固有对光和热稳定的聚酰胺的制作方法

专利名称：固有对光和热稳定的聚酰胺的制作方法
技术领域：
本发明涉及改进的聚酰胺。更具体地说，本发明涉及固有对光和热稳定的聚酰胺。本发明还涉及一种制备这些聚酰胺的方法以及涉及这些聚酰胺的应用。
对于某些应用来说，包括尼龙6和尼龙66在内的聚酰胺的热稳定性是不够的。例如，在地毯纱线或织物热定形过程中，由于聚合物的化学变化(氧化/热破坏)的结果，可产生变色问题。长丝和短纤维都可受到影响。将稳定剂加到聚酰胺中来改进稳定性是已知的。可在聚合前、聚合中或聚合后加入稳定剂，例如在加工过程中加入。已知的常规稳定剂被混合到聚合物中，但不与聚合物链键联。在加工或使用过程中，它们可不同程度地从聚合物中迁移出、蒸发出或洗出，以致稳定的效果以不希望有的方式下降，并可污染周围环境(空气、染浴)。
DE-A-2040975(Sankyo Co.Ltd.)公开了用4-氨基哌啶衍生物使包括聚酰胺在内的合成聚合物稳定的方法。在那里公开的各种4-氨基哌啶衍生物中有4-氨基-2，2，6，6-四甲基哌啶(见该文献第8页No.32)。但是，该哌啶衍生物既没有被特别选用，也没有用在任何实施例中。根据这一参考方献，4-氨基哌啶衍生物与现成的聚合物混合，它不连接到聚合物链上。
DE-C-3932912(Sandoz)涉及含有结合在分子中的有空间阻碍氨基的基团、特别是2，2，6，6-四甲基-4-哌啶基的聚酰胺。每一聚酰胺分子平均有5～200个这样的基团。根据这一参考文献，这些聚酰胺特别适用于改进聚酰胺的可染色性以及用作塑料的光稳定剂；它们(特别是)以熔体加入，其用量为1～10％(重量)。
在Poly.Deg.and Stab.21，251-262(1988)的一篇文章中指出，加入2，2，6，6-四甲基-4-哌啶醇(TMP)可改进尼龙66的光稳定性。该文章的作者认为(见259页)，在275℃、水蒸汽气氛下，在含TMP的尼龙66熔体后缩合过程中，TMP已与聚酰胺的羧基端基反应。但是，他们认为，在后一阶段的照射过程中，有出现(不希望的)交联的迹象。
在聚酰胺聚合中，使用胺类或一元和二元羧酸作为链调节剂是已知的，在实践中最主要使用一元羧酸用于这一目的。
本发明的一个目的是提供固有对光和热稳定的聚酰胺以及制备它们的方法。
我们已发现，在聚酰胺聚合前或聚合过程中加入下式的三丙酮二胺化合物可达到这一目的， 式中，R为氢(4-氨基-2，2，6，6-四甲基哌啶)，或有1～20个碳原子的烃基、优选有1～18个碳原子的烷基(4-氨基-1-烷基-2，2，6，6-四甲基哌啶)，或苄基。
因此，本发明提供一种制备聚酰胺的方法，该方法包括，在至少一种下式所示三丙酮二胺化合物存在下，使原料单体进行聚合 式中，R为氢，或有1～20个碳原子的烃基、优选有1～18个碳原子的烷基，或苄基。在从属权利要求中公开了本发明方法的优选实施方案。本发明还提供一种固有对光和热稳定的聚酰胺，它含有化学键联到聚合物链上的下式的胺基， 式中，R为如上规定的。本发明优选的聚酰胺在相应的从属权利要求中规定。
将三丙酮二胺化合物加到原料单体或聚合反应混合物中，并通过其伯氨基与原料单体或与生成的聚酰胺的羧基反应，键联到聚合物链的末端。由于空间阻碍，三丙酮二胺化合物的仲氨基不反应。因此，三丙酮二胺化合物也作为链调节剂。
三丙酮二胺化合物与聚酰胺的聚合物链的化学键联可得到固有稳定的聚酰胺。因此本发明的方法提供了不需另外将稳定剂混合到聚酰胺中的步骤的好处。这就消除了当稳定剂加入时可能引起的各种问题或质量下降，例如当将稳定剂表面涂覆到聚酰胺颗粒上以后，由于不相容性、粘度下降、稳定剂的迁移、蒸发或洗出或者当混配时两重作用的结果。在本发明的方法中，三丙酮二胺化合物的应用使聚酰胺在加工和使用中不受热和热氧化作用破坏。
