专利名称：聚(对-亚苯基对苯二酰胺)浆粕的制作方法
背景技术：
发明领域-本发明涉及使用聚(对-亚苯基对苯二酰胺)(PPD-T)制备改善形式纤维状浆粕的方法。传统上，这些浆粕是由短的芳族聚酰胺纤维制成，所述纤维经机械精制并取纤维主链或带有从其中伸出原纤维的茎的形状。本发明的浆粕不由短纤维制成，并提供具有高比例原纤维和很低比例茎的束浆粕颗粒。
现有技术描述-授权于Kiu-Seung Lee的美国专利US5,073,440和5,135,687告知了包含对芳族聚酰胺和聚(乙烯基吡咯烷酮)的连续纤维和这种纤维的纺丝方法。
1990年9月8日和1990年11月7日出版的欧州专利申请381,172和396,020披露了某些芳族聚酰胺和聚(乙烯基吡咯烷酮)的均匀合金和连续的纤维以及由这些合金制成的薄膜。
授权于H.S.Yoon的美国专利US4,511,623告知了使聚合芳族聚酰胺溶液经受高机械剪切而制备短芳族聚酰胺纤维的方法。
授权于Brierre等人的美国专利US5,028,372告知了通过使聚合对芳族聚酰胺的各向异性溶液经受剪切力，以便当它们生长时使聚合物链取向而制备浆粕的方法。
发明概要本发明提供一种制备PPD-T和聚(乙烯基吡咯烷酮)(PVP)混合物的纤维状浆粕的方法，该方法包括如下步骤形成搅拌的PPD-T聚合体系，该体系包含聚合组分用的溶剂和还含有粘均分子量至少为100,000的PVP，PVP的浓度以待制备的聚合物的重量为基准至少为5％(重量)，优选至少为10％(重量)；添加化学计算量的PPD-T聚合组分，以便在聚合体系中进行反应性接触；使聚合组分连续进行反应性接触一段时间，所述时间足以使聚合体系实现各向异性，使PPD-T聚合组分完全反应，以及使PPD-T与PVP相结合；以及从聚合体系中分离出PPD-T和PVP。
通过本发明方法制得的纤维状浆粕包括，聚(对-亚苯基对苯二酰胺)和至少5％(重量)、粘均分子量大于100,000的聚(乙烯吡咯烷酮)的多相混合物；其中，各浆粕颗粒不含茎并且长度为0.5-10毫米，直径为0.1-50微米，纵横比大于100。
附图的简要说明
图1-5是在包括本发明方法条件的各种条件下制得的芳族聚酰胺聚合产物的像片。图1示出了不是合适纤维状的产物。图2-5示出了本发明的纤维状浆粕产物。
图6是本发明的PPD-T和PVP多相混合物的热解重量分析法曲线图；和图7是现有技术的芳族聚酰胺和PVP均相合金的热解重量分析法曲线图。
发明的详细说明本发明的纤维状浆粕由两种聚合组分的混合物制得。其中一种组分是聚(对-亚苯基对苯二酰胺)(PPD-T)，另一种组分是聚(乙烯基吡咯烷酮)(PVP)。
PPD-T意指，由对-苯二胺和对苯二酰氯相当摩尔量的聚合而得到的均聚物，以及还有由少量其它的二胺与对-苯二胺混合和由少量其它的二酰(diacid)氯与对苯二酰氯混合所得到的共聚物。通常，其它的二胺和二酰氯的用量可多达对-苯二胺或对苯二酰氯的大约10％摩尔，或者还可再多一点，其前提条件仅仅是，其它的二胺和二酰氯没有干扰聚合反应的活性基团。PPD-T还意指，由包括少量其它的芳族二胺和芳族二酰氯例如2，6-萘二酰氯或氯代-或二氯代对苯二酰氯所制得的共聚物。PPD-T的制备方法描述于US4,308,374和4,698,414中。
在本发明的浆粕纤维中，PVP是加成聚合物。PVP意指由N-乙烯基-2-吡咯烷酮的单体单元的线型聚合而制得并包括有少量共聚单体的聚合物，所述共聚单体的浓度低于不干扰PVP和PPD-T相互作用的浓度。
