DE1595733C

DE1595733C - Process for the production of polyimides

Info

Publication number: DE1595733C
Authority: DE
Inventors: Fred Frank Scotia N.Y. Holub (V.St.A.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Publication date: 1972-10-12

Description

oderor

Stickstoffatomen Phenylreste an Stelle von Wasserstoff tragen. Die besonderen Vorteile dieser Polyimide haben sich erst im Rahmen der Erfindung herausgestellt.Nitrogen atoms carry phenyl radicals instead of hydrogen. The particular advantages of these polyimides have only emerged in the context of the invention.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Polyimiden durch Umsetzung von Diaminen der allgemeinen FormelThe invention relates to a process for the preparation of polyimides by reacting Diamines of the general formula

H₂N-R-NH₂ H ₂ NR-NH ₂

in welcher R ein m- oder p-Phenylrest, ein ρ,ρ'-Diphenylenrest oder ein Rest der Formelin which R is an m- or p-phenyl radical, a ρ, ρ'-diphenylene radical or a residue of the formula

oderor

ist, mit Dianhydriden,> dadurch gekennzeichnet, daß man das Dianhydrid der Formelis, with dianhydrides,> characterized that the dianhydride of the formula

ist, mit Dianhydriden, dadurch gekennzeichnet, daß man das Dianhydrid der Formelis, with dianhydrides, characterized in that the dianhydride of the formula

verwendet.used.

Aus der britischen Patentschrift 903 272 ist es bereits bekannt, Diamine mit Dianhydriden zu Polyimiden umzusetzen, jedoch werden nach dieser Patentschrift keine Polyimide hergestellt, die an denFrom British patent specification 903 272 it is already known to convert diamines with dianhydrides to polyimides implement, but no polyimides are produced according to this patent, which to the

verweridet. .disgraced. .

Die gemäß dem Verfahren der Erfindung hergestellten Polymeren bestehen aus wiederkehrenden Einheiten der FormelThe polymers produced according to the process of the invention are composed of repeating ones Units of the formula

