Способ получения термопластичного нетканого материала на основе микро- и нановолокон из ароматических полиэфиримидов
Настоящее изобретение относится к способу получения термопластичного нетканого материала на основе микро- и нановолокон из ароматических полиимидов и может найти применение в получении материалов для фильтрации горячих жидких и газообразных агрессивных сред, разделительных мембран, для получения углеродных нановолокон, в качестве матриц для клеточных технологий. Указанный способ включает синтез полиамидокислоты поликонденсацией диангидрида 3,3′,4,4′-дифенилоксидтетракарбоновой кислоты или диангидрида 1,3-бис(3′,4-дикарбоксифенокси)бензола и 4,4′-бис(4′-аминофенокси)дифенилсульфона или 4,4′-бис(4′-аминофенокси)дифенила в апротонном растворителе, осаждение полиамидокислоты в воду, обработку водным раствором триэтиламина или аммиака с получением соли полиамидокислоты, приготовление водно-спиртового раствора соли полиамидокислоты с концентрацией 5-10 мас.% и подачу раствора через электрод-фильеру в электрическое поле с напряжением 10-20 кВ, затем осажденный на приемном электроде материал обрабатывают при температуре 200-250 °С в течение 30-60 мин. Полученный продукт представляет собой нетканый материал, состоящий из микро- и нановолокон ароматического термопластичного полиэфиримида диаметром 150 - 1000 нм с температурой разложения в инертной среде 510-530 °С и температурой стеклования 217-230°С. Указанный способ позволяет получать термопластичный нетканый материал на основе микро- и нановолокон из ароматического полиэфиримида методом электроформования менее энергозатратно и без экологической нагрузки. 4 ил., 4 пр.
Изобретение относится к химии высокомолекулярных соединений, а именно к процессам получения нетканого материала на основе микро- и нановолокон, в частности волокон с диаметром d = 150 - 1000 нм из ароматических полиэфиримидов.
Изобретение может найти применение в получении композитных материалов для фильтрации горячих жидких и газообразных агрессивных сред, разделительных мембран, для получения углеродных нановолокон, а также в качестве матриц для клеточных технологий и в тканевой инженерии.
Метод электроформования позволяет получать полимерные микро- и нановолокна с диаметром от десятков до сотен нанометров. Раствор полимера, попадая через электрод-фильеру в поле высокого напряжения, распадается на микро-струи, которые осаждаются на приемном электроде в виде волокон.
Известно получение нановолокон из полимеров алифатического [EP 1957256B1; US 20030137069A1; US7618702B2; RU2447207], и ароматического [US20130005940A1; US20190022279A1; US20190015564A1; US20180372725A1] строения. В связи с развитием тканевой инженерии, в последнее время особое внимание уделяют получению нановолокон из природных полимеров, в частности, полисахаридов [WO2008128484A2; US 20160145770A1; RU2647609C1]. Известны способы получения нановолокон из водорастворимых полимеров [KR1020080117750A; JP2004019052A; CN104060355A]. Получаемые нетканые материалы на основе микро- и нановолокон характеризуются низкой плотностью, высокой пористостью, водо- и газопроницаемостью. Следует отметить, что нановолокна на основе водорастворимых полимеров, как правило, обладают низкой водостойкостью, высоким набуханием в водных средах. Нановолокна, при получении которых использовали спиртоводные смеси [RU 2447207], обладают низкой термостойкостью, температура их разложения не превышает 220°С.
Наиболее термостойкими полимерами являются ароматические полиимиды (ПИ), волокна и пленки из которых обладают высокой термической, радиационной и химической стойкостью, высокими диэлектрическими характеристиками. Материалы из ПИ используют в качестве конструкционных материалов, в электротехнике и электронике, в медицине для клеточных технологий, а также как прекурсоры для получения углеродных нановолокон.
Ароматические полиимиды получают термической или химической обработкой полиамидокислоты (ПАК), образующейся в процессе поликонденсации ароматических диаминов и ароматических диангидридов в апротонных растворителях (АР).