在三丙酮二胺化合物存在下，原料单体的聚合优选按常规方法进行。例如，在三丙酮二胺(R＝H)存在下，己内酰胺的聚合例如可按DE1495198和DE2558480中公开的连续法进行。在三丙酮二胺存在下，66盐的聚合可按常规的间歇法(见Polymerization ProcessesP.424-467、特别是P444-446，Interscience，New York，1977)或连续法(如在EP129196中公开的)进行。原则上，三丙酮二胺化合物和原料单体可分开送入反应器，或作为混合物送入。三丙酮二胺化合物优选按预先确定的用量/时间程序加入。
在本发明方法的优选实施方案中，用于聚合的原料单体是己内酰胺，或至少一种选自己二酸、癸二酸和对苯二甲酸的二元羧酸A和至少一种选自六亚甲基二胺和四亚甲基二胺的二胺，或其二羧酸二胺盐。己内酰胺是特别优选的。二元羧酸A特别优选己二酸或对苯二甲酸。如果适当选择原料单体，聚合将得到优选的聚酰胺尼龙6、尼龙66、尼龙46或尼龙610。
在一优选的实施方案中，将三丙酮二胺化合物加到原料单体中，其量按1mol聚合物的羧基酰胺基计为0.03～0.8％(mol)，优选0.06～0.4％(mol)。当制备尼龙6时，这一用量基于1mol己内酰胺；当制备尼龙66时基于0.5mol66盐。已发现用量低于0.03％(mol)时不能确保足够的稳定性，而用量高于0.8％(mol)时，由于三丙酮二胺化合物的调节作用，使得不能达到所需的聚合度。
在本发明的一个优选实施方案中，三丙酮二胺化合物与至少一种常规的链调节剂组合。适合的链调节剂的例子是一元羧酸，如乙酸、丙酸和苯甲酸。所用的链调节剂组合和用量特别是根据最终产物中所需末端氨基的含量以及根据所需的熔体稳定性来选择。末端氨基的含量与长丝或短纤维所需的可染色性有关。熔体的稳定性与加工产品的实际要求、特别是与纺丝有关。
用本发明的方法制备的尼龙6(聚己内酰胺)，除三丙酮二胺化合物外，还优选含有二元羧酸B作为链调节剂。更具体地说，这样的尼龙6产品，除具有必要的熔体稳定性、所需的长丝或短纤维可染色性以及良好的光和热稳定性外，对于得到的长丝特别是用高速纺丝法在很高的速度下制得的长丝还具有高的强度。
与三丙酮二胺化合物组合用作链调节剂的二元羧酸B可与用作二元羧酸A的二元羧酸相同或不同。它们优选选自C4-C10烷烃二羧酸，特别是己二酸、壬二酸、癸二酸和十二烷二酸；C5～C8环烷二羧酸，特别是环己烷-1，4-二羧酸；以及苯-和萘-二羧酸，特别是间苯二甲酸、对苯二甲酸和萘-2，6-二羧酸。按1mol聚酰胺的羧基酰胺基计，二元羧酸B的用量优选为0.06～0.6％(mol)，更优选0.1～0.5％(mol)。
在另一优选实施方案中，本发明方法的聚合在至少一种颜料存在下进行。优选的颜料是二氧化钛或者无机或有机着色化合物。按100份重聚酰胺计，颜料的加入量优选为0～5份重，特别优选0.02～2份重。颜料可与原料单体一起加入反应器或分开加入。与仅含有颜料而不含三丙酮二胺的聚合物相比，三丙酮二胺化合物的使用(也作为链调节剂组分)明显改进了聚合物的光稳定性。
本发明还涉及本发明的固有对光和热稳定的聚酰胺用于生产长丝、纤维或薄膜的应用。本发明还涉及一种用高速纺丝法在取纱速度至少为4000m/min下生产基于聚己内酰胺的长丝的方法，以及涉及如此制得的长丝。此外，本发明还涉及本发明制得的长丝用于生产纤维和织物的应用，以及涉及由这一应用可得到的纤维和织物。