N-R-NO-

Hierin ist R einer der folgenden ResteHerein, R is one of the following radicals

und η ist eine ganze Zahl von mehr als 10 bis etwa 10 000 oder mehr, zweckmäßig von 100 bis 5000. Sie haben Molekulargewichte von 5000 bis 2 000 000 oder mehr, gemessen nach üblichen Methoden, z. B. durch Lichtstreuung.and η is an integer from more than 10 to about 10,000 or more, suitably from 100 to 5,000. They have molecular weights of 5,000 to 2,000,000 or more, measured by conventional methods, e.g. B. by light scattering.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Polymeren sind vollständig aromatisch. Hierunter sind Polymere zu verstehen, die keine Wasserstoffatome an ein Stickstoffatom gebunden enthalten, in denen jedoch die gesamten Wasserstoffatome sich nur in einem aromatischen Ring befinden. Die Anwesenheit der Phenylreste an Stelle von Wasserstoffatomen an den Stickstoffatomen hat mehrere gänzlich überraschende Vorteile zur Folge. In erster Linie sind die Polymeren in einer größeren Anzahl von Lösungsmitteln, insbesondere in den gebräuchlicheren Lösungsmitteln, die zur Herstellung von Drahtlacken verwendet werden, z.B. in Kresol, Xylenol oder Kresylsäuregemischen löslich. Ferner haben diese Polymeren niedrigere Schmelzpunkte als die entsprechenden Polymeren, in denen das Stickstoffatom mit Wasserstoffatomen substituiert ist. Dies ermöglicht die Verformung in den üblichen Apparaturen lediglich unter der Voraussetzung, daß etwas höhere Preß- und Spritztemperaturen angewendet werden. So haben die erfindungsgemäß hergestellten Polymeren Erweichungspunkte in der Nähe von 275· bis 375° C im Gegensatz zu den Schmelzpunkten über etwa 400° C oder darüber bei Polymeren, die im wesentlichen gleich sind mit der Ausnahme, daß sie an ein Stickstoffatom schon gebundene Wasserstoffatome an Stelle von Phenylgruppen enthalten. Schließlich verbessert die Anwesenheit von Phenylgruppen am Stickstoffatom wesentlich die Oxydationsbeständigkeit der Polymeren bei erhöhten Temperaturen, wobei praktisch nur eine geringe Farbänderung auftritt, auch wenn Polymere dieses Typs viele Stunden im Bereich von 250 bis etwa 300° C gehalten werden. Als Diamine der vorher angegebenen allgemeinen Formel kommen p-Phenylendiamin, m-Phenylendiamin, p-Biphenylendiamin, ρ,ρ'-Oxidianilin, Benzidin, 3,3'-Diaminobiphenyl oder Diamine der FormelnThe polymers produced by the process of the invention are completely aromatic. This refers to polymers that do not have any hydrogen atoms bonded to a nitrogen atom in which, however, the entire hydrogen atoms are only in one aromatic ring. The presence of the phenyl radicals in place of hydrogen atoms on the nitrogen atoms has several result in completely surprising advantages. First and foremost, the polymers are in greater numbers of solvents, especially in the more common solvents used in the manufacture of Wire enamels can be used, e.g. soluble in cresol, xylenol or cresylic acid mixtures. Further these polymers have lower melting points than the corresponding polymers in which the nitrogen atom is substituted with hydrogen atoms. This enables the deformation in the usual apparatus only provided that somewhat higher pressing and injection temperatures are used will. The polymers produced according to the invention have softening points in the vicinity of 275 to 375 ° C in contrast to the melting points above about 400 ° C or above for polymers that are im are essentially the same with the exception that they are hydrogen atoms already bonded to a nitrogen atom instead of phenyl groups. Finally, the presence of phenyl groups improves at the nitrogen atom, the oxidation resistance of the polymers at elevated temperatures is essential, practically only a slight change in color occurs, even if polymers of this type last for many hours be maintained in the range of 250 to about 300 ° C. The diamines of the general formula given above are p-phenylenediamine, m-phenylenediamine, p-biphenylenediamine, ρ, ρ'-oxidianiline, benzidine, 3,3'-diaminobiphenyl or diamines of the formulas

H,NH, N

NH,NH,

NH₇ NH ₇

in Frage.in question.

Die Kondensation des Dianhydrids mit dem Diamin kann in verschiedenen Lösungsmitteln durchgeführt werden, z. B. in Dimethylacetamid, N-Methyl-2-pyrrolidon oder Kresol. Die Anfangsreaktion ist die Bildung einer löslichen N-Phenylamidsäure der FormelThe condensation of the dianhydride with the diamine can be carried out in various solvents be e.g. B. in dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone or cresol. The initial reaction is the formation of a soluble N-phenylamic acid of the formula

ΤΤΛΤΤΛ

πυπυ

worin R und η die bereits genannte Bedeutung haben. Durch anschließendes oder weiteres Erhitzen entsteht hieraus das Polyimid.where R and η have the meaning already mentioned. Subsequent or further heating results in the polyimide.

Es wird angenommen, daß die hohe Stabilität, insbesondere die Hitzebeständigkeit der gemäß der Erfindung hergestellten Polymeren dem Fehlen von Wasserstoffatomen, die an ein Stickstoffatom in der Molekülkette gebunden sind, zuzuschreiben ist. Die Struktur dieses Polymeren wird in üblicher Weise, z. B. durch die Infrarotanalyse, bestätigt.It is believed that the high stability, in particular the heat resistance of the according to Invention produced polymers the lack of hydrogen atoms attached to a nitrogen atom in the Molecular chains are bound, is attributable. The structure of this polymer is in the usual way, z. B. by the infrared analysis confirmed.

