CN1035514A - 聚酰胺-酰亚胺溶液及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及能够直接在溶剂混合物中纺丝与成型的聚酰胺—酰亚胺溶液。本发明还涉及能够呈现更佳色彩的溶液的制备方法。

Description

本发明涉及能够直接在溶剂混合物中纺丝与成型的聚酰胺-酰亚胺溶液。
本发明还涉及能够呈现更佳色彩的溶液的制备方法。
作为公知内容，可以按照FR2079785配制主要由聚酰胺-酰亚胺于N-甲基吡咯烷酮中所形成的溶液。但是，这些溶液以及如此产生的聚合物呈现深褐色，这样就限制了随后对以这些溶液为起始物的成型制品进行着色的可能性。
因此，本发明的目的是制备一种与采用N-甲基吡咯烷酮作为单一溶剂所观察到的情形相比，其颜色淡得多的聚酰胺-酰亚胺溶液。
更具体地讲，本发明涉及能够直接纺丝与成型的聚酰胺-酰亚胺（PAI）澄清溶液，其中含有：
a）5-30%（重）PAT，其中包含
下式所示的酰胺-酰亚胺重复单元（A）：
Figure 891008810_IMG6
必要的话，包含下式所示的酰胺重复单元（B）：
Figure 891008810_IMG7
必要的话，包含酰胺单元（C）：
-NH-R-NH-CO-R2-CO-
式中R＝不含有任何醚基的二价有机基，
R1＝三价芳基
R2＝二价芳基
M＝碱金属或碱土金属，
b）溶剂混合物，其中包含：
40-80%（重）不含有丁醇的无水γ-丁内酯（γBL），
20-60%（重）高沸点无水质子惰性酰胺溶剂。
通过于波长λ＝500nm处采用Shimadzu分光光度计于被稀释了10倍的21%浓度聚合物溶液中测定吸光度来定量地表示颜色，其数值在0.05-0.20之间，以0.08-0.17为佳。
本发明还涉及能够直接纺丝与成型的聚酰胺-酰亚胺澄清溶液的制备方法，该方法包括于不含有丁醇并且作为缩聚溶剂的无水γ-丁内酯中进行制备聚酰胺-酰亚胺的反应，稀释前聚合物浓度为12-39%，随后于120-165℃下在高沸点无水酰胺质子惰性溶剂中进行稀释，于溶剂混合物中的最终浓度为5-30%（重）。
本发明的溶液于不含有丁醇的γ-丁内酯中通过下列物质间进行的反应来制备：
-至少一种式OCN-R-NCO所示的二异氰酸酯，其中R为不含任何醚基的二价有机基，
-芳香酸酐，
-必要的话，还可包括一种3，5-二羧基苯磺酸碱金属或碱土金属盐，此时，二异氰酸酯与所有酸性反应物的摩尔比基本上为1∶1，
-必要的话，还可包括一种芳香二酸。
适用的二异氰酸酯有如芳族二异氰酸酯、二异氰酸甲苯二酯、以诸如4，4′-二苯基甲烷二异氰酸酯或其它二异氰酸酯如二异氰酸二环己酯之类具备对称结构的化合物为佳。
尽管可以使用许多上述二异氰酸酯，但是，以选用4，4′-二苯基甲基二异氰酸酯为佳。
另外，本发明未使用4，4′-二苯醚二异氰酸酯，这是因为在粘度未出现任何增加的情况下，与其相应的聚酰胺-酰亚胺会产生沉淀，由此产生的溶液既不能贮存又无法使用。
作为芳香酸酐，以使用1，2，4-苯三酸酐为佳。
作为碱金属或碱土金属3，5-二羧基苯磺酸盐，以使用磺酸钠或磺酸钾为佳。
在芳香二酸中，一般采用对苯二酸和间苯二酸，以对苯二酸为佳。
各种酸类或酸酐化合物的摩尔比如下：
-相对于所有酸性反应物来说，芳香酸酐占80-100%，以85-95%为佳。
-芳香二酸占0-20%，以5-15%为佳。
-相对于所有酸性反应物来说，二羧基苯磺酸盐的比例为0-5%，以1-3%为佳。
该反应于升温条件下（一般于170-200℃）在纯态或无水γ-丁内酯（其中丁醇经蒸馏而被脱除）之中进行。
于缩聚反应结束时，聚合物浓度为12-39%，以15-36%为佳，采用高沸点无水质子惰性酰胺溶剂进行稀释，使成品聚酰胺-酰亚胺的浓度为5-30%，以6-27%为佳。本文所说的“高沸点质子惰性酰胺溶剂是指其沸点不低于150℃、且不含活泼氢的酰胺。
稀释温度为120-165℃，以140-160℃为佳。
若温度低于125℃，则在用酰胺溶剂稀释之前溶液会再次产生沉淀。
所选用的稀释溶剂有如N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺和四甲基脲。
成品溶液中γ-丁内酯的含量为40-80%（重），以50-80%（重）为佳，稀释溶剂为20-60%（重），以20-50%（重）为佳。若所观察到的结果与此含量数值不符，则说明产生了聚酰胺-酰亚胺沉淀。γ-丁内酯仅仅被用作缩聚反应溶剂，而酰胺溶剂则只不过是稀释剂，这样酰胺溶剂便可使所得到的溶液的色彩得到改善。
