JPH08504007A - Low denier polybenzazole fiber and method for producing the same - Google Patents
Low denier polybenzazole fiber and method for producing the sameInfo
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Abstract
(57)【要約】 低デニールポリベンズアゾール繊維が記載されている。また、この低デニールポリベンズアゾール繊維の製造方法も記載されている。この方法は、12〜60のスピン−ドロー比で低濃度紡糸ドープを小さなオリフィス(0.0051cm〜0.018cm)を通して繊維を紡糸し、次いで破損させることなくこの繊維を少なくとも750km巻き取ることである。 (57) [Summary] Low denier polybenzazole fibers are described. Further, a method for producing the low denier polybenzazole fiber is also described. The method is to spin a fiber through a small orifice (0.0051 cm to 0.018 cm) of a low density spin dope with a spin-draw ratio of 12-60 and then wind the fiber at least 750 km without breaking.
Description
【発明の詳細な説明】 明細書 低デニールポリベンズアゾール繊維及びその製造方法 本発明は、ポリベンズアゾール(PBZ)繊維及びその製造方法に関する。 ポリベンズアゾール繊維はポリベンゾチアゾール(PBT)繊維またはポリベ ンズオキサゾール(PBO)繊維を含む。これらのPBZ繊維は優れた耐薬品性 、熱安定性及び機械特性を有する高性能繊維である。これらの特性のため、高性 能繊維製品及び複合体用途の材料として選択されている。 種々の溶媒中のPBZの溶液からポリベンズアゾール繊維を紡糸することによ り(例えば、Encyclopedia of Polymer Science and Technology,Vol.11,pp.6 01-635を参照されたい)16〜20ミクロンの公称直径を有する繊維が得られる。あ る種の最終用途において有効であるようにするため、直径が12ミクロンより小さ なPBZ繊維を製造することが望ましい。従来、12ミクロンより小さな直径を有 するPBZ繊維をいかに均一に紡糸するかについては知られていなかった。 直径の小さな繊維を表現する他の方法は、低デニール繊維と呼ぶことである。 デニールとは繊維9000メートルの重量(グラム)である。デニールは直接番号を 付けるシステムであり、数字が小さいほど細かく、数字が大きいほど粗いことを 示している。デニールは長さあたりの重量の単位であり、直径は長さの単位であ るため、デニールと直径は、数字を直接比較する際に互換できる単位ではない。 1.58デニールを有するポリベンズアゾール繊維についてのその関係を示す式は以 下の通りである。 繊維の直径(μm)=(デニール/フィラメントの平方根)×9.4625しかしなが ら、デニール及び直径の用語は、小さな直径、とても微細な繊維を口語で呼ぶ際 には相互に用いてもよい。 本発明の一態様は、 (1) ポリベンズアゾールポリマー及び溶媒を含むリオトロピック液晶性ポリ ベンズアゾールドープを紡糸口金のオリフィスを通して紡糸しドープ繊維を形成 すること、ここでこのオリフィスの穴の直径は0.18cm以下である、 (2) 12〜60のスピンドロー比を用いて前記ドープ繊維を40.6cm以下のエアー ギャップを横切って延伸すること、 (3) 非溶媒と接触させることにより繊維から大部分の溶媒を除去すること、 そして (4) 組織の整った繊維を少なくとも750km巻き取ること、 を含む低直径ポリベンズアゾール繊維の製造方法である。 本発明の第二の態様は、4〜12ミクロンの直径を有するポリベンズアゾール繊 維である。 ポリベンズアゾールはEncyclopedia of Polymer Science TechnoIogy,Vol.1 1,pp.601-635に記載されているように硬質ロッドポリマーである。 本発明はポリベンズオキサゾールもしくはポリベンゾチアゾールポリマーを含 む繊維を使用する。ポリベンズオキサゾール、ポリベンゾチアゾール並びにポリ ベンズオキサゾールとポリベンゾチアゾールのランダム、序列及びブロックコポ リマーは以下の文献に記載されている。Wolfeら、Liquid Crystalline Polymer Compositions,Process and Products, 米国特許第4,703,103号(1987年10月27 日)、Wolfeら、Liquid Crystalline Polymer Compositions,Process and Prod ucts, 米国特許第4,533,692号(1985年8月6日 )、Wolfeら、Liquid Crystalline Poly(2,6-Benzothiazole)Compositlons,Pro cess and Products ,米国特許第4,533,724号(1985年8月6日)、Wolfe、Liqui d Crystalline Polymer Composltions,Process and Products, 米国特許第4,53 3,693号(1985年8月6日)、Evers,Thermooxidatively Stable Articulated p -Benzobisoxazole and p-Benzobisthiazole Polymers, 米国特許第4,359,567号 (1982年11月16日)、Tsaiら、Method for Making Heterocyclic Block Copolym er ,米国特許第4,578,432号(1986年3月25日)、11 Ency.Poly.Sci.& Eng. ,Polybenzothiazoles and Polybenzoxazoles,601(J.Wiley & Sons 1988)及 びW.W.Adamsら、The Materials Science and Engineering of Rigid-Rod Polym ers (Materials Research Society 1989)。 このポリマーは下式1(a)で表されるABモノマーユニット、及び/又は下式 1(b)で表されるAA/BBモノマーユニットを含んでいてよい。 上式中、各Arは芳香族基を表す。この芳香族基は複素環、例えばピリジニレ ン基であってもよいが、好ましくは炭素環である。こ の芳香族基は縮合もしくは未縮合多環系であってもよいが、好ましくは単一の6 員環である。大きさは問題ではないが、この芳香族基は好ましくは約18個以下、 より好ましくは約12個以下、最も好ましくは約6個以下の炭素原子を含む。適す る芳香族基の例は、フェニレン部分、トリレン部分、ビフェニレン部分及びビス フェニレンエーテル部分を含む。AA/BBモノマーユニット中のAr1は好ま しくは1,2,4,5-フェニレン部分又はその同族体である。AB−モノマーユニット 中のArは好ましくは1,3,4-フェニレン部分又はその同族体である。 各Zは独立に酸素又は硫黄原子である。 各DMは独立に結合又はこのポリマーの合成、加工もしくは使用を阻害しない 二価有機部分である。この二価有機部分は脂肪族基(これは好ましくは約12個以 下の炭素原子を有する)を含んでいてもよいが、この二価有機部分は好ましくは 上記のような芳香族基(Ar)である。これは最も好ましくは1,4-フェニレン部 分又はその同族体である。 各アゾール環内の窒素原子及びZ部分は芳香族基中の隣接する炭素原子に結合 しており、芳香族基と縮合した5員アゾール環が形成される。 AA/BBモノマーユニット内のアゾール環は、11 Ency.Poly.Sci.& Eng .の特に602に示されているように、互いに関してシスもしくはトランス位であ ってよい。 このポリマーは好ましくはAB−ポリベンズアゾールモノマーユニット又はA A/BB−ポリベンズアゾールモノマーユニットのいずれかから本質的になり、 より好ましくはAA/BB−ポリベンズアゾールモノマーユニットから本質的に なる。