AT500472A1 - Verfahren zur verbindung von polyimidoberflächen mit den oberflächen weiterer harze - Google Patents

Description

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Verfahren zur Verbindung von Polyimidoberflächen mit den Oberflächen weiterer Harze

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung von Polyimidoberflächen mit den Oberflächen weiterer Harze.

Polyimide besitzen eine hohe thermische Stabilität, gute chemische Widerstandsfähigkeit, gute mechanische Eigenschaften wie einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie eine geringe Dielektrizitätskonstante, sodass sie etwa als dielektrische Schicht innerhalb einer Mehrschichtstruktur, als schützende Deckschicht im Halbleiterelement, als Lackierung der Kupferdrähte in elektrischen Maschinen, einen vielfältigen Anwendungsbereich besitzen. Dabei kann das Polyimid eine Grenzschicht einerseits zu einem Metall und andererseits zu einem weiteren Polymer aufweisen.

Die Haftungseigenschaften von Polyimiden sowohl zu Metallen als auch zu anderen Polymeren sind jedoch nicht sehr gut, sodass bereits viele Möglichkeiten beschrieben sind, die Haftungseigenschaften zu verbessern. Die Haftfähigkeit zu anderen Polymeren kann dadurch verbessert werden, dass die Oberfläche von Polyimiden modifiziert wird. Dies kann beispielsweise durch photochemische Oberflächenmodifizierung, etwa durch direkte UV-Bestrahlung, durch Plasmabehandlung etwa mittels Argonplasma oder mit Hilfe chemischer Verfahren erfolgen.

Eine Möglichkeit mit Hilfe chemischer Verfahren die Oberfläche zu modifizieren ist die alkalische Hydrolyse, wie sie etwa in EP-A 0 456 972 beschrieben ist. Dabei wird oberflächlich die Imidbindung des Polyimids angegriffen, wobei eine Amidgruppe und eine freie Carboxylgruppe entsteht. Die freie Carboxylgruppe kann für weitere chemische Reaktionen etwa mit Epoxy-Verbindungen, Hydrazinverbindungen oder Alkoholen verwendet werden. Da Epoxy-Verbindungen im Gegensatz zu Polyimiden eine vorzügliche Haftung zu anderen Materialien haben, wird empfohlen, eine dünne Epoxy-Schicht auf das Polyimid aufzubringen und dadurch eine exzellente Haftung zu weiteren Materialien zu erbringen (Seite 5, Zeilen 34-37).

Weiters ist dort beschrieben, dass durch Hydrolyse und Ringöffnung mittels Alkali oder Aminen, anschließendes Eintauchen in eine reduzierende Lösung und Eintauchen in ein Bekeimungsbad, eine Pd-Il-Salzlösung, metallische Palladium-Keime an der Polyimid-Oberfläche abgeschieden werden können. Dieses metallische Pd kann in der Folge die stromlose Abscheidung von metallischem Cu oder Ni katalysieren, worauf auf dieser Schicht elektrolytisch eine Metallschicht abgeschieden werden kann.

Dadurch können z.B. Leiterplatten hergestellt werden. • · • · · · * · * ···· · « • · * · · · · ·· ···· ·· Φ ··· φφφ 2 US 5,543,493 beschreibt die Behandlung der Oberfläche von Polyimiden mit verschiedenen Aminen in einem Lösungsmittel und anschließendem Trocknen, sowie deren Haftung an Epoxyharzen.

