СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФОРМОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ В ВИДЕ ВОЛОКОН, НИТЕЙ, ВЫПОЛНЕННЫХ ИЗ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ ПОЛИАМИДОВ
METHOD OF PRODUCING MOULDED ARTICLES IN FORM OF FIBRES AND THREADS MADE FROM HETEROCYCLIC POLYAMIDES

Изобретение относится к технологии получения формованных изделий в виде волокон, нитей из гетероциклических ароматических полиамидов и может быть использовано при изготовлении композиционных материалов, специзделий, работающих под высокими нагрузками, тканей для изготовления защитных изделий от баллистических ударов, термозащитных, резино-технических и других изделий.
Известно формованное изделие в виде волокна на основе ароматического сополиамида (Патент РФ №2167961), которое характеризуется удлинением при разрыве, по крайней мере 4.5% и удельной разрывной нагрузкой с большим интервалом вариации (54-230) сН/текс. Процесс сополимеризации проводят в амидосолевой среде, а формование осуществляют из сернокислых растворов. Эта технология осложняется дополнительными операциями удаления и регенерации растворителя.
Известен способ получения формованного изделия из гетероциклических ароматических сополиамидов и сополиимидов (Патент РФ №2409710 от 20.01.2011), содержащих бензимидазольные фрагменты, включающий стадии синтеза, формования и термоупрочнения сополимеров. В результате сополиконденсации смеси ароматических диаминов - диаминобензимидазола, аминоиминобензимидазола, п-фенилендиамина или без него со смесью диангидридов ароматических кислот - терефталоилхлорида и пиромеллитового диангидрида в среде диметилацетамида с добавлением хлористого лития не более 4 вес.% получают продукт, содержащий бензамидные, бензимидные и бензамидокислотные фрагменты или отличающийся тем, что в систему апротонного растворителя диметилацетамида с хлоридом лития (до 4 вес.%) постадийно вводят смеси диаминов: диаминобензимидазола (ДАФБИ), аминоиминобензимидазола (АИФБИ) и парафенилендиамина (ПФДА) или без него в соотношении по молям 0≤ПФДА≤0.3. На стадии получения олигомерной системы добавляют терефталоилхлорид (ТФК) до 95% его мольной доли по отношению к смеси диаминов с последующим введением смеси оставшегося количества (не менее 5% мольных долей) терефталоилхлорида с пиромеллитовым диангидридом в соотношении по молям 0.05≤ПДА≤0.2 (прототип).
Однако неоднородность по составу смеси диаминов (ДАФБИ) с (АИФБИ) из-за отсутствия контроля состава смеси вызывает большую вариацию неконтролируемых вязкостных параметров прядильных растворов и, как следствие, неконтролируемое изменение физико-механических свойств готовой продукции.
Отсутствие регламентированных значений температур плавления ароматических диаминов и значений их чистоты (количество примесей) не позволяет программировать параметры формования поликонденсационных растворов и области применения готовой продукции.
Отсутствие регламентированных значений составов промежуточных продуктов перед формованием вызывает высокую дисперсию физико-механических показателей готовой продукции.
Технической задачей изобретения является обеспечение высоких физико-механических свойств (удельная разрывная нагрузка, модуль упругости, разрушающее напряжение в микропластике), достижение низкой флуктуации показателей с малым интервалом их изменения и прогнозирование областей применения готового изделия по свойствам промежуточных продуктов.
