JP3123144B2 - ポリベンゾアゾールポリマーの段階重合方法 - Google Patents

ポリベンゾアゾールポリマーの段階重合方法

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JP3123144B2 JP03255412A JP25541291A JP3123144B2 JP 3123144 B2 JP3123144 B2 JP 3123144B2 JP 03255412 A JP03255412 A JP 03255412A JP 25541291 A JP25541291 A JP 25541291A JP 3123144 B2 JP3123144 B2 JP 3123144B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】本発明は、ポリベンゾアゾール(PBZ)
ポリマー及びその合成法に関する。
【0002】ポリベンゾアゾールポリマーは、ポリベン
ゾオキサゾール(PBO)、ポリベンゾチアゾール(P
BT)、ポリベンゾイミダゾール(PBI)、及びこれ
らのポリマーのコポリマーを含む公知のポリマーであ
る。ポリベンゾアゾールは通常下式1(a)で表わされ
る多くのモノマーユニットを含むAB−ポリマー、又は
下式1(b)で表わされる多くのモノマーユニットを含
むAA/BBに分類される。
【化1】 (上式中、各Arは芳香族基であり、DMは重合条件下
で安定でありそして不活性である二価有機部分であり、
各Zは独立に水素原子に結合した窒素原子、硫黄原子も
しくは酸素原子又は重合条件下酸中で安定でありそして
不活性である有機部分である)
【0003】本明細書において、式1(a)〜(b)の
ように芳香族基に結合したモノマーユニットのZ部分及
び窒素原子をその位置を示さないで表わす場合、 (1)アゾール環内の各窒素原子及びZ基は互いに関し
てオルト位で芳香族基に結合している。 (2)モノマーユニットが2個のアゾール環を有する場
合、1個の窒素原子及びZ部分は、例えば11 Ency.Pol
y.Sci.& Eng. Polybenzothiazoles and Polybenzoxazol
es , 602 頁(J.Wiley & Sons 1988)に示されているよ
うに他の窒素原子及びZ部分に対しシス位又はトランス
位にある。同じ理解はBB−PBZモノマー内のアミン
基及びZ部分にも適用される。
【0004】AA/BB−ポリベンゾアゾールポリマー
は、2個の電子不足炭素基を含む少なくとも1種のAA
−PBZモノマーと2個のo−アミノ塩基性部分を含む
少なくとも1種のBB−PBZモノマーとの反応により
合成ささる。この反応は下式2、
【化2】 (上式中、各Qは電子不足炭素基であり、他の部分はす
べて前記意味を有する)で表わされる。AA−モノマー
の二価有機部分DMは通常芳香族基を含み、これは最も
一般的にはp−フェニレン基である。この反応は通常非
酸化、脱水溶媒酸(これは最も一般的にはポリリン酸で
ある)中で非酸化条件で行なわれる。
【0005】遊離塩基BB−PBZモノマーは空気酸化
されやすい。このモノマーは典型的にはハロゲン化水素
塩として取り扱われそして保存される。それはこの塩が
酸化に対しより安定であるからである。
【0006】モノマーが溶液中に入れられた場合、揮発
性ハロゲン化水素保護酸が溶媒酸に換えられる。換言す
れば、揮発性酸は重合を阻害する。従って、揮発性保護
酸は重合開始前に揮発工程において反応溶液から除去さ
れる。揮発は比較的低いP2 5 含量(76〜80重量
パーセント)を有するポリリン酸溶液中で中程度の温度
(45〜100℃)で行なわれる。重合は揮発後、高い
2 5 含量(80〜90重量パーセント)(これは揮発
工程後反応混合物にP2 5 を加えることにより達成さ
れる)を有する溶液中で高温(150〜220℃)にお
いて行なわれる。
【0007】ポリベンゾアゾールポリマー、その特性及
びその合成は以下の文献に詳細に記載されている。Sybe
rtら、Liquid Crystalline Polymer Compositions, Pro
cessand Products 、米国特許第4,772,678号
(1988年9月2日);Wolfe ら、Liquid Crystalli
ne 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 Composi
tions, Process and Products 、米国特許第4,53
3,692号(1985年8月6日);Wolfe ら、Liqu
id Crystalline Poly(2,6-Benzothiazole) Composition
s, Process and Products 、米国特許第4,533,7
24号(1985年8月6日);Wolfe, Liquid Cryst
alline Polymer Compositions, Process and Products
、米国特許第4,533,693号(1985年8月
6日);Imaiら、「Polybezoxazoles and Polybenzothi
azoles」83 Makromol.Chem.167(1965), Evers, Thermo
oxadatively Stable Articulated p-Benzobisoxazole a
nd p-Benzobisthiazole Polymers、米国特許第4,35
9,567号(1982年11月16日);Tsaiら、Me
thod for MakingHeterocyclic Block Copolymer、米国
特許第4,578,432号(1986年3月25日)
及び11 Ency.Poly.Sci.& Eng., Polybenzothiazoles a
nd Polybenzoxazoles , 601(J.Wiley & Sons 1988)。
【0008】重合より得られるドープは、ドライジェッ
ト、ウェットスピン法により紡糸及び延伸され繊維を形
成する。有効な繊維紡糸においてドープがとても均一で
ありそして一定の特性、例えば粘度を各重合の間有する
