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Die
vorliegende Erfindung betrifft Zusammensetzungen auf Cyanatester-Basis.
Diese Erfindung betrifft weiterhin vernetzbare und vernetzte Zusammensetzungen,
die für
Anwendungen nützlich
sind, bei welchen exzellente dielektrische und thermische Eigenschaften
gewünscht
werden.
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Cyanatester
wurden als vernetzbare Harze mit wünschenswerten, elektrischen
und thermischen Eigenschaften verwendet. Als solche haben sie Verwendung
als Matrixharze bei einer Anzahl von industriellen Anwendungen gefunden.
Derartige Anwendungen schließen
Leiterplatten, Antennenbeschichtungen, Strukturverbundstoffen, Einbettharze,
Matrixharze für
Schleifmittel und Klebstoffe ein. Die Chemie und die Anwendungen
von Cyanatestern werden in „The
Chemistry and Technology of Cyanatesters (Die Chemie und Technologie
von Cyanatestern)" von
I.A. Hamerton© 1994
Blackie Academic & Professional,
ein Druck von Chapman & Hall,
und den Literaturverweisen darin, diskutiert.
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Cyanatester-Harze,
wie sie in US-Patent Nr. 3,553,244 beschrieben werden, werden hergestellt,
indem man eine phenolische Verbindung mit Cyanhalogenid umsetzt.
Es ist bekannt, dass derartige Cyanatester beim Vernetzen durch
Cyclotrimerizierung der Cyanatestergruppen eine feste Duroplast-Matrix
bilden. Die Cyclotrimerizierung erzeugt Aryloxytriazin-Ringe, die
als Vernetzungsstellen in der Duroplast-Matrix dienen. Die Vernetzung
dieser Harze wird durch Erwärmen,
insbesondere in der Gegenwart von Katalysatoren, wie die in den
US-Patenten Nr. 4,330,658, 4,330,669, 4,785,075 und 4,528,366 beschriebenen,
bewirkt. Vernetzbare Zusammensetzungen, die CyanesterPräpolymere
enthalten, sind auch bekannt und werden in US-Patent Nr. 4,740,584
beschrieben. Derartige Präpolymere
umfassen Cyanatester-enthaltende Aryloxytriazin-Reste, die durch
Cyclotrimerizierung der verbleibenden Cyanatester-Einheiten weiter
vernetzt werden können.
Blends von Cyanatester Präpolymeren
werden in den US Patenten 4,110,364 und 4,371,689 beschrieben. Blends
von Cyanatestern mit thermoplastischen Polymeren werden in den US
Patenten Nr. 5,157,360, 4,983,683 und 4,902,752 beschrieben.
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Viele
der zuvor genannten Zusammensetzungen sind jedoch nicht flammhemmend
und ihre Verwendung bei Anwendungen, bei welchen Flammhemmung entscheidend
ist, ist beschränkt.
Derartige Anwendungen schließen
elektrische Anwendungen, wie bspw. Leiterplatten ein. Flammhemmende
Cyanatesterblends werden in dem Japanischen Patent Nr. 05339342
und dem US Patent Nr. 4,496,695 beschrieben, welche Blends aus Cyanatestern
und bromierten Epoxidharzen oder Polyphenylenether (PPE), Cyanatestern
und bromierten Epoxidharzen beschreiben. Es ist jedoch bekannt,
dass Epoxidharze verglichen mit Cyanatestern schlechtere elektrische
Eigenschaften haben und die entsprechenden Cyanatester-Epoxidharz-Blends
keine optimalen elektrischen Eigenschaften besitzen.
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Diese
Themen wurden angegangen, indem man Blends von bromierten Cyanatestern
herstellte, wie dies in US Patent Nr. 4,079,455 und 4,782,178 offenbart
wird. Blends von Cyanatestern mit Bis-(4-vinylbenzylethern) oder
bromierten Bisphenolen werden auch in den US Patenten Nr. 4,782,116
und 4,665,154 beschrieben. Blends von Cyanatestern mit bromiertem
Polyphenylenethern, Polycarbonaten oder Pentabrombenzylacrylaten
werden in dem Japanischem Patent Nr. 08253582 offenbart.
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Jedoch
gibt es weiterhin einen Bedarf nach Cyanatester umfassenden, vernetzbaren
Zusammensetzungen mit optimalen flammhemmenden und elektrischen
Eigenschaften.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Dieser
Bedarf wird durch die vorliegende Erfindung befriedigt, welche vernetzbare
Zusammensetzungen bereitstellt, die
- (a) mindestens
eine Verbindung aus der Gruppe, bestehend aus Cyanatestern und Cyanatester-Präpolymeren,
- (b) ein Cyanatester-freies Aryloxytriazin und
- (c) einen Vernetzungskatalysator umfasst.