2
2
Техническая задача решается применением исходных ароматических аминов 5(6)-амино-2(пара-иминохинон) бенздиимид (АИ) с температурой плавления 235±3°C и 5(6)-амино-2(пара-аминофенил) бензимидазол (ДА) с температурой плавления 216±3°C с содержанием последнего 5-60% и п-фенилендиамина (ПФДА) в количестве 0-30 мас.%, а также применением различных количественных составов трех исходных ароматических аминов в соответствии с диаграммой 1 и введением системы регулирования технологическими параметрами в зависимости от состава исходных ароматических диаминов и свойств промежуточных продуктов с обеспечением отличающихся технологий для получения конечных продуктов различного назначения, имеющих линейную плотность, по крайней мере, 29 текс, удельную разрывную нагрузку не менее 80 сН/текс с коэффициентом вариации не более 7.5%, относительное удлинение не ниже 3.2 с доверительным интервалом не более ±0.4% и/или имеющих линейную плотность, по крайней мере, 29.4 текс с коэффициентом вариации не более 5.0%, удельную разрывную нагрузку по крайней мере 230 сН/текс с коэффициентом вариации не более 5.0%, начальный модуль упругости по крайней мере 14900 кг/мм, удлинение не ниже 2.8%, разрушающее напряжение нити при растяжении в микропластике, по крайней мере, 480 кг/мм.
Конечные продукты используют для изготовления высокопрочных композиционных материалов, специзделий, работающих под высокими нагрузками, тканей для изготовления защитных изделий от баллистических ударов, термозащитных, резинотехнических изделий и др.
Диаграмма построена по принципу мольных (весовых) долей аминов в исходной смеси (рабочая область заштрихована).
Поликонденсационный раствор в зависимости от количественных составов исходных ароматических аминов характеризуется динамической вязкостью в диапазоне 300-800 П.
Структура полученного полиамида характеризуется наличием бензимидазоламидных (I), бензимидазолимидольных (II), бенздиимидхиноидных (III), п-фенилендиамидных (IV) группировок (фрагменты I-IY).
Названные группировки идентифицированы методом ИК-поляризационной спектроскопии по колебаниям характеристических полос (таблица А).
Таблица А
Идентификация фрагментов сополимера
№
Номер фрагмента
Вид связи
Поляризация ИК-излучения
Частоты, см<sup>-1</sup>
1.
I
C=O
σ
1650
NH
σ
3280-3300
2.
II
C=N
π
1635
O-Н
π
3400-3450
3.
C=O
σ
1660
III
С=С
π
1642
C=С
π
1642
C=N
π
1635
4.
С=О
σ
1655
IV
NH
σ
3300
Поляризация π и σ определяет расположение в пространстве молекулярной группы относительно оси ориентации полимерной системы.
Система контроля и регулирования содержит следующие параметры: состав смеси и температуры плавления ароматических аминов (АИ) и (ДА), количественный состав примесей в смеси ароматических аминов (АИ) и (ДА), влагосодержание и количество примесей в растворителе диметилацетамиде (ДМАА), вязкость поликонденсационного продукта, состав продуктов поликонденсации, значения пластификационной вытяжки и режима термообработки.
Определение состава (АИ) и (ДА) позволяет выбрать области применения готовой продукции.
На основе данных по составу смеси аминов и инструментальных и химических методов анализа в процессе получения формованных изделий в виде волокон и нитей регулируются пластификационная вытяжка и режим термообработки.
Режим термообработки включает сушку при температуре не выше 120°C или сушку при температуре не выше 120°C с последующей дополнительной термообработкой изделий при температурах 320-340°C и термовытяжкой при температуре 405°C или без нее.
Способ является материалосберегающим, т.к. позволяет получать готовые продукты с различными свойствами без изменения состава входного сырья, и энергосберегающим за счет возможности регулирования параметров процесса получения полимерных систем и волокнообразования путем измерения характеристик входных и промежуточных продуктов.
Заявленная формула подтверждается примерами.
Пример 1. Способ получения комплексной арамидной нити линейной плотности 29.4 текс для изготовления средств индивидуальной защиты.
Для смеси аминов (АИ):(ДА) определены состав смеси 95:5, температура плавления кристаллических форм 235.8°C и 219°C, содержание примесей - 0.3%.
