DE69531598T2

DE69531598T2 - Metallischer Gegenstand beschichtet mit Polybenzimidazol und dessen Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE69531598T2
Application number: DE69531598T
Authority: DE
Inventors: Makoto Murata; Hiromi Ogasa-gun Itoh
Original assignee: Clariant Finance BVI Ltd
Current assignee: EMD Performance Materials Corp
Priority date: 1994-12-22
Filing date: 1995-12-21
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2015-12-22
Also published as: DE69531598D1; EP0718343A3; EP0718343B1; EP0718343A2

Description

Sachgebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Metallteil, das mit einem Polymer beschichtet ist und in verschiedenen Industrieprodukten verwendet werden kann.
Stand der Technik
Als hitzebeständige Beschichtungsmaterialien für elektrische Leitungen usw. kommen Polyester, Polyamidimid, Polyimid usw. zur Anwendung. Auch Fluorkunststoffe – ein typisches Beispiel dafür ist Polytetrafluorethylen – werden häufig zur Veränderung der Oberflächeneigenschaften (zum Beispiel zur Herabsetzung der Oberflächenenergie) metallischer Materialien verwendet. Infolge des derzeitigen Trends zu kleinformatigen Geräten mit hoher Leistungsfähigkeit wird jedoch die Entwicklung eines Beschichtungsmaterials erforderlich, das eine hohe Wärmebeständigkeit oder eine verbesserte Festigkeit aufweist.
Polybenzimidazole sind wärmebeständige und chemisch stabile, heterocyclische Polymere und dürften damit im Hinblick auf Wärmebeständigkeit und Oberflächenhärte anderen polymeren Beschichtungsmaterialien überlegen sein. Der Anmelder schlägt ein Verfahren zur Herstellung einer Polybenzimidazol-Lösung für Beschichtungen vor, dessen Anwendung an verschiedenen Produkten zur Zeit diskutiert wird [JP (Kokai) Nr. Hei 5-339401]. In EP-A-0566148 wird eine mit einem Polybenzimidazol-haltigen Lack beschichtete, elektrische Leitung beschrieben. Der Lack bildet auf dem Draht eine isolierende Deckschicht.
Obwohl es durchaus möglich ist, daß Polybenzimidazole gemäß den obigen Ausführungen als neuartige Beschichtungsmaterialien geeignet sind, treten bei ihren elektrischen Eigenschaften infolge einer im Vergleich zu anderen, auf diesem Gebiet gewöhnlich verwendeten Harzen hohen Feuchtigkeitsaufnahme (mindestens 10 Gewichtsprozent) Schwierigkeiten auf.
Bekanntlich geht die Imidazol-N-H-Bindung eines Polybenzimidazols unter speziellen Bedingungen eine Reaktion ein, wie in den US-Patenten Nr. 3578644, 4020142, 4579915, 4599388, 4814399, 4814400, 4868249, 4877849, 4898917, 4933397, 4997892 usw. beschrieben. Hauptziele dieser Patente sind die Verbesserung der Chemikalienfestigkeit und der Temperaturbeständigkeit eines Polybenzimidazols mittels Substitution des besonders reaktionsbereiten Wasserstoffatoms in der genannten Imidazol-N-H-Bindung durch einen weniger reaktiven Substituenten und die Schaffung einer neuen funktionellen Gruppe in dem Polybenzimidazol mittels Substitution des Wasserstoffatoms in der Imidazol-N-H-Bindung durch einen Substituenten, der zum Beispiel spezifische, nichtlineare Merkmale aufweist.
Beschreibung der Erfindung
Als Ergebnis umfangreicher Untersuchungen stellte der Erfinder fest, daß mittels Substitution des Wasserstoffatoms in der genannten Imidazol-N-H-Bindung durch einen hydrophoben Substituenten die Feuchtigkeitsaufnahme eines Polybenzimidazols verringert werden kann und dem Polybenzimidazol dadurch ausgezeichnete Isoliereigenschaften verliehen werden können.
