DE4228619A1 - Aromatische Copolyamide, Verfahren zu ihrer Herstellung und daraus geformte Gebilde - Google Patents
Aromatische Copolyamide, Verfahren zu ihrer Herstellung und daraus geformte GebildeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft neue, aromatische Copolyamide des
Dicarbonsäure-Diamin-Typs, die aus ihren Lösungen in organischen Lösemitteln
versponnen werden können sowie daraus hergestellte geformte Gebilde, wie
Fasern, Filme und Beschichtungen mit sehr hohem Anfangsmodul
(Elastizitätsmodul), sowie Verfahren zu ihrer Herstellung.
Aromatische Polyamide (Polyaramide) sind bekanntlich Rohstoffe von hoher
thermischer und chemischer Stabilität sowie geringer Brennbarkeit. So zeigen
beispielsweise Fasern und Folien aus solchen Rohstoffen sehr gute mechanische
Eigenschaften, wie hohe Festigkeit und hohen Anfangsmodul (Elastizitätsmodul)
und sind für technische Einsatzgebiete gut geeignet - beispielsweise zur
Verstärkung von Kunststoffen oder als Filtermaterialien.
Es ist bekannt, daß Fäden oder Fasern aus Polyaramiden mit hoher Festigkeit und
hohem Anfangsmodul hergestellt werden können, wenn die Amidbindungen an den
aromatischen Kernen koaxial oder nahezu parallel zueinander orientiert sind,
wodurch starre, stäbchenförmige Polymermoleküle entstehen.
Ein typisches Polyamid dieser Art ist beispielsweise
Poly-(p-phenylenterephthalamid). Fäden aus diesem Material sind beispielsweise in
der deutschen Patentschrift 22 19 703 beschrieben.
Dieses Polyamid weist eine Reihe von Vorzügen auf, seine Herstellung und seine
Verarbeitung sind jedoch sehr schwierig. Wegen der Unlöslichkeit in polaren
organischen Lösungsmitteln - und zwar auch in Gegenwart von anorganischen
Salzen, wie Calciumchlorid oder Lithiumchlorid, als Lösungsvermittler - fällt dieses
Polymer kurz nach seiner Bildung bereits aus dem Reaktionsmedium aus. Es muß
isoliert, gewaschen, getrocknet und dann erneut in einem Spinnlösungsmittel gelöst
werden. Bevorzugtes Lösungsmittel zur Herstellung der Spinnlösungen ist
konzentrierte Schwefelsäure, was besondere Probleme bei der Handhabung
(Arbeitssicherheit, Korrosion) und Abfallbeseitigung verursacht.
Es wurde daher versucht, diese Schwierigkeiten dadurch zu umgehen, daß
Copolyamide entwickelt wurden, welche eine gute Löslichkeit in den bekannten
Amid-Lösungsmitteln haben, die sich auch gut verspinnen lassen und deren
Filamente sich nach Verstreckung durch hohe Festigkeitswerte und Anfangsmoduli
auszeichnen.
So wurden beispielsweise in der deutschen Patentschrift 25 56 883 und in der
deutschen Offenlegungsschrift 30 07 063 Copolyamide aus Terephthalsäure,
p-Phenylendiamin und 3,4′-Diaminodiphenylether beschrieben, die in
Amid-Lösungsmitteln isotrope Lösungen liefern, die sich gut verspinnen lassen. Die
Filamente erlangen durch eine sehr hohe Verstreckung hohe Festigkeiten und
Moduli. Die erhöhte Löslichkeit wird hier durch die meta-Orientierung und das
Sauerstoffatom verursacht. Es besteht allerdings immer noch ein Bedarf an
Aramiden, die sich aus bekannten Amid-Lösungsmitteln zu Fasern mit hohen
Festigkeiten und Moduli verarbeiten lassen.
Es wurde nun gefunden, daß sich ausgewählte aromatische Copolyamide hohen
Molekulargewichtes zu geformten Gebilden verarbeiten lassen, die sich durch
überraschend gute mechanische Eigenschaften, wie hohe Reißfestigkeiten, hohe
Anfangsmoduli und niedrige Reißdehungen, auszeichnen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, weitere aromatische
Copolyamide bereitzustellen, die sich durch eine gute Löslichkeit in
Polyamidlösungsmitteln und durch eine gute Verspinnbarkeit auszeichnen und die
zu geformten Gebilden mit guten mechanischen Eigenschaften verarbeitet werden
können.
Die erfindungsgemäßen Copolyamide sind gekennzeichnet durch die Anwesenheit
ausgewählter aromatischer Diaminkomponenten in ausgewählten Mengenanteilen.
Die vorliegende Erfindung betrifft in organischen Polyamid-Lösungsmitteln lösliche
aromatische Copolyamide mit einer inhärenten Viskosität von mindestens 3,5 dl/g,
insbesondere mindestens 4,5 dl/g, gemessen bei 25°C an Lösungen von 0,25
Gew.% Copolymer in N-Methylpyrrolidon, enthaltend die wiederkehrenden
Struktureinheiten der Formeln Ia, Ib, Ic und gegebenenfalls Id
worin mindestens 80 Mol% aller Reste R1, bezogen auf die Menge dieser Reste im
Copolymer, einen unsubstituierten zweiwertigen aromatischen Rest bedeuten,
dessen Valenzbindungen sich in para- oder in vergleichbarer koaxialer oder
paralleler Stellung zueinander befinden, und bis zu 20 Mol% aller Reste R1, bezogen
auf die Menge dieser Reste im Copolymer, einen unsubstituierten zweiwertigen
aromatischen Rest bedeuten, dessen Valenzbindungen sich in meta- oder in
vergleichbarer gewinkelter Stellung zueinander befinden,
R2 ein unsubstituierter zweiwertiger aromatischer Rest ist, dessen Valenzbindungen sich in para- oder in vergleichbarer koaxialer oder paralleler Stellung zueinander befinden,
R3 einen von R2 abweichenden Rest der Formel II oder der Formel III oder der Formel IV darstellt
R2 ein unsubstituierter zweiwertiger aromatischer Rest ist, dessen Valenzbindungen sich in para- oder in vergleichbarer koaxialer oder paralleler Stellung zueinander befinden,
R3 einen von R2 abweichenden Rest der Formel II oder der Formel III oder der Formel IV darstellt
worin Hal ein Halogenatom ist, und wobei der Anteil der wiederkehrenden
Struktureinheiten Ia, Ib, Ic und Id, bezogen auf die Summe dieser Struktureinheiten
im Copolymer, innerhalb folgender Grenzen liegt:
wiederkehrende Struktureinheit der Formel Ia: 40 bis 65 Mol%, vorzugsweise 45 bis 55 Mol%;
wiederkehrende Struktureinheit der Formel Ib: 5 bis 55 Mol%, vorzugsweise 35 bis 45 Mol%;
wiederkehrende Struktureinheit der Formel Ic: 5 bis 35 Mol%, vorzugsweise 5 bis 25 Mol%; und
wiederkehrende Struktureinheit der Formel Id: 0 bis 30 Mol%, vorzugsweise 0 oder 5 bis 20 Mol%.