若逆转溶剂的添加次序，那样就会无法进行缩聚或者就会产生沉淀，此外，或者导致溶液的粘稠度不足。
如此得到的溶液澄清透明，通过于波长λ＝500nm处采用Shimadzu分光光度计于被稀释了10倍的21%浓度聚合物溶液中测定吸光度来定量地表示颜色，其数值为0.05-0.2，以0.08-0.17为佳。
本发明所得到的溶液的粘度取值范围很宽，可通过采用21%浓度聚合物溶液于Eppreche    Rheomat    15型设备-容器D+E中测定其粘度。
借助于特定的共溶剂如具备恒定固含量及相同缩聚溶剂/稀释溶剂比例的二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺，可在宽范围内对溶液的粘度进行调节。此时，在分子量不变的情况下可观察到纺丝溶液的粘度下降，这样便有可能应付较高的固含量，从而促进纺成的长丝结构。
此外，作为反应溶剂，γ-丁内酯具备高沸点，这就使它能够在短时间内于升温条件下完成缩聚，从而获得于室温下随时处于稳定及均匀状态的溶液，也就是说，它们既不会产生沉淀也不会引起明显的粘度变化。
可借助于任何适宜的设备连续地或非连续地制备本发明的溶液。
可以采用各种方法完成本发明溶剂的成型过程，尤其是采用湿纺法或干纺法进行纺丝。
于80℃的N-甲基吡咯烷酮及0.1mol/l溴化锂中采用凝胶排阻色谱法测定M n和M w数值，随后进行试验，其质量相对于聚苯乙烯校准所表示。多分散指数I＝M w/M n之比。
下列实施例仅供描述之用，但是并不构成对本发明的限制。
实施例1
反应物：
反应溶剂：
馏出γ-丁内酯（γBL）    490g（d＝1.13）434ml
1，2，4-苯三酸酐（TMAN）    76.8g（0.4mol）
对苯二酸（TA）    13.28g（0.08mol）
3，5-二羧基苯磺酸钠（NaAIS）    5.36g（0.02mol）
4，4′-二苯甲基二异氰酸酯（MDI）    125g（0.5mol）
二甲基乙酰胺（DMAC）稀释剂    192g（d＝0.94）204ml
将上述单体及反应溶剂以所示比例导入配备有回流冷凝器、氮气进口、恒温油浴和用于滴加稀释剂的漏斗的搅拌反应器中。将其温度逐渐由室温升至198℃，历时约2小时。此后，反应混合物的温度回复至170℃。其浓度为27%。
经过8分钟，稀释剂被加至反应器中，逐渐冷却反应混合物并贮存。浓度为21%。
于室温下，该聚合物可溶于溶剂混合物中。
聚合物的M n＝38，700，M w＝112，000，I＝2.9。
实施例2
反应物：
反应溶剂：
馏出γ-丁内酯    294g（d＝1.13）260ml
TMAN    46.08g（0.24mol）
TA    7.97g（0.048mol）
NaAIS    3.22g（0.012mol）
MDI    75g（0.3mol）
二甲基甲酰胺稀释剂    115.2g（d＝0.94）123ml
采用与实施例1相同的步骤，所不同的是使用二甲基甲酰胺作为稀释剂，进行操作6分钟。于室温下，聚合物可溶于混合溶剂之中。
聚合物的M n＝22，440，M w＝53450，I＝2.38。
溶液的特性如表1所示。
实施例3
反应物：
反应溶剂
馏出γ-丁内酯    294g（d＝1.13）260ml
TMAN    46.08g（0.24mol）
TA    7.97g（0.048mol）
NaAIS    3.22g（0.012mol）
MDI    75g（0.3mol）
馏出四甲基脲（TMU）稀释剂    115.2g（d＝0.97）119ml
采用实施例1所述步骤，所不同的是采用馏出四甲基脲作为稀释剂，其操作时间为10分钟。所得到的溶液于室温下呈澄清状。该溶液特性如表1所示。
聚合物的M n＝23160，M w＝52820，I＝2.28。
实施例4
反应物：反应溶剂
馏出γ-丁内酯    588g（d＝1.13）520ml
TMAN    92.16g（0.48mol）
TA    15.94g（0.096mol）
NaAIS    6.43g（0.024mol）
MDI    150g（0.6mol）
N-甲基吡咯烷酮（NMP）
稀释剂    230.4g（d＝1.03）224ml
采取实施例1所述步骤，不同的是采用N-甲基吡咯烷酮作为稀释剂，其操作时间为10分钟。