Zur Herstellung der Polymeren werden im wesentlichen äquimolare Mengen der Bestandteile verwendet, jedoch sind 0,95 bis 1,05 Mol Dianhydrid pro Mol Diamin nicht ausgeschlossen.Essentially equimolar amounts of the constituents are used to produce the polymers, however, 0.95 to 1.05 moles of dianhydride per mole of diamine are not excluded.

a) Herstellung des Ausgangsproduktsa) Manufacture of the starting product

Ein Gemisch von 13,0 g Ν,Ν'-Diphenyl-p-phenylendiamin, 32,2 g 4-Chlorformylphthalsäureanhydrid und 50 ml Trichlorbiphenyl wurde 20 Minuten bei 260° C unter Stickstoff gerührt. Das Produkt wurde dreimal mit je 100 ml Benzol gewaschen und getrocknet, wobei ein Produkt erhalten wurde, das einen Schmelzpunkt von 306 bis 307° C hatte. Die Analyse ergab, daß die Verbindung 70,6% C, 3,2% H und 4,7% N enthielt. Berechnete Werte: 71,05% C, 3,31% H, 4,6% N.A mixture of 13.0 g Ν, Ν'-diphenyl-p-phenylenediamine, 32.2 g of 4-chloroformylphthalic anhydride and 50 ml of trichlorobiphenyl were stirred for 20 minutes at 260 ° C. under nitrogen. The product was used three times washed with 100 ml of benzene each time and dried to give a product which had a melting point from 306 to 307 ° C. The analysis indicated that the compound contained 70.6% C, 3.2% H and 4.7% N contained. Calculated values: 71.05% C, 3.31% H, 4.6% N.

example 1

Zu 12,04 g des gemäß a) hergestellten Dianhydrids wurden 50 g N-Methylpyrrolidon gegeben. Das Gemisch wurde etwa 5 Minuten am Rückfluß erhitzt, worauf 4,32 g m-Phenylendiamin zugesetzt wurden und das Gemisch 5 Minuten auf etwa 200° C erhitzt wurde. Die auf Raumtemperatur gekühlte Lösung war klar und viskos. Wenn eine Probe dieser Polymerlösung auf einen Objektträger aufgebracht und 30 Minuten bei 250° C gehalten wurde, wurde eine Polymerfolie erhalten, die bei etwa 300° C weich wurde und hart und geschmeidig war. Dieses Polymere bestand aus wiederkehrenden Einheiten der Formel50 g of N-methylpyrrolidone were added to 12.04 g of the dianhydride prepared according to a). The mixture was refluxed for about 5 minutes after which time 4.32 g of m-phenylenediamine was added and heating the mixture to about 200 ° C for 5 minutes. The solution cooled to room temperature was clear and viscous. When a sample of this polymer solution is applied to a microscope slide and Was held at 250 ° C for 30 minutes, a polymer film which softened at about 300 ° C was obtained and was hard and pliable. This polymer consisted of repeating units of the formula

in der η eine ganze Zahl von mehr als 10 ist.in which η is an integer greater than 10.

Example 2

Ein Gemisch von 3,04 g des Dianhydrids gemäß a), 1,0 g p^p'-Oxidianilin und 33 g Dimethylacetamid wurde 20 Minuten bei Raumtemperatur gerührt, wobei eine viskose Lösung erhalten wurde. Auf einer Glasplatte wurde ein Film aus dieser Lösung gegossen und 25 Minuten auf 100 bis 25O°C erhitzt. Nach der Abnahme vom Glas wurde eine geschmeidige Folie erhalten. Das gemäß diesem Beispiel hergestellte Polymere wurde bei etwa 300⁰C weich und bestand aus wiederkehrenden Einheiten der folgenden FormelA mixture of 3.04 g of the dianhydride according to a), 1.0 g of p ^ p'-oxidianiline and 33 g of dimethylacetamide was stirred for 20 minutes at room temperature, a viscous solution being obtained. A film of this solution was poured onto a glass plate and heated to 100 to 250 ° C. for 25 minutes. A pliable film was obtained after removal from the glass. The polymer produced according to this example ^{softened at about 300 °} C. and consisted of recurring units of the following formula

Hierin ist η eine Zahl über 10.Here η is a number over 10.

