминов выбран в интервале 10-70 мол. % М-2 и 30-90 мол.% МФДА, причем М-2 + МФДА = 100 мол.% Добавка LiCl в ДМА предотвращает структурирование растворов или гелеобразование для составов с большим содержанием звеньев М-2, например: 70:30 мол.% или 50:50 мол. % М-2: МФДА. Для синтеза полимера с соотношением звеньев 10:90: 30:70 мол. % М-2 : МФДА может быть использован ДМА без добавки хлористого лития, хотя при этом получают примерно в 1,5 раза более вязкие поликонденсационные растворы, чем с добавкой соли. Вязкость растворов, как известно, зависит от концентрации и удельной вязкости полимера. Для 11%-ного (мас.) раствора полимера состава 30: 70 мол.% М-2 : МФДА в ДМА без LiCl она равна 80 и 150 Па•С при удельной вязкости полимера η_уд = 1,2 и 1,4. Так как наиболее приемлемыми для формования являются растворы с вязкостью, не превышающей 100-150 Па•С, то используют ДМА, как правило, с добавкой LiCl, а синтез полимера ведут с ограничением молекулярной массы, чтобы удельная вязкость была равна 1,0-1,4 для состава 10:90 - 30:70 мол.% М-2 к МФДА и 2-4 для состава 50:50 - 70:30 мол.% М-2 МФДА.

Поликонденсация может быть остановлена известными приемами, например, путем добавки монофункциональных соединений, таких как бензоилхлорид, ацетилхлорид и т.п., или использованием ДМА с содержанием 0,05% мас. воды, предотвращающей чрезмерный рост молекулярных цепей, или неэквимолярным соотношением добавляемого терефталоилхлорида к смеси диаминов.

С увеличением содержания в составе сополиамидобензимидазолов гибких звеньев метафенилендиамина наблюдаются следующие изменения в свойствах полимеров, их растворах и волокнах (таблица):
- снижается удельная вязкость полимеров, но это не означает, что уменьшается их молекулярная масса. Известно, что у гибкоцепных полимеров вязкость значительно ниже, чем у жесткоцепных;
- увеличивается концентрация поликонденсационного (прядильного) раствора при одной и той же вязкости, что значительно повышает экономичность технологического процесса получения волокна и удешевляет это волокно;
- как правило, снижается прочность нитей, но одновременно возрастает их разрывное удлинение, что способствует улучшению текстильной переработки и эксплуатационных свойств нитей;
- возрастает степень усадки исходных (свежесформованных) нитей, однако термоупрочненные нити являются практически безусадочными при температурах ниже температуры их термообработки (350^oС);
- равновесное влагосодержание исходных нитей практически не зависит от состава сополиамидобензимидазола и даже 10 мол.%-ное содержание звеньев М-2 и 90 мол.%-ное - звеньев МФДА в полимере обеспечивает высокую гигроскопичность нитей на уровне 11%;
- кислородный индекс снижается, особенно это заметно для полимеров с соотношением М-2:МФДА 10:90 мол.%, когда он становится равным показателю для параарамидных волокон типа кевлер или номекс, или фенилон.

По совокупности рассмотренных свойств с учетом минимального использования дорогого мономера М-2 оптимальным является состав сополиамидобензимидазола с соотношением М-2:МФДА 30:70 мол.%. Это не исключает получение и важное применение волокон иного химического строения для каких-то конкретных целей. Так, волокна из полимеров с эквивалентным соотношением звеньев диаминов М-2 и МФДА, а также с 70 мол.%-ным содержанием М-2 привлекают внимание с точки зрения повышенной прочности, практически нулевой термоусадки до температуры 300^oС (в исходном состоянии) и высокой огнезащищенностью. Но при более высоком содержании М-2 экономичность предлагаемого способа становится малозаметной.

Волокна из полимера с соотношением М-2:МФДА 10:90 и 20:80 мол.%, хотя и характеризуются меньшими показателями прочности, но имеют самое высокое удлинение, которое не снижается даже в результате термоупрочнения. Волокна из полимеров этих составов к тому же имеют белый цвет, остальные - светло-желтый.

Таким образом, термо-, огнестойкие волокна на основе предложенных в настоящем изобретении сополиамидобензимидазолов обладают комплексом исключительно ценных свойств, являясь эластичными текстильными материалами с высокой степенью огнезащищенности, малой термоусадкой и высокой гигроскопичностью. Это предопределяет их эффективное использование для создания негорючих изделий разнообразного ассортимента.

Нижеследующие примеры иллюстрируют предлагаемое изобретение.

Пример 1.

В трехгорлую колбу с мешалкой загружают 80 мл сухого диметилацетамида, содержащего 2,9% мас. хлористого лития, 0,879 г (0,01284 моля) 5(6)-амино-2-парааминофенилбензимидазола и 0,505 г (0,0055 моля) метафенилендиамина. Общее количество влаги в реакционной смеси не превышает 0,05% мас.