聚合物M n＝25260，M w＝62200，I＝2.46。
溶液特性如表1所示。
实施例5（对比例）
采用实施例1所用单体、以与实施例1相同的用量制备聚酰胺-酰亚胺溶液，不同的是按照FR2，079，785所述方法使用N-甲基吡咯烷酮作为单一溶剂。
聚合物的M n＝28700，M w＝81700，I＝2.8。
实施例6
反应物：反应溶剂
馏出γ-丁内酯（γBL）    490g（d＝1.13）434ml
TMAN    76.8g（0.4mol）
TA    13.28g（0.08mol）
NaAIS    5.36g（0.02mol）
4，4′-二苯醚二异氰酸酯（DEDI）    126g（0.5mol）
二甲基乙酰胺（DMAC）稀释剂    192g（d＝0.94）204ml
所用反应器与实施例1相同。
在大约2小时内，温度由室温升至198℃并在搅拌下保持此温度一小时。
于135分钟之后，在粘度预先未发生任何增大的情况下可观察到沉淀。
反应进行155分钟后，反应混合物变得非常粘稠。添加N-甲基吡咯烷酮稀释剂并不能够使沉淀溶解，这样，既使于198℃下连续加热30分钟，也无法获得可被用于纺丝或成型的溶液。
采用4，4′-二苯醚二异氰酸酯无法获得适用的溶液因而不适用于本发明。
表1
Figure 891008810_IMG8
实施例7
反应物
反应溶剂
γ-丁内酯    11.435g
1，2，4-苯三酸酐（TMAN）    2.58g（0.01344mol）
对苯二酸（TA）    0.445g（0.00268mol）
3，5-二羧基苯磺酸钠（NaAIS）    0.1795g（0.00067mol）
4，4′-二苯甲基二异氰酸酯（MDI）    4.2g（0.0168mol）
N-甲基吡咯烷酮稀释剂    11.435g
将单体反应物及反应溶剂于氮气氛下加至配备有冷凝器和搅拌器的园底烧瓶内。将反应混合物搅拌并浸于198℃的恒温油浴之中。历时10分钟其温度达198℃。然后将反应混合物搅拌2小时15分钟。将反应混合物冷却至140℃并添加稀释剂，该溶液于室温下清澈透明。
聚合物M n＝34，210，M w＝100260，I＝2.93。
该溶液的特性如表2所示。
实施例8
采用相同的反应物，完成实施例7的步骤，所不同的是反应溶剂与稀释剂比例为60/40，也就是说，采用13.72gγBL和9.15gNMP。
所得到的溶液于室温下呈清澈稳定状态。
其特性如表2所示。
聚合物M n＝32，130，M w＝90290，I＝2.81。
实施例9
采用实施例7的步骤和反应物进行操作，所不同的是反应溶剂/稀释剂之比为72/28，也就是说采用16.46gγBL和6.45gNMP。
于室温下，溶液呈清澈稳定状态，其特性如表2所示。
聚合物的M n＝25300，M w＝73370，I＝2.90。
实施例10
采用实施例7所述步骤，所不同的是反应溶剂/稀释剂之比为80/20，也就是说采用18.296gγBL和4574gNMP。
于室温下，溶液呈清澈和稳定状态，其特性如表2所示。
聚合物的M n＝41，000，M w＝148，860，I＝3.63。
实施例11（对比例）
采用实施例7所述步骤，所不同的是反应溶剂/稀释剂之比为90/10，也就是说采用20.583g馏出γBL和2.287gNMP。
所得到的溶液于室温下产生沉淀，因此，这种溶液无法用于纺丝，故此不适用于本发明。
实施例12
采用实施例7所述步骤，不同的是采用二甲基乙酰胺（DMAC）作为稀释剂，而反应溶剂/稀释剂的比例为50/50，也就是说采用11.435gγBL和11.435gDMAC。当反应混合物的温度为160℃时，添加DMAC。
所得到的溶液于室温下稳定存在。其特性如表2所示。聚合物的M n＝33360，M w＝97750，I＝2.93。
实施例13
采用实施例12所述步骤，不同的是γBL/DMAC之比为60/40，即使用13.72gγBL和9.15gDMAC。
所得到的溶液于室温下稳定存在，其特性如表2所示。聚合物的M n＝37500，M w＝107230，I＝2.86。
实施例14
采用实施例12所述步骤，不同的是γBL/DMAC之比为80/20，即使用18.296gγBL和4.574gDMAC。
所得溶液于室温下稳定存在，其特性如表2所示。聚合物的M n＝43030，M w＝161050，I＝3.74。
实施例15（对比例）
