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DE2331380A1 - Polyamidimide und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Polyamidimide und verfahren zu deren herstellung

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Publication number
DE2331380A1
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DE
Germany
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reaction product
organic
polyamidimide
diisocyanate
reaction
Prior art date
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Pending
Application number
DE2331380A
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English (en)
Inventor
William Andrew Fessler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
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Pending legal-status Critical Current

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    • C09D5/00—Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, characterised by their physical nature or the effects produced; Filling pastes
    • C09D5/44—Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, characterised by their physical nature or the effects produced; Filling pastes for electrophoretic applications
    • C09D5/4419—Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, characterised by their physical nature or the effects produced; Filling pastes for electrophoretic applications with polymers obtained otherwise than by polymerisation reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
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    • C08G18/06—Polymeric products of isocyanates or isothiocyanates with compounds having active hydrogen
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    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
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    • C08G73/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a linkage containing nitrogen with or without oxygen or carbon in the main chain of the macromolecule, not provided for in groups C08G12/00 - C08G71/00
    • C08G73/06—Polycondensates having nitrogen-containing heterocyclic rings in the main chain of the macromolecule
    • C08G73/10—Polyimides; Polyester-imides; Polyamide-imides; Polyamide acids or similar polyimide precursors
    • C08G73/14—Polyamide-imides
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Description

Polyamidimide und Verfahren zu deren Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft. Polyamidimide und ein Verfahren zur Herstellung dieser Materialien. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Reaktionsprodukte von Trimellitsäureanhydrid, organischem Diamin und Tolylendiisocyanat, die verwendet werden können zum Eintauchbeschichten von elektrischen Leitern und die umgewandelt werden können zu Zusammensetzungen zum elektrischen Beschichten mit verbesserter Lagerstabilität.
Die Polyamidimide der vorliegenden Erfindung können mehr ins einzelne gehend definiert werden als Reaktionsprodukte von (A) einem organischen Diisocyanat und· (B) dem zwei Carboxylgruppen ; aufweisenden sauren Reaktionsprodukt von 2 Molen Trimellitsäureanhydrid pro Mol organischem Diamin, wobei zur Herstellung des (A)-(B)-Polyamidimid-Reaktionsproduktes (A) in einer solchen Menge verwendet wird, die mindestens ausreicht, um ein im wesent- liehen stochiometrisch.es Äquivalent des Isocyanate für die Carboxy-
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gruppen von (B) zu schaffen.
Zu den organischen Diaminen, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, gehören Diamine der folgenden .Formel
(1) NH2RNH2,
worin R für einen zweiwertigen Kohlenwasserstoffrest mit 2 bis l8 Kohlenstoffatomen steht, der ausgewählt ist aus Alkylen-und Arylenresten. Beispiele für Alkylenreste, die für R stehen können, nsind Äthylen, Trimethylen, Tetramethylen, Pentamethylen usw, und für Arylenreste sind Beispiele Phenylen, ToIylen, Xylylen, Naphthylen, Anthrylen usw. Außerdem kann R auch ein zweiwertiger organischer Rest der folgenden Formel sein
R1QR
worin R1 ein zweiwertiger Arylenrest der gleichen Bedeutung wie R ist und Q ist ein zweiwertiger Rest, ausgewählt aus Alkylenresten mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, S, 0, 0 0
II It
C, S und Si. Einige der organischen Diamine, die in den Rahmen
der Formel (1) fallen, sind z.B. die folgenden: m-Phenylendiamin, p-Phenylendiamin, 4,4'-Diamino-33 5,3'35'-tetramethyl-dipheny1-methan, 4,41-Diamino-diphenylpropan. 4,4'-Diamino-diphenylmethan, 4,4'-Diamino-diphenylsulfid, 4,4'-Diamino-diphenylsulfon, 3,3'-Diamino-diphenylsulfon, 4,4'-Diamino-diphenylather, 4,4'-Diamino-3,5,3',5l-tetrachlordiphenylmethan, 2,6-Diaminopyridin, Bis(4-aminophenyl)diäthyl-silan, Bis(4-amino-phenyl)phosphinoxid, Bis(4-amino-phenyl)-N-methylamin, 1,5-Diamino-naphthalin, 3,3'-Dimethyl-4,4I-diamino-biphenyl, 3,3'-Dlmethoxy-benzidin, .' 2,4-Bis-(beta-amino-t-butyl)toluol, Bis-(p-beta-t-butylphenyl)-' äther, p-Bis-(2-methyl-4-amino-pentyl)benzol, p-Bis-(l,1-dimethyl-5-amino-pentyl)benzol, m-Xylylen-diamin, p-XyIylendiamin,
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Bi.s( p-amino-cyclohexyl) me than, Hexamethylendiamin, Heptamethylendiamin, Octamethylendiamin, Nonamethylendiamin, Decamethylendiamin usw.