以下实施例用来说明本发明。
关于实施例的一般说明聚酰胺(切片和长丝)的相对粘度在25℃下在浓硫酸(96％(重量))的1％聚酰胺溶液(1g/100ml)中测定。末端基含量用酸量滴定法测定。末端氨基用全氯乙酸在70∶30(份重)苯酚/甲醇中的溶液滴定。末端羧基用氢氧化钾的苄醇溶液滴定。
在聚酰胺中三丙酮二胺化合物和任何二元羧酸的含量可用以下步骤测定先将样品在稀无机酸中水解，然后用常规方法如气相色谱法分析水解产物。
聚酰胺长丝的热稳定性在这样的条件下测定，这些条件基本上对应于在随后的处理阶段中热定形过程的条件，例如BCF(膨化长丝)的热定形或织物纤维的拉幅定形。将5g拉伸长丝的绞丝与对比样品一起在支架上迅速送入预热到185℃的循环炉中，在其中停留120秒，在样品周围测量的空气温度再次达到185℃。然后立即将样品取出，在空气中、20℃室温下冷却。用于比较的长丝一起处理。
通过相对粘度和氨基含量的下降以及羧基含量的增加来测定引起的破坏(与相同长丝的未处理样品比较)。
然后按未处理的纱样计，将碱性基团的绝对下降转换成百分下降率，以使这些结果更适用于实际比较。
用Uster Tensorapid I测定极限伸长率，夹持长度为200mm(部分取向长丝(POY)的情况下)和500mm(拉伸和变形长丝的情况下)。长丝的断裂时间在20±2秒范围内。在POY情况下预拉伸力为0.025cN/dtex，而在拉伸长丝的情况下为0.05cN/dtex。
韧性RH按以下方程式计算RH＝FH/Ttv式中，FH为极限拉伸强度[cN]；而Ttv为原线密度[dtex]。采用的极限拉伸强度值为在极限拉伸测量中得到的最大值。
极限伸长率EH按以下方程式测定，它是达到极限拉伸强度时长度的变化Δl与样品原长度lV之比EH＝Δl·100％/lV式中，Δl为在极限拉伸强度时样品的长度lH与原长度lV的差。
代表实施例1使用的聚合反应器是如EP20946中公开的VK管立式反应器，它由不锈钢制成，材料为No.1.4541。VK管的有效容量为340升，用导热油加热。
将100份重熔融己内酰胺、0.5份重水和0.33份重对苯二甲酸的混合物以速率41kg/h连续送入VK管顶部的不断搅拌的第一反应段。同时，以55ml/h的速率将三丙酮二胺作为单独的物流连续送入VK管的第一反应段。因此，按1mol己内酰胺计，三丙酮二胺的浓度为0.087％(mol)，而对苯二甲酸的浓度为0.23％(mol)。第一反应段的温度为266℃；在第一反应段上空气相的压力为1.5bar(绝对)。聚己内酰胺从VK管的底部卸出，并制成切片，用热水萃取，然后干燥。干燥聚合物的相对粘度为2.70，末端氨基含量为39meq/kg，末端羧基含量为65meq/kg。
在熔体温度为275℃、每一喷丝头的速率为23g/min下，将产物从Ems-Inventa中型纺丝装置上的孔径0.2mm、毛细管长0.6mm的喷丝头中作为导丝辊POY高速纺丝。
对于第1道(duo)，速度为4520m/min，对于第2道，速度为4530m/min，而对于Barmag Craft络纱机，速度为4500m/min。
在喷丝头下方，长丝在Barmag横向流动急冷箱中，用速度为0.4m/s的20℃/65％相对湿度的空气流冷却。长丝用商业纺丝整理组合物(Limanol E100，由Schill & Seilacher制造，长丝上浆率0.65％)在急冷箱中通过计量泵和陶瓷加油器进行纺丝整理。POY有以下性质极限伸长率72％、韧性4.1cN/dtex，Uster标准试验U％＝0.6。