ポリベンズアゾールポリマーの分子構造は硬質ロッド、半硬質ロッド、も しくは軟質コ イルであってよい。好ましくは、AA/BB−ポリベンズアゾールポリマーの場 合硬質ロッドであり、AB−ポリベンズアゾールポリマーの場合半硬質である。 ポリマー内のアゾール環は好ましくはオキサゾール環(Z=O)である。好まし いモノマーユニットは以下の式2(a)〜(h)で表される。 このポリマーはより好ましくは、2(a)〜(h)で示されるものより選択されるモノ マーユニットから本質的になり、最も好ましくは2(a)〜(c)で示されるものより 選択される同一の多くのユニットから本質的になる。 各ポリマーは好ましくは平均少なくとも約25個、より好ましくは少なくとも約 50個、最も好ましくは少なくとも約100個のモノマーユニットを含む。メタンス ルホン酸中25℃での硬質AA/BB−ポリベンズアゾールポリマーのインヘレン ト粘度は、好ましくは少なくとも約10デシリットル/グラム(dL/g)、より好ま しくは少なくとも約15dL/g、最も好ましくは少なくとも約20dL/gである。ある目 的においては、少なくとも約25dL/gもしくは30dL/gのインヘレント粘度が最良で ある。60dL/gもしくはそれ以上のインヘレンド粘度も可能であるが、好ましくは 約45dL/g以下である。半硬質AB−ポリベンズアゾールポリマーのインヘレント 粘度は好ましくは少なくと も約5dL/g、より好ましくは少なくとも約10dL/g、最も好ましくは少なくとも約1 5dL/gである。 このポリマーはドープから紡糸もしくは押し出しすることにより繊維及びフィ ルムに加工される。新たに調製したポリマーもしくはコポリマーが紡糸もしくは 押し出し用に手に入らない場合、前に調製したポリマーもしくはコポリマーを溶 媒に溶解し、溶液もしくはドープを形成してもよい。ある種のポリベンズオキサ ゾール及びポリベンゾチアゾールはクレゾールに可溶であるが、この溶媒は好ま しくはポリマーを溶解することのできる酸である。この酸は好ましくは酸化しな いものである。適する酸の例は、ポリリン酸、メタンスルホン酸、硫酸及びこれ らの混合物である。この酸は好ましくはポリリン酸及び/又はメタンスルホン酸 であり、より好ましくはポリリン酸である。 ドープはポリマーが凝固して固体製品を形成するよう十分高い濃度のポリマー を含むべきであるが、ドープの粘度が高すぎて取扱いできないほどではないべき である。ポリマーが硬質もしくは半硬質である場合、ドープ中のポリマーの濃度 は好ましくは液晶性ドープを与えるに十分高い濃度である。ポリマーの濃度は好 ましくは少なくとも約7重量パーセント、より好ましくは少なくとも約10重量パ ーセント、最も好ましくは少なくとも約14重量パーセントである。最大濃度は主 に実際上の要因、例えばポリマー溶解度及びドープ粘度により制限される。これ らの制限要因のため、ポリマーの濃度はまれには30重量パーセントを越えるが、 通常は約20重量パーセント以下である。 適するポリマーもしくはコポリマー及びドープは公知の方法、例えばWolfeら の米国特許第4,533,693号(1985年8月6日)、Sybertらの米国特許第4,772,678 号(1988年9月20日)、Harrlsらの米 国特許第4,847,350号(1989年7月11日)、及びLedbetterらの”An integrated Laboratory Process for Preparing Rigid Rod Fibers from the Monomers”,T he Materials Science and Engineering of Rigid-Rod Polymers 253-64(Mater ials Res.Soc.1989)に記載されている方法により合成することができる。適 するモノマー(AA−モノマー及びBB−モノマー又はAB−モノマー)は、酸 化しない大気中で酸化しないかつ脱水する酸の溶液中で、激しく混合し剪断しな がら、段階的にもしくは急激に約120℃の出発温度から少なくとも約190℃の最終 温度に増加する温度において反応される。適するAA−モノマーの例はテレフタ ル酸及びその同族体を含む。適するBB−モノマーの例は、4,6-ジアミノレゾル シノール、2,5-ジアミノヒドロキノン、2,5-ジアミノ-1,4-ジチオベンゼン及び これらの同族体を含み、通常は酸塩として保存される。適するAB−モノマーの 例は、3-アミノ-4-ヒドロキシ安息香酸、3-ヒドロキシ-4-アミノ安息香酸、3-ア ミノ-4-チオ安息香酸、3-チオ-4-アミノ安息香酸及びこれらの同族体を含み、通 常は酸塩として保存される。PBOポリマーの紡糸 PBOドープの調製 PBOドープは溶媒中のPBOポリマーの溶液である。ポリベンズオキサゾー ルはメタンスルホン酸もしくはポリリン酸のようなプロトン性の高い酸溶媒にの み可溶である。好ましい溶媒はポリリン酸(PPA)である。ポリリン酸中のP BOの好ましい濃度は約14重量パーセントである。PBO/PPAポリマーの極 限粘度数は、22〜45dL/gであるべきである(25℃においてメタンスルホン酸中、 0.05g/dLの濃度における測定に基づく)。 繊維はモノフィラメントもしくはマルチフィラメントラインより 紡糸してよい。有効なモノフィラメント繊維紡糸ラインの例はJ.F.Wolfeの総説 の625頁(Encyclopedia of Polymer Science and Engineering,2版、Vol.11, pp.601-635参照)に示されている。紡糸装置は好ましくは1つ以上のオリフィス を有する紡糸口金及びドープをオリフィスに押し込む手段を含む。紡糸口金が多 くのオリフィスを含む場合、この装置は好ましくは、ほぼ同じ圧力及び流速でド ープを各オリフィスに送る紡糸ダイをさらに含む。ドープを押し込む手段は、例 えは、ポンプ、ピストンもしくは一軸もしくは多軸スクリュー押出機であってよ い。紡糸口金及びスピンダイは紡糸ブロックとして知られている。紡糸ブロック の各部品は、粘性の高い、腐食性のポリマードープ溶液を取り扱うことができな ければならない。ドープ繊維の紡糸 ドープを紡糸ブロックに加えた後、これを紡糸温度に達するまで加熱する。紡 糸温度は135〜180℃であり、好ましい紡糸温度は140〜170℃であり、最も好まし い紡糸温度は150〜160℃である。 ポリマードープは0.0051〜0.018cm(2〜7ミル)、好ましくは0.0076〜0.015 cm(3〜6ミル)、最も好ましくは0.013cmの直径のオリフィスホールを通して 紡糸される。 ドープが紡糸ブロックを出る際のこのドープの剪断速度は300〜4000逆秒(rec iprocals second)であり、この剪断速度のより好ましい範囲は500〜3000逆秒で あり、最も好ましい剪断速度は1500逆秒である。 PBOポリマードーブを紡糸口金を通して紡糸する際にドープ繊維が形成され る。このドープ繊維は紡糸ブロックから出て、紡糸ブロックの出口サイドと凝固 槽の間に存在する「エアギャップ」として知られている空間に入る。この「エア ギャップ」中の気体は空気 であってよいが、他の気体、例えば窒素、二酸化炭素、ヘリウムもしくはアルゴ ンであってもよい。このエアギャップ内の温度は好ましくは約0℃〜150℃、よ り好ましくは約0℃〜100℃、最も好ましくは50℃〜100℃である。このエアギャ ップは0.64〜41cm(0.25〜16インチ)であり、より好ましい範囲は1.3〜15cm(0 .5〜6インチ)であり、最も好ましい範囲は2.5〜10cm(1〜4インチ)である 。 スピン−ドロー比は繊維の巻取り速度をドープの押出速度で割った比である。 押出速度は押出機内のドープ容積流量により、又は紡糸口金からの紡糸されたド ープの自由落下速度により決定される。ここでは、紡糸口金からの紡糸されたド ープの自由落下速度がスピンドロー比を決定するために用いた。この紡糸のスピ ン−ドロー比は12〜60に保ち、好ましい範囲は13〜25であり、最も好ましいスピ ン−ドロー比は約15である。 ドープ繊維がエアギャップを出て、凝固/洗浄槽に入った後、又は凝固/洗浄 スプレーされた後、繊維に残っている溶媒(ポリリン酸)は繊維内のPBOポリ マーから相分離しはじめ、凝固剤中に拡散する。この相分離工程は凝固として知 られている。用いられる凝固もしくは洗浄槽/スプレーは水もしくは水/酸混合 物を含んでいてよく、好ましい酸は30パーセント以下の濃度のリン酸である。