ことが要求される。ポリベンゾアゾールの重合は多くの
変法を含み、これはポリマー及び/又はドープ特性に小
さな変化をおこし、その変化は繊維品質に十分影響を与
える。一定のそして再現可能な特性を有するドープを得
る方法が必要である。必要とされる他の改良は、ポリマ
ーが形成されるまで揮発させた重合性反応混合物を貯蔵
する方法及び多量のポリベンゾアゾールを速く重合させ
るに適した方法を含む。
【0009】本発明の一態様は、脱水溶媒酸中におい
て、選ばれた量のAA−PBZモノマーを選ばれた量の
BB−PBZモノマーと反応させることによる、又はA
B−PBZモノマー同士を反応させることによるPBZ
ポリマーの合成方法であって、以下の工程、 (1)AA−PBZモノマーとBB−PBZモノマー
、又はAB−PBZモノマー同士を反応させてPBZ
オリゴマーを含む反応混合物を形成すること、 (2)高分子量PBZポリマーを含むドープが形成する
条件下で1時間以下の滞留時間で連続反応器内で工程
(1)より得られた反応混合物の一部を選ばれた量の連
鎖延長剤及び/又は連鎖停止剤と接触させること、 (3)工程(2)より得られたドープ及び/又はポリマ
ーの特性を測定すること、 (4)工程(2)の反応混合物の残りの部分に加えられ
る連鎖延長剤及び/又は連鎖停止剤の選ばれた量を調節
し測定した特性が選ばれた値をみたすドープ及び/又は
ポリマーを得ることを含むことを特徴とする方法であ
る。
【0010】本発明の第2の態様は、脱水溶媒酸中選ば
れた量のAA−PBZモノマーを選ばれた量のBB−P
BZモノマーと反応させAA/BB−ポリベンゾアゾー
ルポリマーを合成する方法であって、以下の工程、
(1)脱水溶媒酸中BB−PBZモノマーのモルあたり
0.75〜0.99モルのAA−PBZモノマーを反応
させポリベンゾアゾールオリゴマーを含む反応混合物を
形成すること、(2)この反応混合物を貯蔵すること、
そして(3)この反応混合物を追加AA−PBZモノマ
ーと接触させ、反応を続けポリベンゾアゾールポリマー
を形成すること、を含むことを特徴とする方法である。
【0011】本発明の第3の態様は、脱水溶媒酸中にお
いて選ばれた量のAA−PBZモノマーを選ばれた量の
BB−PBZモノマーと反応させるAA/BB−PBZ
ポリマーの合成方法であって、以下の工程、 (1)少なくとも60℃の温度においてバッチ反応器内
で撹拌しながらAA−PBZモノマー及びBB−PBZ
モノマーを含む混合物を反応させPBZポリマーを含む
混合物を形成すること、そして (2)工程(1)の反応混合物を少なくとも150℃の
温度においてPBZポリマーを含むドープが形成する条
件下一軸スクリュー又は多軸スクリュー押出機に通すこ
と、を含み、工程(1)の反応がBB−PBZモノマー
のモルあたり0.75〜0.99モルのAA−PBZモ
ノマーを含み、そして工程(2)の間又は直前に反応混
合物に追加AA−PBZモノマーを加えることを特徴と
する方法である。
【0012】本発明の段階反応は、ポリベンゾアゾール
ポリマーの大スケール合成に有効である。各工程のオリ
ゴマー溶液は安定である。それは数日間貯蔵してよく、
そして高分子量に反応される。ポリマーの分子量及びド
ープの体積粘性係数のような特性は第1の態様の方法に
より容易に所望のレベルに調製される。
【0013】定 義 以下の用語が本明細書において繰り返し用いられ、これ
は特に示さない限りここに定義した意味及び好ましい態
様を有する。
【0014】AA−PBZモノマー−ポリベンゾアゾー
ルポリマーの合成、加工及び使用を妨害しない安定な二
価有機部分(DM)により結合した2個の電子不足炭素
基を含む、ポリベンゾアゾールポリマーの合成に適した
モノマー。電子不足炭素基は以下に示す定義及び好まし
い態様を有する。二価有機部分は好ましくはアルキル又
は芳香族基であり、より好ましくは芳香族基であり、最
も好ましくは6員芳香族基である。好適なAA−PBZ
モノマーの例及びその合成は米国特許第4,533,6
93号、カラム25〜32、表4〜6に示されている。
AA−PBZモノマーの好ましい例は、(a)テレフタ
ル酸、(b)テレフタロイルハリド、(c)ジアルキル
テレフタレートエステル、(d)ビス(4−安息香
酸)、(e)ビス(4−ベンゾイルハリド)、又は
(f)ビス(4−アルキルベンゾエート)を含む。
【0015】AB−PBZモノマー−芳香族基、芳香族
基に結合したo−アミノ塩基性部分、及び芳香族基に結
合した電子不足炭素基を含む、ポリベンゾアゾールポリ
マーの合成に適したモノマー。芳香族基、電子不足炭素
基及びo−アミノ塩基性部分は以下に示す定義及び好ま
しい態様を有する。好適なABモノマーの例及びその合
成法は米国特許第4,533,693号、カラム33〜
35、表7〜8に示されている。ABモノマーの好まし
い例は3−アミノ−4−ヒドロキシ安息香酸、3−ヒド
ロキシ−4−アミノ安息香酸及びこれらの酸ハロゲン化
物を含む。ABモノマーは、このモノマーの遊離塩基が
不安定でありそして空気酸化されやすいのでしばしば塩
化水素又はリン酸の塩として貯蔵される。
【0016】o−アミノ塩基性部分−芳香族基に結合し
た、(1)芳香族基に結合した一級アミン基及び(2)
前記一級アミン基に対しオルト位で芳香族基に結合した
ヒドロキシ、チオール又は一級もしくは二級アミン基か
らなる部分。これは好ましくはヒドロキシ、チオール又
は一級アミン部分を含み、より好ましくはヒドロキシ又
はチオール部分を含み、最も好ましくはヒドロキシ部分
を含む。二級アミン基は芳香族又は脂肪族基、好ましく
はアルキル基を含む。二級アミン基は好ましくは約6個
以下、より好ましくは約4個以下、最も好ましくは約1
個以下の炭素原子を含む。
【0017】芳香族基−あらゆる芳香族環又は環系。芳
香族基は混入された部分の反応を妨げるほど大きくない
限り大きさは問題ではない。各芳香族基は独立に好まし
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。各々は複素環
であってよいが、好ましくは炭素環であり、より好まし
くはヒドロカルビルである。芳香族基が複素環である場
合、ヘテロ原子は好ましくは窒素である。