通过在PVP存在下使PPD-T进行聚合而形成了聚合组分的混合物。用于PPD-T聚合的优选的介质是，含有溶于其中的盐如氯化钙的完全无水的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂体系，以便一旦形成便能增加PPD-T的溶解性。可用来增加PPD-T溶解性的其它的盐类包括氯化铵、氯化锂、氯化镁、氯化锶等，它们溶于NMP。对于本发明的实践而言，在PPD-T聚合反应进行期间，该溶剂体系还含有溶于其中的PVP。
实际上，在添加任何上述盐之前，优选将PVP溶于NMP中。业已发现，尽管所述的盐可以增加聚合体系中PPD-T的溶解性，但它将降低PVP在NMP中的起始溶解性。
据信，PPD-T在形成各向异性体系的NMP中的聚合期间所存在的PVP使聚合的PPD-T形成取向或定位区域结构的聚合物分子，该分子最终形成浆粕纤维。在形成浆粕纤维过程中，由于该体系的各向异性，据信，PPD-T和PVP将这样结合，以致于PPD-T的区域结构被PVP所包围，以得到两种材料多相混合物的浆粕颗粒。
参考图6，示出了由本发明材料的热解重量分析法所得到的图表。热解重量分析(TGA)包括，对材料试样进行加热，并记录作为温度函数的试样的剩余重量。在试样组分挥发温度时重量发生变化。在图6中，TGA所示出的材料是，根据本发明制得的PPD-T和20％(重量)PVP的混合物。PPD-T的比浓对数粘度为5.1，PVP的粘均分子量为630,000。可以观察到，图6的曲线显示出两个急剧的下降。第一个下降发生在约440℃并且表示PVP组分的挥发。在约500℃时PVP将迅速挥发，然后在约600℃时挥发将变得更慢。第二个下降发生在约600℃并且表示PPD-T组分的挥发。在TGA曲线中，这两个独立的、急剧的下降为本发明混合物中存在物理上独立的组分提供了充分的证据。
参考图7，示出了由欧洲专利申请EP381,172公开的材料的热解重量分析法(TGA)所得到的图表，所述材料是2，2’-双[4-(4’-氨基苯氧基)苯基]丙烷对苯二酰胺(BAPP-T)，其中还披露了其与20％(重量)PVP均匀混合和熔合。在PVP存在下进行聚合的BAPP-T将形成各向同性而不是各向异性的组分体系，好象是上述EP专利申请所指出的，各组分材料紧密联接的、均匀的合金。可以观察到，图7的曲线显示出一个急剧的下降，其发生在约380℃并直至约600℃，这表示BAPP-T和PVP的均匀合金的挥发。在TGA曲线中，这个急剧的下降为现有技术中存在均匀结合的材料的混合物提供了充分的证据。
现已确定，对于实施本发明而言，必须使用粘均分子量大于约100,000和以PPD-T重量为基准浓度至少5％，优选至少10％的PVP。粘均分子量小于约100,000的PVP对PPD-T聚合物链增长的取向似乎不会提供足够的支持，因此，不会得到有益的结果。粘均分子量大于约2,000,000的PVP只是难于溶解，而可能得不到可用于在所需PVP浓度下进行操作的溶液。业已发现，粘均分子量大于100,000的PVP可用于本发明的实践中。为实施本发明，通过不同分子量的PVP材料的混合物，可获得合适的PVP分子量环境。例如，可将粘均分子量为50,000的PVP与粘均分子量为500,000的PVP相结合，以摩尔量为基准，其用量以聚合体系中PVP的总的粘均分子量大于100,000为准。