Auf dieser Erkenntnis beruht die vorliegende Erfindung. Gegenstand dieser Erfindung ist also ein Metallteil, beschichtet mit einem Film, der ein Polymer mit einer Grundeinheit enthält, die folgende Strukturformel (I) hat:
in welcher die Reste R₁ einen vierwertigen, aromatischen, durch Stickstoffatome symmetrisch substituierten Kern darstellen; die Reste R₂ eine zweiwertige Gruppe darstellen, die unter aliphatischen, alicyclischen und aromatischen Resten mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen ausgewählt wird; jeder Rest R₃ unabhängig unter einem Wasserstoffatom und hydrophoben Gruppen (zum Beispiel Alkyl- und Arylgruppen) ausgewählt wird, die Halogenatome, Siliciumatome, eine Aminogruppe enthalten können oder über eine zweiwertige Gruppe -CO- oder -O- an das Stickstoffatom (die Stickstoffatome) gebunden sind;
und jeder Rest R₄ unabhängig unter einem Wasserstoffatom und hydrophoben Gruppen (zum Beispiel Alkyl- und Arylgruppen) ausgewählt wird, die Halogenatome, Siliciumatome, eine Aminogruppe enthalten können oder über eine zweiwertige Gruppe – CO- oder -O- an das Stickstoffatom (die Stickstoffatome) gebunden sind;
wobei nicht alle Reste R₃ und R₄ gleichzeitig Wasserstoffatome sein können;
und/oder ein Polymer mit einer Grundeinheit enthält, die folgende Strukturformel (II) hat:
in welcher die Reste R₅ einen aromatischen Kern mit Stickstoffatomen darstellen, die in Verbindung mit den benachbarten Kohlenstoffatomen des aromatischen Kerns einen Benzimidazolring bilden; und jeder Rest R₆ unabhängig unter einem Wasserstoffatom und hydrophoben Gruppen (zum Beispiel Alkyl- und Arylgruppen) ausgewählt wird, die Halogenatome, Siliciumatome, eine Aminogruppe enthalten können oder über eine zweiwertige Gruppe -CO- oder -O- an das Stickstoffatom (die Stickstoffatome) gebunden sind;
wobei nicht alle Reste R₆ gleichzeitig Wasserstoffatome sein können, unter Ausschluß von Polybenzimidazolmembranen auf einer porösen Stahlplatte.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Metallteil, das mit einem Film beschichtet ist, welcher ein Polymer mit einer Grundeinheit der Strukturformel (I) enthält, in der den Resten R₁ und R₂ die oben angegebenen Bedeutungen zukommen und R₃, R₄ und/oder R₆ eine Fluoralkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen sind.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung eines Metallteils, wobei ein Film direkt oder indirekt auf dem Metallteil gebildet wird und wobei der genannte Film ein Polymer mit einer Grundeinheit der Strukturformel (I) enthält, erhalten durch Umsetzung einer Verbindung der folgenden Strukturformel (IV):
in welcher R₁ und R₂ die oben angegebenen Bedeutungen zukommen und n 2 oder eine höhere ganze Zahl ist; mit einem Pyrocarbonat der folgenden Strukturformel (V):
in welcher R₃ und R₄ die oben angegebenen Bedeutungen zukommen, wobei nicht alle Reste R₃ und R₄ gleichzeitig Wasserstoffatome sein können; oder ein Polymer mit einer Grundeinheit der Strukturformel (II), erhalten durch Umsetzung einer Verbindung der Strukturformel (VI):
in welcher die Reste R₅ einen aromatischen Kern mit Stickstoffatomen darstellen, die in Verbindung mit den benachbarten Kohlenstoffatomen des aromatischen Kerns einen Benzimidazolring bilden; und n 2 oder eine höhere ganze Zahl ist; mit einem Pyrocarbonat der folgenden Strukturformel (VII):
in welcher jedem Rest R₆ die oben angegebene Bedeutung zukommt, wobei nicht alle die Grundeinheit bildenden Reste R₆ gleichzeitig Wasserstoffatome sein können.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Metallteils, wobei dieses Verfahren gekennzeichnet ist durch die Verwendung einer Lösung eines Polymers, das durch Umsetzung einer Verbindung der Strukturformel (IV) mit einem Pyrocarbonat der Strukturformel (V) entsteht und durch folgende Strukturformel (VIII) dargestellt wird:
in welcher R₁ und R₂ die oben angegebenen Bedeutungen zukommen; und wobei jeder Rest R₇ und R₈ unabhängig unter einem Wasserstoffatom und -COOR-Gruppen ausgewählt wird, bei denen R eine hydrophobe Gruppe (zum Beispiel eine Alkyl- oder Arylgruppe) darstellt, die Halogenatome, eine Aminogruppe oder Siliciumatome enthalten kann und n 2 oder eine höhere ganze Zahl ist, wobei nicht alle Reste R₇ und R₈ gleichzeitig Wasserstoffatome sein können; oder eines Polymers, das durch Umsetzung einer Verbindung der Strukturformel (VI) mit einem Pyrocarbonat der Strukturformel (VII) entsteht und die folgende Strukturformel (IX) hat:
in welcher die Reste R₅ einen aromatischen Kern mit Stickstoffatomen darstellen, die in Verbindung mit den benachbarten Kohlenstoffatomen des aromatischen Kerns einen Benzimidazolring bilden; wobei alle Reste R₉ unabhängig voneinander unter einem Wasserstoffatom und -COOR-Gruppen ausgewählt werden, bei denen R eine hydrophobe Gruppe (zum Beispiel eine Alkyl- oder Arylgruppe) darstellt, die Halogenatome, eine Aminogruppe oder Siliciumatome enthalten kann und n 2 oder eine höhere ganze Zahl ist, wobei nicht alle die Grundeinheit bildenden Reste R₉ gleichzeitig Wasserstoffatome sein können; wobei ein Film aus dem genannten Polymer auf einem Metallteil gebildet und wobei danach das mit dem Polymerfilm beschichtete Metallteil einer Wärmebehandlung unterzogen wird, so daß ein Film aus einem Polymer mit einer Grundeinheit der Strukturformel (I) oder einem Polymer mit einer Grundeinheit der Strukturformel (II) entsteht.