他 の凝固剤もしくは洗浄液は、有機溶媒、例えばアセトン、メタノールもしくはア セトニトリルを含む。繊維の洗浄、乾燥及び熱硬化 繊維を洗浄した後、乾燥し、次いで熱硬化させる。まず繊維を乾燥して残留表 面水を除去する。繊維を乾燥した後、熱処理する。この熱処理は好ましくは窒素 のような不活性ガスを含む炉内で行われる。熱処理エレメントに通す際に繊維に 張力を加える。熱処理は30 0〜650℃において行われ、好ましい温度範囲は400〜650℃であり、最も好ましい 温度は600℃である。熱処理の滞留時間は温度によってきまるが、温度が高いほ ど必要な時間は短い。熱処理時間は1秒〜1分である。好ましい時間は3秒〜45 秒であり、より好ましい熱処理時間は5〜20秒であり、最も好ましい時間は8〜 15秒である。この熱処理の間、繊維は引っ張られている。 本発明の加工条件に従うことにより、紡糸工程の不安定さによる繊維の破損を 起こすことなく長時間にわたり繊維を紡糸することができる。破損を起こさずに 紡糸工程を行う時間は、集められた破損されていない繊維の長さ(km)で表され る。本発明では、集められた破損されていない繊維の量は少なくとも約500kmよ り好ましくは少なくとも約600km、最も好ましくは少なくとも約800kmである。 本発明の方法により製造された低デニール繊維の物理特性を測定した。この方 法により製造された低デニール繊維は4.31GPa〜6.07GPa(625ksi〜880ksi)の熱 処理された引張強度を有し、この繊維の紡糸された引張弾性率は172.4GPa〜310. 2GPa(25msi〜45msi)である。 これらのポリベンズオキサゾール低デニール繊維は、高性能耐薬品性、切断抵 抗、難燃性の繊維が有効である場合に有効である。さらに、引張及び弾性率特性 は複合体用途に価値のあるものにする。 以下の実施例は本発明の説明として示す。しかしながら、本発明はこの実施例 に制限されるものではないことを理解すべきである。実施例1 −モノフィラメント紡糸 PPA中でPBOを重合することにより、22〜40dL/gの極限粘度数(IV)( メタンスルホン酸溶液において25℃、0.05g/dLにおいて測定)を有する14重量パ ーセントPBO/PPAドープを調製した。次いでこのポリマードープを繊維紡 糸に用いた。繊維紡糸は4つの穴を有する紡糸ブロックを用いて行った。各紡糸 における穴も しくは「オリフィス」の直径を設定した。繊維は150℃のバレル温度において紡 糸した。ドープ繊維は紡糸口金より出て、20mmのエアギャップを横断し、次いで 種々の巻取り速度で15℃の水に浸漬された巻取りスプール上に集積された。繊維 を流水中で48時間洗浄し、24時間風乾し、そして4時間真空乾燥した。次いで引 っ張りながら450℃に熱処理した。紡糸条件及び繊維直径を以下の表に示す。サ ンプル1〜7はIV=19dL/gのPBOドープより調製した。 実施例2−低直径オリフィスサイズでの紡糸 実施例1と同じ方法を用いて、22〜40dL/gのIV(メタンスルホン酸溶液にお いて25℃、0.05dL/gの濃度で測定)を有する14重量パ ーセントPBO/PPAドープを調製した。 4つの穴を有する紡糸口金により、実施例1と同じ装置を用いて繊維紡糸を行 った。 繊維は150℃のバレル温度において紡糸を行い、紡糸口金から出るドープ繊維 は20mmのエアギャップを横断し、種々の巻取り速度で150℃の水に浸漬された巻 取りスプールに集積された。繊維を48時間流水で洗浄し、24時間風乾し、4時間 真空乾燥した。次いで引っ張りながら450℃に熱処理した。 5.1cm(2インチ)のゲージ長さの1本の繊維を0.01/minの伸長速度でInstron 引っ張り試験機において延伸した。試験結果はksi(1000ポンド/平方インチ) 又はmsi(100万ポンド/平方インチ)で示す。ここで1ksi=6.895MPa、1msi= 6.895GPaである。繊維紡糸並びに引張強度及び弾性率試験の結果を表2に示す。 実施例3−低デニールPBO繊維のマルチフィラメント紡糸 PPZ中でPBOを重合することによりPBOドープを調製した。マルチフィ ラメント繊維紡糸装置を用いる繊維紡糸に、このドープ1000gを用いた。このマ ルチフィラメント繊維紡糸装置は、真空下 においてドープを混合かつ均一化する混合装置及び繊維を受け取りかつドープを 36穴(オリフィス)紡糸ダイに送る紡糸ブロックを含んでいた。紡糸ドープを受 け取りかつドープ繊維を水中で凝固させるために、連続して配列された2以上の 自由に回転するホイールを含む水タンクを紡糸ダイの下に配置した。PBOドー プを紡糸装置に入れ、少なくとも4時間混合し、次いで紡糸ブロックに移した。 次いでドープを160℃において紡糸ダイより紡糸した。紡糸ブロックのオリフィ スの大きさはほぼ0.01cm(4ミル)であった。現れたドープ繊維は約7.62cm(3 インチ)のエアギャップを横断し、水に浸漬し、約91.4cm(3フィート)の距離 をホイールにより誘導され、次いで繊維巻取りゴデットにより延伸された。次い でこの繊維は巻取り機に送られた。 こうして紡糸された繊維を流水で48時間洗浄し、次いで窒素をパージしたチャ ンバー内で乾燥した。繊維の一部を引っ張りながら熱処理した。紡糸した繊維及 び乾燥した繊維を顕微鏡により観察し、機械試験を行った。25.4cm(10インチ) のゲージ長さ及び6の糸捩じれファクターで引張試験を行った。試験結果はksi (1000ポンド/平方インチ)又はmsi(100万ポンド/平方インチ)で示す。ここ で1ksi=6.895MPa、1msi=6.895GPaである。この試験結果を表3に示す。 この実施例は、0.05(20ミル)穴のダイより調製した繊維と比較して、0.1cm (4ミル)穴のダイより紡糸した10ミクロン以下の繊維について、引張特性がず っと向上していることを示している。直径の小さな繊維は紡糸した状態より引張 弾性率が50パーセント高くかつ引張強度が20パーセント高かった。Description: Low denier polybenzazole fiber and method for producing the same The present invention relates to a polybenzazole (PBZ) fiber and a method for producing the same. Polybenzazole fibers include polybenzothiazole (PBT) fibers or polybenzoxazole (PBO) fibers. These PBZ fibers are high performance fibers with excellent chemical resistance, thermal stability and mechanical properties. These properties have made it the material of choice for high performance textile and composite applications. By spinning polybenzazole fibers from solutions of PBZ in various solvents (see, eg, Encyclopedia of Polymer Science and Technology, Vol. 11, pp. 6 01-635) nominal diameters of 16-20 microns A fiber having is obtained. In order to be effective in certain end uses, it is desirable to produce PBZ fibers with a diameter less than 12 microns. Heretofore, it was not known how to spin PBZ fibers having a diameter smaller than 12 microns uniformly. Another way to describe small diameter fibers is to call them low denier fibers. Denier is the weight (grams) of 9,000 meters of fiber. Denier is a direct