PVP的用量必须至少为形成的PPD-T重量的5％，并且，如果需要可使用更多量的PVP。PVP的用量少于5％似乎不会提供足够的PVP以取得所希望的结果。PVP浓度的上限只是实践问题。业已确定，当PVP浓度增加至约20％的浓度时，PPD-T的纤维状浆粕颗粒的大小和数量将增加至待形成PPD-T重量的30％。PVP浓度大于30％似乎不会影响结果，但这么大的浓度似乎也不会明显地改善浆粕产物的大小或得率。
PPD-T的聚合包括向聚合体系中添加化学计算量的二胺和二酰氯。通常，先将二胺组分溶于聚合体系中，然后将二酰氯一次或分多次添加到该聚合体系中。
PPD-T聚合组分的添加是在搅拌的条件下进行的，并且搅拌通常持续至各向异性溶液并通过PPD-T聚合反应，直至基本完成聚合反应为止。在聚合反应期间，PPD-T和聚合体系将变得很粘稠，因此，为使反应组分之间保持接触，优选连续搅拌。然而，对于聚合体系而言，无需提供搅拌或剪切力；事实上，一旦反应组分已进行反应性接触，就无需再进行搅拌。
尽管搅拌有用于本发明的实施，但必须明白的是，浆粕产物的长度和质量取决于存在于聚合体系中的PVP的浓度和分子量。本发明的关键以及被认为是可获专利的显著性在于如下的发现，即，本发明的浆粕是使用各向异性聚合体系，在本发明中所述的条件下，在PVP存在下进行PPD-T聚合所得到的多相产物。
在PPD-T聚合完成后，借助通过若干次洗涤而将聚合体系固体分散于水中并从该液体中过滤或离心出浆粕而从聚合体系中分离出纤维状PPD-T浆粕。
以PPD-T的重量为基准，所得到的纤维状浆粕是含5-30，优选含10-25％PVP的PPD-T聚合物。浆粕中PVP的浓度在某种程度上是聚合体系中PVP浓度的函数。例如，10％PVP浓度的聚合体系将形成含约10％PVP的PPD-T。然而，不管在聚合体系中PVP浓度有多高，在平衡条件下，在浆粕中PVP的最大浓度约为20％。据信，由于某种原因PVP将与浓度高达约20％的PPD-T结合，超出此浓度时，任何过量的PVP在浆粕分离步骤期间将从浆粕中冼出。当然，通过在浓度大于20％的PVP溶液中使PPD-T进行聚合，然后，对浆粕小心地进行不完全地洗涤，还可制得PVP浓度大于20％的浆粕。如前所述，虽然浆粕中存在的多于约20％的PVP部分将不是PPD-T/PVP材料的结合部分；但它也不会对浆粕的性能产生明显的副作用。
本发明浆粕颗粒的平均长度为约0.5-约10毫米，或许稍长，直径只有约0.1-50微米，纵横比大于100。“纵横比”意指各浆粕颗粒的长度与直径的比值。由于本发明的浆粕不是从短纤维精制而得到的，因此，这些浆粕颗粒没有纤维茎。
测试方法浆粕的形状因子-尽管浆粕颗粒的质量由于某种原因很难进行描述，但可借助附图而得到帮助，所述附图以约40倍的放大率示出了各种质量的纤维状浆粕颗粒形状等级1示于图1中，并表示不用PVP添加剂而制得的PPD-T碎屑颗粒形状等级1的颗粒没有纤维特征。
形状等级2示于图2中，并表示本发明最低级形式的纤维状浆粕。形状等级2的浆粕绝大多数是纤维状的并包括高达约2毫米长的纤维。
形状等级3示于图3中，并表示平均等级的纤维状浆粕。形状等级3的浆粕是纤维状的并包括高达约3毫米长的纤维。
形状等级4示于图4中，并表示高达约5毫米长纤维的良好等级的纤维状浆粕。
形状等级5示于图5中，并表示高达约7毫米和更长纤维的优异等级的纤维状浆粕。