Unerwarteterweise konnte nun ein einfaches Verfahren zum Verbinden von Polyimidoberflächen mit den Oberflächen anderer Harze gefunden werden, bei dem mit Hilfe bestimmter Amine eine kovalente Bindung zu anderen Harzen hergestellt wird.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Verbindung der Oberfläche imidgruppenhaltiger Polymere mit der Oberfläche von weiteren Harzen, ausgewählt aus der Gruppe der ungesättigten Polyesterharze, (Meth)acrylatharze, Isocyanatharze, Dicyclopentadienharze, Siliconharze, Phenol-Formaldehyd-, Melamin-Formaldehyd-, Harnstoff-Formaldehyd- oder Keton/Aldehydharze, dadurch gekennzeichnet, dass die imidgruppenhaltigen Polymeren zuerst mit einer eine oder mehrere Doppelbindungen enthaltenden C2-C3o-Aminoverbindung, die gegebenenfalls weitere funktionelle Gruppen enthalten kann, und anschließend mit dem weiteren Harz umgesetzt wird, sodass das imidgruppenhaltige Polymer und das weitere Harz über die C2-C30-Aminoverbindung kovalent verbunden sind.

Imidgruppenhältige Polymere sind solche, die zumindest eine Imidfunktion in der Hauptkette haben. Es sind dies unter anderem Polyimide, Polyamidimide, Polyetherimide, Polyesterimide.

Polyimide sind Kondensationsprodukte von aliphatischen oder aromatischen Diaminen mit aromatischen Tetracarbonsäureanhydriden, beispielsweise von 4,4’-Diaminodiphenylether und Pyromellithsäuredianhydrid, Beispiele für Handelsprodukte sind Kapton und Vespel (DuPont).

Polyamidimide sind Kondensationsprodukte von aliphatischen oder aromatischen Diaminen mit aromatischen Tricarbonsäuremonoanhydriden, beispielsweise von 4,4’-Diaminodiphenylether oder Bis(4-Aminophenyl)methan und Trimellithsäureanhydrid, Beispiele für Handelsprodukte sind Torion (Amoco) und Kermel (Rhone-Poulenc). Polyetherimide sind Kondensationsprodukte von aliphatischen oder aromatischen Diaminen mit aromatischen Tetracarbonsäureanhydriden, beispielsweise von 4,4’-Diaminodiphenylether oder 1,4-Bis(4-aminophenoxy)benzene und Bis(3,4-dicarboxyphenyl)etherdianhydrid oder Bisphenol A bis(3,4-dicarboxyphenyl)ether dianhydrid, ein Handelsprodukt ist Ultem (GE). ··*···· I · • · • · · · • · · • · · · · · · ·· ···· ·· · ··· ··· 3

Polyesterimide sind Kondensationsprodukte von aliphatischen oder aromatischen Diaminen mit aromatischen Tetracarbonsäureanhydriden, beispielsweise von 4,4’-Diaminodiphenylether oder 4-4’-Diaminodiphenylmethan und das Kondensationsionsprodukt von Trimellithsäureanhydrid und dem Ethylenglycolester der Terephthaläureester, Beispiele für Handelsprodukte sind Imidex, Imipex (GE) und Terebec (Beck).

Beispiele für weitere Harze, die über die C2-C3o-Aminoverbindungen mit den imidgruppenhaltigen Polymeren kovalent verbunden werden können, sind ungesättigte Polyesterharze einschließlich ungesättigter Polyesterimidharze wie Roskydal UP (Bayer), Alpolit (Hoechst), Ludopal (BASF), Dicyclopentadienharze wie Dobeckan (Beck), Methacrylatharze wie Herberts E 4011 (Dupont), Roskydal UA (Bayer), Degaroute (Rohm), Isocyanatharze wie Desmophene (BASF), Vestanat (Hüls), weiters Siliconharze, Phenol-Formaldehydharze, Melamin-Formaldehydharze, Harnstoff-Formaldehydharze und Keton/Aldehyd- Harze. Die weiteren Harze sind gehärtet. C2-C3o-Aminoverbindungen, die eine oder mehrere Doppelbindungen besitzen und gegebenenfalls weitere funktionelle Gruppen enthalten können, sind beispielsweise C2-C30-Aminoverbindungen mit einer Doppelbindung wie Allylamin, 2-Methylallylamin, 3-Allyloxy-2-oxopropylamine, 5-Amino-1-penten-3-ol, 2-Vinyloxyethylamine, 1-Amino-5-hexene, 2-(Diallylamino)ethylamine, Oleylamin. Diese eignen sich insbesondere zur Verbindung mit ungesättigten Polyesterharzen einschließlich ungesättigten Polyesterimidharzen, (Meth)acrylatharzen oder Dicyclopentadienharzen.