【0018】特に示さない限り、各芳香族基は重合条件
下PBZ重合試剤に関し不活性である二価部分(X)に
より又は結合により結合した2個以上の芳香族部分を含
む1個の芳香族環、縮合環系又は未縮合環系を含む。好
適な二価部分は、例えばカルボニル基、スルホニル基、
酸素原子、硫黄原子、アルキル基及び/又はペルフルオ
ロ化アルキル基を含む。各芳香族基は好ましくは1個の
6員環である。
【0019】各芳香族基は、溶媒酸中安定でありそして
芳香族基が関係する部分の反応を妨害しない置換基を含
んでいてよい。好ましい置換基の例は、ハロゲン、アル
コキシ部分、アリールオキシ部分又はアルキル基を含
む。より好ましい置換基は約6個以下の炭素原子を有す
るアルキル基又はハロゲンである。最も好ましくは、各
芳香族基は以後に要求される置換基のみを含む。
【0020】アゾール環−オキサゾール、チアゾール又
はイミダゾール環。窒素原子と酸素、硫黄又は二級窒素
原子の両方に結合した炭素原子は下式3に示すように、
2−炭素である。
【化3】
【0021】上式中、Zは−O−,−S−、又は−NR
−であり、Rは水素、芳香族、又は脂肪族基、好ましく
は水素又はアルキル基、最も好ましくは水素である。R
は好ましくは約6個以下、より好ましくは約4個以下、
最も好ましくは約1個以下の炭素原子を含む。各アゾー
ル環は独立に好ましくはオキサゾール又はチアゾール、
より好ましくはオキサゾールである。PBZポリマーに
おいて、各アゾール環の4−及び5−炭素は芳香族基と
縮合している。
【0022】アゾール形成部分−「o−アミノ塩基性部
分」又は「電子不足炭素基」。
【0023】BB−PBZモノマー−芳香族基及び芳香
族基に結合した2個のo−アミノ塩基性部分を含む、ポ
リベンゾオキサゾールポリマーの合成に適したモノマ
ー。芳香族基及びo−アミノ塩基性部分は前記の定義及
び好ましい態様を有する。好適なBB−PBZモノマー
の例及び合成方法は米国特許第4,533,693号、
カラム19〜24、表1〜3に示されている。好ましい
BB−PBZ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、及び1,4
−ジチオ−2,5−ジアミノベンゼン又はこれらの塩を
含む。BB−PBZモノマーはこのモノマーの遊離塩素
が空気酸化されやすいのでしばしば塩化水素又はリン酸
の塩として貯蔵される。
【0024】電子不足炭素基(Q)−例えば米国特許第
4,533,693号のカラム24、59〜66行に示
されている基のような、溶媒酸中o−アミノ塩基性部分
と反応しアゾール環を形成する炭素原子を含むあらゆる
基。好ましい電子不足炭素基はカルボン酸、酸ハロゲン
化物、金属カルボキシレート塩、シアノ基及びトリハロ
メチル基である。電子不足炭素基中のハロゲンは好まし
くは塩素、臭素又は沃素であり、より好ましくは塩素で
ある。
【0025】ポリベンゾアゾール(PBZ)ポリマー
ポリベンゾオキサゾール及びポリベンゾビスオキサゾー
ル(PBO)、ポリベンゾチアゾール及びポリベンゾビ
スチアゾール(PBT)及びポリベンゾイミダゾール又
はポリベンゾビスイミダゾール(PBI)の群からのポ
リマー。「ポリベンゾオキサゾール(PBO)」とは、
各モノマーユニットが芳香族基(これはベンゼン環であ
る必要はない)に結合したオキサゾール環を含むポリマ
ーを意味する。また「ポリベンゾオキサゾール(PB
O)」はポリ(フェニレン−ベンゾ−ビス−オキサゾー
ル)及び各モノマーユニットが芳香族基に縮合した多く
のオキサゾール環を含む他のポリマーを意味する。同じ
解釈はポリベンゾチアゾール(PBT)及びポリベンゾ
イミダゾール(PBI)にも適用される。
【0026】硬質ロッドPBZポリマー−「内部」又は
「分節」硬質ロッドPBZポリマー。「内部」及び「分
節」とはHwang の「Processing, Structure and Proper
tiesof Liquid Crystalline PBT Polymer」, Kansai Co
mmittee of the Society ofFiber Science and Technol
ogy, Japan, Post Symposium on Formation, Structure
and Properties of High Modulus and High Tenacity
Fibers 23 〜26(1985 年8月26日)、Evers ら、「Arti
culated All-Para Polymers with 2,6-Benzobisoxazol
e, 2,6-Benzobisthiazole, and 2,6-Benzobisimidazole
Units in theBackbone」, 14 Macromolecules 925(198
1), Evers, 「Thermooxadatively Stable Articulated
Benzobisoxazole and Benzobisthiazole Polymers」,24
J.Poly.Sci.Part A.1863(1986) 及びEvers ら、Articu
lated Para-OrderedAromaticHeterocyclic Polymers Co
ntaining Diphenoxybenzene Structures、米国特許第
4,229,566号(1980年10月21日)に規
定されている。
【0027】内部硬質ロッドポリマーは本質的に直線で
あり、少なくとも約150°の連鎖の角度を有するモノ
マーユニットからなる。分節硬質ロッドポリマーは比較
的少数の非線形部分により結合した多数の本質的に直線
の部分を含む。分節している場合、好ましくは各9個の
直線モノマーユニットあたり平均約1個以下の非線形モ
ノマーユニットを含む。
【0028】溶媒酸−硫酸、メタンスルホン酸、トリフ
ルオロメチルスルホン酸、ポリリン酸及びこれらの混合
物のようなPBZポリマーを溶解できる酸化しない液体
酸。これは溶解したAB−及びBB−PBZモノマーを
実質的に酸化しないものでなければならない。溶媒酸は
好ましくはポリリン酸又はメタンスルホン酸と五酸化リ