Zu den im Rahmen der vorliegenden Erfindung brauchbaren organischen Diisocyanaten gehören Verbindungen wie die der folgenden Formel
(2) R"(NCO)p>
worin R" ein zweiwertiger Arylenrest mit 6 bis 18 Kohlenstoffatomen ist, z.B. Phenylen, ToIylen, Xylylen, Naphthylen, Anthrylen usw. Beispiele für die Diisocyanate der Formel (2) sind 2,4-Toluoldiisocyanat, 4,4'-Diisocyanat-diphenylmethan und isomere Mischungen aus 2,4-Tolylendiisocyanat und 2,6-Tolylendiisocyanat usw.
Bei Durchführung der Erfindung wird zuerst die Umsetzung zwischen dem organischen Diamin und Trimellithsaureanhydrid unter Verwendung eines Verhältnisses von 2 Molen Trimellxthsäureanhydrid pro Mol organischen Diamins in Gegenwart eines geeigneten inerten organischen Lösungsmittels vorgenommen. Ein geeignetes inertes organisches Lösungsmittel ist jedes Lösungsmittel, das im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Erleichterung der Umsetzung zwischen den verschiedenen Bestandteilen der Reaktionsmischung verwendet werden kann, ohne selbst in die Umsetzung einzugreifen, wie z.B. N-Methylpyrrolidon usw.
Die Umsetzung zwischen Trimellxthsäureanhydrid und dem organischen Diamin kann unter Umgebungsbedingungen in einer inerten Atmosphäre, wie einer Stickstoffatmosphäre, durchgeführt werden, während die Reaktionsmischung z.B. mechanisch gerührt wird. Die Temperaturen während der Umsetzung unter Bildung des zwei Dicarboxylgruppen aufweisenden sauren Reaktionsproduktes können in vieltem Rahmen variieren und die Reaktion kann vorzugsweise entweder unter Umgebungsbedingungen oder solchen Bedingungen durch-,
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geführt werden, bei denen eine Temperatur von 200 °C nicht überschritten wird. Die Reaktionszeiten können auch in weitem Rahmen variieren in Abhängigkeit von der Art der Reaktanten und der Art und Weise, in der man rührt und ähnlichen Größen. Danach kann zu der Mischung ein azeotropes Mittel, wie ein Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel hinzugegeben werden, z.3. Benzol, Toluol, Xylol, Cyclohexan, und zwar zusammen mit einem Katalysator, wie Triphenylphosph.it usw., der dazu verwendet werden kann, um die Entfernung des Reaktionswassers während des Erhitzens am Rückfluß auf Temperaturen bis zu 200 0C für 4 Stunden oder mehr zu erleichtern. Nachdem eine ausreichende Menge Dehydratatxonswasser gesammelt worden ist, läßt man die verbleibende Mischung sich abkühlen, um das Ausfällen des Produktes zu erreichen. Wenn es gewünscht ist, kann eine Probe der Reaktionsmischung zur Bestimmung des Carboxygehaltes titriert werden.