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Die
vorliegenden Zusammensetzungen stellen die gewünschte Eigenschaftsbalance
bereit und sind insbesondere für
elektrische Anwendungen nützlich.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Bei
den Zusammensetzungen dieser Erfindung wird der Cyanatester durch
die Struktur der Formel I dargestellt, wobei A1 ein
C6-200 aromatischer oder gemischter aromatisch-aliphatischer
Kohlenwasserstoffrest ist, der ein Mitglied oder Mitglieder, ausgewählt aus
der Gruppe, bestehend aus Sauerstoff, Stickstoff, Halogen, Schwefel,
Phosphor, Bor, Silizium und Wasserstoff, enthält, und wobei „n" eine ganze Zahl
von ungefähr
1 bis ungefähr
10 darstellt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung
stellt n eine ganze Zahl von ungefähr 2 bis ungefähr 5 und
ganz besonders bevorzugt von ungefähr 2 bis ungefähr 3 dar.
Typische Verbindungen dieses Typs sind Cyanatesterverbindungen,
bei welchen n = 2 ist. Veranschaulichende Beispiele der Cyanatesterverbindungen
sind Bis-(4-cyanatophenyl)-methan,
Bis-(3-methyl-4-cyanatophenyl)-methan, Bis-(3-ethyl-4-cyanatophenyl)-methan,
Bis-(3,5-dimethyl-4-cyanatvphenyl)-methan, 1,1-Bis-(4-cyanatophenyl)-ethan,
2,2-Bis-(4-cyanatophenyl)-propan, 2,2-Bis-(4-cyanatophenyl)- 1,1,1,3,3,3-hexafluorpropan, Di-(4-cyanatophenyl)-ether,
Di-(4-cyanatophenyl)-thioether, 4,4-Dicyanatobiphenyl, 1,3-Bis-(4-cyanatophenyl-1-(1-methylethyliden))-benzol,
1,4-Bis-(4-cyanatophenyl-1-(1-methylethyliden))-benzol
und Resorcinoldicyanat. Cyanatester der Formel I, bei welchen n > 2 ist, sind ebenfalls
nützlich.
Beispiele derartiger Materialien schließen Cyanatester von Phenol-Formaldehyd-Novolak,
Cyanatester von Phenol-Dicyclopentadien-Novolak,
1,1,1-Tris-(4-Cyanatophenyl)-ethan ein. Es liegt innerhalb des Bereiches
der Erfindung, Mischungen von zwei oder mehreren, verschiedenen
Cyanatestern zu verwenden.
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Cyanatester-Präpolymere,
die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, enthalten freie
Cyanatestergruppen und können
durch teilweise Vernetzung der Cyanatesterharze in der Gegenwart oder
Abwesenheit eines Katalysators hergestellt werden. Ein typisches
Beispiel eines derartigen Cyanatester-Präpolymers ist das Teilreaktionsprodukt
von Bis-3,5-dimethyl-4-cyanatophenyl-methan, welches unter dem Handelsnamen
AroCy® M-20
von Ciba verkauft wird. Es liegt innerhalb des Bereiches der Erfindung,
Mischungen von zwei oder mehreren, verschiedenen Cyanatester-Präpolymere
zu verwenden. Eine detaillierte Beschreibung der Cyanatester-Präpolymeren
kann in „The
Chemistry and Technology of Cyanat Esters (Die Chemie und Technologie
von Cyanatestern)" von
I.A. Hamerton© 1994,
Blackie Academic and Professional, ein Druck von Chapman und Hall,
gefunden werden, welche hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird.
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Die
Cyanatester-freie Aryloxytriazin-Verbindung, welche bei der vorliegenden
Erfindung nützlich
ist, ist ein Aryloxytriazin, welches durch die Formel II
Formel
II
dargestellt wird, wobei A3 divalent
ist und wobei jeder der Reste A2 und A3 frei von Cyanatester-Gruppen ist. A2 und A3 sind unabhängig voneinander
ein C6-200 aromatischer oder alternativ
ein gemischter, aromatisch-aliphatischer Kohlenwasserstoffrest,
alternativ enthaltend ein Mitglied oder Mitglieder, ausgewählt aus
der Gruppe, bestehend aus Sauerstoff, Stickstoff, Halogen, Schwefel,
Phosphor, Bor, Silizium und Mischungen davon, so dass mindestens
ein Rest A2 aromatisch ist, und wobei „x" zwischen ungefähr 0 und
ungefähr
50 ist. Vorzugsweise sind beide Reste A2 und
A3 aromatisch und x ist 0 bis ungefähr 1.