Beste Art der Durchführung der Erfindung
Bei jedem der bei dieser Erfindung verwendeten Polymere der Strukturformeln (I), (II), (IV), (VI), (VIII) und (IX) können die Gruppen R₁, R₂ und R₅ unter den die Grundeinheit bildenden Gruppen identisch oder von Grundeinheit zu Grundeinheit verschieden sein. Die Gruppen R₃, R₄, R₆, R₇, R₈ und R₉ werden jeweils, unabhängig voneinander, unter den oben angegebenen Gruppen ausgewählt. Das heißt, daß das Polymer die Gruppen R₃, R₄, R₆, R₇, R₈ und R₉ besitzen kann, die alle aus den obengenannten Gruppen nach Belieben ausgewählt werden. Dies ist jedoch dahingehend zu verstehen, daß die folgenden Fälle bei der vorliegenden Erfindung ausgeschlossen sind: alle Gruppen R₃ und R₄ sind Wasserstoffatome; alle Gruppen R₆ sind Wasserstoffatome; alle Gruppen R₇ und R₈ sind Wasserstoffatome; und alle Gruppen R₉ sind Wasserstoffatome. So besteht die Möglichkeit, daß unter den ein Polymer bildenden R₃-Gruppen zum Beispiel einige Wasserstoffatome und andere sonstige Gruppen sind. Dies gilt auch für R₄-, R₆-, R₇-, R₈- und R₉-Gruppen.
Ein für die vorliegende Erfindung geeignetes Polymer hat eine Eigenviskosität von ≥ 0,2, bevorzugt 0,5 bis 1,2. Unter Eigenviskosität ist die Viskosität einer Lösung von 0,4 g eines Polymers in 100 ml 97%iger, konzentrierter Schwefelsäure bei 25°C zu verstehen.
Es folgen nun typische Beispiele für Substituenten der erfindungsgemäßen Verbindungen:
R₁ unterliegt keinen besonderen Beschränkungen, sofern es sich um einen vierwertigen, aromatischen Kern handelt, der durch Stickstoffatome symmetrisch substituiert ist. Bevorzugte Beispiele:
R₂ kann willkürlich unter zweiwertigen, aliphatischen, alicyclischen und aromatischen Gruppen mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen ausgewählt werden. Zu den Beispielen für zweiwertige, aliphatische Gruppen gehören -CH₂-, -C₂H₄-, -C₃H₆-, -C(CH₃)₂-, -C₄H₈-, – CH=CH-, -CH=CH-CH₂- und -C≡C-Gruppen. Beispiele für zweiwertige, alicyclische Gruppen sind unter anderem Gruppen, die durch Abspaltung zweier Wasserstoffatome von Cyclopropan oder Cyclohexan entstehen. Bei den zweiwertigen, von Cyclohexan abgeleiteten Gruppen können sich die Bindungsstellen an einer beliebigen o-, m- und p-Stellung befinden. Beispiele für zweiwertige, aromatische Gruppen:
R₃ wird unter einem Wasserstoffatom und hydrophoben Gruppen (zum Beispiel Alkyl- und Arylgruppen) ausgewählt. R₄ wird unter einem Wasserstoffatom und hydrophoben Gruppen (zum Beispiel Alkyl- und Arylgruppen) ausgewählt. Es können jedoch nicht alle R₃- und R₄-Gruppen, aus denen die Grundeinheit des Polymers besteht, gleichzeitig Wasserstoffatome sein. Ähnlich wird R₆ unter einem Wasserstoffatom und hydrophoben Gruppen (zum Beispiel Alkyl- und Arylgruppen) ausgewählt. Es können jedoch nicht alle R₆-Gruppen, aus denen die Grundeinheit des Polymers besteht, gleichzeitig Wasserstoffatome sein. In diesen Fällen können die hydrophoben Gruppen wie Alkyl- und Arylgruppen durch eine oder mehrere Gruppen auf dem (den) Kohlenstoffatomen) substituiert werden. Zu den Beispielen für bevorzugte Alkylgruppen gehören Alkylgruppen mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen (zum Beispiel Methyl-, Ethyl- und t-Butylgruppen). Zu den bevorzugten Beispielen für Arylgruppen gehören Phenyl- und Naphthylgruppen, die zum Beispiel durch niedere Alkylgruppen wie Methyl- und Ethylgruppen substituiert sein können. Bevorzugte Beispiele für Substituenten an einer hydrophoben Gruppe sind unter anderem Halogenatome und eine Aminogruppe.