然后将长丝在Zinser14S拉伸加捻机上以820m/min速率冷拉伸到拉伸比为1∶1.363。如此得到的长丝的极限伸长率为37％、韧性为5.2cN/dtex和Uster均匀性U％(标准试验)为0.7。12根长丝纱的线密度为43.1dtex。
相对粘度为2.70，末端氨基含量为35meq/kg，末端羧基含量为63meq/kg。
对比例1不含三丙酮二胺、相对粘度为2.67的商业尼龙6在如代表实施例1相同的条件下纺丝。POY有以下性质极限伸长率73％，韧性4.0cN/dtex，Uster标准试验U％＝0.6。
然后将纱冷拉伸到拉伸比1∶1.336。如此得到的纱的极限伸长率为43％，韧性为4.8cN/dtex，Uster均匀性U％(标准试验)为0.5。12根长丝纱的线密度为43.8dtex。相对粘度为2.66，末端氨基含量为32meq/kg，末端羧基含量为53meq/kg。
将纱在185℃热空气中热处理120秒，表明有以下数值表1
表1表明，与对比例1的聚酰胺相比，在热处理中，本发明的尼龙6的相对粘度和末端氨基含量下降较少，而末端羧基含量的增加较少，因此具有更好的热稳定性。
代表实施例2在0.38％(mol)对苯二甲酸、0.20％(mol)三丙酮二胺、0.5％(重量)水和0.3％(重量)二氧化钛(作为消光剂)存在下，己内酰胺象在代表实施例1中一样在相同的VK管中聚合。聚合在255℃、常压下，在第一反应段中进行，生产量为25kg/h。其它操作对应于代表实施例1中描述的。干燥产品的相对粘度为2.37，末端氨基含量为45meq/kg，末端羧基含量为79meq/kg。
将产物在Barmag单螺杆挤塑机中熔融，并在熔体温度270℃下送入Barmag SP 42纺丝体系。熔体以每一喷丝头22.6g/min的速率，通过毛细孔径0.20mm、长0.60mm的12孔纺丝喷丝头纺丝，得到12根长丝丝束，已纺丝(POY)线密度为52dtex，取丝速率为4500m/min。通过横向急冷流为0.40m/s的急冷箱和用0.60～0.65％商业纺丝整理组合物(由Schill & Seilacher制造的Limanol E100，为8％浓度的溶液)纺丝整理后，长丝丝束分别通过2个导丝辊duos以4510m/min和4535m/min取丝。使用的络纱头是轴向驱动的Barmag Craft络纱机。POY的极限伸长率为65％，韧性为4.6cN/dtex以及沸水收缩率为9％。
POY在RieterJ5/10a拉伸-加捻机上以748m/min速率冷拉伸加捻。在预拉伸段纱的拉伸为0.8％，总的拉伸比为1∶1.298。
拉伸长丝纱的极限伸长率为36％，韧性为5.2cN/dtex，12根长丝的线密度为44dtex，Uster U％(标准试验)为0.7。
测得相对粘度为2.41，末端氨基含量为42meq/kg，末端羧基含量为74meq/kg。
对比例2将相对粘度为2.39和不含三丙酮二胺的商业尼龙6按代表实施例2描述的方式挤出。长丝如上述进行冷却和纺丝整理。POY在4500m/min下绕制，无导丝辊。POY的极限伸长率为62％，韧性为4.2cN/dtex和沸水收缩率为9％。
将POY象代表实施例2中一样冷拉伸到拉伸比为1∶1.279。拉伸长丝纱的极限伸长率为34％，韧性为4.6cN/dtex，12根长丝的线密度为43.6dtex，Uster值U％(标准试验)为0.9。
纱的相对粘度为2.41，末端氨基含量为25meq/kg，末端羧基含量为65meq/kg。
将纱进行相应于拉幅定形(185℃热空气、120s)的整理，并测量以下性质表2
表2清楚表明，在三丙酮二胺存在下，己内酰胺聚合成尼龙6比对比例2的尼龙6(它不含三丙酮二胺)有更高的热稳定性。