В патенте CN104928937A описан метод электроформования пористого волокнистого композиционного материала на основе полиамидокислоты, полученной поликонденсацией 4,4'-диаминодифенилового эфира и пиромеллитового диангидрида в N, N'-диметилформамиде. Микроволокна на основе полиамидокислоты, полученные методом электроформования, подвергают имидизации. Полиимидные волокна пропитывают полиимидным раствором, обрабатывают ультразвуком, после чего композиционный материал сушат. Полученный волокнистый материал может быть использован для поглощения органических загрязнителей из водных сред.
Способ электроформования полиимидных нановолокон, из раствора прекурсора на основе трифенилдиэфирдиангидрида и бисметилендифенила, содержащего в основной цепи гибкую группу, повышающую эластичность нановолоконной пряжи, описан в патенте CN105603561B.
Типичными недостатками указанных аналогов является использование продувки горячим газом в процессе электроформования нановолокон, что необходимо для удаления апротонного растворителя с высокой температурой кипения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ получения материала на основе нановолокон из ароматического полиимида, описанный в патенте RU № 2612280. Способ получения материала на основе нановолокон из полиимида включает электроформование раствора полиамидокислоты в растворителе, в котором из раствора, содержащего не более 12 мас. % полиамидокислоты в апротонном растворителе, получают пленку методом формования через щелевую фильеру на подложку, которую снимают с подложки и в количестве, обеспечивающем содержание полиамидокислоты в растворе 12-20 мас. %, растворяют в смеси апротонный растворитель: бензоидный растворитель, при содержании бензоидного растворителя 20-70 об. %,затем раствор при комнатной температуре подают через электрод-фильеру в электрическое поле с напряжением 15-35 кВ, далее материал, осажденный на аноде, термообрабатывают при температуре 370-420°С в течение 60 мин. Целевой продукт состоит из нановолокон ароматического полиимида диаметром 50-700 нм, имеющий температуру разложения в инертной среде выше 500°С в смеси.
В описанном способе, с целью снижения температуры электроформования, используют смесь апротонного, бензоидного растворителей и тетрагидрофурана, что существенно усложняет процесс получения нановолокон, так как требует ректификации технологической газо- воздушной смеси.
Задачей заявляемого изобретения является получение нетканого термопластичного материала на основе микро- и нановолокон из ароматического полиэфиримида методом электроформования водных растворов амонийных солей полиамидокислот при комнатной температуре.
Для решения указанной задачи предлагается заявляемое изобретение - способ получения термопластичного нетканого материала на основе микро- и нановолокон из ароматических полиэфиримидов.
Заявляемый способ включает полную совокупность существенных признаков, позволяющих достичь технический эффект за счет того, что полиамидокислоту получают поликонденсацией диангидрида 3,3′,4,4′-дифенилоксидтетракарбоновой кислоты (ДФО), или диангидрида 1,3-бис(3,4-дикарбоксифенокси)бензола и бис(аминофенокси) производных мостиковых бифенилов: 4,4-бис(4-аминофенокси)дифенилсульфон или 4,4-бис(4-аминофенокси)дифенил в среде апротонного растворителя, в качестве формовочного раствора для электроформования используют водные растворы соли полиамидокислоты, затем полиамидокислоту осаждают в воду, образующуюся твердую массу промывают дистиллированной водой, обрабатывают водным раствором триэтиламина или аммиака с целью образования водорастворимой аммонийной соли полиамидокислоты, которую после сушки получают в виде порошка, далее приготавливают водно-спиртовой раствор соли полиамидокислоты концентрацией 5-10 мас. % и подают через электрод-фильеру в электрическое поле с напряжением 10-20 кВ; нетканый материал, осажденный на приемном электроде, обрабатывают при температуре 200-250 °С в течение 30-60 мин; целевой продукт состоит из микро- и нановолокон ароматического термопластичного полиэфиримида диаметром 150 - 1000 нм и характеризуется температурой стеклования 217 - 230°С, температурой разложения в инертной среде 510- 530°С.
Следует отметить, что по заявляемому способу процесс электроформования не требует использования бензоидных и апротонных растворителей и осуществляется из водно-спиртового раствора аммонийной соли полиамидокислоты.