Zu den Beispielen für bevorzugte substituierte, hydrophobe Gruppen gehören Fluoralkylgruppen mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen (zum Beispiel Trifluormethyl- und Hexafluorisopropylgruppen) oder Fluoralkylgruppen einschließende Arylgruppen. Bei der vorliegenden Erfindung sind Substituenten, die Fluoratome enthalten (zum Beispiel Trifluormethyl- und Hexafluorisopropylgruppen) und Substituenten mit Siliciumatomen (zum Beispiel Substituenten mit Siloxanbindungen) besonders bevorzugt zu verwenden. Bemerkenswerterweise können den Polymeren durch Verwendung solcher Substituenten neue Eigenschaften verliehen werden, zum Beispiel eine Verminderung der Oberflächenenergie und eine Herabsetzung des Reibungskoeffizienten. Die an das (die) Stickstoffatome) durch eine zweiwertige Gruppe wie -C-O- und -O- gebundenen, hydrophoben Gruppen R₃, R₄ und R₆ gehören auch zu den hier beschriebenen substituierten, hydrophoben Gruppen.
R₅ ist ein aromatischer Kern mit Stickstoffatomen, die zusammen mit den benachbarten Kohlenstoffatomen des aromatischen Kerns einen Benzimidazolring bilden. Spezielle Beispiele dieser Gruppen haben folgende Struktur:
Die bei der vorliegenden Erfindung zu verwendenden Polymere mit der Grundeinheit der Strukturformeln (I) und (II) haben alle ein Molekulargewicht-Zahlenmittel von 2000 bis 1000000, bevorzugt von 20000 bis 200000.
Die erfindungsgemäße Substitution durch hydrophobe Gruppen kann ohne Einschränkung mit einer beliebigen Methode erfolgen. So können zum Beispiel die in den oben angegebenen US-Patenten beschriebenen Methoden zur Anwendung kommen. Zu den bevorzugten Beispielen für erfindungsgemäße Substitutionsmethoden gehören ein im US-Patent Nr. 4877849 beschriebenes Verfahren, bei dem ein Pyrocarbonat Verwendung findet, ein im US-Patent Nr. 4020142 beschriebenes Verfahren, bei dem ein saures Anhydrid und ein saures Chlorid verwendet werden und ein im US-Patent Nr. 4898917 beschriebenes Verfahren, bei dem ein Alkylhalogenid zur Anwendung kommt. Ferner ist die Möglichkeit der Verwendung einer Reaktion zwischen einer Epoxygruppe und einem Amin bekannt, obwohl diese Methode in den oben angeführten US-Patenten nicht beschrieben wird.
Die für die vorliegende Erfindung am meisten in Betracht kommende Substitutionsmethode ist das im US-Patent Nr. 4877849 beschriebene Verfahren, bei dem ein Pyrocarbonat verwendet wird. Dieses Verfahren ist insofern von Vorteil, als sich Nebenprodukte wie Kohlendioxid und niedere Alkohole leicht durch eine zum Trocknen des Films durchgeführte
Wärmebehandlung beseitigen lassen und ein hoher Substitutionsgrad erreicht werden kann (50 bis 90 Prozent). Als wichtigstes Merkmal dieser Methode entsteht bei dieser Reaktion ein in organischen Lösungsmitteln sehr leicht lösliches Zwischenprodukt der folgenden Strukturformel (VIII) oder (IX)
in welcher n, R₁, R₂, R₇ und R₈ die oben zugewiesenen Bedeutungen zukommen, wobei nicht alle die Grundeinheit bildenden R₇- und R₈-Reste gleichzeitig Wasserstoffatome sein können;
in welcher R₅, R₉ und n die oben zugewiesenen Bedeutungen zukommen.