На основе полученных данных определена область применения готовой продукции - для изготовления средств индивидуальной защиты. Для диметилацетамида определено влагосодержание - 0.05%, проведено регулирование влагосодержания до значения 0.025 добавлением регенерированного ДМАА. Содержание примесей в ДМАА составило 0.050%.
Способ получения
8.69 г хлористого лития (LiCl) растворяют в 300 мл диметилацетамида (ДМАА) до его полного растворения.
В полученный раствор добавляют 5.96 г смеси (АИ):(ДА) и 2.8 г п-фенилендиамина до полного растворения диаминов. Раствор охлаждают до 15°C. После растворения при постоянном перемешивании добавляют 8.20 г терефталоилхлорида.
В поликонденсационном растворе определен параметр вязкости - 540 П. При значении вязкости выше регламентированного в систему добавляют растворитель. По значению вязкости выбрана пластификационная вытяжка - (+55%).
Готовый раствор гомогенизируют в течение 2 часов при постоянном перемешивании при температуре 20±2°C, а затем вакуумируют и фильтруют. Перед формованием определен параметр состава продукта поликонденсации в пленке методом ИКС - содержание амидбензимидазольных группировок составило 80%.
По значению состава определен режим термообработки.
Формование осуществляют через фильеру 200×0,08 в осадительную ванну, состоящую из 95% органических компонентов и 5% воды при Т=20°C со скоростью 16.4 м/мин с отрицательной фильерной вытяжкой и пластификационной (+55%). Затем нити пропускают через промывную ванну, сушильные ролики при Т=120°C и термообрабатывают при Т=340°C. Определены физико-механические свойства готового формованного изделия, которые представлены в таблице 1.
Таблица 1.
№
Показатель
Величина
1.
Линейная плотность нити
28.9
2.
Коэффициент вариации по линейной плотности, %
2.9
3.
Удельная разрывная нагрузка, сН/текс
280
4.
Коэффициент вариации по удельной разрывной нагрузке, %
4.0
5.
Удлинение при разрыве, %
3.3
6.
Доверительный интервал для значения относительного удлинения, %
±0.4
Пример 2. Способ получения комплексной арамидной нити линейной плотности 29.4 текс для изготовления термостойких и резинотехнических изделий
Для смеси аминов (АИ):(ДА) определены состав смеси 40:60, температура плавления кристаллических форм 235°C и 213°C, содержание примесей - 0.4%.
На основе полученных данных определена область применения готовой продукции - для изготовления термостойких и резинотехнических изделий.
Для диметилацетамида определено влагосодержание - 0.05%, проведено регулирование влагосодержания до значения 0.025 добавлением регенерированного ДМАА. Содержание примесей в ДМАА составило 0.1%. ДМАА используется после дополнительной регенерации с содержанием примесей в количестве 0.05%.
Способ получения
8.69 г хлористого лития (LiCl) растворяют в 300 мл диметилацетамида (ДМАА) до его полного растворения.
В полученный раствор добавляют 5.75 г смеси (АИ):(ДА) и 1.44 г п-фенилендиамина до полного растворения диаминов. Раствор охлаждают до 15°C. После растворения при постоянном перемешивании добавляют 7.92 г терефталоилхлорида.
В поликонденсационном растворе определен параметр вязкости - 450 П. По значению вязкости выбрана пластификационная вытяжка - (+50%).
Готовый раствор гомогенизируют в течение 2 часов при постоянном перемешивании при температуре 20±2°C, а затем вакуумируют и фильтруют. Перед формованием определен параметр состава продукта поликонденсации в пленке методом ИКС - содержание амидбензимидазольных группировок составило 70%.
По значению состава определен режим термообработки.
Формование осуществляют через фильеру 200×0,08 в осадительную ванну, состоящую из 95% органических компонентов и 5% воды при Т=20°C со скоростью 16.4 м/мин с отрицательной фильерной вытяжкой и пластификационной (+50%). Затем нити пропускают через промывную ванну, сушильные ролики при Т=120°C.
Определены физико-механические свойства готового формованного изделия, которые представлены в таблице 2.