ンの混合物のような脱水酸である。メタンスルホン酸中
のP2 5 の好ましい濃度は米国特許第4,847,3
50号及び4,722,678号に記載されている。ポ
リリン酸中のP2 5 の濃度は米国特許第4,533,
693号及び4,722,678号に記載されている。
【0029】AA−及びBB−PBZモノマーは本発明
において重合される。この反応混合物はAB−モノマー
を少量含んでよいが、好ましくは含まない。このモノマ
ーはより好ましくは硬質ロッドポリベンゾオキサゾール
又はポリベンゾチアゾールを与えるよう選ばれ、最も好
ましくは硬質ロッドシス−ポリベンゾオキサゾールを与
えるよう選ばれる。このモノマーは定義において規定さ
れ説明されている。BB−PBZモノマーは好ましくは
塩化水素又はリン酸のような安定化酸の塩として加えら
れる。
【0030】モノマーは縮合法により重合する。反応が
4段階でおこると考えれば都合がよい。第1(混合)段
階において、少なくともBB−PBZモノマーが溶媒と
混合される。第2(揮発化)段階において、必要により
揮発性保護酸が反応混合物から除去される。第3(オリ
ゴマー化)段階において、AA−及びBB−PBZモノ
マーが反応しオリゴマーを形成する。第4(拡大)段階
において、オリゴマーが反応し高分子量ポリマーを形成
する。本発明は主に反応のオリゴマー化及び拡大段階に
関する。
【0031】これらの段階には明確な境界線はない。揮
発化はモノマーが溶剤と混合された際に開始する。揮発
化及びオリゴマー化段階は同じ装置内で同時に行っても
よい。通常ポリマーがオリゴマー化段階に対し分子量が
高すぎる又は拡大段階に対し分子量が低すぎるとされる
ことはない。用いられる装置に依存し、オリゴマー化は
好ましくはポリマーが分解せずに溶液中に保存できるほ
ど十分高くそして溶液をポンプ輸送できるほど十分低い
分子量に達した際に止めるべきである。
【0032】ある反応条件がすべての段階で適用可能で
ある。この反応は脱水条件下溶媒酸中で起こるべきであ
る。この条件は窒素もしくは貴ガス大気又は真空のよう
な非酸化であるべきである。圧力は大気圧、過圧又は減
圧であってよいが、重合を妨げる揮発性化合物の除去を
許容すべきである。
【0033】第1段階において、選ばれた量のBB−P
BZモノマーが反応溶媒(これは好ましくは溶媒酸であ
る)と混合される。BB−PBZモノマーの量は好まし
くは重合終了後液晶溶液を与えるに十分な量である。B
B−PBZモノマーの濃度は好ましくは少なくとも約7
パーセント、より好ましくは少なくとも約12パーセン
ト、最も好ましくは少なくとも約15パーセントのポリ
マーを含む最終ドープを与えるに十分な濃度である。モ
ノマーの最大濃度は溶解度及び粘度等により限定され
る。通常、モノマーの濃度は約30パーセント、より一
般的には約21パーセント以下、最も一般的には約18
パーセント以下のポリマーを含む溶液を与えるに必要な
濃度以下である。
【0034】AA−PBZモノマーはBB−PBZモノ
マーと同時に加えてよく、又はモノマーはどのような順
序で加えてもよい。好ましくは、AA−PBZモノマー
はBB−PBZモノマーとほぼ同時に加えられる。より
好ましくは、加えられるBB−PBZモノマーに対する
AA−PBZモノマーの比はオリゴマー化工程に記載の
ものとほぼ同じである。
【0035】溶媒は好ましくは前記規定の溶媒酸であ
り、最も好ましくはポリリン酸である。溶媒は混合開始
時において低P2 5 ポリリン酸(例えば77重量パー
セントP2 5 )又は市販ポリリン酸(例えば約83パ
ーセントP2 5 )であってよいが、好ましくはオリゴ
マー化の開始時に高レベルのP2 5 を含む。これは好
ましくは混合工程の間に溶媒にP2 5 を加えることに
より達成される。このP 2 5 はより好ましくはモノマ
ーの混合とほぼ同時に溶媒に加えられそして混合され
る。
【0036】混合の温度は好ましくは少なくとも約25
℃、より好ましくは少なくとも約45℃、最も好ましく
は少なくとも約55℃である。この温度はモノマーが分
解しないほど十分低いことが好ましい。好ましくは約1
50℃以下、より好ましくは約100℃以下、最も好ま
しくは約70℃以下である。加えられるモノマー及びP
2 5 は好ましくは微粋砕されている。テレフタル酸の
ようなある種のモノマーは溶媒酸に実質的に不溶であ
る。すべてのモノマーを溶解するまで混合を行なう必要
はないが、好ましくはすべてのモノマーを少なくとも湿
潤させるに十分な時間行なわれる。次いで反応の第2段
階がすぐに開始される。
【0037】第2(揮発化)段階はモノマーの正確な選
択は必要ない。BB−PBZモノマーリン酸塩及びテレ
フタル酸のようなある種のモノマーは揮発性化合物を放
出せず、揮発化は必要ない。揮発化せず行なわれる反応
はHarrisらの米国特許出願番号No.341,502号
に記載されている。モノマーがBB−PBZモノマーヒ
ドロハリド塩及びテレフタロイルハリドからの塩化水素
のような揮発性成分を放出する場合、反応混合物は揮発
化すべきである。
【0038】揮発化段階の温度は好ましくは揮発性保護
酸を速く除去するに十分高く、そして未重合モノマーの
分解を避けるに十分低いことである。温度は好ましくは
約190℃以下、より好ましくは約150℃以下、最も
好ましくは約130℃以下である。好ましくは少なくと
も約40℃、より好ましくは少なくとも約60℃、最も
好ましくは少なくとも約100℃である。
【0039】揮発化は好ましくは激しく混合しながら行
なわれる。好適な混合装置の例は、米国特許第4,77
2,678号、カラム44〜45に示されている装置を
含む。好ましい例は一軸もしくは多軸スクリュー押出
機、ピストン攪拌反応器、Sigmaブレードミキサ
ー、らせん形ミキサー(例えば二軸らせんリボンミキサ
ー)及び多羽根ミキサーを含む。
【0040】溶媒がポリリン酸である場合、ポリリン酸
は揮発化工程の開始において76パーセントのP2 5
を含んでいてよいが、好ましくは少なくとも約80パー
セント、より好ましくは少なくとも約85パーセント、
最も好ましくは少なくとも約88パーセントのP2 5
を含んでいてよい。ポリリン酸中のP2 5 の濃度は適