wiederkehrende Struktureinheit der Formel Ia: 40 bis 65 Mol%, vorzugsweise 45 bis 55 Mol%;
wiederkehrende Struktureinheit der Formel Ib: 5 bis 55 Mol%, vorzugsweise 35 bis 45 Mol%;
wiederkehrende Struktureinheit der Formel Ic: 5 bis 35 Mol%, vorzugsweise 5 bis 25 Mol%; und
wiederkehrende Struktureinheit der Formel Id: 0 bis 30 Mol%, vorzugsweise 0 oder 5 bis 20 Mol%.
Enthält ein Copolymeres meta-ständige Reste, wie meta-ständige Reste R1 oder
Reste der Formel IV, so bewegt sich die Menge der wiederkehrenden
Struktureinheiten der Formel Ib, vorzugsweise im unteren Bereich der angegebenen
Menge, beispielsweise bei 5 bis 30 Mol.-%.
Enthält das erfindungsgemäße Copolymere wiederkehrende Struktureinheiten der
Formel Id, insbesondere solche, die Reste der Formel IV aufweisen, so beträgt
deren Menge vorzugsweise 5 bis 15 Mol %, ganz besonders bevorzugt 5 bis 10
Mol%, bezogen auf die Summe der Struktureinheiten Ia, Ib, Ic und Id.
Bedeuten irgendwelche Reste zweiwertige aromatische Reste, deren
Valenzbindungen sich in para- oder in vergleichbarer koaxialer oder paralleler
Stellung zueinander befinden, so handelt es sich dabei um ein- oder mehrkernige
aromatische Kohlenwasserstoffreste oder um heterocyclisch-aromatische Reste, die
ein- oder mehrkernig sein können. Im Falle von heterocyclisch-aromatischen
Resten weisen diese insbesondere ein oder zwei Sauerstoff-, Stickstoff- oder
Schwefelatome im aromatischen Kern auf.
Mehrkernige aromatische Reste können miteinander kondensiert oder über
C-C-Bindungen oder über eine -CO-NH-Gruppe linear miteinander verbunden sein.
Die Valenzbindungen, die in koaxialer oder paralleler zueinander befindlicher
Stellung stehen, sind entgegengesetzt gerichtet. Ein Beispiel für koaxiale,
entgegengesetzt gerichtete Bindungen sind die Biphenyl-4,4′-en-Bindungen. Ein
Beispiel für parallele, entgegengesetzt gerichtete Bindungen sind z. B. die
Naphthalin-1,5- oder -2,6-Bindungen, während die Naphthalin-1,8-Bindungen
parallel gleichgerichtet sind.
Beispiele für bevorzugte zweiwertige aromatische Reste, deren Valenzbindungen
sich in para- oder in vergleichbarer koaxialer oder paralleler Stellung zueinander
befinden, sind einkernige aromatische Reste mit zueinander para-ständigen freien
Valenzen, insbesondere 1,4-Phenylen oder zweikernige kondensierte aromatische
Reste mit parallelen, entgegengesetzt gerichteten Bindungen, insbesondere 1,4-,
1,5- und 2,6-Naphthylen, oder zweikernige über eine C-C-Bindung verknüpfte
aromatische Reste mit koaxialen, entgegengesetzt gerichteten Bindungen
insbesondere 4,4′-Biphenylen.
Besonders bevorzugte Reste R1 und R2 sind 1,4-Phenylen.
Bedeuten irgendwelche Reste zweiwertige aromatische Reste, deren
Valenzbindungen sich in meta- oder in vergleichbarer gewinkelter Position
zueinander befinden, so handelt es sich dabei um ein- oder mehrkernige
aromatische Kohlenwasserstoffreste oder um heterocyclisch-aromatische Reste, die
ein- oder mehrkernig sein können. Im Falle von heterocyclisch-aromatischen
Resten weisen diese insbesondere ein oder zwei Sauerstoff-, Stickstoff- oder
Schwefelatome im aromatischen Kern auf.
Mehrkernige aromatische Reste können miteinander kondensiert sein oder über
C-C-Bindungen oder über Brückengruppen, wie z. B. -O-, -CH2-, -CO-NH-, -S-, -CO-
oder -SO2- miteinander verknüpft sein.
Beispiele für mehrkernige aromatische Reste, deren Valenzbindungen sich in zur
meta-Position vergleichbaren gewinkelten Position befinden, sind 1,6-Naphthylen,
2,7-Naphthylen oder 3,4′-Biphenylen.
Ein bevorzugtes Beispiel für einen einkernigen aromatischen Rest dieses Typs ist
1,3-Phenylen.
Beispiele für Hal-Substituenten in Resten der Formel II sind Brom und insbesondere
Chlor.
