Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИИМИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к химии высокомолекулярных соединений, в частности к технологии термической имидизации полиамидокислот, и может быть использовано в авиации, автомобиле- и судостроении, строительстве при производстве широкой номенклатуры легких прочных негорючих полиимидных материалов в форме пленок, пенопластов, порошков.

Известен способ получения полиимидной пленки, включающий приготовление основы из раствора полиамидокислоты с концентрацией 12-36% в виде пленки нанесением раствора на формующую поверхность и последующую ее имидизацию в режиме ступенчатого повышения температуры и выдержки. На первой ступени выдержку осуществляют при 80°С в течение 30 мин, на второй ступени - при 100°С в течение 15 мин и далее на последующих ступенях температуру повышают на 50°С и выдерживают на каждой ступени в течение 15 мин. На заключительной ступени осуществляют нагрев до 350°C (описание к a.c. SU 849748, С 08 G 73/10).

Процесс имидизации в известном способе ведут в течение 2 часов. Повышенный временной фактор в известном способе снижает производительность технологического процесса получения полиимидных материалов и повышает энергозатраты.

Задача изобретения - снижение себестоимости полиимидных материалов.

Технический результат - сокращение продолжительности процесса имидизации и расширение технологических возможностей.

Технический результат достигается тем, что в способе получения полиимидных материалов, включающем нагрев раствора полиамидокислоты с проведением процессов имидизации в режиме ступенчатого подъема температуры и выдержки, нагрев осуществляют воздействием СВЧ-излучения мощностью P_i, величину которой на каждой ступени устанавливают не менее расчетной

i - порядковый номер ступени, i=1......N;

N - число ступеней;

λ_р - теплота фазового перехода растворителя, Дж/кг;

m_i - масса растворителя, испаряемого на i-й ступени, кг;

С_р - удельная теплоемкость основы, Дж/кг·°С;

М - масса основы на начальной ступени имидизации, кг;

ΔT_i=T_i-Т_о;

Т_i - температура выдержки на i-й ступени, °С;

Т_о - температура основы перед началом процесса имидизации, °С;

t_i - время выдержки на i-й ступени, с.

Для завершения процессов имидизации получаемый материал может быть дополнительно подвергнут УФ-облучению с длиной волны λ=240-400 нм.

В предлагаемом способе нагрев в условиях СВЧ-излучения сопровождается повышением температуры и давления внутри обрабатываемого материала ПАК основы. Создаются благоприятные условия для равномерного протекания процессов циклизации (имидизации) по всему объему материала ПАК основы и ускорению перемещения выделяющихся при этом остатков растворителя и воды. Скорость протекания процессов при нагреве в поле СВЧ-электромагнитного излучения возрастает в 25-50 раз. Это позволяет свести до минимума продолжительность технологического процесса, одновременно снижая трудоемкость, энергозатраты, и, следовательно, себестоимость материалов.

Проведенные исследования показали, что выбор мощности Р_i СВЧ-излучения в соответствии с заданными режимами имидизации - нагрева и времени выдержки по зависимости (1), позволяет направленно воздействовать на химические реакции, структуру и свойства получаемых полиимидов.

Дополнительное УФ-облучение в качестве заключительной обработки при минимальных затратах обеспечивает более полную реализацию процесса циклообразования и позволяет улучшить термические и механические свойства получаемых полиимидных материалов, и, в частности, пленок. Исследования показали, что при УФ-облучении с длиной волны λ=240-400 нм наблюдается структурирование под действием света, приводящее к большей полноте имидизации и образованию сшитых структур. Облучение светом видимой части спектра (λ=350-600 нм) производит меньший эффект.

Примеры реализации способа при получении полиимидных материалов на модернизированной машине имидизации МИ-300 в динамическом режиме со скоростью перемещения ПАК основы V=3 м/мин (0,05 м/с).

Пример 1.

Для получения полиимидной (ПИ) пленки с поперечным сечением 24·10^-6 кв.м и массой погонного метра М^I=33,6·10^-3 кг/м ПАК основу готовят формованием пленки ПАК из 15-20%-ного раствора поли-(n,n'-дифениленоксид)-пиромеллитамидокислоты в N,N'-диметилформамиде, с содержанием остаточного растворителя 28% (η=0,28).

Кроме того ПАК основа может быть приготовлена формованием пленки из растворов ПАК, синтезированных поликонденсацией диангидридов ароматических тетракарбоновых кислот (3,3', 4,4'-дифенилтетракарбоновой; 3,3',4,4'-бензофенонтетракарбоновой; 3,3', 4,4'-дифенилоксидтетракарбоновой) и ароматических диаминов (4,4'-диаминодифенилоксида; бензидина; 4,4'-диаминодифенилсульфона; м- и n-фенилендиаминов), как в N,N'-диметилформамиде, так и в N,N'-диметилацетамиде, N-метилпиралидоне и др. амидах.