Ein ähnliches Polymeres wurde erhalten, wenn die vorstehend genannten Reaktionsteilnehmer in N-Methyl-2-pyrrolidon als Lösungsmittel an Stelle von Dimethylacetamid , umgesetzt wurden. Die optimalen Eigenschaften ,wurden erzielt, wenn die gegossene Folie über 30 Minuten allmählich von 100 bis 200° C erhitzt wurde. Das Polymere kann durch leichtes Erwärmen in Tetrachloräthan gelöst werden, wobei eine klare Uberzugslösung erhalten wird, die auf elektrische Leiter aufgebracht werden kann. Nickelplattierte Kupferleiter, die mit diesem Polymeren überzogen wurden, waren temperaturwechselbeständig nach 30 Minuten bei 250⁰C und hatten gute Flexibilität (Biegen des Drahtes um einen Dorn des gleichen Durchmessers) nach 64 Stunden bei 300⁰C. Die Durchdrücktemperatur betrug 305 bis 310⁰C.A similar polymer was obtained when the above reactants were reacted in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent in place of dimethylacetamide. The optimum properties were achieved when the cast film was gradually heated from 100 to 200 ° C over 30 minutes. The polymer can be dissolved in tetrachloroethane by gentle heating, a clear coating solution being obtained which can be applied to electrical conductors. Nickel-plated copper conductors were coated with this polymer were resistant to temperature changes after 30 minutes at 250 ⁰ C and had good flexibility (bending the wire around a mandrel of the same diameter) after 64 hours at 300 ⁰ C. The press-through temperature was 305-310 ⁰ C. .

Example3

Ein Gemisch von 1,75 g des unter a) genannten Dianhydrids, 0,309 g p-Phenylendiamin und 19,05 g N-Methylpyrrolidon wird 20 Minuten auf etwa 250°C erhitzt. Durch Gießen dieser Polymerlösung und Abdampfen des Lösungsmittels durch Erhitzen wird eine klare, durchsichtige, geschmeidige Folie erhalten. Dieses Polymere besteht aus wiederkehrenden Einheiten der FormelA mixture of 1.75 g of the dianhydride mentioned under a), 0.309 g of p-phenylenediamine and 19.05 g N-methylpyrrolidone is heated to about 250 ° C. for 20 minutes. By pouring this polymer solution and evaporating By heating the solvent, a clear, transparent, pliable film is obtained. This polymer consists of repeating units of the formula

worin η eine ganze Zahl von mehr als 10 ist.
Beispiel 4where η is an integer greater than 10.
Example 4

Zu 1,8 g des unter a) hergestellten Dianhydrids werden 0,31 g m-Phenylendiamin und 19 g N-Methyl-2-pyrrolidon gegeben. Wie im Beispiel 1 wird die Lösung 15 Minuten auf 26 bis 50° C erhitzt, wobei das Polymere gelöst wird. Eine flexible Folie wird erhalten, wenn eine Probe der Lösung auf eine Glasplatte gegossen und das Lösungsmittel abgedampft wird, indem die Glasplatte 1,5 Stunden auf 100 bis 200⁰C erhitzt wird. Die Folie hat eine Durchdrücktemperatur von 290° C, gemessen auf die in der USA.-Patentschrift 2 936 296 beschriebenen Weise. Das Polymere besteht aus wiederkehrenden Einheiten der Formel0.31 g of m-phenylenediamine and 19 g of N-methyl-2-pyrrolidone are added to 1.8 g of the dianhydride prepared under a). As in Example 1, the solution is heated to 26 to 50 ° C. for 15 minutes, the polymer being dissolved. A flexible film is obtained when a sample of the solution is poured onto a glass plate and the solvent is evaporated off by heating the glass plate to 100 to 200 ^° C. for 1.5 hours. The film has a press-through temperature of 290 ° C as measured in the manner described in U.S. Patent No. 2,936,296. The polymer consists of repeating units of the formula

worin η eine ganze Zahl von mehr als 10 ist.where η is an integer greater than 10.