Zur Herstellung der Copolyamide enthaltend die wiederkehrenden Struktureinheiten
Ia, Ib, Ic und gegebenenfalls Id setzt man zweckmäßigerweise ein Dicarbonsäuredi
chlorid der Formel V mit einem Gemisch der Diamine der Formeln VI, VII, VIII und
gegebenenfalls IX um
worin die Reste R1 bis R3 die weiter oben definierte Bedeutung aufweisen.
Das Dicarbonsäuredichlorid der Formel V und die einzelnen Diamintypen können
auch in Form von Mischungen eingesetzt werden.
Die Mengenverhältnisse der Diamine VI, VII und VIII und gegebenenfalls IX sind
dabei jeweils so zu wählen, daß Polyamide mit den oben definierten
Mengenanteilen an Struktureinheiten der Formeln Ia, Ib, Ic und gegebenenfalls Id
entstehen.
Es ist für den Fachmann selbstverständlich, daß die Summe aller von aromatischen
Säuren abgeleiteten Struktureinheiten und die Summe aller von aromatischen
Aminen abgeleiteten Struktureinheiten im wesentlichen gleich sind, d. h., daß sie
sich maximal um ca. 1%, vorzugsweise maximal um 0,2%, unterscheiden,
insbesondere im Rahmen der praktischen Meß- und Dosierungsmöglichkeiten
gleich sind.
Das Molekulargewicht der entstehenden Polyamide läßt sich unter anderem über
die Auswahl der Mengenverhältnisse von aromatischen Säuren zu aromatischen
Aminen steuern. Diese Auswahlkriterien sind dem Fachmann auf dem Gebiet der
Polykondensation bekannt.
Beispiele für geeignete aromatische Dicarbonsäuren, von denen sich die
Dicarbonsäuredichloride der Formel V ableiten, sind Naphthalin-1,4-dicarbonsäure,
Naphthalin-1,5-dicarbonsäure, Naphthalin-2,6-dicarbonsäure,
Biphenyl-4,4′-dicarbonsäure, 2-Chlorterephthalsäure, 2-Bromterephthalsäure,
2-Methylterephthalsäure und insbesondere Terephthalsäure.
Bis zu 10 Mol-% der Dicarbonsäuredichloride können sich auch von zweiwertigen
aromatischen meta-Resten ableiten. Beispiele für Säuren, von denen sich solche
Dicarbonsäuredichloride ableiten, sind Naphthalin-1,6-dicarbonsäure,
Naphthalin-1,7-dicarbonsäure, Naphthalin-2,7-dicarbonsäure,
Biphenyl-3,4′-dicarbonsäure und insbesondere Isophthalsäure.
Beispiele für geeignete Diamine der Formel VI sind Naphthalin-1,4-diamin,
Naphthalin-1,5-diamin, Naphthalin-2,6-diamin, Benzidin und insbesondere
p-Phenylendiamin.
Die Diamine der Formel VII (3,4′-Diaminodiphenylether) und der Formel VIII (1,4-
Bis-(4-aminophenoxy)-benzol) sind an sich bekannt.
Beispiele für geeignete Diamine der Formel IX sind 2-Chlor-1,4-phenylendiamin,
4,4′-Diaminobenzanilid und m-Phenylendiamin.
Die Copolymerisation der oben beschriebenen monomeren Verbindungen wird im
allgemeinen als Lösungspolymerisation ausgeführt.
Dazu werden die miteinander umzusetzenden aromatischen monomeren
Verbindungen in der Regel in einem organischen Lösungsmittel gelöst. Das
organische Lösungsmittel enthält dabei vorzugsweise zumindest ein Lösungsmittel
vom Amidtyp, wie z. B. N-Methyl-2-pyrrolidon, N,N-Dimethylacetamid
Tetramethylharnstoff, N-Methyl-2-piperidon, N,N′-Dimethylethylenharnstoff,
N,N,N′,N′-Tetramethylmaleinsäureamid, N-Methylcaprolactam, N-Acetylpyrrolidin,
N,N-Diethylacetamid, N-Ethyl-2-pyrrolidon, N,N′-Dimethylpropionsäureamid,
N,N-Dimethylisobutylamid, N-Methylformamid, N,N′-Dimethylpropylenharnstoff. Für
das erfindungsgemäße Verfahren sind die bevorzugten organischen Lösungsmittel
N-Methyl-2-pyrrolidon, N,N-Dimethylacetamid und eine Mischung dieser
Verbindungen von Bedeutung.
Bei einer bevorzugten Form der Durchführung der Lösungspolymerisation werden
die aromatischen monomeren Diamine in einem Amid-Lösungsmittel gelöst. Die so
erhaltene Lösung wird dann mit der mindestens einen aromatischen monomeren
Verbindung in Form eines aromatischen Dicarbonsäuredihalogenids unter heftigem
Umrühren gemischt, um die Copolymerisation einzuleiten.
Dabei wird das Amid-Lösungsmittel nicht nur als Lösungsmittel für die aromatischen
monomeren Verbindungen und das daraus erhaltene aromatische Copolyamid
sondern auch als Säureakzeptor für ein Wasserstoffhalogenid verwendet, z. B. für
Chlorwasserstoff, der als Nebenprodukt der Copolymerisation der aromatischen
monomeren Verbindungen entsteht. In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, einen
die Löslichkeit fördernden Zusatzstoff zu verwenden, beispielsweise ein
Metallhalogenid eines der Metalle der Gruppe I oder II des periodischen Systems,
welches der Copolymerisationsmischung vor, während oder nach der
Copolymerisation zugesetzt wird.
Beispiele für solche Zusatzstoffe sind Alkalimetallhalogenide, wie Lithiumchlorid
oder Erdalkalimetallhalogenide, wie Kalziumchlorid.
Die Polykondensationstemperaturen liegen bei der Lösungspolymerisation
üblicherweise zwischen -20°C und +120°C, bevorzugt zwischen + 10°C und
+100°C. Besonders gute Ergebnisse werden bei Reaktionstemperaturen zwischen
+10°C und +80°C erzielt.
