Фенилон (ПФИФ)

Фенилон (поли – м – фениленизофталамид, ПФИФ, англ. poly[N,N′-(1,3-phenylene)isophthalamide] или PMIA) – полимер, относящийся к классу ароматических полиамидов. Фенилон, как и другие полиамиды, является продуктом поликонденсации и имеет следующую структурную формулу:

Физические свойства фенилона

При выпуске ненаполненной пластической массы фенилона продукт может иметь цвет от светло-желтого до темно-коричневого и иметь высокую степень прозрачности в тонких слоях.

Пресс-материалы, изготавливаемые из фенилона, представляет собой порошок белого или розоватого цвета в зависимости от марки продукта. (например, марки П, С1, С2)

Ниже представлена сравнительная таблица для трех наиболее известных марок пресс-материалов фенилона:

Термодинамические характеристики некоторых марок

Износостойкость фенилона при сухом трении в разы выше, чем у капрона. Так, при нагрузках 25-40 кгс/см2 и скорости скольжения 0,87м/с износостойкость капрона ниже, чем у фенилона, в 4 раза. При отсутствии эффективного отвода тепла от узла трения и локальных перегревах изделия (250°С и выше) работоспособность материала утрачивается. Именно поэтому изделия из фенилона стоит использовать при небольших нагрузках и относительно невысоких температурах.

Химические свойства фенилона

Химическая стойкость.

Изделия из фенилона практически не подвергаются изменениям под воздействием большинства углеводородных и других органических растворителей. Однако, при повышенных температурах на изделия могут оказать вредное воздействие полярные вещества, схожие по строению с нафтилом и производными крезола.

Что касается неорганических жидкостей, то стойкость фенилона к разбавленным кислотам и щелочам умеренная. Напротив, концентрированные кислоты и щелочи разрушают его, и интенсивность воздействия увеличивается с ростом температуры среды. Для наглядности ниже приведена таблица зависимости изменения свойств образцов фенилона П от влияния среды.

Влагостойкость.

Фенилон склонен обратимо поглощать влагу из воздуха. При этом по мере впитывания влаги изделие увеличивается в размерах примерно на 1,5-2,0%.

При поглощении воды образцом ухудшаются предел текучести при сжатии и твердость. Так, при содержании влаги 10% эти показатели снижаются вдвое. Чтобы вернуть состояние образца до прежних характеристик, проводят сушку с плавным нагреванием. Стартовая температура не должна превышать 150°С. Если подвергать изделия резкому перепаду температур, оно потеряет формоустойчивость.

Старение полимера.

При эксплуатации на открытом воздухе критических изменений свойств не было выявлено. Значительно менялись только электротехнические характеристики в зависимости от количества поглощенной влаги.

При выдержке образцов в воздушной среде при 200-250°С в течение 1000 ч растворимость в различных средах уменьшается. Это связано с структурными изменениями при высокотемпературной выдержке: степень кристалличности материала увеличивается.  Важным признаком начинающейся термической деструкции является выделение паров, содержащих воду, окись и двуокись углерода. Чтобы избежать значительных потерь массы при нагревании образцов, проводят предварительную выдержку при 150-200°С. Такой метод позволяет снизить количество паров, выделяющихся при нагревании.

Радиационная стойкость.

Фенилон не подвержен влиянию радиационных излучений.

Производство фенилона

Мономерным звеном фенилона является м – фениленизофталамид. Для его получения проводят поликонденсацию м – фенилендиамина и хлорангидрида изофталевой кислоты. м – фенилендиамин имеет следующую структурную формулу:

м – фенилендиамин (1,3-​фенилендиамин, MPDA) представляет собой бесцветные кристаллы.  Хлорангидрид изофталевой кислоты (изофталоилхлорид) также представляет собой белое кристаллическое вещество.

Оба вещества токсичны и требуют тщательного соблюдения техники безопасности при работе с ним (II класс опасности).

Сырье для получения фенилона.

Помимо м – фенилендиамина и хлорангидрида изофталевой кислоты в производстве применяются вспомогательные агенты – уловители побочных продуктов, например кальцинированная сода Na2CO3.

Виды технологических решений производства фенилона.