Ни в одном из аналогов не удалось из водных или водно-спиртовых растворов солей полиамидокислот при комнатной температуре методом электроформования получить материал на основе микро- и нановолокон, термическая обработка которого приводит к формированию термопластичных волокон из ароматического полиэфиримида, а также полиимидные волокна, полученные известными способами электроформования растворов солей полиамидокислот, не обладают такой важной характеристикой, как термопластичность. Это позволяет утверждать о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Представлены следующие графические материалы:
Фиг.1 Микрофотографии материалов на основе микро- и нановолокон, полученных электроформованием раствора триэтиламмонийной соли ПАК (Р-СОД)Et3N, в водно-спиртовой смеси с соотношением компонентов 30:70, концентрация соли 8 мас.%; нановолокон из полиимида Р-СОД, (а, б).
Фиг. 2 ТГА -кривые для нетканых материалов на основе нановолокон из
ПИ Р-ОДФО и ПИ Р-СОД (кривые 1, 2).
Фиг. 3 ДСК-кривые нетканых материалов на основе нановолокон из ПИ Р-ОДФО и ПИ Р-СОД (кривые 1 и 2).
Фиг.4 Микрофотографии материалов на основе нановолокон из триэтиламмонийной соли ПАК (Р-СОД)Et3N, полученных электроформованием из растворов в водно-спиртовой смеси с соотношением компонентов 30:70; концентрации растворов 5, 15 мас.% (а, б).
Способ более полно раскрывается примерами его осуществления.
Пример 1.
Полиамидокислоту - ПАК(Р-СОД) получают поликонденсацией диангидрида 1,3-бис(3,4′-дикарбоксифенокси)бензола (Р) и 4,4-бис(4-аминофенокси) дифенилсульфона (СОД) в диметилацетамиде (ДМАА). Растворяют 0,05 моля СОД в 20-30 мл ДМАА при интенсивном перемешивании в стеклянном реакторе объемом 0.5 л в токе аргона, добавляют 0,05 моля диангидрида 1,3-бис(3,4′-дикарбоксифенокси)бензола при комнатной температуре, раствор перемешивают до полного растворения диангидрида, затем добавляют ДМАА в количестве, обеспечивающем концентрацию раствора 20 %. Раствор ПАК(Р-СОД) в ДМАА перемешивают при комнатной температуре в течение 4 час. Полиамидокислоту осаждают методом прикапывания раствора в течение 1,5 часа в дистиллированную воду при интенсивном перемешивании. Полученную волокнистую массу ПАК (Р-СОД) отфильтровывают, промывают дистиллированной водой при интенсивном перемешивании, после чего сушат на воздухе. К ПАК (Р-СОД) добавляют дистиллированную воду и триэтиламин, либо 25% водный раствор аммиака в количестве, обеспечивающем получение 20 % раствора соли ПАК(Р-СОД) Et3N. Процесс перемешивания волокнистой массы в водно-аммонийном растворе проводят при комнатной температуре в течение 5-6 час. Соль ПАК(Р-СОД) Et3N в виде порошка получают сушкой раствора на ротационном испарителе при Т= 60-65°C. Выход соли ПАК(Р-СОД) Et3N составлял 85-90%.
Соль ПАК(Р-СОД) Et3N растворяют в водно-спиртовой смеси с соотношением вода: этанол (30:70). Готовят растворы концентрацией 8 мас. %. Раствор подают через электрод-фильеру в электрическое поле с напряжением 20 кВ. Расстояние между электродами составляет 150 мм, скорость подачи раствора 0.8 мл/час. Получают нетканый материал на основе микро- и нановолокон из соли ПАК(Р-СОД) Et3N, диаметром от 300 до 700 нм, (Фиг. 1а). Материал снимают с приемного электрода, обрабатывают в инертной среде при температуре 250 °С в течение 30 мин. Целевой нетканый материал на основе полиимида Р- СОД характеризуется диаметром волокон 150 -1000 нм, (Фиг. 1б), температурой разложения по данным ТГА Т=511°С, (Фиг. 2), температурой стеклования по данным метода ДСК Тg = 230°С( Фиг. 3).
Пример 2. Электроформование раствора соли ПАК (РСОД)Et3N способом, описанным в примере 1, при концентрации раствора менее 5 мас.% происходит образование дефектов в виде капель (Фиг. 4а).
Пример 3. Электроформование раствора соли ПАК (Р-СОД)Et3N способом, описанным в примере 1, при концентрации раствора 15 мас. % не происходит разбиения струи и формирование нано- и микроволокон (Фиг. 4б).