Ein Polybenzimidazol, bei dem das Wasserstoffatom in einer Imidazol-N-H-Bindung durch eine hydrophobe Gruppe ersetzt wurde, ist im allgemeinen in organischen Lösungsmitteln nur schwer löslich. Insbesondere können Polybenzimidazole mit einem hohen Substitutionsgrad nicht als Lösung dargestellt werden. Daher gibt es keine Möglichkeit, aus einem solchen Polybenzimidazol einen Film herzustellen. Demgegenüber kann aber aus einem Polymer der Strukturformel (VIII) oder (IX), das mit dieser Substitutionsmethode gewonnen wird und in organischen Lösungsmitteln sehr leicht löslich ist, ein Film hergestellt werden. Danach wird dieser Film einer Wärmebehandlung unterzogen; wobei ein Polybenzimidazol der obigen Strukturformel (I) oder (II) entsteht, bei dem das Wasserstoffatom in der Imidazol-N-H- Bindung durch eine hydrophobe Gruppe substituiert ist. So läßt sich ein Film herstellen, obwohl das Polybenzimidazol einen hohen Substitutionsgrad aufweist.
Der bevorzugte Substitutionsgrad des erfindungsgemäßen Polymers geht im allgemeinen von 10 bis 90 Prozent. Im einzelnen kann er unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften des Films (elektrische Isoliereigenschaften, Bruchdehnung usw.) bestimmt werden. Bei einem Substitutionsgrad unter 10 Prozent kann der Substituent seine Wirkung nicht voll entfalten, so daß sich nur schwache elektrische Isoliereigenschaften erreichen lassen. Wenn der Substituent ein in hohem Maße hydrophobes Fluoratom oder eine hochmolekulare Siloxanbindung enthält, sind aber selbst bei einem niedrigen Substitutionsgrad von ca. 0,1 bis 1 Prozent ausreichende Resultate erreichbar. Andererseits soll der Substitutionsgrad nicht über 90 Prozent liegen, weil dies zu einer Verschlechterung der physikalischen Eigenschaften führt (zum Beispiel zu einer Verringerung der Bruchdehnung), worunter auch die Biegefestigkeit (zum Beispiel die Ermüdungsfestigkeit) des beschichteten Metallteils leidet.
Allerdings erweist sich ein so hoher Substitutionsgrad im Falle eines Substituenten mit einer hohen Voluminosität als wirksam.
Der oben erwähnte (in Prozent ausgedrückte) „Substitutionsgrad" ist wie folgt definiert:
In dieser Formel steht (N-gebundener Rest ist nicht H) für die Gesamtzahl von Molen der Strukturformel (I) und/oder der Strukturformel (II), bei denen die Substituenten R₃, R₄ und/oder R₆ kein Wasserstoffatom sind und die durch Teilen der Polymermasse durch das Molekulargewicht pro Grundeinheit (I) oder (II) ermittelt wird. (N-gebundener Rest ist H) bedeutet die Gesamtzahl von Molen der Strukturformel (I) und/oder der Strukturformel (II), bei denen die Substituenten R₃, R₄ und/oder R₆ ein Wasserstoffatom sind und die durch Teilen der Polymermasse durch das Molekulargewicht pro Grundeinheit (I) oder (II) ermittelt wird.
Der Substitutionsgrad kann hauptsächlich durch Umsetzung einer Verbindung der Strukturformel (IV) oder (VI) mit einer Verbindung, einem Pyrocarbonat der Strukturformel (V) oder (VII) eingestellt werden, deren Substituenten der Molzahl entsprechen, durch die der gewünschte Substitutionsgrad erreicht werden kann. Ferner läßt sich der Substitutionsgrad auch durch eine Veränderung der Reaktionsbedingungen, zum Beispiel der Reaktionstemperatur und der Reaktionszeit einstellen.