Nachdem das Carboxy-Äquivalentgewicht bestimmt worden ist, kann man eine Lösung des organischen Diisocyanats in einem geeigneten organischen Lösungsmittel zu dem Reaktionsprodukt aus Trimellitsäureanhydrid und organischem Diamin bei einer Temperatur im Bereich von 100 bis 200 C hinzugeben. Gegebenenfalls kann zur Erleichterung der Umsetzung ein tertiäres Amin hinzugefügt werden. Die Zugabe kann über eine Dauer von 3 Stunden oder weniger erfolgen, indem man das Diisocyanat tropfenweise hinzugibt, bis mindestens eine stöchiometrische Äquivalenz zwischen dem Isocyanat und den Carboxygruppen erreicht worden ist. Dann kann man die erhaltene Mischung auf eine Temperatur im Bereich von 180 bis 200 C für eine weitere Zeit von 2 Stunden oder weniger erhitzen. Die Lösung des Polyamidimids kann dann entweder direkt als Zusammensetzung zum Eintauchbeschichten verwendet werden oder man kann sie in eine Zusammensetzung zum elektrischen Beschichten umwandeln. Versuche haben ergeben, daß optimale Ergebnisse erhalten werden können, wenn nach der Zugabe des ersten Äquivalents des organischen Diisocyanats die Mischung titriert wird, um den restlichen Carboxygehalt zu bestimmen. Diese restliche Säure kann dann mit einem weiteren stöchiometrischen Aqui-
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— Covalent organischen Dlisocyanats umgesetzt werden.
Die Umwandlung des Reaktionsproduktes Polyamidimid in eine elektrisch aufbringbare Polyamidsäuresalzmischung kann einfach dadurch erfolgen, daß man eine vorbestimmte Menge einer starken Base in Gegenwart eines polaren organischen Lösungsmittels zu dem Polyamidimid hinzugibt. Geeignete polare organische Lösungsmittel umfassen die vorgenannten aprotischen organischen Lösungsmittel, wie N-Methylpyrrolidon, Dimethylacetamid usw. Es können alle organischen oder anorganischen Basen mit einer Ioni-
—2
sationskonstante von mehr als 10 und vorzugsweise solche mit
einer Ionisationskonstante von mehr als 10 in Wasser bei 25 °C verwendet werden. Einige dieser Basen haben die folgende Formel
MOH,
wobei M ausgewählt ist aus Alkalimetallionen und Tetraorganoammoniumionen. In den Fällen, in denen M ein Alkalimetallion ist, kann M auch chemisch mit -OG-Resten verbunden sein, wobei G ausgewählt ist aus Alkylresten und Arylresten. Beispiele für die verwendbaren Basen sind Alkalimetallhydroxide, wie Natrium-, Kalium-, Lithiumhydroxid usw., Tetraalkylammoniumhydroxide, wie Tetramethyl-, Tetrab'utylammoniumhydroxid usw., Alkoxide, wie Nätriummethoxid, Kallumäthoxid usw., Phenoxide, wie Nätriumphenoxid, Kaliumphenoxid usw. Außerdem können auch organische Basen verwendet werden, wie Guanidin usw. sowie Alkalimetall-
salze schwacher Säuren mit Säuredissoziationskonstanten von 10 oder weniger, die Alkalimetallhydroxide in situ in wäßrigen Lösungen erzeugen.
Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendbaren polaren organischen Lösungsmittel sind vorzugsweise polare aprotische Lösungsmittel, die gegenüber den Reaktanten während dei· erfindungsgemäßen Umsetzungen chemisch inert sind. Beispiele für ver-· wendbare Lösungsmittel sind N,N-Dimethylformamid, Ν,Ν-Dimethylacetami.d,A N,N-Diäthy !.formamid, Ν,Ν-Diäthylacetamid, N,N-Di-
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—· 6 —
me thy line thoxy acetamid, N-Methylcaprolaetam, DimethyIsulfoxid, N-Methyl-2-pyrrolidon, Tetramethylharnstoff,1Pyrldin, Oimethylsulfön, Tetramethylensulfon, N-Methylformamid, N-Acetyi-2-pyrrolidon. Außerdem können auch andere Verdünnungslösungsmittel verwendet werden, die während des erfindungsgemäßen Verfahrens im wesentlichen inert sind, wie aliphatische Kohlenwasserstoffe, Äther usw.