numbering system, with smaller numbers indicating finer and higher numbers indicating coarser. Since denier is a unit of weight per length and diameter is a unit of length, denier and diameter are not interchangeable units when directly comparing numbers. The equation showing that relationship for a polybenzazole fiber having 1.58 denier is: Fiber diameter (μm) = (denier / square root of filament) × 9.4625 However, the terms denier and diameter may be used interchangeably when colloquially referring to small diameter, very fine fibers. One aspect of the present invention is: (1) spinning a lyotropic liquid crystalline polybenzazole dope containing a polybenzazole polymer and a solvent through an orifice of a spinneret to form a dope fiber, wherein the diameter of the hole of the orifice is 0.18. cm or less, (2) drawing the dope fiber across an air gap of 40.6 cm or less using a spin draw ratio of 12-60, (3) most of the fiber by contact with a non-solvent. A method for producing a low-diameter polybenzazole fiber, which comprises removing the solvent, and (4) winding the textured fiber at least 750 km. A second aspect of the invention is polybenzazole fibers having a diameter of 4-12 microns. Polybenzazole is available from Encyclopedia of Polymer Science TechnoIogy, Vol. It is a hard rod polymer as described in 11, pp. 601-635. The present invention uses fibers containing polybenzoxazole or polybenzothiazole polymers. Polybenzoxazoles, polybenzothiazoles and random, sequenced and block copolymers of polybenzoxazoles and polybenzothiazoles are described in the following references: Wolfe et al., Liquid Crystalline Polymer Compositions, Process and Products, US Patent No. 4,703,103 (October 27, 1987), Wolfe et al., Liquid Crystalline Polymer Compositions, Process and Prod ucts, US Patent No. 4,533,692 (August 1985 6 day), Wolfe et al., Liquid Crystalline Poly (2,6-Benzothiazole ) Compositlons, Pro cess and Products, US Patent No. 4,533,724 (August 6, 1985), Wolfe, Liqui d Crystalline Polymer Composltions, Process and Products, US Patent No. 4,53 3,693 (August 6, 1985), Evers, Thermooxidatively Stable Articulated p- Benzobisoxazole and p-Benzobisthiazole Polymers, US Pat. No. 4,359,567 (November 16, 1982), Tsai et al., Method for Making Heterocyclic Block Copolym er, US Patent No. 4,578,432 (March 25, 1986), 11 Ency. Poly. Sci. & Eng., Polybenzothiazoles and Polybenzoxazoles, 601 (J. Wiley & Sons 1988) and WW. Adams et al., The Materials Science and Engineering of Rigid -Rod Polym ers (Materials Research Society 1989). This polymer may contain an AB monomer unit represented by the following formula 1 (a) and / or an AA / BB monomer unit represented by the following formula 1 (b). In the above formula, each Ar represents an aromatic group. The aromatic group may be a heterocycle, for example a pyridinylene group, but is preferably a carbocycle. The aromatic group may be a fused or unfused polycyclic ring system, but is preferably a single 6-membered ring. Size is not critical, but the aromatic group preferably contains no more than about 18, more preferably no more than about 12, and most preferably no more than about 6 carbon atoms. Examples of suitable aromatic groups include phenylene moieties, tolylene moieties, biphenylene moieties and bisphenylene ether moieties. Ar 1 in the AA / BB monomer unit is preferably a 1,2,4,5-phenylene moiety or a homologue thereof. Ar in the AB-monomer unit is preferably the 1,3,4-phenylene moiety or its homologues. Each Z is independently an oxygen or sulfur atom. Each DM is a divalent organic moiety that does not bind independently or interfere with the synthesis, processing or use of the polymer. The divalent organic moiety may