So muß zum Beispiel zur Herstellung eines Polymers mit einer Grundeinheit der Strukturformel (I) und einem Substitutionsgrad von 30 Prozent das Pyrocarbonat der Strukturformel (V) eine Molzahl aufweisen, die folgender Gleichung entspricht:
in welcher
M ein Molekulargewicht pro Grundeinheit eines Polymers der Strukturformel (I) ist,
W für die Masse des Polymers steht,
m das Molekulargewicht einer Verbindung der Strukturformel (V) oder (VII) ist und
w die Masse dieser Verbindung bedeutet.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Beschichtung eines Metallteils mit einer Polymerlösung, wobei das Wasserstoffatom in einer Imidazol-N-H-Bindung durch eine hydrophobe Gruppe oder einen Polymervorläufer substituiert worden ist, der sich durch Erwärmen in das genannte Polymer verwandeln läßt, entweder direkt oder über einen anderen Beschichtungsfilm. Als Lösungsmittel dienen hauptsächlich polare Lösungsmittel wie N,N-Dimethylformamid, N,N-Dimethylacetamid und N-Methyl-2-pyrrolidon. Obwohl hinsichtlich der Konzentration der Lösung keine besonderen Einschränkungen bestehen, soll das Verhältnis zwischen dem Polymergewicht und dem Gesamtgewicht der Lösung 5 bis 20 Prozent betragen, damit die Lösung eine für die Filmbildung geeignete Viskosität aufweist. Verwendet man ein Polymer mit einer Eigenviskosität von 0,8, so läßt sich durch Einstellung der Konzentration auf 5 Gewichtsprozent eine Lösung mit einer Viskosität von ca. 10 cP erzielen, während durch Einstellung der Konzentration auf ca. 20 Gewichtsprozent eine Lösung mit einer Viskosität von ca. 2000 cP entsteht. Die erfindungsgemäße Polymerlösung kann ferner erforderlichenfalls Füllstoffe als innere Additive, integrierende Harzsubstanzen usw. enthalten. Durch den Zusatz interner Füllstoffe läßt sich zum Beispiel die Selbstschmierung des Films verbessern. Andererseits führt der Zusatz integrierender Harzsubstanzen zu einer Verbesserung der Elastizität und der Oberflächenhärte des Films. Die Verbesserung der Elastizität und der Oberflächenhärte verleiht der Filmoberfläche, die mit anderen Materialien in Berührung kommt, eine gewisse Bewegungsfreiheit. Beispiele für solche integrierende Harzsubstanzen sind Siliconharze, Fluorkunststoffe wie PTFE und fluorhaltige Monomere.
Erfindungsgemäß gibt es im Hinblick auf das Material und die Form der mit dem polymerhaltigen Film zu beschichtenden Metallteile keine Einschränkungen. Hauptsächlich kommen Metallteile aus verschiedenen Metallen wie Aluminium, Kupfer, Edelstahl, Nichrom und Legierungen davon zur Anwendung. Ferner können diese Metallteile zur Verbesserung ihres Haftvermögens mit einem Film aus, zum Beispiel, mehreren Schichten, Polymeren wie PTFE oder Silanhaftmitteln beschichtet werden.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, einen Film auf einer Kupferfolie zu bilden, die als doppelt beschichtetes TAB-Trägerband Verwendung findet, das frei von einer Haftmittelschicht oder FPC ist.
Beispiele
Die folgenden Beispiele dienen der näheren Erläuterung dieser Erfindung.
Beispiel 1
Einer N,N-Dimethylacetamid-Lösung (10 Gewichtsprozent) von Polybenzimidazol (Eigenviskosität 0,8; im folgenden als „Polymer 1" bezeichnet) mit einer Grundeinheit der Formel
wurden 2 Äquivalente Diethyldicarbonat der folgenden Formel
zugesetzt. Das dabei entstandene Gemisch wurde 2 Stunden lang bei Raumtemperatur gerührt, auf 80°C erwärmt und erneut 2 Stunden lang gerührt. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurde das Gemisch 16 Stunden lang gerührt, so daß ein substituiertes
Polybenzimidazol entstand, das durch eine Grundeinheit der folgenden Formel gekennzeichnet war:
Beispiel 2
Eine N,N-Dimethylacetamid-Lösung des substituierten Polybenzimidazols aus Beispiel 1 wurde auf eine Kupferplatte gegossen und durch Erwärmen auf 350°C getrocknet und entcarboxyliert. Auf diese Weise entstand ein 30 μm dicker N-Ethylpolybenzimidazol-Film, der durch eine Grundeinheit der folgenden Formel gekennzeichnet war:
Tabelle 1 zeigt die Gleichgewichtsfeuchtigkeitsaufnahme bei 76 Prozent relativer Feuchte und den spezifischen Volumenwiderstand (im Trockenzustand und bei der Gleichgewichtsfeuchtigkeitsaufnahme bei 76 Prozent relativer Feuchte) des auf diese Weise entstandenen Films zusammen mit den Angaben zu einem herkömmlichen Polybenzimidazol.
Beispiel 3
Einer N,N-Dimethylacetamid-Lösung (10 Gewichtsprozent) des Polymers 1 wurde 1/6 Äquivalent 4,4-(Hexafluorisopropyliden)-diphthalsäureanhydrid der folgenden Formel
zugesetzt.