PPD-T的比浓对数粘度-比浓对数粘度(IV)由下式确定IV＝In(ηrel)/c式中，c是聚合物溶液中PPD-T的浓度(100ml溶剂中0.5g聚合物)，ηrel(相对粘度)是在30℃于毛细管粘度计中测得的聚合物溶液和溶剂的流动时间之间的比率。在此所列出的比浓对数粘度值是用浓硫酸(96％H2SO4)测得的。
PVP的粘均分子量-在此所使用的PVP的分子量是如描述于Kirk-Othmer，Encyclopedia of Chemical Technology，第三版，第23卷，JohnWiley & Sons，“乙烯基聚合物(N-乙烯基)”下第968页中的粘均分子量。该粘均分子量，Mv，与特性粘度有如下关系MV=((ηint)1.4×10-4)1/0.7]]>特性粘度可通过测量若干聚合物浓度相对粘度的已知方法并外推至零浓度时的粘度(特性粘度)而测量。PVP的供应商常通过“K值”来鉴别PVP产物，该值与特性粘度关系如下面的关系式表示ηint＝2.303(0.001K+0.000075K2)使用上面列出的等式，可根据“K值”计算出PVP的粘均分子量。
热解重量分析法-在此用于测试的TGA是使用氮根据ASTM D3850-84所列出的步骤进行的。
实施例实施例1-通过将12.5份氯化钙溶于147.5份N-甲基吡咯烷酮(NMP)中而在反应罐中形成搅拌的PPD-T聚合体系。小心地将氯化钙和NMP完全干燥。将9.329份对-苯二胺溶于该聚合体系中，并将24.2份15份PVP在85份NMP中的溶液加至该聚合体系中。PVP的分子量为630,000且由在美国新泽西洲Wayne的International Specialty Products提供。在搅拌的同时，将该体系冷却至约5℃，并将17.670份对苯二酰氯添加至该聚合体系中。
在很短的时间内，该体系变成乳色以表示各向异性；并且在约2分钟内，该体系达到象很粘的胶一样的最大粘度。维持搅拌，并在整个5分钟的连续搅拌期间将该胶分为高度纤维化的颗粒。
在掺混机中用水将所得到的纤维状浆粕洗涤若干次，以除去在聚合期间所产生的NMP、氯化钙和HCl。该聚合物的比浓对数粘度为5.7，浆粕的形状等级为5，各纤维的长度约为5-7mm。
对比实施例1c与实施例1相同进行聚合，所不同的是，所使用的PVP的分子量只有38,000。所得到的产物是没有纤维特性的PPD-T碎屑。该PPD-T的比浓对数粘度为5.8。
实施例2-6-在这些实施例中，使用与实施例1中所使用的相同的聚合步骤，所不同的是，PVP是两种不同分子量的材料的混合物。所使用的PVP的分子量为38,000和630,000以产生许多等分子量的PVP；在每个实施例中，PVP的总用量为15％。下表1包含PVP的细节以及有关所得纤维状浆粕的数据。
表1实施例序号PVP(g)*M.W.克 比浓对 聚合物的38M 630M 当量数粘度 形状因子1c24.16 0 38,000 5.8 1219.63 4.53 149,000 3.5 2315.85 8.30 241,000 4.9 2412.08 12.08 334,000 3.5 458.3015.85 426,000 3.8 564.5319.63 519,000 3.6 510 24.16 630,000 5.7 5*在NMP中PVP溶液的浓度15％(w/w)，通过蒸馏干燥。