当に混合できるほど十分低くなければならない。それは
好ましくは約94重量パーセント以下、より好ましくは
約92重量パーセント以下である。
【0041】好ましい条件において、10ポンドもしく
はそれ以上のジアミノレゾルシノールビス(塩化水素)
塩の揮発化は数時間で終了する。粘稠な反応混合物中で
の揮発物の速い揮発は文献に示されているように発泡の
原因となる。
【0042】発泡は多くの方法により最小になる。例え
ば、米国特許第4,772,678号に記載されている
ように、揮発化反応器は高い表面一体積比を有していて
よい。BB−モノマー塩は少なくとも約40メッシュ又
はそれ以上の大きな粒度を有する。この大きな粒子はゆ
っくりポリリン酸に溶解し、揮発性酸を放出させる。モ
ノマーは、BB−PBZモノマービス(塩化水素)塩と
テレフタル酸(テレフタロイルクロリドではない)とを
重合させるように、系内の揮発性成分のレベルを最小と
するよう選ばれる。揮発化反応器の圧力は発泡を最小と
するよう調節される。混合装置は泡の破壊を促進するよ
う選ばれる。揮発化反応器はあるレベルの発泡を許容す
るヘッド空間を有するべきである。
【0043】反応混合物が混合及び/又は揮発化の間A
A−モノマー及びBB−PBZモノマーの両方を含む場
合、オリゴマーは通常揮発化段階の間に形成し始める。
さもなければ、AA−モノマーが好ましくは加えられ、
オリゴマー化が揮発化終了直後に開始する。我々は既発
化されたBB−PBZモノマーが150℃〜190℃の
ような中程度の温度において熱分解されやすいことを知
った。官能基末端オリゴマーはより安定であり、その安
定性は重合度が増すほど高くなる。従って、揮発化され
た反応混合物は好ましくはオリゴマー化の前ではなく後
に保存される。オリゴマー化段階は好ましくはできるだ
け速く開始される。
【0044】反応混合物は好ましくは過剰のBB−PB
Zモノマーを含む。平衡していない化学量論はオリゴマ
ー化段階を比較的再現可能な点で停止させる。またこれ
はドープの貯蔵の間高分子量ポリマーを形成するまで反
応が続かないようにする(さもなければドープは貯蔵後
貯蔵タンクからポンプ輸送できないほど粘稠になってし
まう)。通常、過剰のBB−PBZモノマーは硬質ポリ
ベンゾアゾールポリマーの分子量を低く保つに有効であ
る。過剰のAA−PBZモノマーが硬質ロッドポリベン
ゾアゾールポリマーの分子量に対しほとんどあるいは全
く効果がないことが文献に報告されている。溶媒酸中の
多くの通常のAA−PBZモノマーの不溶性はこの挙動
が原因であると考えられる。
【0045】反応混合物はオリゴマー化工程の間好まし
くはBB−PBZモノマーのモルあたり約0.99モル
以下のAA−PBZモノマーを含む。より好ましくはB
B−PBZモノマーのモルあたり約0.98モル以下の
AA−PBZモノマーを含む。反応混合物は好ましくは
BB−モノマーのモルあたり少なくとも約0.75モ
ル、より好ましくは少なくとも約0.85モル、最も好
ましくは少なくとも約0.90モルのAA−モノマーを
含む。
【0046】オリゴマー化工程は公知の条件において行
なわれる。溶媒酸は、米国特許第4,533,693号
及び4,847,350号に記載のように脱水するもの
であるべきである。溶媒酸は好ましくは高P2 5 ポリ
リン酸である。温度は好ましくは少なくとも約60℃、
より好ましくは少なくとも約100℃、最も好ましくは
少なくとも約120℃である。これは好ましくは約19
0℃以下、より好ましくは約170℃以下、最も好まし
くは約150℃以下である。オリゴマー化は好ましくは
激しく攪拌しながら行なわれる。
【0047】オリゴマー化は好ましくはポリベンゾアゾ
ールが実質的に安定でありそして反応混合物をポンプ輸
送可能である平均分子量に達するまで行なわれる。「実
質的に安定」とは反応混合物をポンプ輸送可能な温度で
少なくとも24時間貯蔵できそして高分子量に拡大でき
ることを意味する。ドープは好ましくは少なくとも48
時間、より好ましくは少なくとも約1週間貯蔵可能であ
る。貯蔵温度は好ましくは少なくとも約100℃、より
好ましくは少なくとも約120℃である。これは好まし
くは約190℃以下、より好ましくは約170℃以下で
ある。
【0048】オリゴマー化段階の最後におけるオリゴマ
ー中の繰り返し単位の平均数は、好ましくは、少なくと
も約5、より好ましくは少なくとも約10、最も好まし
くは少なくとも約15である。これは好ましくは約75
以下、より好ましくは約50以下、最も好ましくは約4
0以下である。重合度は、例えば攪拌に必要な力のレベ
ルを測定することにより、反応混合物の粘度を測定する
ことにより探知される。そのような測定は用いる装置及
び反応混合物の内容物により異なる。それは当業者によ
り容易に最適化される。
【0049】1つの好ましい実施態様において、混合、
揮発化及びオリゴマー化段階はバッチ反応器内で行なわ
れる。溶媒酸、AA−及びBB−PBZモノマー及び追
加P 2 5 は混合に適した温度において攪拌しながら反
応器に同時に加えられる。混合終了後、温度及び攪拌は
揮発化及びオリゴマー化用に調節される。
【0050】オリゴマー化段階後、ドープは前記のよう
にして貯蔵されるか又は拡大段階に直接送られる。貯蔵
は好ましくは反応混合物がポンプ輸送可能な温度で行な
われる。貯蔵は非酸化条件であるべきであり、好ましく
は本質的に剪断を加えない。
【0051】拡大段階は好ましくは高温及び高剪断下で
行なわれる。温度は好ましくは少なくとも約150℃、
より好ましくは少なくとも約190℃である。これは好
ましくは約300℃以下、より好ましくは約230℃以
下、最も好ましくは約220℃以下である。剪断は好ま
しくは少なくとも約10s-1、より好ましくは少なくと
も約300s-1、最も好ましくは少なくとも約500s
-1である。
【0052】拡大段階は好ましくは減圧下で行なわれ
る。圧力は好ましくは約150mmHg以下である。最小圧
力は少なくとも約1mmHgである。
【0053】拡大段階における溶媒は脱水するものであ
るべきである。例えば、ポリリン酸は拡大段階の開始に
おいて好ましくは少なくとも約78重量パーセント、よ