Расчетные параметры М массы ПАК основы и суммарного времени выдержки t устанавливают из условия получения l погонного метра ПИ пленки с заданной производительностью V и принимают соответственно равными: М=M^I/(1-η)=(33,6·10^-3):(1-0,28)=46,3·10^-3 кг и t=1/V=1: 0,05=20 с. Сформованную пленку ПАК при температуре Т_о=80°С, установив число ступеней N=4, направляют для проведения процессов имидизации в режиме ступенчатого нагрева до температуры Т_i (таблица 1) и выдержкой в течение t_i=t/N=20:4=5 с. T₁ для первой ступени нагрева выбирают близкой к значению температуры кипения растворителя, принимая равной 150°С. Массу растворителя m_i, испаряемого на i-ой ступени, определяют исходя из условия равномерного выведения остаточного растворителя содержания растворителя в ПАК основе. Начиная со второй ступени m_i принимают равной (М·η)/(N-1)=(46,3·10^-3·0,28):3=4,4·10^-3 кг.

Нагрев на каждой ступени проведения процесса имидизации осуществляют источником с действующей мощностью излучения, равной P_i=К·P_{i min}, где 1≤К<2, эмпирический коэффициент, зависящий от выбранной частоты ν СВЧ-излучения (ν=3·10⁹-10¹²) Гц и от изменения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь ПАК основы в процессе имидизации.

Значение P_{i min} на каждой i-ой ступени нагрева рассчитывают по зависимости (1), принимая значения теплоты фазового перехода растворителя λ_р=10⁶ Дж/кг и удельной теплоемкости ПАК основы С_р=2·10³ Дж/кг·°С. Далее в соответствии с установленными режимами, представленными в таблице 1, проводят процессы имидизации, осуществляя нагрев воздействием СВЧ-излучения мощностью Р_i.

Для завершения процессов имидизации и повышения степени имидизации, после заключительной ступени нагрева пленку подвергают УФ-излучению с длиной волны λ=240-400 нм {(1,25-0,75)10¹⁵ Гц}. Это позволяет улучшить прочностные свойства полученной ПИ пленки. В таблице представлены результаты сопоставительного анализа прочностных характеристик ПИ пленок

Расхождения по массе полученной ПИ пленки и расчетными значениями не превышают 1-1,5%.

Пример 2.

При получении пенополиимидных материалов в виде непрерывного полотна с кажущейся плотностью 30-35 кг/м³ подготовку ПАК основы, расчетные параметры М, t, η, характеристики λ_р, С_р, принимают аналогично примеру 1.

Процесс имидизации ПАК основы проводят в режиме двух ступенчатого нагрева (N=2), исходя из создания на первой ступени условий одновременного вскипания и испарения одновременно во всем объеме слоя ПАК основы всего расчетного количества остаточного содержания растворителя массой m₁=M·η=13,2·10^-3 кг. Для этого температуру на первой ступени устанавливают выше температуры стеклования, выбирая равной T₁=250°C, а время выдержки (не менее 75% от общего расчетного времени имидизации) t₁=15 с. На второй ступени завершения процесса имидизации устанавливают Т₂=300°С, t₂=5c.

Далее в соответствии с установленными режимами рассчитывают по зависимости (1) мощность СВЧ-излучения (таблица 3) и проводят процессы имидизации с получением пенополиимидного материала.

Аналогично примеру 1 для завершения процессов имидизации, полученный пенополиимидное полотно подвергают УФ-облучению с длиной волны λ=240-400 нм.

Пример 3. При получении мелкодисперсных ПИ порошков с насыпной плотностью 0,3 г/см³ ПАК основу готовят с содержанием растворителя 87% (η=0,87). Расчетные параметры М, t, η, характеристики λ_р, С_р, устанавливают аналогично примерам 1, 2. Направляют ПАК для проведения процессов имидизации при комнатной температуре Т_о=20°С. Имидизацию проводят в режиме двух ступенчатого нагрева (N=2), исходя из создания на первой ступени условий для кипячения раствора ПАК и перехода системы из гомогенного состояния в гетерогенное с образованием суспензии нерастворимого в диметилформамиде мелкодисперсного порошка, а на второй ступени условий для испарения растворителя и выделения сухого ПИ порошка. Для этого температуру T₁ и Т₂ на первой и второй ступенях устанавливают равной температуре кипения растворителя 153°С, а расчетную массу растворителя соответственно на первой ступени, равной нулю (m₁=0), и на второй ступени - m₂=M·η=46,3·10^-3·0,87=40,28·10^-3 кг. Время выдержки на первой ступени устанавливают не более 25%, принимая для расчета t₁=5 с, и соответственно на второй ступени - t₂=15 c.

Далее в соответствии с установленными режимами рассчитывают по зависимости (1) мощность СВЧ-излучения (таблица 4) и проводят процессы имидизации с получением ПИ порошка.

Таким образом, заявленный способ позволяет осуществлять управление процессами формообразования путем выбора режимов имидизации. Расширяются технологические возможности процессов термической имидизации и появляется возможность создания унифицированного технологического процесса получения полиимидных материалов разнотипных по форме.