Eine N,N'-Dimethylacetamid-Lösung des auf diese Weise hergestellten Polymers wurde auf eine Kupferplatte gegossen und durch Erwärmen auf 350°C getrocknet, so daß ein 1 μm dicker Film entstand. Tabelle 1 zeigt, daß der auf diese Weise hergestellte Film im Hinblick auf den spezifischen Volumenwiderstand dem nicht substituierten Polybenzimidazol (Polymer 1) überlegen war.
Beispiel 4
Einer N,N-Dimethylacetamid-Lösung (10 Gewichtsprozent) von Polymer 1 wurde 1/50 Äquivalent an einem Ende mit Epoxy modifiziertes Silicon der folgenden Formel
zugesetzt (mittleres Molekulargewicht: 4500). Nach einer dreistündigen Reaktion bei 150°C entstand ein substituiertes Polybenzimidazol der folgenden Formel:
Der Kontaktwinkel zwischen Wasser und dem ausgegossenen Film aus dem auf diese Weise hergestellten, substituierten Polybenzimidazol war größer als 90°. Dies ließ darauf schließen, daß dieses Material in hohem Maße hydrophob war.
Tabelle 1
Die nach den obigen Beispielen hergestellten, erfindungsgemäßen Polymere haben hervorragende elektrische Isoliereigenschaften. Ferner haben die erfindungsgemäßen Polymere ähnliche Eigenschaften wie die herkömmlichen Polybenzimidazole mit Imidazol-N-H-Bindungen und sind im Hinblick auf Chemikalienfestigkeit, Temperaturbeständigkeit und Festigkeit von hervorragender Qualität. Ferner konnten diese Polymere auf verschiedene metallische Basen aufgebracht werden und dort einen Film bilden. Darüber hinaus besitzen sie ein ausgezeichnetes Haftvermögen.
Anwendungsmöglichkeiten in der Industrie
Wie bereits beschrieben, kann auf der Oberfläche eines Metallteils durch Beschichten des Metallteils mit einem Film, der das erfindungsgemäße Polymer enthält, eine hervorragende elektrische Isolierschicht gebildet werden. Damit läßt sich ein Metallteil mit einer Isolierschicht herstellen, die im Hinblick auf Chemikalienfestigkeit, Temperaturbeständigkeit und Festigkeit ausgezeichnete Eigenschaften aufweist.

Claims

Metallteil, beschichtet mit einem Film, der ein Polymer mit einer Grundeinheit enthält, die folgende Strukturformel (I) hat:
in welcher die Reste R₁ einen vierwertigen, aromatischen, durch Stickstoffatome symmetrisch substituierten Kern darstellen; die Reste R₂ eine zweiwertige Gruppe darstellen, die unter aliphatischen, alicyclischen und aromatischen Resten mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen ausgewählt wird; jeder Rest R₃ unabhängig unter einem Wasserstoffatom und hydrophoben Gruppen (zum Beispiel Alkyl- und Arylgruppen) ausgewählt wird, die Halogenatome, Siliciumatome, eine Aminogruppe enthalten können oder über eine zweiwertige Gruppe -CO- oder -O- an das Stickstoffatom (die Stickstoffatome) gebunden sind; und jeder Rest R₄ unabhängig unter einem Wasserstoffatom und hydrophoben Gruppen (zum Beispiel Alkyl- und Arylgruppen) ausgewählt wird, die Halogenatome, Siliciumatome, eine Aminogruppe enthalten können oder über eine zweiwertige Gruppe -CO- oder -O- an das Stickstoffatom (die Stickstoffatome) gebunden sind; wobei nicht alle Reste R₃ und R₄ gleichzeitig Wasserstoffatome sein können; und/oder ein Polymer mit einer Grundeinheit enthält, die folgende Strukturformel (II) hat:
in welcher die Reste R₅ einen aromatischen Kern mit Stickstoffatomen darstellen, die in Verbindung mit den benachbarten Kohlenstoffatomen des aromatischen Kerns einen Benzimidazolring bilden; und jeder Rest R₆ unabhängig unter einem Wasserstoffatom und hydrophoben Gruppen (zum Beispiel Alkyl- und Arylgruppen) ausgewählt wird, die Halogenatome, Siliciumatome, eine Aminogruppe enthalten können oder über eine zweiwertige Gruppe -CO- oder -O- an das Stickstoffatom (die Stickstoffatome) gebunden sind; wobei nicht alle Reste R₆ gleichzeitig Wasserstoffatome sein können; unter Ausschluß von Polybenzimidazolmembranen auf einer porösen Stahlplatte.
Metallteil gemäß Anspruch 1, wobei R₃, R₄ und/oder R₆ eine Fluoralkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen oder eine diese einschließende Arylgruppe sind.