り好ましくは少なくとも約80重量パーセント、最も好
ましくは少なくとも約83重量パーセントのP2 5
含む。
【0054】拡大段階において、反応混合物中のモノマ
ーレベルは所望の分子量を有するポリマーを与えるよう
調節すべきである。例えば、総AA−PBZモノマーを
少なくとも等モル比にするため連鎖延長剤として選ばれ
た量のAA−PBZモノマーが反応混合物に加えられ
る。これは過剰のBB−PBZモノマーをオリゴマー化
工程において用いる場合特に望ましい。この追加AA−
PBZモノマーは好ましくはオリゴマー化工程に用いら
れるBB−PBZモノマーの少なくとも約1モルパーセ
ント、より好ましくは少なくとも約2モルパーセントで
ある。これは好ましくは約25モルパーセント以下、よ
り好ましくは約10モルパーセント以下、最も好ましく
は約4モルパーセント以下である。これは好ましくは反
応中のAA−PBZモノマーの総モル量を反応中のBB
−PBZモノマーの総モル量より多くしない。
【0055】拡大の間分子量を低く保つことを望む場
合、連鎖停止剤を加えてよい。好適な連鎖停止剤の例
は、Wolfe の米国特許第4,772,678号、カラム
22〜27(1988年9月20日)に記載されてい
る。好適な連鎖停止剤は一官能性(a)o−アミノフェ
ノール、(b)o−アミノベンゼンチオール、(c)o
−ジアミノベンゼン、(d)安息香酸、(e)ハロゲン
化ベンゾイル、又は(f)アルキルベンゾエートエステ
ルである。好適な一官能性カルボン酸タイプ停止剤の例
は、安息香酸、フェニル安息香酸、シクロヘキサンカル
ボン酸、ピコリン酸、ナフトン酸、酢酸、プロピオン
酸、及びこれらの酸ハロゲン化物、エステルもしくはニ
トリル誘導体を含む。他の好適な停止剤の例は、o−ア
ミノフェノール、フェニル−2−アミノフェノール、o
−アミノナフトール、及びヒドロキシ基がチオもしくは
アミノ基と置換したものを含む。加えられる連鎖停止剤
の総量は好ましくは反応に用いられるモノマーの約5モ
ルパーセント以下、より好ましくは約2モルパーセント
以下、最も好ましくは約1モルパーセント以下である。
【0056】好ましくは、反応の化学量論は、AA−P
BZモノマーにより提供される反応性サイトの数がBB
−PBZモノマー及びアミノフェノール停止剤により提
供されるサイトの数と本質的に同じであるよう調節され
る。
【0057】拡大工程は、比較的短い滞留時間連続形状
でこの短い時間で反応が終了する条件下で比較的少量の
反応混合物が反応する反応器内で行なわれる。好適な反
応器の例は、一軸及び多軸スクリュー押出機を含む。ド
ープ粘度又はポリマー分子量のようなドープ又はポリマ
ーの特性は反応器を出た材料について測定される。拡大
工程の前又は間に加えられる連鎖停止剤及び/又はAA
−PBZモノマーのレベルは、反応器を出るドープ及び
/又はポリマーの特性が選ばれた値をみたすまで調節さ
れる。
【0058】好ましい条件において、滞留時間は好まし
くは約1時間以下、より好ましくは約20分以下、最も
好ましくは約10分以下である。反応が所望の拡大レベ
ルまで終了しない場合、反応混合物をより多くのAA−
PBZモノマーを含む拡大反応器に通し再循環してよ
い。反応は好ましくは1回の通過で終了する。
【0059】好ましい実施態様において、オリゴマー化
段階はバッチ反応器で行なわれ、拡大段階は押出機内で
行なわれる。より好ましくは、混合、揮発化及びオリゴ
マー化段階はすべて1つのバッチ反応器内で行なわれ
る。
【0060】本発明の方法は、約6〜約20の平均重合
度を有するもののような低分子量ポリベンゾアゾールの
製造に用いてよい。このポリマーは好ましくは少なくと
も約20、より好ましくは少なくとも約30、最も好ま
しくは少なくとも約40の重合度を有する。最適の重合
度はポリマーの用途により異なる。ある用途に対し、最
良の重合度は少なくとも約50,100、又は150で
ある。
【0061】ポリマーが硬質ロッドポリベンゾオキサゾ
ール又はポリベンゾチアゾールである場合、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1
0dL/g、最も好ましくは少なくとも約15dL/gの一
点固有粘度(メタンスルホン酸中25℃で測定)を有す
る。一点固有粘度は60dL/gもしくはそれ以上であっ
てよいが、好ましくは約50dL/g以下、より好ましく
は約40dL/g以下である。最適の固有粘度はポリマー
の用途により異なる。ある用途に対し、最良の固有粘度
は少なくとも約20,25又は30dL/gである。
【0062】重合より得られるドープは好ましくは均一
な紡糸可能な粘度を有する。この粘度は好ましくは選ば
れた値の約10パーセント以内、より好ましくは約5パ
ーセント以内、最も好ましくは約1パーセント以内であ
る。
【0063】例えばThe Materials Science and Engine
ering of Rigid Rod Polymers , 245 〜297, (Material
s Research Society 1989)に記載されている方法のよう
な公知の方法によりこのドープを紡糸し繊維を形成して
よく又は押出しフィルムを形成してよい。この繊維は繊
維ベース複合体に有効であり、フィルムはラミネートに
有効である。
【0064】本発明の方法は、大スケールのポリベンゾ
アゾールポリマーの合成において従来の方法より多くの
利点を有する。時間を消費する混合、脱ハロゲン化水素
及びオリゴマー化工程は標準化され、所望によりバッチ
形状で行なわれ、次いでオリゴマー化された反応混合物
は必要まで貯蔵できる。必要により、最終分子量まで及
び最終生成物形状に比較的短い時間で拡大される。バッ
チごとのモノマー又は溶媒の小さな変化は拡大段階にお
いて容易に修正され均一なポリマー及び/又はドープを
与える。同様に、異なる用途に対し異なる分子量及び/
又は粘度を有する異なる生成物が拡大反応器へのモノマ
ー又は連鎖停止剤の供給量を調節することにより簡単に
同じ標準オリゴマー化バッチより得られる。これらの利
点はすべて揮発化されているが未反応の溶液に存在する
モノマー分解の高い危険性を伴なわず実現される。