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Verbindungen
der Formel II werden häufig
hergestellt, indem man Cyanurchlorid mit Phenol-enthaltenden Verbindungen
kondensiert. Stellvertretende Phenol-enthaltende Verbindungen, die
zur Verwendung bei der Synthese von Verbindungen der Formel II geeignet
sind, schließen
die folgenden ein: Phenol, Nonylphenol, Dinonylphenol, Octylphenol,
3-(2-Hydroxyphenyl)-propionsäure,
3-(2-Hydroxyphenyl)-propanol, 2-Methoxy-4-allylphenol,
2-Allylphenol, 2,4,6-Tibromphenol, 2,4-Dibromphenol, 2-Bromphenol, 4-Bromphenol,
2,6-Dibromphenol, 2,3,4,5,6-Pentabromphenol, Tetrabromcatechol,
2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)-propan, 2,2-Bis-(4-hydroxy-3-methylphenyl)-propan,
2,2-Bis-(3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl)-propan, 1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-cyclohexan,
1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-cyclopentan, 2,2-Bis-(3,5-dibrom-4-hydroxyphenyl)-propan, Bis-(4-hydroxyphenyl)-methan,
2,2-Bis-(3-allyl-4-hydroxyphenyl)-propan,
2,2-Bis-(2-t-butyl-4-hydroxy-5-methylphenyl)-propan, 2,2-Bis-(3-t-butyl-4-hydroxy-6-methylphenyl)-propan,
2,2-Bis-(3-t-butyl-4-hydroxy-6-methylphenyl)-butan,
1,3-Bis-[4-hydroxyphenyl-1-(1-methylethylidin)]-benzol, 1,4-Bis-[4-hydroxyphenyl-1-(1-methylethylidin)]-benzol,
1,3-Bis-[3-t-butyl-4-hydroxy-6-methylphenyl-1-(1-methylethylidin)]-benzol, 1,4-bis-[3-t-butyl-4-hydroxy-6-methylphenyl-1-(1-methylethylidin)]-benzol,
4,4'-Biphenol, 2,2',6,6'-Tetramethyl-3,3',5,5'-tetrabrom-4,4'-biphenol, 2,2',6,6'-Tetramethyl-3,3',5-tribrom-4,4'-biphenol, 4,4-Bis-(4-hydroxyphenyl)-heptan,
1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-2,2,2-trichlorethan, 2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl-1,1,1,3,3,3-hexafluorpropan),
1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-1-cyanoethan, 1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-dicyanomethan, 1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-1-cyano-1-phenylmethan, 2,2-Bis-(3-methyl-4-hydroxyphenyl)-propan, 1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-norbornan, 9,9-Bis-(4-hydroxyphenyl)-fluoren,
3,3-Bis-(4-hydroxyphenyl)-phthalid, 1,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)-ethan, 1,3-Bis-(4-hydroxyphenyl)-propenon,
Bis-(4-hydroxyphenyl)-sulfon, Bis-(4-hydroxyphenyl)-sulfid,
4,4'-Oxydiphenol,
2,2-Bis-(4- hydroxy-3-methylphenyl)-propan,
2,2-Bis-(3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl)-propan, 4,4-Bis-(4-hydroxyphenyl)-pentansäure, 4,4-Bis-(3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl)-pentansäure, 2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)-essigsäure, Hydrochinon,
Resorcinol, Phenol-terminierter Polyphenylenether; Phenol-terminiertes
Polyphenylenethersulfon, Phenol-terminieries Polyphenylenetherketon;
Phenol-terminieries Polysulfon, halogenierte Derivate davon, und
Mischungen davon. Sie sind jedoch nicht auf diese beschränkt.
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Bevorzugte
Cyanatester-freie Aryloxytriazin-Harze, die bei der vorliegenden
Erfindung nützlich
sind, schließen
Tris-(triphenoxy)-1,3,5-triazin und substituierte Derivate davon,
wie beispielsweise Tris-(2,4,6-tribromphenoxy)-1,3,5-triazin, Tris-(2-allylphenoxy)-1,3,5-triazin, Tris-(4-allylphenoxy)-1,3,5-triazin,
Tris-(2-methoxy-4-allylphenoxy)-1,3,5-triazin, Tris-(4-vinylphenoxy)-1,3,5-triazin
und das Bis-(2,4,6-tribromphenol)-terminierie Kondensationsprodukt
von 2,2-Bis-(3,5-dibrom-4-hydroxyphenyl)-propan und Cyanurchlorid
ein. Bei Anwendungen, die eine UL-94 V-0 Flammhemmung erfordern,
wird die Verwendung von bromierten Triazinen, wie bspw. Tris-2,4,6-tribromphenoxy-1,3,5-triazin bevorzugt.
Die beigemischte Menge der bromierien Triazine liegt typischerweise
in dem Bereich von ungefähr
10 Gew.-% bis ungefähr
30 Gew.-% der gesamten Zusammensetzung. Vorzugsweise ist die beigemischte
Menge der bromierien Triazine ungefähr 12 Gew.-% bis ungefähr 25 Gew.-%
der gesamten Zusammensetzung und insbesondere ungefähr 15 Gew.-%
bis ungefähr
20 Gew.-% der gesamten Zusammensetzung.
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Katalysatoren
zum Vernetzen der Cyanatester-enthaltenden Zusammensetzung schließen eine
Verbindung, ausgewählt
aus der Gruppe, bestehend aus Metallcarboxylat-Salzen, Phenolen,
Alkoholen, Aminen, Harnstoffderivaten, Imidazolen, Metallchelaten
und Mischungen davon, ein. Bevorzugte Katalysatoren schließen Metallcarboxylat-Salze
oder Metallacetylacetonat-Salze ein, wobei die Metalle der Salze
aus der Gruppe, bestehend aus Zink, Kobalt, Kupfer, Mangan, Eisen,
Nickel, Aluminium und Mischungen davon, ausgewählt sind.