重复实施例12，不同的是γBL/DMAC之比为90/10，即使用20.583gγBL和2.287gDMAC。
此时，于室温下产生沉淀。
实施例16
采用四甲基脲（TWU）作为稀释剂重复实施例7，γBL/TMU之比为72/28，即使用16.46gγBL和6.45gTMU。
于室温下，所得溶液呈清澈稳定状态，其特性如表2所示。
聚合物的M n＝23160，M w＝61200，I＝2.64。
实施例17
采用实施例7所述步骤，以二甲基甲酰胺（DMF）作为稀释剂，γBL/DMF之比为72/28，即使用16.46gγBL和6.45gDMF。
所得溶液于室温下呈清澈稳定状态，其特性如表2所示。
实施例18（对比例）
采用实施例7所述步骤，不同的是使用γ-丁内酯作为稀释剂，反应溶剂/稀释剂之比为72/28。
所得到的溶液不稳定，于室温下再次沉淀。
表2
Figure 891008810_IMG9
表2续

Claims (20)

1、能够直接用于纺丝及成型加工的清澈溶液，其特征在于其中含有：
a)5-30%(重)聚酰胺-酰亚胺，其中包含下式所示的酰胺-酰亚胺重复单元(A)
Figure 891008810_IMG1
下式所示的酰胺重复单元(B)
下式所示的酰胺重复单元(C)
-NH-R-NH-CO-R2-CO-
式中
R=不含醚基的二价有机基
R1=三价芳基
R2=二价芳基
M=碱金属或碱土金属
在所有单元中，单元(A)占80-100%，单元(B)占0-5%，单元(C)占0-20%，
b)溶剂混合物，其中包含：
40-8%(重)不含丁醇的无水γ-丁内酯，
20-60%(重)高沸点无水质子惰性酰胺溶剂。
2、按照权利要求1所述的溶液，其中于波长λ＝500nm处采用Shimadzu分光光度计于被稀释了10倍的21%浓度聚合物溶液中测定吸光度来定量地表颜色，其数值在0.05-0.20之间。
3、按照权利要求1所述的溶液，其中混合溶剂含有50-80%γ-丁内酯和20-50%高沸点质子惰性酰胺溶剂。
4、按照权利要求1所述的溶液，其中聚酰胺-酰亚胺的浓度为6-27%。
5、按照权利要求1所述的溶液，其中酰胺溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺或四甲基脲。
6、按照权利要求1所述的溶液，其中单元A、B和C中的R为芳基或脂族基团。
7、按照权利要求1和6所述的溶液，其中R为下式所示的基团
Figure 891008810_IMG3
8、按照权利要求1所述的溶液，其中酰胺酰亚胺单元A含有基团R1
9、按照权利要求1所述的溶液，其中酰胺单元B含有基团R2
10、按照权利要求1所述的溶液，其中酰胺单元B含有基团SO3M，M为碱金属元素。
11、能够直接用于纺丝和成型加工并且主要含有聚酰胺-酰亚胺的溶液的制备方法，其特征在于：
-在不含丁醇并且作为缩聚溶剂的无水γ-丁内酯中进行至少有下列物质参加的缩聚反应：
a.式-OCN-R-NCO-所示的二异氰酸酯，其中R为不含任何醚基的二价有机基，
b.芳香酸酐，
c.碱金属或碱土金属的3，5-二羧基苯磺酸盐，
d.芳香二酸
a/（b+c+d）摩尔比基本上等于1，相对于所有酸性反应物，酸酐所占比例为80-100%，苯磺酸盐的比例为0-5%，芳香酸的比例为0-20%（摩尔），稀释前聚合物浓度为12-39%，
-随后于120-165℃采用高沸点质子惰性酰胺溶剂进行稀释，使溶剂混合物中聚酰胺-酰亚胺的最终浓度为5-30%，反应溶剂/稀释剂的重量比为40/60-80/20。
12、按照权利要求11所述的方法，其中反应溶剂/稀释剂的重量比为50/50-80/20。
13、按照权利要求11所述的方法，其中稀释前聚合物的浓度为15-36%。
14、按照权利要求11所述的方法，其中稀释后聚合物的浓度为6-27%。
15、按照权利要求11所述的方法，其中稀释于140-160℃下进行。
16、按照权利要求11所述的方法，其中所用二异氰酸酯为芳族或脂族二异氰酸酯。
17、按照权利要求11和16所述的方法，其中所用的二异氰酸酯为4，4′-二苯甲基二异氰酸酯。
18、按照权利要求11所述的方法，其中芳香酸酐为1，2，4-苯三酸酐。
19、按照权利要求11所述的方法，其中芳香酸为对苯二酸。
20、按照权利要求11所述的方法，其中苯磺酸盐为钠盐或钾盐。
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