Таблица 2.
№
Показатель
Величина
1.
Линейная плотность нити
28.8
2.
Коэффициент вариации по линейной плотности, %
2.9
3.
Удельная разрывная нагрузка, сН/текс
85
4.
Коэффициент вариации по удельной
4.0
разрывной нагрузке, %
5.
Удлинение при разрыве, %
3.2
6.
Доверительный интервал для значения относительного удлинения, %
±0.4
Пример 3. Способ получения комплексной арамидной нити линейной плотности 58.8 текс для изготовления органопластиков.
Для смеси аминов (АИ):(ДА) определены состав смеси 82:18, температура плавления кристаллических форм 238°C и 219°C, содержание примесей - 0.5%.
На основе полученных данных определена область применения готовой продукции - для изготовления органопластиков.
Для диметилацетамида определено влагосодержание - 0.05%, проведено регулирование влагосодержания до значения 0.03 добавлением регенерированного ДМАА. Содержание примесей в ДМАА составило 0.03%.
Способ получения
8.69 г хлористого лития (LiCl) растворяют в 300 мл диметилацетамида (ДМАА) до его полного растворения.
В полученный раствор добавляют 5.98 г смеси (АИ):(ДА) и 1.49 г п-фенилендиамина до полного растворения диаминов. Раствор охлаждают до 15°C. После растворения при постоянном перемешивании добавляют 8.22 г терефталоилхлорида.
В поликонденсационном растворе определен параметр вязкости - 780 Пз. При значении вязкости выше регламентированного в систему добавляют растворитель. По значению вязкости выбрана пластификационная вытяжка - (+45%)
Готовый раствор гомогенизируют в течение 2 часов при постоянном перемешивании при температуре 20±2°C, а затем вакуумируют и фильтруют. Перед формованием определен параметр состава продукта поликонденсации в пленке методом ИКС - содержание амидбензимидазольных группировок составило 61%.
По значению состава определен режим термообработки. Формование осуществляют через фильеру 300×0,08 в осадительную ванну, состоящую из 95% органических компонентов и 5% воды при Т=20°C со скоростью 12.5 м/мин с отрицательной фильерной вытяжкой и пластификационной (+45%). Затем нити пропускают через промывную ванну, сушильные ролики при Т=120°C и термообрабатывают при Т=320°C, затем дополнительно вытягивают при 405°C.
Определены физико-механические свойства готового формованного изделия, которые представлены в таблице 3.
Таблица 3.
№
Показатель
Величина
1.
Линейная плотность нити
59.1
2.
Коэффициент вариации по линейной плотности, %
2.9
3.
Удельная разрывная нагрузка, сН/текс
250
4.
Коэффициент вариации по удельной разрывной нагрузке, %
2.3
5.
Удлинение при разрыве, %
2,8
6.
Доверительный интервал для значения относительного удлинения, %
±0.2
7.
Разрушающее напряжение нити при растяжении в микропластике, кгс/мм<sup>2</sup>
520
8.
Модуль упругости (ГПа)/кгс/мм<sup>2</sup>
150/15300
Пример 4. Способ получения комплексной арамидной нити линейной плотности 58.8 текс для изготовления специзделий.
Для смеси аминов (АИ):(ДА) определены состав смеси 90:10, температура плавления кристаллических форм 238°C и 217°C, содержание примесей - 0.55%.
На основе полученных данных определена область применения готовой продукции - для изготовления специзделий.
Для диметилацетамида определено влагосодержание - 0.04%, проведено регулирование влагосодержания до значения 0.03 добавлением регенерированного ДМАА. Содержание примесей в ДМАА составило 0.03%.
Способ получения
8.69 г хлористого лития (LiCl) растворяют в 300 мл диметилацетамида (ДМАА) до его полного растворения.