Example 5

Ein Gemisch von 1,52 g des unter a) hergestellten Dianhydrids, 0,46 g Benzidin und 17,82 g N-Methyl-2-pyrrolidon wird 25 Minuten auf 26 bis 50° C erwärmt, wobei eine Polymerlösung gebildet wird, aus der eine Folie auf die in den vorstehenden Beispielen beschriebene Weise auf Glas gegossen werden kann. Diese Folie ist stark und flexibel und wird etwas oberhalb von 350° C weich.A mixture of 1.52 g of the dianhydride prepared under a), 0.46 g of benzidine and 17.82 g of N-methyl-2-pyrrolidone is heated to 26 to 50 ° C for 25 minutes, a polymer solution being formed which a film can be cast on glass in the manner described in the preceding examples. This film is strong and flexible and becomes soft a little above 350 ° C.

7
Das Polymere besteht aus wiederkehrenden Einheiten der Formel 7th
The polymer consists of repeating units of the formula

OO

worin η eine ganze Zahl von mehr als 10 ist.
Beispiel 6where η is an integer greater than 10.
Example 6

Ein Gemisch von 1,52 g des unter a) hergestellten Dianhydrids, 0,62 g 4,4'-Diaminodiphenylsulfon und 18,18 g Kresol wird 15 Minuten unter Rühren von 26 auf 60° C erhitzt und dann gekühlt. Eine transparente, flexible Folie wird erhalten, wenn eine Probe des Produkts auf Glas gegossen und das Lösungsmittel durch halbstündiges Erhitzen auf etwa 100 bis 300⁰C abgedampft wird. Das Polymere besteht aus wiederkehrenden Einheiten der FormelA mixture of 1.52 g of the dianhydride prepared under a), 0.62 g of 4,4'-diaminodiphenyl sulfone and 18.18 g of cresol is heated from 26 to 60 ° C. for 15 minutes with stirring and then cooled. A transparent, flexible film is obtained when a sample of the product cast on glass and the solvent is evaporated by half-hour heating at about 100 to 300 ⁰ C. The polymer consists of repeating units of the formula

Die gemäß der Erfindung hergestellten Polymeren sind insbesondere als Isolierung für elektrische Leiter geeignet. Um diese Eignung zu veranschaulichen, wurde der folgende Versuch durchgeführt: Ein nickelplattierter Kupferdraht wurde in die gemäß Beispiel 1 hergestellte Polymerlösung getaucht. Die nacheinander aufgebrachten drei Schichten wurden je 3 Minuten bei 300° C ausgehärtet. Nach Abkühlung auf Raumtemperatur wurde der Draht geknickt. Der überzug erwies sich als einwandfrei. Die Durchdrücktemperatur wurde mit etwa 29O⁰C ermittelt. Wenn der überzug auf dem Nickeldraht 64 Stunden bei 300° C gehalten wurde, erwies er sich als noch flexibel.The polymers produced according to the invention are particularly suitable as insulation for electrical conductors. To illustrate this suitability, the following experiment was carried out: A nickel-plated copper wire was immersed in the polymer solution prepared according to Example 1. The three layers applied one after the other were cured at 300 ° C. for 3 minutes each. After cooling to room temperature, the wire was kinked. The coating turned out to be flawless. The press-through temperature was found to be about 29o C ^0. When the coating on the nickel wire was kept at 300 ° C for 64 hours, it was found to be still flexible.