Die Summe der Konzentrationen der aromatischen monomeren Verbindungen in
der Polymerisationsgemischlösung kann unter Beachtung des gewünschten
Polymerisationsgrades, der gewünschten Viskosität des Polymerisationsgemisches,
der Art der verwendeten aromatischen monomeren Verbindungen, der Art des
verwendeten Lösungsmittels und der gewünschten Polymerisationstemperatur
eingestellt werden. Die günstigste Summe der Konzentrationen kann dabei
aufgrund einer Reihe von Vorversuchen für den Ablauf der Polymerisation ermittelt
werden.
Polykondensationsreaktionen werden vorzugsweise so ausgeführt, daß nach
Abschluß der Reaktion 2 bis 15, vorzugsweise 5 bis 12 Gew.-% an Polykondensat
in der Lösung vorliegen. Besonders gute Ergebnisse werden bei Konzentrationen
von 5,0 bis 8 Gew. -% erzielt.
Im Verlauf der Polykondensation wächst das Molekulargewicht des Polymers und
damit auch die Viskosität des Reaktionsansatzes an.
Eine ausreichende Molekül-Kettenlänge ist erreicht, wenn die Viskosität der bei der
Polykondensation erhaltenen Polymerlösung einer inhärenten Viskosität des
Polymers von mehr als 3,5, bevorzugt mehr als 4,5, besonders bevorzugt mehr als
5,0 dl/g, insbesondere 5,5 bis 8,0 dl/g entspricht.
Unter inhärenter Viskosität wird der Ausdruck
verstanden.
ηrel bedeutet dabei die relative Viskosität, c die angewandte Konzentration in g/100
ml.
Sie wird für die Zwecke der vorliegenden Erfindung bestimmt an Lösungen von
jeweils 0,25% Polymer in N-Methylpyrrolidon bei 25°C.
Das skizzierte, an sich bekannte Verfahren zur Herstellung von aromatischen
Polyamiden ist, soweit es zur Herstellung der oben beschriebenen
erfindungsgemäßen aromatischen Polyamide dient, ebenfalls Gegenstand der
Erfindung.
Wenn die Polymerlösung die zur Weiterverarbeitung erforderliche Viskosität erreicht
hat, kann die Polykondensation in üblicher Weise durch Zugabe von
monofunktionellen Verbindungen, wie z. B. Acetylchlorid gestoppt werden.
Anschließend kann der entstandene und salzartig an das Amidlösungsmittel
gebundene Chlorwasserstoff durch Zugabe basischer Substanzen neutralisiert
werden.
Geeignet sind dafür beispielsweise Lithiumhydroxyd, Calciumoxid, insbesondere
aber Calciumhydroxyd.
Das bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltene aromatische
Copolyamid kann aus dem Copolymerisationsgemisch durch ein Trennverfahren
abgeschieden werden, beispielsweise durch Präzipitation. Zur Herstellung einer
Lösung für das Ausformen des Copolyamids wird das so gewonnene aromatische
Copolyamid dann in einem geeigneten organischen Lösungsmittel gelöst, wobei
dieses Verfahren als Auflösungsverfahren zur Herstellung der Ausformlösung
bezeichnet wird.
In den Fällen, in denen zur Herstellung des aromatischen Copolyamids gemäß der
Erfindung das Verfahren der Lösungspolymerisation angewandt wird, wird das
Copolyamid, weil es in dem Lösungsmittel für die Polymerisation hervorragend
löslich ist, in diesem jedoch vollständig gelöst. Daher ist es bei industriellem Einsatz
des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft, daß bei der Polymerisation erhaltene
Gemisch sofort als Ausformlösung für das aromatische Copolyamid zu verwenden.
Das aromatische Copolyamid gemäß der Erfindung ist in einem organischen
Lösungsmittel, beispielsweise in organischen Lösungsmitteln vom Amidtyp
hervorragend löslich und besitzt eine hervorragende Wärmebeständigkeit und eine
überlegene chemische Widerstandsfähigkeit. Das erfindungsgemäße aromatische
Copolyamid ist besonders nützlich für die Herstellung von verschiedenen geformten
Artikeln, beispielsweise Fasern, Filmen und Beschichtungen, die ebenfalls ein
Gegenstand der Erfindung sind.
Der Begriff "Fasern" ist im Rahmen dieser Beschreibung in seiner breitesten Bedeu
tung zu verstehen; dazu zählen also zum Beispiel Filamente oder Stapelfasern
beliebiger Titer.
Der Begriff "Filme" ist im Rahmen dieser Beschreibung ebenfalls in seiner breitesten
Bedeutung zu verstehen; dazu zählen also zum Beispiel Ausführungsformen
unterschiedlicher Stärke, wie Folien oder Membranen.
Die geformten Gebilde besitzen nicht nur eine hervorragende Wärmebeständigkeit
und chemische Beständigkeit, sondern weisen auch überlegene mechanische
Eigenschaften auf, beispielsweise hinsichtlich der Zugfestigkeit, der Abriebfestigkeit
und des Elastizitätsmoduls. Die Lösung des aromatischen Copolyamids kann
ebenfalls auf unterschiedliche Weise verwendet werden, beispielsweise zur
Produktion von Fasern, Folien, blattförmigen Elementen, Faserstoffen und anderen
geformten Artikeln.
Bei dem Verfahren zum Herstellen der Ausformlösung des aromatischen
Copolyamids wird als Lösungsmittel vorzugsweise ein Lösungsmittel vom Amidtyp
verwendet, insbesondere die weiter obengenannten Lösungsmittel vom Amidtyp,
bzw. eine Mischung von zwei oder mehr der genannten Verbindungen.