Es wird ausreichend' Base hinzugefügt, um pro Gramm Polyamidimid 0,05 bis 1 Milliäquivalent des Polyamidsäuresalzrestes zu schaffen. Die Gesamtmenge der funktioneilen Imidgruppen kann leicht durch potentiometrische Titration bestimmt werden, wobei so lange Base hinzugegeben wird, bis man den Endpunkt erreicht. Ist die Gesamtmenge der funktionellen Imidgruppen erst einmal bekannt, dann kann man die richtige Menge Base zu der Mischung hinzugeben, um das gewünschte Verhältnis der Milliäquivalente 'Base pro Gramm Polyamidimid zu erhalten.
Ist das Gewicht der Probe in Gramm und das für die Erreichung des Endpunktes erforderliche Basenvolumen bekannt, kann die Gesamtmolzahl des Imids in der Probe leicht unter Verwendung der folgenden Beziehung errechnet werden:
ml Base χ Normalität der Base
Gewicht der Polymerprobe (gT
Das Gewicht des Polymers, das ein Äquivalent der funktionellen Gruppen aufweist, kann auch unter Zuhilfenahme der folgenden Formel errechnet werden:
_^ 1000
Milliäquivalente funktioneller Gruppen/g des Polymers
Die erhaltene Polyamidsäuresalzmischung kann dann für die elektrische Beschichtung von Leitern entweder in einem diskontinuierlichen oder einem kontinuierlichen Verfahren verwendet werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert. In diesen Beispielen sind alle angegebenen Teile Ge- ' wiehtsteile. .
Beispiel 1
Zu einer Lösung, die 39*65 Teile Methylendianilin, gelöst in 255 Teilen N-Methylpyrrolidon, enthielt, wurden 76,85 Teile Trimellithsäureanhydrid hinzugegeben, wobei eine Lösung mit einem molaren Verhältnis von Trimellithsäureanhydrid zu Methylendianilin von 2 zu 1 entstand. Die Mischung wurde in einem Eisbad abgekühlt und der Inhalt 3 Stunden gerührt. Dann ließ man sich die Lösung auf Raumtemperatur erwärmen und gab 50 Teile Xylol und 0,1 Teil Triphenylphosphit hinzu. Diese Lösung erhitzte man 10 Stunden am Rückfluß. Das dabei entstehende Wasser wurde gesammelt. Eine Probe der Lösung wurde herausgenommen und mit einer Standardbasenlösung nach einem bekannten Verfahren titriert und es wurde festgestellt, daß die Lösung 1,014 Milliäquivalente Carboxygruppen pro Gramm Lösung enthielt. Dies zeigt an, daß 4,4' -Bis (N-4-carboxyphthalimido)diph.enylmethan . entstanden war.
Zu 128,32 Teilen des, wie oben beschrieben, hergestellten Bis-(N-4-carboxyphthalimido)diphenylmethans wurde eine Lösung von 11,33 Teilen einer isomeren Mischung von Toluoldiisocyanaten in einer N-Methylpyrrolidonlösung bei 20 % Festkörperanteil hinzugegeben, w-obei man eine Mischung mit 130,12 Milliäquivalenten Carboxygruppen und 130,12 MÜLiäquivalenten Isocyanat erhielt. Die Zugabe des Toluoldiisocyanats erfolgte tropfenweisen während einer Stunde, beginnend mit einer Temperatur von 110 0C. Dann erhöhte man die Temperatur auf I60 C und hielt diese Temperatur eine weitere Stunde, nachdem die Zugabe beendet war. Dann ließ man die Mischung sich auf Raumtemperatur abkühlen. Man erhielt eine viskose rotbraune Lösung.