Фенилон получают поликонденсацией в растворе и в эмульсии; поликонденсация в расплаве не нашла применения из-за высоких температур плавления полимеров. В обоих вариантах ведения производства нужно учитывать особенности протекания самой реакции.

Реакция протекает при относительно низких температурах, а повышение температуры реакционной массы способствует понижению молекулярной массы полимера, то есть смещению равновесия в сторону обратной реакции. Поэтому важно отводить из зоны реакции не только побочный продукт – гидрохлорид, но и тепло. Эти нюансы стоит учитывать при выборе реактора полимеризации. Выбор метода ведения процесса выбирается в зависимости от ожидаемого назначения продукта. Так, при потребности произвести фенилон для последующего производства из него покрытий, пленок и лаков выбирают поликонденсацию в растворе; при необходимости в твердофазном продукте – поликонденсацию в эмульсии.

Поликонденсация в растворе.

Твердый изофталоилхлорид вводится в заранее охлажденный до температуры от -15 до -10°С раствор м – фенилендиамина в диметилацетамиде. Данный растворитель хорош тем, что за счет имеющейся амидной группы способен выводить из реакционной смеси побочный продукт – гидрохлорид, в результате чего образуется осадок гидрохлорида диметилацетамида. Время реакции составляет порядка 40-60 минут. По истечении времени полимеризационная смесь представляет собой фенилон-сырец в среде диметилацетамида с примесью его гидрохлорида до 10%. Получаемый раствор полимера можно использовать без дополнительной обработки. Если есть производственная необходимость, фенилон-сырец разбавляют, нейтрализуют, фильтруют, а после применяют. Чаще всего гораздо экономичнее оставлять полимер растворенным, ведь его все равно придется переводить в раствор для производства жидкой продукции на основе фенилона.

Схематично производство фенилона можно представить следующим образом:

Поликонденсация в эмульсии.

При производстве фенилона эмульсионным методом заранее готовят две фазы. Первая – раствор хлорангидрида изофталевой кислоты в тетрагидрофуране, а вторая – охлажденный до 5-10°С водный раствор соды и м - фенилендиамина. Далее обе фазы направляют в реактор синтеза, и при тщательном перемешивании периодически вводят порции воды для отвода побочного продукта. Полимер образуется преимущественно в органической фазе. После синтеза полимер поступает на осаждение и фильтрацию. Фильтрат промывают горячей водой и снова фильтруют.  Сушку продукта производят под вакуумом при температуре 100-110°С и просеивают. 

Марки, применение и нормативные документы фенилона

В России известны следующие марки фенилона:

Пресс-материал Фенилон П (ТУ 6-05-221-101-71)

Пресс-материал Фенилон С1 (ТУ 6-05-221-101-71)

Пресс-материал Фенилон С2 (ТУ 6-05-221-226-72)

Пресс-порошок Фенилон С3

Пресс-порошок Фенилон С4

Марка С4 применяется для производства лака ЛФС-4 (ТУ В-191-70), а марка С1 – для ЛФС-1 (ТУ В-117-68) В чистом виде фенилон не применяется; его используют для производства конструкционных материалов, волокон и изделий из них, эксплуатируемых в экстремальных условиях (от -80 до + 200°С). На данный момент уже производятся и используются изделия из фенилоновой бумаги и картона (самолетостроение), узловые конструкционные элементы в механизмах (машиностроение), элементы электротехнических изделий (платы, пластины, микровыключатели). Ввиду относительной новизны материала до сих пор ведутся исследования и поиски новых путей применения продуктов на его основе. 

Львиную долю рынка фенилона занимает Китай (производитель «Jantei Spandex»): SHANGHAI KEAN TECHNOLOGY CO., LTD. Shanghai Acmec Biochemical Technology Co., Ltd. Henan Tianfu Chemical Co.Ltd. Merck KGaA Lynnchem Sigma-Aldrich Второе место в мире по поставкам фенилона занимают США (производитель DuPont, торговое название «Номекс»): Alfa Chemistry BOC Sciences Помимо Китая и США поставками занимаются SIGMA-RBI, Швейцария. Производителем в Японии является «Teijin». В России производителем фенилона является АО «Полимерсинтез», а поставками занимается ООО «Унипласт». Обе организации базируются в г. Владимир.