代表实施例3按代表实施例2制备聚酰胺，但不加二氧化钛，该聚酰胺按代表实施例2进行高速纺丝。POY的极限伸长率为64％，韧性为4.7cN/dtex，沸水收缩率为10％。
在代表实施例2中所述的条件下拉伸。此后，拉伸纱的极限伸长率为37％，韧性为5.4cN/dtex，沸水收缩率为14％，Uster均匀性U％(标准试验)为0.8，12根长丝的线密度为44dtex。
相对粘度为2.40，末端氨基含量为42meq/kg，末端羧基含量为74meq/kg。
对比例3A/3B将相对粘度分别为2.40(3A)和2.44(3B)的2种商业尼龙6按代表实施例2进行高速纺丝。纺丝温度为275℃，导丝辊duos速度分别为4510m/min和4520m/min。
表3 POY有以下性质
以下数据在热空气处理后测定
根据表3数据，本发明的尼龙6比对比例的尼龙6有更高的热稳定性。
代表实施例4在0.55％(重量)(0.375％(mol))对苯二甲酸、0.33％(重量)(0.239％(mol))三丙酮二胺、0.5％(重量)水和0.3％(重量)二氧化钛存在下，象在代表实施例1中一样，己内酰胺在相同的VK管中聚合。聚合在255℃、常压下，在第一反应段中进行，生产量为25kg/h。步骤对应于代表实施例1中描述的。干燥产物的相对粘度为2.42，末端氨基含量为46meq/kg，末端羧基含量为70meq/kg。可萃取物含量为0.38％。
随后按对比例2在4500m/min下进行无导丝辊纺丝，然后冷拉伸到拉伸比为1∶1.229，在600m/min下整经。
POY的12根长丝线密度为52dtex，极限伸长率59％，韧性为4.1cN/dtex。
在Elkometer试验(间隙大小为45μm)测得平均0.5个织疵/100km。
拉伸纱的极限伸长率为36％，韧性为4.3cN/dtex。12根长丝线密度为46dtex。
对比例4在0.53％(重量)(0.361％(mol))对苯二甲酸、0.5％(重量)水和0.3％(重量)二氧化钛存在下，象在代表实施例4中一样，己内酰胺在相同的VK管中聚合。在252℃下，聚合在第一反应段中进行。步骤相应于代表实施例4中描述的。干燥产物的相对粘度为2.39，末端氨基含量为27meq/kg，末端羧基含量为92meq/kg。可萃取物含量为0.32％。
将50kg上述尼龙6碎屑与165g三丙酮二胺(TAD)(0.33％(重量))以液体形式在回转轮混合器中混合2h。
因此，碎屑象上述产物4一样在混合物中含有相同数量TAD，实际上含有相同对苯二甲酸含量(作为聚合物的一部分)，两种产品是相同的，除TAD加入方式不同外。
转筒加工的TAD不能完全被吸收。它们仍有TAD湿气，有强烈的胺味。这一性能在处理中是极不利的；此外，因为TAD有腐蚀性，需要彻底的安全保护。
在代表实施例4的情况下，在纺丝体系中停留的过程中，通常粘度增加；而在对比例4的情况下，粘度显著下降。代表实施例4的另一些优点是氨基数和可萃取物含量变化较小(测定在回流下用甲醇萃取16h)，而且在纺丝过程中在喷丝区的蒸发要少得多。
表4
1)括号中数值与使用碎屑比较的变化；在对比例4的情况下，与没有TAD的基础聚合物比较。
在代表实施例4中提出的条件下进行纺丝和进一步加工。POY的12根长丝线密度为52dtex，极限伸长率为54％，韧性为3.8cN/dtex。在Elkometer试验中得出平均7.5个织疵(小结、断丝、线圈)/100km。
拉伸后，极限伸长率为35％，韧性为4.2cN/dtex。
表5