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Es
wird verstanden, dass ein Katalysator niedermolekulare oder polymere
Einheiten und als solches Thermoplasten und Elastomere einschließt. Bei
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der Katalysator eine phenolische Verbindung.
Für die
vorliegende Erfindung besonders nützliche phenolische Verbindungen
werden durch die Formel III
Formel III
dargestellt, wobei
A4 ein C6-1000-Aryl,
ggf. substituiert mit Aryl, ein C1-20-Alkyl,
Alkoxy, Aryloxy, Carboxy, Thio, Sulfonyl, ggf. enthaltend ein Mitglied
oder Mitglieder, ausgewählt
aus der Gruppe, bestehend aus Sauerstoff, Stickstoff, Halogen, Schwefel,
Phosphor, Bor, Silizium, Wasserstoff und Mischungen davon, ist und
wobei „m" eine ganze Zahl
von ungefähr
1 bis ungefähr
200 und vorzugsweise von ungefähr
1 bis ungefähr
5 darstellt.
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Typische
Verbindungen, welche durch die Strukturen der Formel III dargestellt
werden, umfassen, ohne auf diese beschränkt zu sein, Phenol, Alkylphenole,
wie beispielsweise Nonylphenol, oder Dinonylphenol, Octylphenol,
3-(2-Hydroxyphenyl)-propansäure,
3-(2-Hydroxyphenyl)-propanol,
2-Methoxy-4-allylphenol, 2-Allylphenol und Bisphenole, die 2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)-propan,
2,2-Bis-(4-hydroxy-3-methylphenyl)-propan, 2,2-Bis-(3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl)-propan,
1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-cyclohexan, 1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-cyclopentan, 2,2-Bis-(3,5-dibrom-4-hydroxyphenyl)-propan,
Bis-(4-hydroxyphenyl)-methan, 2,2-Bis-(3-allyl-4-hydroxyphenyl)-propan,
2,2-Bis-(2-t-butyl-4-hydroxy-5-methylphenyl)-propan, 2,2-Bis-(3-t-butyl-4-hydroxy-6-methylphenyl)-propan,
2,2-Bis-(3-t-butyl-4-hydroxy-6-methylphenyl)-butan, 1,3-Bis-[4-hydroxyphenyl-1-(1-methylethylidin)]-benzol,
1,4-Bis-[4-hydroxyphenyl-1-(1-methylethylidin)]-benzol, 1,3-Bis-[3-t-butyl-4-hydroxy-6-methylphenyl-1-(1-methylethylidin)]-benzol,
1,4-Bis-[3-tbutyl-4-hydroxy-6-methylphenyl-1-(1-methylethylidin)]-benzol,
4,4'-Biphenol, 2,2',6,6'-Tetramethyl-3,3',5,5'-tetrabrom-4,4'-biphenol, 2,2',6,6'-Tetramethyl-3,3',5-tribrom-4,4'-biphenol, 4,4-Bis-(4-hydroxyphenyl)-heptan, 1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-2,2,2-trichlorethan, 2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl-1,1,1,3,3,3-hexafluorpropan), 1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-1-cyanoethan,
1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-dicyanomethan, 1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-1-cyano-1-phenylmethan,
2,2-Bis-(3-methyl-4-hydroxyphenyl)-propan, 1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-norbornan,
9,9-Bis-(4-hydroxyphenyl)-fluoren, 3,3-Bis-(4-hydroxyphenyl)-phthalid, 1,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)-ethan,
1,3-Bis-(4-hydroxyphenyl)-propenon,
Bis-(4-hydroxyphenyl)-sulfon, Bis-(4-hydroxyphenyl)-sulfid, 4,4'-Oxydiphenol, 2,2-Bis-(4-hydroxy-3-methylphenyl)-propan,
2,2-Bis-(3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl)-propan, 4,4-Bis-(4-hydroxyphenyl)-pentansäure, 4,4-Bis-(3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl)-pentansäure, 2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)-essigsäure, Hydrochinon,
Resorcinol usw. einschließen,
jedoch nicht auf diese beschränkt
sind.