Für die Herstellung der Ausformlösung ist es vorteilhaft, wenn die Konzentration
des aromatischen Copolyamids in einem Bereich zwischen 4 und 15 Gew.-%,
insbesondere zwischen 5 und 12 Gew.-% gehalten wird. Wenn es erforderlich ist,
kann die Ausformlösung einen Zusatzstoff zur Förderung der Löslichkeit enthalten,
wobei mindestens ein Metallhalogenid eines Metalls der Gruppen I und II des
Periodensystems verwendet werden kann, beispielsweise Lithiumchlorid,
Calciumchlorid oder Magnesiumbromid, und zwar in einer Konzentration zwischen
0,2 und 10%, vorzugsweise zwischen 0,5 und 5%, bezogen auf das
Gesamtgewicht der Ausformlösung. Der Zusatzstoff zur Förderung der Löslichkeit
fördert dabei auch die Stabilität der Ausformlösung bei erhöhter Temperatur.
Das Ausformen der Ausformlösung zu einem geformten Artikel kann nach jedem
geeigneten Trockenverfahren, Naßverfahren oder Trocken-Naßverfahren erfolgen.
In den Fällen, in denen ein Naßverfahren angewandt wird, um die Ausformlösung
beispielsweise zu Filamenten auszuformen, wird die Ausformlösung oder - in
diesem Fall - die Spinnlösung durch eine Düse, beispielsweise eine Spinndüse, in
eine koagulierende Flüssigkeit extrudiert. Dabei ist es gewöhnlich vorteilhaft, wenn
die Koagulationsflüssigkeit aus Wasser oder aus einer wäßrigen, ein polares
organisches Lösungsmittel enthaltenden Lösung besteht. Dabei kann das polare
organische Lösungsmittel unter denselben Amid-Lösungsmitteln ausgewählt
werden, die gewöhnlich für das Lösen des aromatischen Copolyamids verwendet
werden.
Als polares organisches Lösungsmittel wird in der Koagulationsflüssigkeit
vorzugsweise dasselbe Lösungsmittel verwendet, welches in der Ausformlösung
enthalten ist. Die Koagulationsflüssigkeit wird vorzugsweise bei einer Temperatur
zwischen 0°C und der Siedetemperatur der Koagulationsflüssigkeit bei
Atmosphärendruck eingesetzt.
Das polare organische Lösungsmittel liegt in der Koagulationsflüssigkeit
vorzugsweise in einer Konzentration von weniger als 70 Gew.-%, insbesondere
weniger als 50 Gew.-% vor.
Das vorstehend erläuterte Ausformverfahren ist besonders für die Herstellung von
Filmen oder Fasern aus einer Ausformlösung geeignet.
Bei der Herstellung von Fasern aus dem aromatischen Copolyamid wird die
Ausform- bzw. Spinnlösung durch einen Spinnkopf mit mehreren Spinnöffnungen
extrudiert, wobei die filamentförmigen Ströme der Spinnlösung in einer der oben
angegebenen Koagulationsflüssigkeiten verfestigt werden (Naßverfahren) oder in
einer die Verdampfung fördernden Atmosphäre (Trockenverfahren). Eine ebenfalls
geeignete Variante ist das sogenannte "Trockendüsen-Naßspinnverfahren", wie es
z. B. in der US-A-34 14 645 beschrieben ist. Für das Spinnen kann eine übliche
Horizontal- oder Vertikal-Naßspinnmaschine, eine
Trockendüsen-Naßspinnmaschine, oder eine Spinnmaschine verwendet werden, in
der der Materialfluß unter Spannung nach unten erfolgt.
Beim Naßspinnen eines aromatischen Copolyamids gemäß der Erfindung erfolgt die
Koagulation vorzugsweise unter Verwendung einer Koagulationsflüssigkeit mit
Zusatzstoff zur Koagulationsförderung, wobei sich an diese Koagulation ein weiterer
Koagulationsschritt anschließt, in dessen Verlauf die koagulierenden Filamente des
aromatischen Copolyamids in ein Wasserbad eingeleitet werden, welches auf einer
Temperatur zwischen 0 und 100°C gehalten wird.
Der zusätzliche Koagulationsschritt dient dabei zur Vervollständigung der
Koagulation durch Entfernen des Lösungsmittels. Außerdem werden Zusatzstoffe
zur Koagulationsförderung, falls solche Stoffe verwendet werden, aus den
koagulierten Filamenten ausgewaschen.
Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß das erfindungsgemäße
aromatische Copolyamid unter Verwendung üblicher Spinnverfahren und
-vorrichtungen ohne weiteres zu Filamenten verarbeitet werden kann, ohne daß ein
gefährliches oder schädliches Lösungsmittel, wie z. B. konzentrierte Schwefelsäure,
verwendet werden müßte.
Hierdurch werden die Gefahren für das Bedienungspersonal verringert. Außerdem
haben die aus dem erfindungsgemäßen Copolyamid hergestellten Filamente eine
dichte interne Struktur.
Die Ausformlösung kann auch unter Verwendung üblicher Auffächerungs- oder
Extrudierverfahren zu einem Film verarbeitet werden.
Fasern oder Filme, die nach den vorstehend angegebenen Ausformverfahren
hergestellt werden, werden gewöhnlich einem Streckvorgang unterworfen, durch
den nicht nur die mechanischen Eigenschaften, wie z. B. die Zugfestigkeit und der
Elastizitätsmodul, gefördert werden sondern auch die thermischen Eigenschaften,
wie z. B. die thermische Stabilität der so hergestellten Filamente oder Folien.
Filamente aus den erfindungsgemäßen aromatischen Copolyamiden werden in der
Regel verstreckt, um eine hohe mechanische Festigkeit und einen hohen
Elastizitätsmodul zu erzielen. Das Verstreckungsverhältnis beträgt dabei
üblicherweise etwa 1 : 6 bis 1 : 20. Die Verstrecktemperatur liegt dabei in der Regel
zwischen 250 und 550°C, vorzugsweise zwischen 350 und 500°C.