正如可从表5看出，本发明代表实施例4的尼龙6在所有加工阶段中比对比例4的尼龙6有更少的织疵数，对比例4为通过混入聚酰胺的方法将TAD加到对比例4的尼龙6中。
在代表实施例4中，TAD比在对比例4中更完全/更强的连接在聚酰胺中。因此，在萃取过程中(例如染色中)较少的胺进入水相。
在用沸水在回流下萃取绕制而未纺丝整理的POY1小时后，测定以下的化学数据表6
正如可从表6看出，本发明的聚酰胺在萃取前后末端氨基的数目相同，而对比例的萃取后有较少的末端氨基。因此，本发明的聚酰胺萃取时有较少的胺进入水相。
对比例5将用0.3％二氧化钛消光的、不含三丙酮二胺，相对粘度为2.39的商业尼龙6按对比例2描述的方法纺丝成长丝。
POY的12根长丝线密度为51dtex，极限伸长率为57％，韧性为3.8cN/dtex，冷拉伸到拉伸比1∶1.244后，测定未处理样品的下表7所列数值。
结合代表实施例5进行照射和极限伸长率和极限拉伸强度测量。结果列入表7。
代表实施例5
使用与对比例5相同的二氧化钛，在代表实施例4所述条件下，由相同原料和数量的己内酰胺进行聚合。干燥的聚酰胺的相对粘度为2.43，末端氨基含量为44meq/kg，而末端羧基含量为71meq/kg。可萃取物含量为0.36％。
象在对比例2中描述的一样，在4500m/min下进行无导丝辊纺丝。POY的12根长丝线密度为51dtex，极限伸长率为61％，韧性为4.3cN/dtex。
在冷拉伸到拉伸比1∶1.244后，测定未处理样品的下表7所列数值。
将纱绕在框架上，并在由Heraeus，Hanau制造的Xenotest 450中照射28天，按DIN 53834法，在Zwick UPM1425拉伸试验机上，用夹持长度100mm测定残留的极限伸长率和残留的极限拉伸强度。结果列入表7。
表7
从表7可清楚得出，在三丙酮二胺和TiO2(代表实施例5)存在下制备的聚酰胺与仅含TiO2而不含三丙酮二胺的聚合物(对比例5)相比，光稳定性明显提高。
权利要求
1.一种制备聚酰胺的方法，该方法包括，在至少一种下式所示三丙酮二胺化合物存在下使原料单体聚合 式中，R为氢，或有1～20个碳原子的烃基、特别是有1～18个碳原子的烷基，或苄基。
2.根据权利要求1的方法，其中所述聚合还在至少一种颜料存在下进行。
3.含有化学键联到聚合物链上的下式胺基的固有对光和热稳定的聚酰胺 式中，R为如权利要求1规定的。
4.根据权利要求3的聚酰胺，其中含有至少一种颜料。
5.根据权利要求3或4的聚酰胺，其中可用权利要求1～3中任一项的制备聚酰胺的方法制得。
6.根据权利要求3～5中任一项的聚酰胺，其中，按聚酰胺的聚合物链中1mol羧基酰胺基计，含有0.03～0.8％(mol)胺基，优选0.06～0.4％(mol)。
7.权利要求3～6中任一项的聚酰胺用于生产长丝、纤维或薄膜的应用。
8.一种用高速纺丝法在取丝速度至少为4000m/min下生产基于权利要求3～6中任一项的或权利要求1或2的方法制得的聚己内酰胺的长丝的方法。
9.如权利要求8制得的长丝。
10.如权利要求8制得的长丝用于生产纤维和织物的应用。
11.可用权利要求10的应用制得的纤维和织物。
全文摘要
一种制备固有对光和热稳定的聚酰胺的方法，该法包括在至少一种下式所示三丙酮二胺化合物存在下使原料单体聚合式中，R为氢，或有1～20个碳原子的烃基、特别是有1～18个碳原子的烷基，或苄基。
文档编号C08G69/02GK1148401SQ95193079
公开日1997年4月23日 申请日期1995年4月12日 优先权日1994年4月15日
发明者K·韦尼尔斯, K·米尔, P·马希斯, L·贝尔 申请人:巴斯福股份公司