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Bei
der vorliegenden Erfindung schließen phenolische Katalysatoren
Harze vom Novolak-Typ,
wie bspw. Phenol-Formaldehyd, Cresol-Formaldehyd, Naphthol-Formaldehyd,
Naphthol-Phenol-Formaldehyd-Harze und bromierte Phenol-Formaldehyd-Harze,
Phenol-Dicyclopentadien-
und Phenol-Polybutadien-Harze ein. Phenol-terminierte Polymere,
wie bspw. Phenol-terminierte Polyphenylenether, Phenol-terminiertes
Phenylenethersulfon, Phenol-terminiertes Polyphenylenetherketon,
Phenol-terminiertes Polysulfon, werden auch eingeschlossen. Den
Fachleuten ist offensichtlich, dass bei den Zusammensetzungen dieser
Erfindung auch andere bekannte Katalysatoren verwendet werden können.
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Die
PPE-Polymere, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden
können,
schließen
alle Phenol-terminierten PPE-Polymere ein. Diese Materialien werden
im allgemeinen durch oxidative Polymerisation eines Phenol-enthaltenden
Monomers oder einer Mischung Phenol-enthaltender Monomere in der
Gegenwart eines Katalysators hergestellt. Viele, verschiedene Katalysatoren
können
für die
Herstellung von PPE-Polymeren
via oxidative Polymerisation verwendet werden. Beispielhafte Katalysatoren
sind Carboxylatsalze und Metallchelate, die mindestens ein Übergangsmetall,
wie bspw. Kupfer, Mangen oder Kobalt, enthalten. Ein bevorzugtes
Katalysatorsystem umfasst eine Kupfer-enthaltende Verbindung. Veranschaulichende
Beispiele derartiger Katalysatoren werden in den US Patenten Nr.
3,306,874, 3,306,875, 3,914,266 und 4,028,341 offenbart und werden
hierin durch Bezugnahme aufgenommen.
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Die
PPE-Komponente für
die vorliegende Erfindung wird, wenn sie als ein Vernetzungskatalysator
verwendet wird, durch Strukturen der Formel IV dargestellt. Sie
kann jedoch alternativ eine Mehrzahl von Struktureinheiten, wie
die durch die Strukturen der Formel V und VI dargestellten, umfassen:
Formel
IV
Formel V
Formel VI
wobei Q1 und
Q2 unabhängig
voneinander Wasserstoff, Halogen, C1-10-Alkyl,
C6-12-Aryl, gemischte Alkyl-Aryl-Kohlenwasserstoffe,
Alkoxy oder Thioalkyl darstellen, wobei R1 bei
jedem Auftreten jeweils unabhängig
voneinander Wasserstoff, C1-10Alkyl oder
C1-6 Aryl darstellt, wobei R2 bei
jedem Auftreten unabhängig
Wasserstoff oder ein C1-20 Alkyl, vorzugsweise
ein C1-10-Alkyl ist und wobei „p" eine ganze Zahl
von ungefähr
1 bis ungefähr
300 darstellt. Vorzugsweise ist p eine ganze Zahl in dem Bereich
von ungefähr
10 bis ungefähr
160. Insbesondere ist p eine ganze Zahl in dem Bereich von ungefähr 10 bis
ungefähr
60.
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Das
PPE in Struktur V wird durch Umsetzung von PPE mit Diphenochinon
gebildet. Reaktionen zwischen PPE-Polymeren und Diphenochinonen,
die zum Einbau von Biphenyleneinheiten der Struktur V führen, können während der
Polymerisation oder in nachfolgenden Verfahrensschritten auftreten.
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Struktureinheiten
der Formel VI werden auch in Polyphenylenether beobachtet, die durch
oxidative Polymerisation hergestellt werden, die in der Gegenwart
eines Amins, vorzugsweise eines primären oder sekundären Amins,
unter Verwendung eines Kupfer- oder
Mangan-enthaltenden Katalysators durchgeführt wurden. Bevorzugt sind
Strukturen, bei welchen R1 Wasserstoff ist
und R2 jeweils unabhängig einen C1-10 Alkylrest darstellt.
Zahlreiche, vorteilhafte Effekte, die eine erhöhte Schlagzähigkeit und andere Eigenschaften
einschließen,
werden in den US-Patenten Nr. 4,054,553, 4,092,294, 4,477,651 und
4,517,341 diskutiert, welche hierin durch Bezugnahme aufgenommen
werden.
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Bei
der vorliegenden Erfindung schließen andere PPE-Polymere solche
ein, die durch oxidative Copolymerisation von Phenolen gebildet
werden, veranschaulichende Beispiele sind 2,6-Dimethylphenol und 2,3,6-Trimethylphenol.
Derartige Copolymere werden im allgemeinen als Po1y-2,6-Dimethyl-1,4-phenylen-co-2,3,6-trimethyl-1,4-phenylenether
klassifiziert. Es ist bekannt, dass diese Materialien höhere Glasübergangstemperaturen
als Poly-2,6-dimethyl-1,4-phenylenether besitzen, und es wird erwartet,
dass sie diese Eigenschaften dem resultierenden Duroplast-Blend
verleihen. Innerhalb dieser Polymerklasse werden auch solche eingeschlossen,
die durch Copolymerisation eines Mono-Phenols, wie bspw. 2,6-Dimethylphenol,
und eines polyfunktionellen Phenols, wie bspw. das Bisphenol, 2,2-Bis-3,5-Dimethyl-4-hydroxyphenyl-propan,
hergestellt werden, um so ein bifunktionelles, Phenol-enthaltendes
Polymer herzustellen. Typische polyfunktionelle Phenole und die
resultierenden Polyphenylenether-Polymere, die aus ihnen hergestellt
werden, schließen solche
ein, die im US-Patent Nr. 5,352,745 beschrieben werden, welches
hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird.