Das Strecken kann in einem einzigen Schritt, in zwei Schritten oder in mehreren
Schritten ausgeführt werden, wobei zum Aufheizen eine Heizplatte oder eine
zylindrische Heizvorrichtung verwendet werden kann. Außerdem können die
gestreckten Filamente oder Folien einer weiteren Wärmebehandlung bei gleicher
oder höherer Temperatur unterworfen werden, um ihre kristalline Struktur zu
fördern. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß das aromatische
Copolyamid gemäß der Erfindung nicht nur hinsichtlich seiner Lösbarkeit in
üblichen organischen Lösungsmitteln überraschend vorteilhaft ist, sondern nach der
Herstellung der Fasern oder Filme ohne weiteres unter "milden"
Arbeitsbedingungen verstreckt werden kann.
Die aus den erfindungsgemäßen Copolymeren erhältlichen Fasern zeichnen sich
durch hohe Reißfestigkeiten und Anfangsmoduli und durch niedrige Reißdehnungen
aus.
Ein weiterer bevorzugter Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Fasern aus
den erfindungsgemäßen Copolymeren, die eine Reißfestigkeit von etwa 90 bis 250
cN/tex, insbesondere 150 bis 250 cN/tex, einen Anfangsmodul, bezogen auf 100
% Dehnung, von etwa 25 bis 60 N/tex, insbesondere 35 bis 50 N/tex und eine
Reißdehnung von etwa 3 bis 7%, insbesondere 4 bis 6% aufweisen.
Es wurde überraschenderweise gefunden, daß durch die Anwendung besonderer
Verstreckbedingungen aus den erfindungsgemäßen Copolyamiden Fasern
hergestellt werden können, die für Aramide bislang unerreicht hohe Werte von
Querfestigkeiten aufweisen bzw. die eine Kombination von außerordentlich hohen
Reißfestigkeiten und Querfestigkeiten aufweisen. Als Maß für die Querfestigkeiten
kann die Schlingenfestigkeit (nach DIN 53 843) oder die Knotenfestigkeit (nach DIN
53 842, Teil 1) herangezogen werden.
Bevorzugte Fasern aus den erfindungsgemäßen Copolyamiden weisen
Knotenfestigkeiten von 25 bis 80 cN/tex, insbesondere von 50 bis 80 cN/tex,
und/oder Schlingenfestigkeiten von 40 bis 130 cN/tex, insbesondere von 85 bis
120 cN/tex, auf.
Ganz besonders bevorzugte Fasern aus den erfindungsgemäßen Copolyamiden
weisen Reißfestigkeiten von mehr als 200 cN/tex, insbesondere von 200 bis 250
cN/tex, und Schlingenfestigkeiten von mehr als 80 cN/tex, insbesondere von 85 bis
120 cN/tex auf.
Diese besonders bevorzugten Fasern sind erhältlich durch Verstrecken der
ersponnenen Fasern in der Hitze und unter Verwendung einer unter den
Verstreckbedingungen stabilen Präparation. Solche Präparationen
enthalten im wesentlichen ein partikelförmiges, inertes anorganisches Material,
welches die Gleitreibung zwischen den Fasern beim Verstreckvorgang herabsetzt.
Diese Präparationen werden üblicherweise aus wäßriger Suspension auf die Faser
aufgebracht; anschließend wird durch Trocknen eine gleichmäßige Schicht aus
besagtem anorganischen Material um die Faser herum erzeugt. Beispiele für
geeignete anorganische und inerte Partikel sind Graphit, Talk, kollodiale Kieselerde,
wasserabweisende Kieselerde, Glimmer, hydratisiertes Magnesiumsilikat, oder
wäßrige Dispersionen enthaltend Magnesiumsilikat und eine wäßrige gelbildende
anorganische Verbindung, wie Aluminiumsilikat.
Beispiele für solche Präparationen sind in den JP-A-60-239,522, JP-A-60-239,523
und der EP-A-121,132 beschrieben.
Die Verstreckung der auf diese Weise vorbehandelten Aramidfasern erfolgt im all
gemeinen bei Fasertemperaturen von mehr als 300°C, vorzugsweise bei 350 bis
550°C. Die Verstreckgrade zur Herstellung dieser besonders bevorzugten
Aramidfasern betragen üblicherweise 1 : 8 bis 1 : 20, vorzugsweise 1 : 9 bis 1 : 15.
Die Erfindung betrifft auch solche Fasern und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Die Fasern aus einem aromatischen Copolyamid gemäß der Erfindung, welche
hervorragende mechanische und thermische Eigenschaften besitzen und sich
durch eine hohe Verstreckbarkeit auszeichnen, können auf die verschiedenste
Weise industriell eingesetzt werden, beispielsweise zur Verstärkung von
Kunststoffen, insbesondere als Verstärkungsmaterialien für die Gewebeeinlagen von
Autoreifen und anderen Gummiartikeln, als wärmebeständige Isolationsmaterialien,
zur Herstellung von Filtergeweben und als leichte Dämmstoffe. Filme aus einem
aromatischen Copolyamid gemäß der Erfindung können als wärmebeständige
elektrische Isolationsmaterialien eingesetzt werden, insbesondere zur Herstellung
von Membranen, beispielsweise als Trägermaterial für Trennmembranen.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von
Beispielen noch näher erläutert.
Dabei versteht es sich jedoch, daß die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele
beschränkt ist. Vielmehr stehen dem Fachmann, ausgehend von den
Ausführungsbeispielen, zahlreiche Möglichkeiten für Änderungen und/oder
Ergänzungen zu Gebote, ohne daß er dabei den Grundgedanken der Erfindung
verlassen müßte.
162,2 g (1,5 Mol) p-Phenylendiamin, 150,2 g (0,75 Mol) 3,4′-Diaminodiphenylether
und 219,3 g (0,75 Mol) 1,4-Bis-(4-aminophenoxy)-benzol werden unter Stickstoff in
14 042 g N-Methylpyrrolidon gelöst und zwischen 35°C und 55°C innerhalb von 20
Minuten 607,3g (3 Mol) Terephthalsäuredichlorid zugegeben. Bei Erreichen der
gewünschten Viskosität (ηinh = 5,5 dl/g) wird die Polykondensation durch Zusatz
von 4,7 g Acetylchlorid abgestoppt und anschließend mit 328,2 g Calziumoxid (55%ige
Suspension in NMP) neutralisiert. Die Lösung wird bei 120°C nachgerührt.