Zu der oben beschriebenen Polyamidimid-Lösung wurde unter Rühren eine Stunde lang tropfenweise eine 1-normale Natriumhydroxid-Iö3ung hinzugegeben, wobei man ein Endprodukt mit 0,8 Milli-
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äquivalenten Natriumhydroxid pro Gramm Polamidimid erhielt. Dann stellte man die erhaltene Mischung auf einen Festkörpergehalt von 5 % und ein Verhältnis von 2 Teilen N-Methy!pyrrolidon pro Teil Wasser ein, um-eine Zusammensetzung zum elektrischen Beschichten zu erhalten. Es wurde unter Anwendung des gleichen Verfahrens auch noch eine Ersatzlösung mit einem Festkörpergehalt von 7,5 % hergestellt.
Unter Anwendung der in der Zeichnung abgebildeten Apparatur wurde eine etwa 5 cm (entsprechend 2 Zoll) breite Aluminiumfolie bei einer Foliengeschwindigkeit von etwa 45 cm (entsprechend 1 1/2 US-Fuß) pro Minute und einem Strom von etwa 1 Ampere mit einem gehärteten Polyamidimid-Film von einer Dicke von etwa 0,02 mm (entsprechend 8/10 000 Zoll) beschichtet. Während eines 3 3/4 Stunden dauernden kontinuierlichen elektrischen Beschichtens wurden 38OO Teile der 7 1/2 % Festkörperanteil aufweisenden Ersatzlösung verwendet, die bei 24 eingeführt wurde und man sammelte 19,85 Teile Base und Lösungsmittel durch das Überflußrohr 23, das die Base und das Lösungsmittel von den Kathodenabteilen, die aus den Kathoden 13 und 14 und den keramischen Membranen und 21 bestanden, abführte. Die Temperatur des Bades wurde unter Verwendung einer Kühlschlange 19 und einer Pumpe l8 bei 35 bis 45 C gehalten. Während des kontinuierlichen elektrischen Beschichtens der Aluminiumfolie wurde die Badzusammensetzung bei einem Festkörperanteil von 5 % konstant gehalten und die Menge des im Bade vorhandenen Natriumhydroxids reichte aus, um 0,8 Milliäquivalente Base pro Gramm der Polymerteilchen zu ergeben.
Beispiel 2
Das obige Verfahren wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß anstelle des nach der Erfindung hergestellten Polyamidimide, das ein Verhältnis von 2 Molen Trimeliithsaureanhydrid pro Mol organischem Diamin aufwies, ein Poiyamidimid verwendet wurde, das hergestellt war durch Umsetzung zwischen im wesentlichen gleicher, molaren Mengen von Trimeliithsaureanhydrid und Methylendianilin, woraufhin das erhaltene Amidimid-Reaktionsprcdukt mit eir.e::.
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■_ 9 -
stöchiometrischen Äquivalent der isomeren Toluoldiisocyanat-Mischung umgesetzt wurde. Es wurde dann wieder ein Bad zum elektrischen Beschichten nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt. Unter Anwendung der Vergleichszusammensetzung wurde eine Aluminiumfolie elektrisch beschichtet. Es wurde ein Vergleich der beiden Polyimid-beschichteten Aluminiumfolien gemacht, um die Bedeutung der Zusammensetzung nach der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf die Fähigkeit zu zeigen, einem Zerbrechen bei einer Biegung um l80° in Luft von 300 0C zu widerstehen, und es wurde auch der prozentuale Gewichtsverlust nach einer Aufbewahrung von 24 Tagen bei 250 0C festgestellt. Die in der folgenden Zusammenstellung enthaltenen Ergebnisse zeigen, daß das erfindungsgemäß hergestellte Polyamidimid überraschend besser war als das unter Verwendung der gleichen Ausgangsstoffe aber mit anderen Verhältnissen dieser Stoffe zueinander hergestellte und außerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung liegende Produkt.