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Bromierte
Derivate von PPE, die durch Zugabe von Brom zu einer organischen
Lösung
von PPE-Polymer hergestellt werden, werden bei der vorliegenden
Erfindung eingeschlossen. Derartige bromierie Derivate werden durch
direkte Bromierung eines PPE hergestellt. Sie werden auch durch
Polymerisation eines bromierien Monomers oder durch Copolymerisation
des Monomers mit einem anderen Monomer hergestellt. Typische Beispiele
derartiger Verfahren würden
die Homopolymerisation von 3,4-Dibrom-2,6-dimethylphenol oder seine Copolymerisation
mit 2,6-Dimethylphenol durch im Stand der Technik bekannte Mittel
einschließen.
Das Homopolymer, welches sich von 2,6-Dibromphenol oder von 2,4,6-Tribromphenol
unter oxidativen Kupplungsbedingungen ableitet, kann auch verwendet
werden.
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Die
Reaktionsprodukte von PPE mit Verbindungen, die eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung oder
eine Alkoholgruppe enthalten, werden bei der vorliegenden Erfindung
eingeschlossen. Typische Verbindungen dieser Klasse sind Maleinsäureanhydrid,
Citraconsäureanhydrid,
Maleinsäure,
Fumarsäure,
Zitronensäure, Äpfelsäure, Triallylisocyanurat,
Triallylcyanurat und Diallylphthalat. Im allgemeinen werden die
Umsetzungen durchgeführt,
indem man das PPE-Polymer mit einer Verbindung, die eine Kohlenstoff
Kohlenstoff Doppelbindung enthält,
oder einem Alkohol bei Temperaturen oberhalb von ungefähr 180°C, entweder
mit oder ohne freie Radikale erzeugenden Mittel, wie bspw. einem
Peroxid, erwärmt.
Mehr als eine der obigen Kohlenstoff Kohlenstoff Doppelbindung-
oder Hydroxyl-enthaltenden Verbindungen kann mit dem PPE-Polymer
entweder zusammen oder nacheinander, umgesetzt werden.
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Für die Zwecke
dieser Erfindung sind niedermolekulare PPE-Polymere wünschenswert,
um den Fluss zu erhöhen
und die Verarbeitbarkeit zu verbessern. PPE-Polymere, die bei der
vorliegenden Erfindung verwendet werden, besitzen typischerweise
ein Zahlenmittel des Molekulargewichtes (Mn) von zwischen ungefähr 1200
und ungefähr
9700, gemessen in Chloroform bei 25°C gegen Polystyrolstandards.
Vorzugsweise ist das Mn zwischen ungefähr 2100 und ungefähr 5900,
gemessen in Chloroform bei 25°C
gegen Polystyrolstandards. Am meisten bevorzugt ist das Mn zwischen
ungefähr
2100 und ungefähr
3900, gemessen in Chloroform bei 25°C gegen Polystyrolstandard.
Wie zuvor beschrieben, können
diese PPE-Polymere mit niedrigem Molekulargewicht durch oxidative
Polymerisation hergestellt werden.
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Alternativ
können
PPE-Polymere mit niedrigem Molekulargewicht durch Umlagerung von
PPE mit einer phenolischen Verbindung, wie bspw. durch Struktur
III beschrieben, in der Gegenwart eines Oxidierungsmittels hergestellt
werden.
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Oxidierungsmittel
zur Förderung
der PPE-Umlagerung schließen
Peroxide, wie bspw. solche, ein, die durch Strukturen der Formel
VII
Formel VII
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Dargestellt
werden, wobei A5 bei jedem Auftreten unabhängig Wasserstoff,
Alkyl, Aryl, Aroyl, Alkanoyl, Alkenoyl, Alkoxycarbonyl, Sulfuryl,
Sulfonyl oder Phosphoryl ist.