contain an aliphatic group, which preferably has up to about 12 carbon atoms, but the divalent organic moiety is preferably an aromatic group (Ar) as described above. Is. It is most preferably a 1,4-phenylene moiety or its homologues. The nitrogen atom and Z moiety in each azole ring are bonded to adjacent carbon atoms in the aromatic group, forming a 5-membered azole ring fused with the aromatic group. The azole ring in the AA / BB monomer unit has 11 Ency. Poly. Sci. & Eng. May be in the cis or trans position relative to each other, as shown in particular at 602. The polymer preferably consists essentially of either AB-polybenzazole monomer units or AA / BB-polybenzazole monomer units, more preferably consisting essentially of AA / BB-polybenzazole monomer units. The molecular structure of the polybenzazole polymer may be a rigid rod, a semi-rigid rod, or a soft coil. Preferably, it is a hard rod in the case of AA / BB-polybenzazole polymer and semi-rigid in the case of AB-polybenzazole polymer. The azole ring in the polymer is preferably an oxazole ring (Z = O). Preferred monomer units are represented by the following formulas 2 (a) to (h). This polymer more preferably consists essentially of monomer units selected from those represented by 2 (a)-(h), most preferably selected from those represented by 2 (a)-(c). It consists essentially of many identical units. Each polymer preferably contains an average of at least about 25, more preferably at least about 50, and most preferably at least about 100 monomer units. The inherent viscosity of the hard AA / BB-polybenzazole polymer at 25 ° C in methanesulfonic acid is preferably at least about 10 deciliters / gram (dL / g), more preferably at least about 15 dL / g, most preferably at least about. It is 20 dL / g. For some purposes, an inherent viscosity of at least about 25 dL / g or 30 dL / g is best. Inherend viscosities of 60 dL / g or higher are possible, but are preferably about 45 dL / g or less. The inherent viscosity of the semi-rigid AB-polybenzazole polymer is preferably at least about 5 dL / g, more preferably at least about 10 dL / g, most preferably at least about 15 dL / g. The polymer is processed into fibers and films by spinning or extruding from a dope. If the freshly prepared polymer or copolymer is not available for spinning or extrusion, the previously prepared polymer or copolymer may be dissolved in a solvent to form a solution or dope. Although some polybenzoxazoles and polybenzothiazoles are soluble in cresol, the solvent is preferably an acid capable of dissolving the polymer. The acid is preferably one that does not oxidize. Examples of suitable acids are polyphosphoric acid, methanesulphonic acid, sulfuric acid and mixtures thereof. This acid is preferably polyphosphoric acid and / or methanesulfonic acid, more preferably polyphosphoric acid. The dope should contain a high enough concentration of polymer so that the polymer solidifies to form a solid product, but the viscosity of the dope should not be too high to handle. If the polymer is rigid or semi-rigid, the concentration of the polymer in the dope is preferably high enough to give a liquid crystalline dope. The concentration of polymer is preferably at least about 7 weight percent, more preferably at least about 10 weight percent, and most preferably at least about 14 weight percent. The maximum concentration is limited primarily by practical factors such as polymer solubility and dope viscosity. Due to these limiting factors, polymer concentrations are rarely above 30 weight percent, but usually below about 20 weight percent. Suitable polymers or copolymers and dopes can be prepared by known methods, such as Wolfe et al., US