prozentualer
Gewichtsverlust l80u Biegung
Erfindungsgemäßes Produkt 2 1/4 10 Stunden
Vergleichsprodukt 4 1/2 1 Stunde
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Claims (9)

  1. 2331330
    - ίο -
    Patentansprüche
    . Polyamidimid-Reaktions.produkt aus (A) einem organischen Diisocyanat und (B) dem zwei Carboxylgruppen auf v/eisen den sauren
    Reaktionsprodukt von 2 Molen Trimellithsäureanhydrid pro Mol eines organischen Diamins, wobei zur Herstellung des (A)-(B)-Polyamidimid-Reaktionsproduktes (A) in einer Menge verwendet
    wird, die mindestens ausreicht, ein im wesentlichen stöchiometrisches Äquivalent Isocyanat für die Carboxygruppen von
    (B) zu ergeben, und wobei das organische Diamin die folgende Formel hat
    worin R ausgewählt ist aus zweiwertigen Kohlenwasserstoffresten mit 2 bis 18 Kohlenstoffatomen und -R1QR'-Resten und
    R1 ein zweiwertiger Arylenrest und Q ausgewählt ist aus
    Alkylenresten mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, S, 0,
    0 0
    Il IT
    C, Si und S.
    Il
  2. 2. Polyamidimid nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet , daß das organische Diamin Methylendianilin ist.
  3. 3. Polyamidimid nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet , daß das organische Diisocyanat Toluoldiisocyanat ist.
  4. 4. Verfahren zum Herstellen eines Polyamidimids, gekenn
    zeichnet durch folgende Stufen:
    (1) Umsetzen von 2 Molen Trimellithsäureanhydrid pro Mol organischem Diamin in Gegenwart eines organischen Lösungsmittels, wobei ein Bis(N-4-carboxyphthalimido)organo-Reaktionsprodukt entsteht und
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    (2) Umsetzen des nach (1) erhaltenen Reaktionsproduktes mit einem Organodiisocyanat, das in der Reaktionsmischung in ■ einer Menge verwendet wird, die mindestens ausreicht, ein stöchiometrisches Äquivalent Isocyanat für die Carboxygruppen des Reaktionsproduktes nach (1) zu schaffen.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß ein Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel in Stufe (1) als azeotropes Mittel verwendet wird, um die Entfernung des Reaktionswassers zu bewirken.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das organische Diamin Methylendianilin
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Organodiisocyanat Toluoldiisocyanat ist.
  8. 8. Zusammensetzung zum elektrischen Beschichten, gekennzeichnet durch folgende Bestandteile: (1) Polyamidsäure, (2) Wasser, (3) organisches Lösungsmittel und (4) eine ausreichende Menge einer Base, um 0,05 bis 1 Milliäquivalent Base pro Gramm des Polymers zu ergeben, wobei die Polyamidsäure das Reaktionsprodukt eines Polyamidimide mit einer Base ist, die eine Ionisationskonstante von mehr als 10 in Wasser bei 25 0C hat und die Reaktion in Anwesenheit eines aprotischen organischen Lösungsmittels für das Polyamidimid durchgeführt wird, wobei das Polyamidimid das Reaktionsprodukt eines organischen Diisocyanats und des zwei Carboxygruppen aufweisenden sauren Reaktionsproduktes von 2 Molen Trimellithsaureanhydrid pro Mol eines organischen Diamins ist, wobei für die Herstellung des Polyamidimids das organische Diisocyanat in einer Menge verwendet wird, die mindestens ausreicht, um ein im wesentlichen stöchiometrische Äquivalent zv/ischen dem Isocyanat und den Carboxygruppen des zwei Carboxyl-
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    - 12 gruppen aufweisenden Reaktionsproduktes zu ergeben.
  9. 9. Zusammensetzung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß sie etwa 0,8 Milliäquivalente Natriumhydroxid pro Gramm Polymer enthält.
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