Die Lösung wird filtriert, entgast und naß versponnen. Dazu wird sie aus einer Düse
mit 100 Öffnungen von jeweils 0,1 mm Durchmesser in ein Koagulationsbad,
bestehend aus einer 80°C warmen Lösung von 35% N-Methylpyrrolidon in Wasser
mit einer Geschwindigkeit von 16 m/min ausgesponnen. Die erhaltenen Fäden
werden durch zwei Wasserbäder, eine Waschmaschine, über eine Trockengalette
und schließlich über Bügeleisen der Temperaturen von 400 bis 440°C auf das
11fache verstreckt.
Der Einzelfilamenttiter beträgt 1,91 dtex bei einer feinheitsbezogenen Festigkeit von
190 cN/tex, eine Dehnung von 4% und einem Anfangsmodul von 41 N/tex,
bezogen auf 100% Dehnung.
Nach der in Beispiel 1 beschriebenen Arbeitsweise werden weitere aromatische
Copolyamide hergestellt, versponnen und geprüft. In der folgenden Tabelle l
werden die verwendeten Diamine, deren Mengenverhältnisse, die
Lösungsviskositäten der erhaltenen Polymeren, die Verspinnbedingungen und
Eigenschaften der erhaltenen Fasern aufgeführt. In der Tabelle I werden für die
Monomeren folgende Abkürzungen verwendet:
TPC = Terephthalsäuredichlorid
IPC = Isophthalsäuredichlorid
NDC = Naphthalindicarbonsäuredichlorid
PPD = p-Phenylendiamin
3,4′-DADPE = 3,4′-Diaminodiphenylether
BAPOB = 1,4-Bis-(4-aminophenoxy)-benzol
4,4′-DABA = 4,4′-Diaminobenzanilid
Cl-PPD = Chlor-para-phenylendiamin
MPD = m-Phenylendiamin.
IPC = Isophthalsäuredichlorid
NDC = Naphthalindicarbonsäuredichlorid
PPD = p-Phenylendiamin
3,4′-DADPE = 3,4′-Diaminodiphenylether
BAPOB = 1,4-Bis-(4-aminophenoxy)-benzol
4,4′-DABA = 4,4′-Diaminobenzanilid
Cl-PPD = Chlor-para-phenylendiamin
MPD = m-Phenylendiamin.
Claims (13)
1. In organischen Polyamid-Lösungsmitteln lösliches aromatisches Copolyamid mit
einer inhärenten Viskosität von mindestens 3,5 dl/g, insbesondere 4,5 dl/g,
gemessen bei 25°C an Lösungen von 0,25 Gew.% Copolymer in N-
Methylpyrrolidon, enthaltend die wiederkehrenden Struktureinheiten der Formeln Ia,
Ib, Ic und gegebenenfalls Id
worin mindestens 80 Mol% aller Reste R1, bezogen auf die Menge dieser Reste im
Copolymer, einen unsubstituierten zweiwertigen aromatischen Rest bedeuten,
dessen Valenzbindungen sich in para- oder in vergleichbarer koaxialer oder
paralleler Stellung zueinander befinden, und bis zu 20 Mol% aller Reste R1, bezogen
auf die Menge dieser Reste im Copolymer, einen unsubstituierten zweiwertigen
aromatischen Rest bedeuten, dessen Valenzbindungen sich in meta- oder in
vergleichbarer gewinkelter Stellung zueinander befinden,
R2 ein unsubstituierter zweiwertiger aromatischer Rest ist, dessen Valenzbindungen sich in para- oder in vergleichbarer koaxialer oder paralleler Stellung zueinander befinden,
R3 einen von R2 abweichenden Rest der Formel II oder der Formel 111 oder der Formel IV darstellt worin Hal ein Halogenatom ist, und wobei der Anteil der wiederkehrenden Struktureinheiten Ia, Ib, Ic und Id, bezogen auf die Summe dieser Struktureinheiten im Copolymer, innerhalb folgender Grenzen liegtwiederkehrende Struktureinheit der Formel Ia: 40 bis 65 Mol%;
wiederkehrende Struktureinheit der Formel Ib: 5 bis 55 Mol%;
wiederkehrende Struktureinheit der Formel Ic: 5 bis 35 Mol%; und
wiederkehrende Struktureinheit der Formel Id: 0 bis 30 Mol%.
R2 ein unsubstituierter zweiwertiger aromatischer Rest ist, dessen Valenzbindungen sich in para- oder in vergleichbarer koaxialer oder paralleler Stellung zueinander befinden,
R3 einen von R2 abweichenden Rest der Formel II oder der Formel 111 oder der Formel IV darstellt worin Hal ein Halogenatom ist, und wobei der Anteil der wiederkehrenden Struktureinheiten Ia, Ib, Ic und Id, bezogen auf die Summe dieser Struktureinheiten im Copolymer, innerhalb folgender Grenzen liegtwiederkehrende Struktureinheit der Formel Ia: 40 bis 65 Mol%;
wiederkehrende Struktureinheit der Formel Ib: 5 bis 55 Mol%;
wiederkehrende Struktureinheit der Formel Ic: 5 bis 35 Mol%; und
wiederkehrende Struktureinheit der Formel Id: 0 bis 30 Mol%.
2. Aromatische Copolyamide gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens 90 Mol% aller Reste R1, vorzugsweise 100 Mol% der Reste R1, bezogen
auf die Menge dieser Reste, 1,4-Phenylen sind, und bis zu 10 Mol% aller Reste R1,
bezogen auf die Menge dieser Reste, 1,3-Phenylen darstellen.
3. Aromatische Copolyamide gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß R2
1,4-Phenylen bedeutet.