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Typische
Verbindungen, die durch die Formel VII dargestellt werden, sind
Diacylperoxide, wie bspw. Benzoylperoxid, 4,4'-Di-t-butylbenzoylperoxid oder andere
Aryl-substituierte Derivate, Dilaurylperoxid, Acetylbenzoylperoxid,
Acetylcyclohexylsulfonylperoxid oder Diphthaloylperoxid, Peroxydicarbonate,
wie beispielsweise Diacetylperoxydicarbonat, Peroxysäuren, wie
beispielsweise Perbenzoesäure,
3-Chloroperbenzoesäure,
4-Nitroperbenzoesäure und
andere substituierie Derivate der Perbenzoesäure, Peroxyessigsäure, Peroxypropansäure, Peroxybutansäure, Peroxynonansäure, Peroxydodecansäure, Diperoxyglutarsäure, Diperoxyadipinsäure, Diperoxyoctandisäure, Diperoxynonandisäure, Diperoxydodecandisäure, Monoperoxyphthalsäure sowie
anorganische Peroxysäuren,
wie beispielsweise Peroxyschwefel-, Peroxydischwefel-, Peroxyphosphor-,
Peroxydiphosphorsäure
und ihre entsprechenden Salze und Peroxycarbonsäureester, wie beispielsweise
t-Butylperformat, t-Butylperacetat, t-Butylperoxyisobutyrat, t-Butylperbenzoat,
Cumylperbenzoat, t-Butylperoxynonanoat, t-Butylmonoperoxymaleat, t-Butylmonoperoxyphthalat,
Di-t-butyl-diperoxyadipate und 2,5-Dimethyl-2,5-bis-(benzoylperoxy)-hexan.
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Andere
geeignete Oxidationsmittel sind hexa-substituierte Ethane, wie bspw.
3,4-Dimethyl-3,4-Diphenylhexan,
Chinone oder Diphenochinone, wie bspw. Benzochinon und vorzugsweise
2,2',6,6'-Tetramethyldiphenochinon
(TMDQ).
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Wenn
man PPE in der Gegenwart eines Oxidationsmittels und einer phenolischen
Verbindung, die durch die Formel III dargestellt wird, umlagert,
so wird eine Verbindung, die durch die Formel VIII dargestellt wird,
gebildet, wobei Q1, Q2,
A4 und m wie zuvor definiert sind und wobei
y eine ganze Zahl von ungefähr
1 bis ungefähr
150 darstellt. Vorzugsweise ist y eine ganze Zahl in dem Bereich
von ungefähr
5 bis ungefähr
80. Insbesondere ist y eine ganze Zahl in dem Bereich von ungefähr 5 bis
ungefähr
30.
Formel VIII
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Niedermolekulare
PPE-Polymere können
auch durch Umsetzung eines PPE mit einem Oxidationsmittel in der
Abwesenheit einer phenolischen Verbindung hergestellt werden. Dies
würde bspw.
die Reaktion eines PPE mit einem Peroxid, wie bspw. Benzoylperoxid,
oder die Behandlung eines PPE mit einem Chinon, wie bspw. 2,2',6,6'-Tetramethyldiphenochinon (TMDQ, einschließen.
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Die
zuvor erwähnten
strukturellen Variationen des PPE werden aufgezählt, um manche der Strukturen der
PPE-Polymere zu veranschaulichen, die bei der vorliegenden Erfindung
verwendet werden können.
Aus dem zuvor Ausgeführten
ist es für
den Fachmann offensichtlich, dass die PPE-Polymere, die für die Verwendung
in der vorliegenden Erfindung in Erwägung gezogen werden, unabhängig von
dem Verfahren der Herstellung, der Isolation oder von Variationen
in Struktureinheiten, zusätzlichen
chemischen Merkmalen oder Modifikationen alle zur Zeit Bekannten
einschließen,.
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Bei
den Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung werden auch vernetzbare
Zusammensetzungen eingeschlossen, wobei ein streckender Füllstoff
oder ein Additiv oder Mischungen davon zugegeben werden können, um
der beanspruchten Zusammensetzung gewünschte Eigenschaften zu verleihen
oder die gewünschten
Eigenschaften zu erhöhen.
Derartige gewünschte
Eigenschaften schließen
die Dielektrizitätskonstante,
den Verlustfaktor, die thermische Leitfähigkeit und den Fluss ein.
Typische Beispiele der streckenden Füllmaterialien sind Russ, Silikamasse,
Aluminiumoxid, Magnesia, Talk, Mika, Glasperlen, hohle Glasperlen.
Typische Beispiele der Additive sind Antioxidantien, Weichmacher,
Pigmente, Farbstoffe, keramische Additive zur Erhöhung elektrischer
Eigenschaften und Flammhemmer oder Mittel, die verwendet werden,
um die Flammhemmung des Harzes zu erhöhen. Materialien in der Additivklasse
schließen
anorganische Antimonverbindungen, wie bspw. Sb2O3, Sb2O5,
NaSbO3·1/4H2O ein. Weiterhin kann ein weiterer Duroplast,
ein thermoplastisches oder elastomeres Harz in den Zusammensetzungen
der vorliegenden Erfindung, entweder alleine oder in Kombination,
zum Zweck der Verbesserung der Eigenschaften, wie bspw. der Rauhigkeit,
der Schlagzähigkeit
oder der thermischen Stabilität,
eingeschlossen werden.