Pat. No. 4,533,693 (August 6, 1985), Sybert et al., US Pat. No. 4,772,678 (September 20, 1988), Harrls et al. Patent No. 4,847,350 (July 11, 1989), and Ledbetter et al., "An integrated Laboratory Process for Preparing Rigid Rod Fibers from the Monomers", T he Materials Science and Engineering of Rigid-Rod Polymers 253-64 (Mater ials Res Soc.1989). Suitable monomers (AA-monomer and BB-monomer or AB-monomer) can be mixed in a solution of an acid that does not oxidize and dehydrates in an atmosphere that does not oxidize, with vigorous mixing and shear, stepwise or rapidly at about 120 ° C. The reaction is carried out at temperatures increasing from the starting temperature to a final temperature of at least about 190 ° C. Examples of suitable AA-monomers include terephthalic acid and its homologues. Examples of suitable BB-monomers include 4,6-diaminoresorcinol, 2,5-diaminohydroquinone, 2,5-diamino-1,4-dithiobenzene and their homologues, usually stored as acid salts. . Examples of suitable AB-monomers are 3-amino-4-hydroxybenzoic acid, 3-hydroxy-4-aminobenzoic acid, 3-amino-4-thiobenzoic acid, 3-thio-4-aminobenzoic acid and their It includes homologues and is usually stored as the acid salt. Spinning PBO Polymer Preparation of PBO Dope PBO dope is a solution of PBO polymer in a solvent. Polybenzoxazole is soluble only in highly protic acid solvents such as methanesulfonic acid or polyphosphoric acid. The preferred solvent is polyphosphoric acid (PPA). The preferred concentration of PBO in polyphosphoric acid is about 14 weight percent. The intrinsic viscosity number of the PBO / PPA polymer should be 22-45 dL / g (based on measurement at a concentration of 0.05 g / dL in methanesulfonic acid at 25 ° C). The fibers may be spun from monofilament or multifilament lines. An example of an effective monofilament fiber spinning line is given in the JFWolfe review, page 625 (see Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, 2nd edition, Vol. 11, pp. 601-635). The spinning device preferably comprises a spinneret having one or more orifices and means for pushing the dope into the orifices. If the spinneret contains many orifices, the device preferably further comprises a spinning die that delivers the dope to each orifice at about the same pressure and flow rate. The means for pushing the dope may be, for example, a pump, a piston or a single or multi-screw extruder. Spinnerets and spin dies are known as spinning blocks. Each part of the spinning block must be able to handle viscous, corrosive polymer dope solutions. Spinning of Dope Fiber After adding the dope to the spinning block, it is heated until the spinning temperature is reached. The spinning temperature is 135 to 180 ° C, the preferred spinning temperature is 140 to 170 ° C, and the most preferred spinning temperature is 150 to 160 ° C. The polymer dope is spun through an orifice hole with a diameter of 0.0051-0.018 cm (2-7 mils), preferably 0.0076-0.015 cm (3-6 mils), and most preferably 0.013 cm. The shear rate of this dope as it exits the spinning block is 300 to 4000 reciprocals second, the more preferred range of this shear rate is 500 to 3000 resec, and the most preferred shear rate is 1500 reversal. Seconds. Dope fibers are formed when spinning the PBO polymer dove through the spinneret. The dope fibers exit the spinning block and enter the space known as the "air gap" that exists between the exit side of the spinning block and the coagulation tank. The gas in this "air gap" may be air, but may also be another gas such as nitrogen, carbon dioxide, helium or argon. The temperature in this air gap is preferably about 0 ° C to 150 ° C, more preferably about 0 ° C to 100 ° C, most preferably 50 ° C to 100 ° C. The air gap is 0.64 to 41 cm (0.25 to 16 inches), the more preferred range is 1.3 to 15 cm (0.5 to 6 inches), and the most preferred range is 2.5 to 10 cm (1 to 4 inches). The spin-draw ratio is the ratio of the fiber winding speed divided by the dope extrusion rate. The extrusion rate is determined by the dope volumetric flow rate in the extruder or by the free fall rate of the spun dope from the spinneret. Here, the free fall velocity of the spun dope from the spinneret was used to determine the spin draw ratio. The spin-draw ratio of this spin is kept at 12-60, the preferred range is 13-25, and the most preferred spin-draw ratio is about 15. After the dope fiber exits the air gap and enters the coagulation / cleaning tank, or after being coagulated / cleaned and sprayed, the solvent (polyphosphoric acid) remaining in the fiber begins to phase separate from the PBO polymer in the fiber and coagulates. Diffuses in the agent. This phase separation process is known as coagulation. The coagulation or wash bath / spray used may contain water or a water / acid mixture, with the preferred acid being phosphoric acid at a concentration below 30 percent. Other coagulants or wash solutions include organic solvents such as acetone, methanol or acetonitrile. Washing, Drying and Heat Curing the Fiber After washing the fiber , it is dried and then heat cured. First, the fibers are dried to remove residual surface water. The fibers are dried and then heat treated. This heat treatment is preferably carried out in a furnace containing an inert gas such as nitrogen. Tension is applied to the fiber as it passes through the heat treatment element. The heat treatment is carried out at 300-650 ° C, the preferred temperature range is 400-650 ° C, the most preferred temperature is 600 ° C. The residence time of heat treatment depends on the temperature, but the higher the temperature, the shorter the required time. The heat treatment time is 1 second to 1 minute. The preferred time is 3 to 45 seconds, the more preferred heat treatment time is 5 to 20 seconds, and the most preferred time is 8 to 15 seconds. During this heat treatment the fibers are pulled. By following the processing conditions of the present invention, the fiber can be spun for a long time without causing damage to the fiber due to instability of the spinning process. The time for the spinning process to occur without failure is expressed in the length of the undamaged fibers collected (km). In the present invention, the amount of undamaged fibers collected is at least about 500 km, more preferably at least about 600 km, and most preferably at least about 800 km. The physical properties of the low denier fibers produced by the method of the present invention were measured. The low denier fiber produced by this method has a heat-treated tensile strength of 4.31GPa ~ 6.07GPa (625ksi ~ 880ksi), and the spun tensile modulus of this fiber is 172.4GPa ~ 30.2GPa (25msi ~ 45msi). ). These polybenzoxazole low denier fibers are effective when high performance chemical resistance, cut resistance, and flame retardant fibers are effective. In addition, the tensile and elastic properties make it valuable for composite applications. The following examples are given as an illustration of the present invention. However, it should be understood that the invention is not limited to this embodiment. Example 1-14% by weight PBO having an intrinsic viscosity (IV) of 22-40 dL / g (measured in methanesulfonic acid solution at 25 ° C., 0.05 g / dL) by polymerizing PBO in monofilament spun PPA. / PPA dope was prepared. This polymer dope was then used for fiber spinning. Fiber spinning was performed using a spinning block