Пример 4. Полиамидокислоту - ПАК(Р-ОДФО) получают поликонденсацией диангидрида 1,3-бис(3,4-дикарбоксифенокси)бензола и 4,4-бис(4-аминофенокси)дифенила в метилпирролидоне (МП). Растворяют 0,05 моля ОДФО в 20-30 мл МП при интенсивном перемешивании в стеклянном реакторе объемом 0.5 л в токе аргона, добавляют диангидрид Р, раствор перемешивают до полного растворения диангидрида, затем добавляют МП в количестве, обеспечивающем концентрацию раствора 20 %. Раствор ПАК(Р-ОДФО) в МП перемешивают при 20°С в течение 4 час. Далее аналогично примеру 1 получают триэтиламмонийную соль ПАК(Р-ОДФО)Et3N. Выход соли ПАК(Р-ОДФО)Et3N составляет 90-95%.
Соль ПАК(Р-ОДФО)Et3N растворяют в водно-спиртовой смеси с соотношением вода: этанол =30:70; концентрация раствора 8 мас. %. Раствор подают через электрод-фильеру в электрическое поле с напряжением 20 кВ. Расстояние между электродами составляет 150 мм, скорость подачи раствора 0.8 мл/час. Получают нетканый материал на основе микро- и нановолокон из соли ПАК(Р-ОДФО) Et3N, диаметром от 150 до 800 нм. Материал снимают с приемного электрода, обрабатывают в инертной среде при температуре 250 °С в течение 30 мин. Целевой нетканый материал на основе полиимида Р- ОДФО характеризуется диаметром волокон 300 -700 нм, температурой разложения по данным ТГА Т=530°С, (Фиг. 2), кривая 1, температурой стеклования по данным метода ДСК Тg = 230°С,( Фиг. 3), кривая 1.
Реализация заявляемого изобретения не исчерпывается приведенными примерами.
Данные, приведенные в примерах №1, 4 свидетельствуют°том, что в результате реализации заявляемого изобретения методом электроформования водных растворов амонийных солей полиамидокислот при комнатной температуре получены термопластичные материалы на основе волокон диаметром 600-1000 нм из ароматических полиэфиримидов. Эти материалы характеризуются температурой начала разложения инертной среде 510°С и температурами стеклования 217-230°С. Выход за рамки параметров, приведенных в заявляемом изобретении,( примеры № 2 и 4) приводит к получению материалов, которые не содержат нановолокон ароматического полиимида или характеризуются наличием большого количество дефектов в виде капель различного размера.
Технический результат заключается в том, что при менее энергозатратном способе, который не несет экологической нагрузки, можно получать термостойкие термопластичные, полиимидные нетканые материалы.
Способ получения термопластичного нетканого материала на основе микро- и нановолокон из ароматических полиимидов, относящихся к группе простых полиэфиримидов, заключающийся в том, что полиамидокислоту получают поликонденсацией диангидрида 3,3′,4,4′-дифенилоксидтетракарбоновой кислоты (ДФО) или диангидрида 1,3-бис(3,4-дикарбоксифенокси)бензола и бис(аминофенокси) производных мостиковых бифенилов: 4,4-бис(4-аминофенокси)дифенилсульфон или 4,4-бис(4-аминофенокси)дифенил в среде апротонного растворителя, отличающийся тем, что в качестве формовочного раствора для электроформования используют водные растворы соли полиамидокислоты, затем полиамидокислоту осаждают в воду, образующуюся твердую массу промывают дистиллированной водой, обрабатывают водным раствором триэтиламина или аммиака с целью образования водорастворимой аммонийной соли полиамидокислоты, которую после сушки получают в виде порошка, далее приготавливают водно-спиртовой раствор соли полиамидокислоты концентрацией 5-10 мас. % и подают через электрод-фильеру в электрическое поле с напряжением 10-20 кВ; нетканый материал, осажденный на приемном электроде, обрабатывают при температуре 200-250°С в течение 30-60 мин; целевой продукт состоит из микро- и нановолокон ароматического термопластичного полиэфиримида диаметром 150 - 1000 нм и характеризуется температурой стеклования 217 - 230°С, температурой разложения в инертной среде 510- 530°С.