В полученный раствор добавляют 8.03 г смесь ароматических аминов (АИ) и (ДА) до полного их растворения. Раствор охлаждают до 15°C. После растворения при постоянном перемешивании добавляют 8.22 г терефталоилхлорида.
В поликонденсационном растворе определен параметр вязкости - 380 П. При значении вязкости выше регламентированного в систему добавляют растворитель. По значению вязкости выбрана пластификационная вытяжка - (+60%).
Готовый раствор гомогенизируют в течение 2 часов при постоянном перемешивании при температуре 20±2°C, а затем вакуумируют и фильтруют. Перед формованием определен параметр состава продукта поликонденсации в пленке методом ИКС - содержание амидбензимидазольных группировок составило 95%.
По значению состава определен режим термообработки.
Формование осуществляют через фильеру 300×0.08 в осадительную ванну, состоящую из 95% органических компонентов и 5% воды при Т=20°C со скоростью 12.5 м/мин с отрицательной фильерной вытяжкой и пластификационной (+60%). Затем нити пропускают через промывную ванну, сушильные ролики при Т=120°C и термообрабатывают при T=320°C.
Определены физико-механические свойства готового формованного изделия, которые представлены в таблице 4.
Таблица 4.
№
Показатель
Величина
1.
Линейная плотность, текс
59.0
2.
Коэффициент вариации по линейной плотности, %
5.0
3.
Удельная разрывная нагрузка, сН/текс
270
4.
Коэффициент вариации по удельной разрывной нагрузке, %
3.42
5.
Удлинение при разрыве, %
4.5
6.
Доверительный интервал для значения относительного удлинения, %
±0.2
Пример 5. Способ получения комплексной арамидной нити линейной плотности 29,4 текс для изготовления композитов.
Для смеси аминов (АИ):(ДА) определены состав смеси 50:50, температура плавления кристаллических форм 238°C и 218°C, содержание примесей - 1.0%.
На основе полученных данных определена область применения готовой продукции - для изготовления композитов.
Для диметилацетамида определено влагосодержание - 0.04%, проведено регулирование влагосодержания до значения 0.05 добавлением регенерированного ДМАА. Содержание примесей в ДМАА составило 0.05%. Дополнительная регенерация ДМАА до содержания примесей 0.03%.
Способ получения
8.69 г хлористого лития (LiCl) растворяют в 300 мл диметилацетамида (ДМАА) до его полного растворения.
В полученный раствор добавляют 8.03 г смеси ароматических аминов (АИ) и (ДА) до полного их растворения. Раствор охлаждают до 15°C. После растворения при постоянном перемешивании добавляют 8.22 г терефталоилхлорида.
В поликонденсационном растворе определен параметр вязкости - 350 П. При значении вязкости выше регламентированного в систему добавляют растворитель. По значению вязкости выбрана пластификационная вытяжка - (+75%).
Готовый раствор гомогенизируют в течение 2 часов при постоянном перемешивании при температуре 20±2°C, а затем вакуумируют и фильтруют. Перед формованием определен параметр состава продукта поликонденсации в пленке методом ИКС - содержание амидбензимидазольных группировок составило 100%.
По значению состава определен режим термообработки.
Формование осуществляют через фильеру 200×0,08 в осадительную ванну, состоящую из 95% органических компонентов и 5% воды при Т=20°C со скоростью 12.5 м/мин с отрицательной фильерной вытяжкой и пластификационной (+75%). Затем нити пропускают через промывную ванну, сушильные ролики при Т=120°C.
Определены физико-механические свойства готового формованного изделия, которые представлены в таблице 5.
Таблица 5.
№
Показатель
Величина
1.
Линейная плотность, текс
29.0
2.
Коэффициент вариации по линейной плотности, %
3.0
3.
Удельная разрывная нагрузка, сН/текс
80
4.
Коэффициент вариации по удельной разрывной нагрузке, %
7.5
5.
Удлинение при разрыве, %
4.5
6.
Доверительный интервал для значения относительного удлинения, %
±0.3