【0065】以下の実施例は本発明を説明するものであ
って限定するものではない。特に示さない限り、部及び
パーセントはすべて重量基準である。
【0066】例 1 ポリベンゾアゾールドープの混合、脱ハロゲン化水素及
びオリゴマー化のための標準方法を確立する。83.7
パーセントP2 5 を含む100ポンドのポリリン酸を
垂直二枚リボン羽根で攪拌しながら25ガロンの反応器
に加える。続いて約60℃、窒素大気下で以下の乾燥材
料を加える。19.01ポンドのジアミノレゾルシノー
ルビス(塩化水素);14.822ポンドのテレフタル
酸;及び21.988ポンドのP2 5 。60℃で1時
間、及び約120℃で約6時間混合を続ける。発生した
塩化水素ガスを取り出し回収する。約300ポアズの粘
度に達するまで反応温度を140℃に上げる。得られる
溶液をタンクに移し、窒素大気下約120℃で貯蔵す
る。
【0067】この反応混合物を約35:1の長さ:直径
比及び約30mmの内径を有する二軸スクリュー押出機に
送る。温度は190〜210℃である。滞留時間は約6
分である。押出機を通る流れは1時間あたり約10ポン
ドのドープである。押出機は測定した量の液体を押出機
へ入れるシリンジポンプを有する。o−アミノフェノー
ル及びポリリン酸の溶液を表1に示すように入れる。押
出機を出たドープは4つの静止混合装置を通る。ドープ
に対する連鎖停止剤の効果はミキサーの圧力低下をモニ
ターすることによりモニターする。得られるポリマーは
水中に沈殿させることにより回収される。その一点固有
粘度はメタンスルホン酸中30℃で0.05g/dLの濃
度で測定される。一点固有粘度を表1に示す。これはミ
キサー内の圧力低下に直線的に相関する。
【0068】
【表1】
【0069】例 2 過剰の4,6−ジアミノレゾルシノールを用い、停止剤
を用いず例1の方法を繰り返す。得られるポリマーは2
5dL/g未満の固有粘度を有する。シリンジポンプを用
い10重量パーセントテレフタル酸及びポリリン酸の混
合物を表2に示した速度で加える。静止ミキサー内の圧
力低下を測定し、あらかじめ計算した関係を用いて一定
固有粘度を計算する。
【0070】
【表2】
【0071】例 3 250gの4,6−ジアミノレゾルシノールビス(塩化
水素)、133.6gの微粉砕したテレフタル酸、12
67gの82.5パーセントポリリン酸及び508gの
2 5 を含む混合物を窒素大気下垂直2枚リボン羽根
を用い120℃で6日間攪拌し、窒素流で塩酸スクラビ
ング装置へ流出させる。227gの混合物を取り出す。
これを5.6gのテレフタル酸と混合し、窒素大気下攪
拌しながら8時間210℃で加熱する。得られるシス−
PBOポリマーはメタンスルホン酸中25℃で0.05
g/dLの濃度において約27dL/gの一点固有粘度を有
する。
【0072】例 4 200gの4,6−ジアミノレゾルシノールビス(塩化
水素)、116.85gの微粉砕したテレフタル酸、9
47gの82.5パーセントポリリン酸、6.3gの錫
(II)クロリドヒドレート及び140gのP2 5を含
む混合物を120℃で23時間及び150℃で3時間垂
直2枚リボン羽根を用い1mmHg圧力で攪拌する。1気圧
窒素圧力下150℃で62時間攪拌を続ける。197g
のP2 5 及び38.95gのテレフタル酸を加える。
この混合物をピストン攪拌反応器内で210℃で窒素大
気下加熱する。得られるシス−PBOポリマーはメタン
スルホン酸中25℃で0.05g/dLの濃度において約
31dL/gの一点固有粘度を有する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ケネス ジェイ.クアッケンブッシュ アメリカ合衆国,ミシガン 48602,サ ジナウ,ストーン ストリート 2322 (72)発明者 スティーブン ローゼンバーグ アメリカ合衆国,ミシガン 48640,ミ ッドランド,ローズマリー コート 25 (72)発明者 イン フン ソ アメリカ合衆国,ミシガン 48640,ミ ッドランド,ディローウェイ ドライブ 1524 (56)参考文献 特開 平2−84509(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C08G 73/00 - 73/26 C08L 79/00 - 79/08

Claims (18)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下式 【化1】 (上式中、各Arは芳香族基であり、 DMは重合条件において安定でありかつ不活性である二
    価有機部分であり、 各Zは独立に、水素原子が結合している窒素原子、硫黄
    原子、又は酸素原子であり、1つのZH基は1つのNH
    2 基に対して芳香族基Ar上においてオルト位にあり、 各Qは電子不足炭素基である)により表されるように、
    脱水溶媒酸中において、選ばれた量のAA−ポリベンゾ
    アゾール(PBZモノマーを選ばれた量のBB−PB
    Zモノマーと反応させることによる、又はAB−PBZ
    モノマー同士を反応させることによるPBZポリマーの
    合成方法であって、以下の工程、 (1)AA−PBZモノマーとBB−PBZモノマー
    、又はAB−PBZモノマー同士を反応させてPBZ
    オリゴマーを含む反応混合物を形成すること、 (2)高分子量PBZポリマーを含むドープが形成する
    条件下で1時間以下の滞留時間で連続反応器内で工程
    (1)より得られた反応混合物の一部を選ばれた量の連
    鎖延長剤及び/又は連鎖停止剤と接触させること、 (3)工程(2)より得られたドープ及び/又はポリマ
    ーの特性を測定すること、 (4)工程(2)の反応混合物の残りの部分に加えられ
    る連鎖延長剤及び/又は連鎖停止剤の選ばれた量を調節
    し測定した特性が選ばれた値をみたすドープ及び/又は
    ポリマーを得ることを含むことを特徴とする方法。
  2. 【請求項2】 工程(1)の反応がBB−PBZモノマ
    ーのモルあたり0.75〜0.99モルのAA−PBZ
    モノマーを含み、そしてAA−PBZモノマーが連鎖延