Beispiele für Aminoverbindungen mit weiteren funktionellen Gruppen sind Aminoethylmethacrylsäureester, Aminopropylmethacrylsäureester, Aminoethylacrylsäure-ester, Aminopropylacrylsäureester, die sich insbesondere zur Verbindung mit ungesättigten Polyesterharzen, (Meth)acrylatharzen und Dicyclopentadienharzen eignen.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zuerst das Polyimid oberflächlich mit dem Amin reagieren gelassen. Je nach Amin und Polyimid wird die Modifizierung bei Temperaturen von Raumtemperatur bis 65 °C und Reaktionszeiten von wenigen Minuten bis zu 12 Stunden durchgeführt. Nach Waschen des Polyimids in reinem Lösungsmittel und Trocknen bei Raumtemperatur wird der Grad der Funktionalisierung der Polyimidoberfläche mittels IR-ATR (Attenuated Total Reflection) quantifiziert. Derart • · • · · ·····#· · · • · · · · · · ·· ···· ·· · ··· ··· 4 modifizierte Polyimidoberflächen werden zur Prüfung der Haftungsverbesserung mit Testharzen beschichtet und bei 150°C während 2 Stunden gehärtet.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Verbindung der Oberflächen von Polyimid beschichteten Kupferdrähten mit dem sie umgebenden Harz in elektrischen Maschinen. In einer elektrischen Maschine werden die fertig gewickelten Pakete von isolierten, polyimidbeschichteten Kupferdrähten mit einem Gießharz versiegelt, um sie mechanisch zu stabilisieren und gegen Umwelteinflüsse zu schützen. Dabei ist es wichtig, dass das Gießharz möglichst vollständig in alle Zwischenräume vordringt und möglichst ohne Fehlstellen die Polyimidoberfläche mit dem Gießharz verbindet.

Dies gelingt mit Hilfe der vorliegenden Erfindung besonders gut, da zwischen Polyimidoberfläche und dem Gießharz eine kovalente Bindung hergestellt wird. Dazu wird die Oberfläche des Polyimid beschichteten Kupferdrahts vorzugsweise vor dem Wickeln der Wicklung durch das Amin modifiziert. Grundsätzlich könnte die Modifizierung aber auch nach dem Wickeln oder sogar während des Wickelns vonstatten gehen. Die fertige Wicklung wird dann in das Gießharz getaucht und getränkt, das im Anschluss daran ausgehärtet wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein rasches Gelieren des Harzes erreicht, sodass das Harz nach dem Herausheben der Wicklung aus dem Gießharzbad möglichst wenig abrinnt und möglichst vollständig in allen Zwischenräumen der Wicklung erhalten bleibt, sodass die Oberfläche der beschichteten Kupferdrähte möglichst vollständig von Harz umgeben sind. Darüber hinaus wird eine verbesserte Haftung zwischen Harz und Draht erzielt, was die mechanische Stabilität der Wicklung erhöht.

Beispiel

Kaptonfolien der Größe 60 x 100 mm wurden senkrecht in Glasgefäße mit einem Durchmesser von 80 mm und einer Höhe von 150 mm eingebracht. Um ein Zusammenhaften der Folien während der Reaktion zu unterbinden, waren die Kaptonfolien durch Glasseparatoren getrennt. Die Glasgefäße waren mit verschiedenen Aminen, gelöst in Dioxan, gefüllt. w m « w w W w w V • * · • · • • M • · · • · · • · · • • • · · • • • ·· ···· • · • ··· M»