4. Aromatische Copolyamide gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens 90 Mol% aller Reste R1, vorzugsweise 100 Mol% der Reste R1, bezogen
auf die Menge dieser Reste, 1,4-Phenylen sind, und der Anteil der wiederkehrenden
Struktureinheiten Ia, Ib, Ic und Id, bezogen auf die Summe dieser Struktureinheiten,
innerhalb folgender Grenzen liegt:
wiederkehrende Struktureinheit der Formel Ia: 45 bis 55 Mol%;
wiederkehrende Struktureinheit der Formel Ib: 35 bis 45 Mol%;
wiederkehrende Struktureinheit der Formel Ic: 5 bis 25 Mol%; und
wiederkehrende Struktureinheit der Formel Id: 0 oder 5 bis 20 Mol%.
wiederkehrende Struktureinheit der Formel Ib: 35 bis 45 Mol%;
wiederkehrende Struktureinheit der Formel Ic: 5 bis 25 Mol%; und
wiederkehrende Struktureinheit der Formel Id: 0 oder 5 bis 20 Mol%.
5. Aromatische Copolyamide gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß R3
ein Rest der Formel IV ist, und daß der Anteil der wiederkehrenden Struktureinheit
der Formel Id 5 bis 15 Mol %, ganz besonders bevorzugt 5 bis 10 Mol %, bezogen
auf die Summe der Struktureinheiten Ia, Ib, Ic und Id, beträgt.
6. Verfahren zur Herstellung von Copolyamiden gemäß Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß man ein Dicarbonsäuredichlorid der Formel V mit einem
Gemisch der Diamine der Formeln VI, VII, VIII und gegebenenfalls IX umsetzt
worin die Reste R1 bis R3 die in Anspruch 1 definierte Bedeutung aufweisen und
worin die Molanteile der Diamine der Formeln VI bis IX, bezogen auf die Summe
der Anteile dieser Diamine, innerhalb solcher Grenzen gewählt werden, daß ein
Copolyamid mit den in Anspruch 1 definierten Mengenanteilen der
wiederkehrenden Struktureinheiten der Formeln Ia, Ib, Ic und Id entsteht.
7. Geformte Gebilde aus aromatischen Copolyamiden gemäß Anspruch 1.
8. Geformte Gebilde gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um
Fasern, Filme oder Beschichtungen handelt.
9. Geformte Gebilde gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um
Fasern handelt, die eine Reißfestigkeit von etwa 90 bis 250 cN/tex, einen
Anfangsmodul, bezogen auf 100% Dehnung, von etwa 25 bis 60 N/tex und eine
Reißdehnung von 3 bis 7% aufweisen.
10. Geformte Gebilde gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um
Fasern handelt, die Reißfestigkeiten von mehr als 200 cN/tex, insbesondere von
200 bis 250 cN/tex, und Schlingenfestigkeiten von mehr als 80 cN/tex,
insbesondere von 85 bis 120 cN/tex aufweisen.
11. Verfahren zur Herstellung von Fasern gemäß Anspruch 10 umfassend die
Maßnahmen:
- i) Herstellung von Fasern aus aromatischen Copolyamiden gemäß Anspruch 1,
- ii) Aufbringen einer wäßrigen Suspension einer unter den Verstreckbedingungen stabilen Präparation, die im wesentlichen ein partikelförmiges, inertes anorgani sches Material, welches die Gleitreibung zwischen den Fasern beim Verstreckvorgang herabsetzt, enthält,
- iii) Trocknen der auf diese Weise vorbehandelten Faser, so daß sich eine Schicht aus besagtem anorganischen Material um die Faser herum ausbildet, und
- iv) Verstrecken der der auf diese Weise vorbehandelten Faser bei Temperaturen von mehr als 300°C, insbesondere 350 bis 550°C.
12. Verwendung von Fasern aus aromatischen Copolyamiden gemäß Anspruch 1
zur Verstärkung von Kunststoffen, insbesondere zur Verstärkung von Elastomeren.
13. Verwendung von Filmen aus aromatischen Copolyamiden gemäß Anspruch 1
zur Herstellung von Membranen.
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DE19924228619 DE4228619A1 (de) | 1992-08-28 | 1992-08-28 | Aromatische Copolyamide, Verfahren zu ihrer Herstellung und daraus geformte Gebilde |
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MX9300408A MX9300408A (es) | 1992-01-27 | 1993-01-26 | Copoliamidas aromaticas, procedimiento para su preparacion, y estructuras conformadas a partir de ellas |
EP93101114A EP0553755B1 (de) | 1992-01-27 | 1993-01-26 | Fasern aus aromatischem Copolyamid sowie deren Verwendung |
ES93101114T ES2134222T3 (es) | 1992-01-27 | 1993-01-26 | Fibras a base de una copoliamida aromatica asi como su utilizacion. |
AT93101114T ATE180806T1 (de) | 1992-01-27 | 1993-01-26 | Fasern aus aromatischem copolyamid sowie deren verwendung |
DE59309617T DE59309617D1 (de) | 1992-01-27 | 1993-01-26 | Fasern aus aromatischem Copolyamid sowie deren Verwendung |
CA002088115A CA2088115A1 (en) | 1992-01-27 | 1993-01-26 | Aromatic copolyamides, processes for their preparation and structures formed therefrom |
BR9300290A BR9300290A (pt) | 1992-01-27 | 1993-01-26 | Estruturas conformadas de copoliamidas,processo para a fabricacao de fibras,aplicacao de fibras e de filmes de copoliamidas aromaticas e processo para a preparacao de copoliamidas aromaticas |
JP5011627A JPH05339369A (ja) | 1992-01-27 | 1993-01-27 | 芳香族コポリアミドとその製造法 |
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---|---|---|---|
DE19924228619 DE4228619A1 (de) | 1992-08-28 | 1992-08-28 | Aromatische Copolyamide, Verfahren zu ihrer Herstellung und daraus geformte Gebilde |
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