Die gemäß der Erfindung hergestellten Polymeren eignen sich für die verschiedensten Anwendungen, z. B. als Klebeharze für die Verklebung von Glasgewebe und Metall, für bei hoher Temperatur eingesetzte Uberzugsmaterialien und als Isolierlacke. Der Auftrag dieser PoLymeren auf metallische oder nicht metallische Unterlagen kann durch Flammspritzen, Gießen aus der Schmelze oder Gießen aus Lösungen in einem der Lösungsmittel erfolgen, in denen sie hergestellt wurden, oder in anderen Lösungsmitteln, in denen sie löslich sind. Die heiße Lösung kann durch eine Spinndüse in einen erhitzten Trockenschacht, der vorzugsweise bei vermindertem Druck gehalten wird, zu Fäden oder Fasern versponnen werden, oder das geschmolzene Polymere kann in bekannter Weise zur Herstellung von Fäden und Fasern durch Spinndüsen gepreßt werden. Die so gebildeten Fasern können zu Garnen oder Faservliesen verarbeitet werden. Folien aus dem Polymeren können durch Strangpressen mit Hilfe einer Düse oder in anderer Weise hergestellt werden. Die Produkte können auch durch Umspritzen oder durch direkten Auftrag aus Lösungen auf elektrische Leiter (oder als Deckschicht auf isolierte Leiter), z. B. Leitungsdraht, als Isolierung aufgebracht werden. Sie können als Heißpreßmassen durch Spritzgießen, Transferpressen oder Pressen zu den verschiedensten Gegenständen von komplizierter Form verarbeitet werden.The polymers produced according to the invention are suitable for a wide variety of applications, z. B. as adhesive resins for bonding glass fabric and metal, for used at high temperature Covering materials and as insulating varnishes. The application of these polymers to metallic or not metallic substrates can be produced by flame spraying, pouring from the melt or pouring from solutions take place in one of the solvents in which they were manufactured or in other solvents, in which they are soluble. The hot solution can be poured through a spinneret into a heated drying shaft, which is preferably kept at reduced pressure, spun into threads or fibers be, or the molten polymer can be used in a known manner for the production of threads and Fibers are pressed through spinnerets. The fibers formed in this way can be turned into yarns or nonwovens are processed. Films made from the polymer can be extruded using a nozzle or otherwise produced. The products can also be overmolded or by direct Application of solutions on electrical conductors (or as a top layer on insulated conductors), e.g. B. Lead wire, can be applied as insulation. They can be used as hot molding compounds by injection molding or transfer molding or pressing into a wide variety of objects of complex shape.

Die Folien und aus den Fasern hergestellten Gewebe oder Vliese können für die verschiedensten Zwecke in der Elektrotechnik verwendet werden, z. B. als Nutisolierung für Motoren, Primärisolierung für hitzebeständigen Draht, druckempfindliches Isolierband, Spaltglimmer-Isolierband, d. h. zwischen Folien geschichtetes Glimmerpapier, kleine Kondensatoren, mit Folien verklebte Metallfolien oder Folien mit einem damit verklebten Metallbelag, wetterfeste elektrische Leitungen, d. h. mit einem asphaltbeschichteten Film umhüllte Leitungen, Umhüllung für Unterwasserrohre zur Isolierung gegen Erdströme, als primäre und sekundäre Isolierung im Transformatorbau, als Dielektrikum in Elektrolumineszenzgeräten usw. Die Produkte eignen sich ferner zur Verklebung von Glas- und .Metallflächen mit sich selbst oder miteinander oder mit anderen ähnlichen Flächen. Beispielsweise können zwei Glasflächen durch Einfügung einer Zwischenschicht des Polymeren entweder als Pulver, als Film oder als Oberflächenbelag zwischen zwei zu vereinigenden Glasflächen miteinander verklebt werden.The films and fabrics or nonwovens produced from the fibers can be used for a wide variety of purposes used in electrical engineering, e.g. B. as slot insulation for motors, primary insulation for heat-resistant Wire, pressure sensitive electrical tape, split mica electrical tape, d. H. layered between foils Mica paper, small capacitors, metal foils or foils bonded with foils a metal covering glued to it, weatherproof electrical cables, d. H. with an asphalt-coated Film-covered cables, covering for underwater pipes for insulation against earth currents, as primary and secondary insulation in transformer construction, as a dielectric in electroluminescent devices etc. The products are also suitable for bonding glass and metal surfaces to themselves or with each other or with other similar surfaces. For example, two glass surfaces can be made by inserting an intermediate layer of the polymer either as a powder, as a film or as a surface covering are glued together between two glass surfaces to be united.

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Claims

Claim:

Process for the preparation of polyimides by reacting diamines of the general formula

H ₂ NR-NH ₂

in which R is an m- or p-phenylene radical, a ρ, ρ'-diphenylene radical or a radical of the formula