Da für unterschiedliche Amine eine unterschiedliche Reaktivität gegenüber der Polyimidoberfläche zu erwarten ist, wurde die Umsetzung der Folien mit Oleylamin, Allylamin und Aminoethylmethacrylat, jeweils in einer Konzentration 10 und 100 mmol/l in Dioxan bei einer Reaktionstemperatur von 65 °C untersucht. Dazu wurde die Reaktion nach 3 Stunden, 24 Stunden, 100 Stunden und 300 Stunden gestoppt, die Folie entnommen, mit Dioxan gewaschen, bei Raumtemperatur getrocknet und mittels IR-ATR die Abnahme der charakteristischen Imidbanden bei gleichzeitiger Zunahme der Amidbanden bestimmt. Die IR-Messung erfolgte auf einem Biorad FTS I35 Spektrometer mit einem SPECAC-Golden-Gate Top Plate (MK2) ATR-Aufsatz.

Die Berechnung der Intensitätsabnahme der Imidbanden erfolgte über die Integrale der IR-Signale für das cyclische Imid bei 1776 cm'1 gegenüber der Referenzbande des substituierten Aromatenrings bei 725 cm'1. Da die Eindringtiefe des Messstrahles etwa 2 -5 μηι beträgt, wird auch ein Bereich der Probenkörper erfasst, der für eine umgebende Harzmatrix nicht mehr zugänglich ist. Der angestrebte coreaktive Effekte der eingeführten funktionellen Gruppen gegenüber der Harzmatrix ist hingegen nur für den Bereich unmittelbar unter der Oberfläche des Polyimids zu erwarten, nicht jedoch für tiefer liegende Schichten des Polymers. Folglich kann bereits bei relativ geringen Abnahmen der Imidbandenintensität von einer ausreichenden oberflächlichen aminolytischen Umsetzung und Anreicherung coreaktiver Gruppen ausgegangen werden. Für die weitere Umsetzung der aminbehandelten Folien mit den verschiedenen Harzen wurden daher Folien eingesetzt, bei denen die relative Abnahme der Imid-Bandenintensität 10 -15 % betrug.

Die relative Abnahme der Imidbandenintensität im IR bei Umsetzung der Kaptonfolien mit Oleylamin, Allylamin und Aminoethylmethacrylat ist in Tabelle 1 zusammengefasst.

Zur Verbindung der oberflächenmodifizierten Polyimid-Folien mit verschiedenen Harzen und zur Überprüfung der Haftfähigkeit wurden Probenkörper hergestellt, welche aus je zwei, über einen Überlappungsbereich von 40 x 15 mm, mit den Harzen H1 und H2 verklebten Folien gleicher Größe (40 x 100 mm) bestanden. Die verwendete Harzmenge betrug stets 0,5 ml. Zur Entfernung von Lufteinschlüssen und zur Vereinheitlichung der Harzmenge zwischen den Folien wurden die Probenkörper für 10 Minuten mit einem 1000 g Gewicht beschwert. Anschließend wurde überschüssiges ausgelaufenes Harz entfernt und die Proben für zwei Stunden bei 150 °C gehärtet. Zur Überprüfung der • · • · · ·· ··*· • · · · • · Μ · #·· ♦·· 6

Gleichmäßigkeit wurde die Schichtdicke der Verklebung mittels Mikrometerschraube überprüft.

Die erkalteten Folien wurden mittels Dornbiegeversuch nach DIN 53152 auf ihre Haftung gegenüber den Harzen H1 und H2 überprüft.

Der Prüfvorgang bestand im Biegen von Folien über zylindrische Dorne definierter Durchmesser, indem nacheinander Dorne mit dem jeweils nächst kleineren Durchmesser verwendet wurden. Bestimmt wurde der Durchmesser des ersten Doms bei dem die Beschichtung riss oder vom Untergrund abgehoben wurde. Für alle Untersuchungen wurden Dorne mit Durchmessern von 32 bis 1 mm eingesetzt.