with four holes. The diameter of the hole or "orifice" in each spin was set. The fibers were spun at a barrel temperature of 150 ° C. The dope fiber exited the spinneret, crossed an air gap of 20 mm, and was then collected on a take-up spool immersed in water at 15 ° C. at various take-up speeds. The fibers were washed in running water for 48 hours, air dried for 24 hours, and vacuum dried for 4 hours. Then, it was heat treated at 450 ° C while pulling. The spinning conditions and fiber diameters are shown in the table below. Samples 1-7 were prepared from IV = 19 dL / g PBO dope. Example 2- Spinning with a Low Diameter Orifice Size Using the same method as in Example 1, 14 weights with an IV of 22-40 dL / g (measured in methanesulfonic acid solution at 25 ° C. at a concentration of 0.05 dL / g). A percent PBO / PPA dope was prepared. Fiber spinning was performed using the same equipment as in Example 1 with a spinneret having four holes. The fibers were spun at a barrel temperature of 150 ° C. and the dope fibers exiting the spinneret were crossed through a 20 mm air gap and collected on take-up spools immersed in water at 150 ° C. at various take-up speeds. The fibers were washed with running water for 48 hours, air dried for 24 hours and vacuum dried for 4 hours. Then, it was heat treated at 450 ° C while pulling. One fiber with a gauge length of 5.1 cm (2 inches) was drawn in an Instron tensile tester at an elongation rate of 0.01 / min. Test results are given in ksi (1000 pounds per square inch) or msi (1 million pounds per square inch). Here, 1 ksi = 6.895 MPa, 1 msi = 6.895 GPa. The results of fiber spinning and tensile strength and elastic modulus tests are shown in Table 2. Example 3- Multifilament spinning of low denier PBO fibers A PBO dope was prepared by polymerizing PBO in PPZ. 1000 g of this dope was used for fiber spinning using a multifilament fiber spinning device. The multifilament fiber spinning device included a mixing device for mixing and homogenizing the dope under vacuum and a spinning block for receiving the fibers and delivering the dope to a 36-hole (orifice) spinning die. A water tank containing two or more freely rotating wheels arranged in series was placed under the spinning die to receive the spinning dope and to solidify the dope fibers in water. The PBO dope was placed in the spinning machine, mixed for at least 4 hours and then transferred to the spinning block. The dope was then spun through a spinning die at 160 ° C. The spin block orifice size was approximately 0.01 cm (4 mils). The emerging dope fibers were traversed by an air gap of about 7.62 cm (3 inches), immersed in water, guided by a wheel at a distance of about 91.4 cm (3 feet), and then stretched by a fiber winding godet. The fiber was then sent to the winder. The thus spun fiber was washed with running water for 48 hours and then dried in a nitrogen-purged chamber. Heat treatment was performed while pulling a part of the fiber. The spun and dried fibers were observed under a microscope and mechanically tested. Tensile tests were performed with a gauge length of 25.4 cm (10 inches) and a thread twist factor of 6. Test results are given in ksi (1000 pounds per square inch) or msi (1 million pounds per square inch). Here, 1ksi = 6.895MPa and 1msi = 6.895GPa. The test results are shown in Table 3. This example shows that the tensile properties are much improved for fibers of less than 10 microns spun from a 0.1 cm (4 mil) hole die as compared to fibers prepared from a 0.05 (20 mil) hole die. Is shown. The smaller diameter fibers had 50% higher tensile modulus and 20% higher tensile strength than the spun state.
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