После получения однородной суспензии диаминов в диметилацетамиде содержимое колбы охлаждают водой до 10-15^oС, в нее постепенно вносят 3,720 г (0,01834 моля) терефталоилхлорида и перемешивание продолжают в течение 3-х часов при постепенном подъеме температуры до 20^oС. Получают полимер с соотношением звеньев на основе 5(6)-амино-2-парааминофенилбензимидазола и терефталоилхлорида и метафенилендиамина и терефталоилхлорида соответственно 70:30 мол.% с удельной вязкостью 4,0.

(Удельную вязкость определяли методом капиллярной вискозиметрии для раствора 0,5 г полимера в 100 мол 96%-ной серной кислоты при 25^oС.)
Поликонденсационный раствор после фильтрации и обезвоздушивания используют для мокрого формования нитей по известному способу через фильеру на 100 отверстий с диаметром 0,1 мм в осадительную ванну, содержащую 50%-ный раствор диметилацетамида в воде при комнатной температуре со скоростью приема на вращающуюся перфорированную бобину 10 м/мин. Фильерная вытяжка составляет от +40 до -40%, а пластификационная вытяжка, проводимая в "шубе" осадительной ванны, от 100 до 200%. После промывки от растворителя, соли и гидрохлорида, сушки и крутки определяют физико-механические свойства. Эти свойства для всех полимеров сведены в таблицу.

Пример 2.

Синтез полимера и формование нити проводят согласно примеру 1, за исключением того что используют диамины 5(6)-амино-2-парааминофенилбензимидазол и метафенилендиамин в соотношении 50:50 мол.% и терефталоилхлорид.

Пример 3.

Синтез полимера и формование нити проводят согласно примеру 1, за исключением того что используют диамины 5(6)-амино-2-парааминофенилбензимидазол и метафенилендиамен соответственно в соотношении 30:70 мол.% и терефталоилхлорид.

Пример 4.

Синтез полимера и формование нити проводят согласно примеру 1, за исключением того что используют диамины 5(6)-амино-2-парааминофенилбензимидазол и метафенилендиамин соответственно в соотношении 30:70 мол.% и терефталоилхлорид, а синтез проводят в отсутствие хлористого лития.

Пример 5.

Синтез полимера и формование нити проводят согласно примеру 1, за исключением того что используют диамины 5(6)-амино-2-парааминофенилбензимидазол и метафенилендиамин соответственно в соотношении 20:80 мол.% и терефталоилхлорид, а синтез проводят в отсутствие хлористого лития.

Пример 6.

Синтез полимера и формование нити проводят согласно примеру 1, за исключением того что используют диамины 5(6)-амино-2-парааминофенилбензимидазол и метафенилендиамин соответственно в соотношении 10:90 мол.% и терефталоилхлорид, а синтез проводят в отсутствие хлористого лития.

Пример 7. (Сравнительный)
Синтез полимера и формование нити проводят согласно примеру 1, за исключением того что получают гомополимер из метафенилендиамина и терефталоилхлорида (Патент США 3511819, 1970), выпадает в виде геля. Он не образует раствор ни в присутствии, ни в отсутствие хлористого лития.

Изобретение относится к технологии получения термостойких волокон из ароматических полимеров и может быть использовано для производства текстильных изделий - защитной одежды спасателей, пожарных, обмундирования. Синтезируют полимер из 5(6)-амино-2-парааминофенилбензимидазола, метафенилендиамина и терефталоилхлорида в растворе диметилацетамида в присутствии или в отсутствии хлористого лития. Полученный поликонденсационный раствор формуют в водно-диметилацетамидную ванну, промывают и сушат. Изобретением упрощается и удешевляется процесс получения волокна, пригодного для изготовления текстильных материалов с высокими огне- и термостойкими свойствами. 2 с.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения термостойкого волокна, включающий синтез ароматического сополиамидобензимидазола на основе 5(6)-амино-2-парааминофенилбензимидазола, второго диамина и терефталоилхлорида в растворе диметилацетамида в присутствии хлористого лития, формование полученного поликонденсационного раствора в водно-диметилацетамидную ванну, промывку и сушку, отличающийся тем, что в качестве второго диамина используют метафенилендиамин, при синтезе на 100 мол. % терефталоилхлорида берут 10-70 мол. % 5(6)-амино-2-парааминофенилбензимидазола и 30 - 90 мол. % метафенилендиамина, а формование осуществляют из 7,5-12%-ного поликонденсационного раствора. 2. Способ получения термостойкого волокна, включающий синтез ароматического сополиамидобензимидазола на основе 5(6)-амино-2-парааминофенилбензимидазола, второго диамина и терефталоилхлорида в растворе диметилацетамида, формование полученного поликонденсационного раствора в водно-диметилацетамидную ванну, промывку и сушку, отличающийся тем, что в качестве второго диамина используют метафенилендиамин, при синтезе на 100 мол. % терефталоилхлорида берут 10 - 30 мол. % 5(6)амино-2-парааминофенилбензимидазола и 70 - 90 мол. % метафенилендиамина, а формование осуществляют из 10 - 12%-ного поликонденсационного раствора.