Ergebnisse der Dornbiegeprüfungen sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Die angegebenen Daten für den Dorndurchmesser sind Mittelwerte von je drei Messungen. Ein intakter Harzfilm bzw. unbeschädigter Probenkörper nach der Prüfung am kleinsten Dorn von 1 mm Durchmesser ist mit der Bezeichnung < 1 versehen.

Alle Dornbiegeversuche wurden bei Raumtemperatur durchgeführt.

Harz H1:

Dobeckan® MF 800INV\ Ester der Fumar- oder Maleinsäure mit Dihydrodicyclopentadien-Endgruppen, zusätzlich Triglycoleinheiten

Harz H2:

Herberts® E4011/129 (Du Pont): Ungesättigtes Polyesterimid mit Acrylat-Endgruppen

Tabelle 1

Amin Conc. [mmol/l] Behandlungszeit [h] rel. Intensitätsabnahme [%] Oleylamin 100 3 10,4 Allylamin 10 3 12,6 Aminoethylmethacrylat 100 20 12,3 • · • · · · · · * · · ···· · · • · · · · · · ·· ·«·· ·· · ······ 7

Tabelle 2: Dorndurchmesser beim Riss der Beschichtung bzw. Verklebung oberflächenmodifizierter Polyimidfolien

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Amin/Lauge Dorndurchmesser [mm] H2 unbehandelt 5 Oleylamin <1 Allylamin < 1 Aminoethylmethacrylat 1 unbehandelt 22 Oleylamin 12 Allylamin 8 Aminoethylmethacrylat 10

Claims (6)

1. • · « * · • ♦ ♦ ·♦ ··+· • ♦ · * • ♦ ♦·* ··· • t • • · ·· • ··· ··· 8 Patentansprüche 1. Verfahren zur Verbindung der Oberfläche imidgruppenhaltiger Polymere mit der Oberfläche von weiteren Harzen, ausgewählt aus der Gruppe der ungesättigten Polyesterharze, (Meth)acrylatharze, Isocyanatharze, Dicyclopentadienharze, Siliconharze, Phenol-Formaldehyd-, Melamin-Formaldehyd-, Harnstoff-Formaldehydoder Keton/Aldehydharze, dadurch gekennzeichnet, dass die imidgruppenhaltigen Polymeren zuerst mit einer eine oder mehrere Doppelbindungen enthaltenden C2-C30-Aminoverbindung, die gegebenenfalls weitere funktionelle Gruppen enthalten kann, und anschließend mit dem weiteren Harz umgesetzt wird, sodass das imidgruppenhaltige Polymer und das weitere Harz über die C2-C30-Aminoverbindung kovalent verbunden sind.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die imidgruppenhaltigen Polymere Polyimide, Polyamidimide, Polyesterimide oder Polyetherimide sind.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Harze ungesättigte Polyesterharze, Methacrylatharze oder Isocyanatharze sind.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehrere Doppelbindungen enthaltende C2-C30-Aminoverbindung eine C2-C20-Aminoverbindung mit einer Doppelbindung ist.
5. 5. Verfahren zur Fertigung einer elektrischen Maschine bei welchem die Oberfläche eines Polyimid beschichteten Kupferdrahts einer Wicklung der elektrischen Maschine mit einer eine oder mehrere Doppelbindungen enthaltenden C2-C3o-Aminoverbindung, die gegebenenfalls weitere funktioneile Gruppen enthalten kann, modifiziert wird und anschließend die Wicklung in Harz getaucht wird, sodass das modifizierte imidgruppenhaltige Polymer der Kupferdrahtbeschichtung und das Harz über die C2-C30-Aminoverbindung kovalent verbunden werden.
6. 6. Elektrische Maschine mit einer Wicklung aus Polyimid beschichtetem Kupferdraht, die mit Harz versiegelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das imidgruppenhaltige Polymer der Kupferdrahtbeschichtung und das Harz über eine C2-C30-Aminoverbindung kovalent verbunden sind.