Metallteil gemäß Anspruch 1, wobei das genannte Polymer folgende Strukturformel (III) hat:
in welcher alle Reste R₃ identisch sind und unter hydrophoben Gruppen (zum Beispiel Alkyl- und Arylgruppen) ausgewählt werden, die Halogenatome, Siliciumatome, eine Aminogruppe enthalten können oder über eine zweiwertige Gruppe -CO- oder -O- an das Stickstoffatom (die Stickstoffatome) gebunden sind; alle Reste R₄ identisch sind und unter hydrophoben Gruppen (zum Beispiel Alkyl- und Arylgruppen) ausgewählt werden, die Halogenatome, Siliciumatome, eine Aminogruppe enthalten können oder über eine zweiwertige Gruppe -CO- oder -O- an das Stickstoffatom (die Stickstoffatome) gebunden sind; oder einer von allen Resten R₃ und allen Resten R₄ hydrophobe Gruppen wie Alkyl- oder Arylgruppen darstellt, die Halogenatome, Siliciumatome, eine Aminogruppe enthalten können oder über eine zweiwertige Gruppe -CO- oder -O- an das Stickstoffatom (die Stickstoffatome) gebunden sind; während der andere Rest Wasserstoffatome darstellt und n 2 oder eine höhere ganze Zahl ist.
Metallteil gemäß Anspruch 3, wobei R₃ und/oder R₄ eine Fluoralkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen oder eine diese einschließende Arylgruppe sind.
Verfahren zur Herstellung eines Metallteils, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Lösung eines Polymers, erhalten durch Umsetzung einer Verbindung der Strukturformel (IV):
in welcher R₁ und R₂ die in Anspruch 1 zugewiesenen Bedeutungen zukommen und n 2 oder eine höhere ganze Zahl ist; mit einem Pyrocarbonat der folgenden Strukturformel (V):
in welcher R₃ und R₄ identisch oder voneinander verschieden sein können und die in Anspruch 1 zugewiesenen Bedeutungen haben; wobei R₃ und R₄ nicht gleichzeitig Wasserstoffatome sein können; und dargestellt durch folgende Strukturformel (VIII):
wobei jeder Rest R₇ und R₈ unabhängig unter einem Wasserstoffatom und -COOR-Gruppen ausgewählt wird, bei denen R eine hydrophobe Gruppe (zum Beispiel eine Alkyl- oder Arylgruppe) darstellt, die Halogenatome, eine Aminogruppe oder Siliciumatome enthalten kann und n 2 oder eine höhere ganze Zahl ist, wobei nicht alle Reste R₇ und R₈ gleichzeitig Wasserstoffatome sein können; und/oder eines Polymers, erhalten durch Umsetzung einer Verbindung der Strukturformel (VI):
in welcher die Reste R₅ einen aromatischen Kern mit Stickstoffatomen darstellen, die in Verbindung mit den benachbarten Kohlenstoffatomen des aromatischen Kerns einen Benzimidazolring bilden; und n 2 oder eine höhere ganze Zahl ist; mit einem Pyrocarbonat der folgenden Strukturformel (VII):
in welcher jeder Rest R₆ unabhängig unter einem Wasserstoffatom und hydrophoben Gruppen (zum Beispiel Alkyl- und Arylgruppen) ausgewählt wird, die Halogenatome, Siliciumatome, eine Aminogruppe enthalten können oder über eine zweiwertige Gruppe -CO- oder -O- an das Stickstoffatom (die Stickstoffatome) gebunden sind; wobei nicht beide Reste R₆ gleichzeitig Wasserstoffatome sein können; und dargestellt durch folgende Strukturformel (IX):
in welcher jeder Rest R₉ unabhängig unter einem Wasserstoffatom und -COOR-Gruppen ausgewählt wird, bei denen R eine hydrophobe Gruppe darstellt, die Halogenatome, eine Aminogruppe oder Siliciumatome enthalten kann; wobei nicht alle Reste R₉ gleichzeitig Wasserstoffatome sein können; wodurch ein Film aus dem genannten Polymer auf einem Metallteil gebildet wird, unter Ausschluß von Polybenzimidazolmembranen auf einer porösen Stahlplatte, und danach eine Wärmebehandlung des mit dem Polymerfilm beschichteten Metallteils erfolgt, so daß ein Film aus einem Polymer mit Grundeinheiten entsteht, welche durch die in Anspruch 1 aufgeführte Strukturformel (I) dargestellt werden, und/oder aus einem Polymer mit Grundeinheiten, welche durch die in Anspruch 1 aufgeführte Strukturformel (II) dargestellt werden.