实施例7-11在这些实施例中，使用与实施例1相同的聚合步骤，所不同的是，以若干种不同的用量添加PVP。这些实施例中PVP的分子量为约630,000。下表2包含这些实施例的细节，包括有关所得浆粕产物的数据。
表2实施例序号PVP*(g) PVP％比浓对数粘度纤维长度7 7.205.03.03 0.5mm8 15.21 10.0 4.08 2mm9 24.16 15.0 5.10 5mm10 34.23 20.0 4.40 7mm11 45.64 25**4.00 6mm*在NMP中PVP溶液的浓度15％(w/w)，通过蒸馏干燥。
**对浆粕进行洗涤以留着浆粕中过量的PVP。
实施例12-本实施例表明，对于本发明的实践而言，不必进行连续的搅拌。如上述实施例1一样，在搅拌下通过将12.5份氯化钙溶于147.5份N-甲基吡咯烷酮(NMP)中而形成PPD-T聚合体系。将9.329份对-苯二胺溶于该聚合体系中，并将24.2份15份PVP在85份NMP中的溶液加至该聚合体系中。PVP的分子量为630,000。在搅拌下将该体系冷却至约5℃，并将17.670份对苯二酰氯添加至该聚合体系中。
在很短的时间内，该体系变成乳色以表示各向异性；然后停止搅拌。将该体系搁置过夜。
在掺混机中用水将所得到的纤维状浆粕洗涤若干次，以除去在聚合期间所产生的NMP、氯化钙和HCl。该聚合物的比浓对数粘度为3.84，浆粕的形状等级为3，各纤维的长度约为2mm。
权利要求
1.一种聚(对亚苯基对苯二酰胺)和聚(乙烯基吡咯烷酮)的纤维状浆粕的制备方法，包括如下步骤(a)形成搅拌的聚(对亚苯基对苯二酰胺)聚合体系，该体系包含聚合组分用的溶剂和粘均分子量至少为100,000的聚(乙烯基吡咯烷酮)，聚合体系中聚(乙烯基吡咯烷酮)的浓度以待制备的聚合物的重量为基准至少为5-30％(重量)；(b)添加化学计算量的聚(对亚苯基对苯二酰胺)聚合组分，以便在聚合体系中进行反应性接触；(c)使聚合组分连续进行反应性接触一段时间，所述时间足以(i)使聚合体系实现各向异性，(ii)使聚(对亚苯基对苯二酰胺)聚合组分完全反应，以及(iii)使聚(对亚苯基对苯二酰胺)与聚(乙烯基吡咯烷酮)相结合；和(d)从聚合体系中分离出聚(对亚苯基对苯二酰胺)与聚(乙烯基吡咯烷酮)的混合物。
2.权利要求1的方法，其中，在步骤(c)中连续进行搅拌。
3.权利要求1的方法，其中，聚合组分是对-苯二胺和对苯二酰氯。
4.权利要求1的方法，其中，聚(乙烯基吡咯烷酮)是单一的聚合物，其粘均分子量至少为100,000。
5.权利要求1的方法，其中，聚(乙烯基吡咯烷酮)是粘均分子量至少为100,000的聚合物的混合物。
6.聚(对亚苯基对苯二酰胺)的纤维状浆粕，包含70-95％(重量)聚(对亚苯基对苯二酰胺)和5-30％(重量)粘均分子量大于100,000的聚(乙烯基吡咯烷酮)的混合物，其中，各浆粕颗粒没有茎，并且长度为0.5-10mm，直径为0.1-50μm，纵横比大于100。
全文摘要
本发明提供了一种聚(对亚苯基对苯二酰胺)和聚(乙烯基吡咯烷酮)混合物的纤维状浆粕，以及这种浆粕的制备方法。该方法包括在聚(乙烯基吡咯烷酮)存在下使聚(对亚苯基对苯二酰胺)进行聚合反应，所得到的产物是含有增加量的原纤维和没有纤维碎屑的改进的浆粕。
文档编号D01F6/88GK1159837SQ95195418
公开日1997年9月17日 申请日期1995年9月22日 优先权日1994年9月29日
发明者李圭升 申请人:纳幕尔杜邦公司