    長剤として工程(2)で加えられる、請求項1記載の方
    法。
  3. 【請求項3】 AA−PBZモノマー及びBB−PBZ
    モノマーのいずれも工程(1)において4パーセント以
    上モル過剰でない、請求項1又は2記載の方法。
  4. 【請求項4】 工程(2)の連続反応器内の溶液の滞留
    時間が20分以下である、請求項1〜3のいずれか1項
    記載の方法。
  5. 【請求項5】 工程(2)の連続反応器が一軸又は多軸
    スクリュー押出機である、請求項1〜4のいずれか1項
    記載の方法。
  6. 【請求項6】 連鎖停止剤が工程(2)において反応に
    用いられるモノマーの5モルパーセント以下加えられ、
    そして連鎖停止剤が (a)o−アミノフェノール、 (b)o−アミノベンゼンチオール、 (c)o−ジアミノベンゼン、 (d)安息香酸、 (e)ハロゲン化ベンゾイル、又は (f)アルキルベンゾエートエステルのいずれか1つで
    ある、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
  7. 【請求項7】 工程(3)で測定される特性が (a)ドープ粘度、又は (b)ポリマー分子量のいずれかである、請求項1〜6
    のいずれか1項に記載の方法。
  8. 【請求項8】 下式 【化2】 (上式中、各Arは芳香族基であり、 DMは重合条件において安定でありかつ不活性である二
    価有機部分であり、 各Zは独立に、水素原子が結合している窒素原子、硫黄
    原子、又は酸素原子であり、1つのZH基は1つのNH
    2 基に対して芳香族基Ar上においてオルト位にあり、 各Qは電子不足炭素基である)により表されるように、
    脱水溶媒酸中において、選ばれた量のAA−PBZモノ
    マーを選ばれた量のBB−PBZモノマーと反応させる
    ことによる、PBZポリマーの合成方法であって、以下
    の工程、 (1)脱水溶媒酸中BB−PBZモノマーのモルあたり
    0.75〜0.99モルのAA−PBZモノマーを反応
    させPBZオリゴマーを含む反応混合物を形成するこ
    と、 (2)この反応混合物を貯蔵すること、そして (3)この反応混合物を追加AA−PBZモノマーと接
    触させ、反応を続けPBZポリマーを形成すること、を
    含むことを特徴とする方法。
  9. 【請求項9】 工程(1)の反応がBB−PBZモノマ
    ーのモルあたり0.96〜0.99モルのAA−PBZ
    モノマーを含む、請求項8記載の方法。
  10. 【請求項10】 追加AA−PBZモノマーの量が工程
    (1)のBB−PBZモノマーのモルあたり少なくとも
    0.01モルであり、そして工程(1)の理論量以下で
    ある、請求項8又は9記載の方法。
  11. 【請求項11】 下式 【化3】 (上式中、各Arは芳香族基であり、 DMは重合条件において安定でありかつ不活性である二
    価有機部分であり、 各Zは独立に、水素原子が結合している窒素原子、硫黄
    原子、又は酸素原子であり、1つのZH基は1つのNH
    2 基に対して芳香族基Ar上においてオルト位にあり、 各Qは電子不足炭素基である)により表されるように、
    脱水溶媒酸中において選ばれた量のAA−PBZモノマ
    ーを選ばれた量のBB−PBZモノマーと反応させるA
    A/BB−PBZポリマーの合成方法であって、以下の
    工程、 (1)少なくとも60℃の温度においてバッチ反応器内
    で撹拌しながらAA−PBZモノマー及びBB−PBZ
    モノマーを含む混合物を反応させPBZポリマーを含む
    混合物を形成すること、そして (2)工程(1)の反応混合物を少なくとも150℃の
    温度においてPBZポリマーを含むドープが形成する条
    件下一軸スクリュー又は多軸スクリュー押出機に通すこ
    と、 を含み、工程(1)の反応がBB−PBZモノマーのモ
    ルあたり0.75〜0.99モルのAA−PBZモノマ
    ーを含み、そして工程(2)の間又は直前に反応混合物
    に追加AA−PBZモノマーを加えることを特徴とする
    方法。
  12. 【請求項12】 AA−PBZモノマー及びBB−PB
    Zモノマーがポリベンゾオキサゾール又はポリベンゾチ
    アゾールポリマーの製造に適したタイプである、請求項
    1〜11のいずれか1項に記載の方法。
  13. 【請求項13】 AA−PBZモノマーが (a)テレフタル酸、 (b)テレフタロイルハロゲン化物、 (c)ジアルキルテレフタレートエステル、 (d)ビス(4−安息香酸)、 (e)ビス(4−ベンゾイルハリド)、又は (f)ビス(4−アルキルベンゾエート)のいずれかで
    ある、請求項1〜12のいずれか1項に記載の方法。
  14. 【請求項14】 BB−PBZモノマーが (a)4,6−ジアミノレゾルシノールもしくはその
    塩、 (b)2,5−ジアミノヒドロキノンもしくはその塩、
    又は (c)2,5−ジアミノ−1,4−ジチオベンゼンもし
    くはその塩のいずれかである、請求項1〜13のいずれ
    か1項に記載の方法。
  15. 【請求項15】 反応がポリリン酸を含む溶媒中で行わ
    れる、請求項1〜14のいずれか1項に記載の方法。
  16. 【請求項16】 60℃〜190℃の温度においてオリ
    ゴマーが形成される、請求項1又は8記載の方法。
  17. 【請求項17】 170℃〜230℃の温度においてオ
    リゴマーが反応しポリベンゾアゾールポリマーが形成す
    る、請求項1又は8記載の方法。
  18. 【請求項18】 オリゴマーが5〜75個の繰り返し単
    位を含む、請求項1又は8記載の方法。
JP03255412A 1990-10-19 1991-10-02 ポリベンゾアゾールポリマーの段階重合方法 Expired - Lifetime JP3123144B2 (ja)

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