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Die
vorliegende Erfindung schließt
Zusammensetzungen ein, die einen verstärkenden Füllstoff enthalten, um der vernetzten
oder teilweise vernetzten Zusammensetzung eine strukturelle Integrität zu verleihen. Derartige
verstärkte
Zusammensetzungen sind bei der Herstellung von Laminaten nützlich.
Bei der Herstellung von Laminaten ist die Imprägnierung eines Harzes in einen
faserartigen, verstärkenden
Füllstoff
ein anfänglicher
Hauptschritt. Im allgemeinen umfasst dieses Verfahren das Auflösen einer
gewünschten
Harzzusammensetzung in einem inerten, organischen Lösungsmittel,
um die Harzviskosität
zu erniedrigen und die effiziente Sättigung mit dem faserartigen,
verstärkenden
Füllstoff
zu erreichen. Die imprägnierie
Verstärkung
wird dann erwärmt,
um das Lösungsmittel
zu verdampfen und die Harzmischung teilweise zu vernetzen. Der resultierende
Artikel ist als Prepreg bekannt.
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Verstärkende Füllstoffe,
die dem Fachmann bekannt sind, können
verwendet werden. Sie schließen anorganische
und organische Materialien, wie bspw. gewebte und nicht gewebte
Glasstoffe von Gläsern
des E-, NE-, S-, T- und des D-Typs und Quarz ein. Sie sind jedoch
nicht auf diese beschränkt.
Sie können
in der Form von Glasroving-Gewebe, Glasgewebe, geschnittenem Glas,
hohlen Glasfasern, Glasfasermatte, Glasoberflächenmatte (glass surfacing
mat) und nicht-gewebten Glasstoffen, keramischen Faserstoffen und
metallischen Faserstoffen vorliegen. Weiterhin können auch synthetische, organische,
verstärkende
Füllstoffe
bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden und diese würden organische
Polymere, die in der Lage sind, Fasern zu bilden, einschließen.
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Veranschaulichende
Beispiele derartiger verstärkender,
organischer Fasern sind Polyetherketon, Polyimidbenzoxazol, Polyphenylensulfid,
Polyester, aromatische Polyamide, aromatische Polyimide oder Polyetherimide,
acrylische Harze und Polyvinylalkohol. Fluorpolymere, wie bspw.
Polytetrafluorethylen können
bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Auch werden natürliche,
organische Fasern, die dem Fachmann bekannt sind, eingeschlossen.
Diese umfassen Baumwollstoffe, Hanfstoffe und Filz, Kohlenstofffasergewebe
und natürliche
Cellulosestoffe, wie bspw. Kraftpapier, Baumwollpapier und glasfaserenthaltendes
Papier. Derartige verstärkende
Füllstoffe
könnten
in der Form von Monofilament- oder Multifilamentfasern vorliegen und
könnten
entweder alleine oder in Kombination mit anderen Fasertypen, bspw.
durch Verwebungs- oder Ummantelungs-, Nebeneinander-, Orangentyp-
oder Matrix- und Fibrillenkonstruktionen oder durch andere, dem
Fachmann der Faserherstellung bekannte Verfahren verwendet werden.
Sie könnten
bspw. in der Form von gewebten, faserartigen Verstärkungen,
nicht-gewebten, faserartigen Verstärkungen oder als Papiere vorliegen.
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Es
ist im Stand der Technik bekannt, dass Kupplungsmittel, welche in
das verstärkende
Material eingebracht werden, die Adhäsion der faserartigen Verstärkung an
die vernetzte Harzzusammensetzung verbessern. Für die Zwecke dieser Erfindung
typische Kupplungsmittel sind Silan-, Titanat-, Zirconat-, Aluminium-
und Zircoaluminium-basierende
Kupplungsmittel und andere, im Stand der Technik bekannte Mittel.
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Die
vernetzte Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung kann in der
Form eines Films oder einer Laminatstruktur verwendet werden, welche
eine Metallfolie und mindestens eine vernetzte Harzzusammensetzungsschicht
umfasst, die auf mindestens einer Oberfläche der metallischen Folie
angeordnet ist. Beispielhafte metallische Folien, die bei der vorliegenden
Erfindung nützlich
sind, sind Kupferfolien, Aluminiumfolien. Im allgemeinen ist die
Dicke der metallischen Folie von ungefähr 5 Mikrometer (μm) bis ungefähr 200 μm und vorzugsweise
von ungefähr
5 μm bis
100 μm.
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Die
Zusammensetzung kann bis zu dem gewünschten Grad durch jedes der
zahlreichen Verfahren, die dem Fachmann bekannt sind, vernetzt werden,
welche das Erwärmen,
das dem Licht oder einem Elektronenstrahl Aussetzen einschließen. Wenn
das Erwärmen
verwendet wird, kann die gewählte
Temperatur von ungefähr
80° bis
ungefähr
300°C und
vorzugsweise von ungefähr
120° bis
ungefähr
240°C sein.
Die Erwärmungszeit
kann von ungefähr
einer Minute bis ungefähr
10 Stunden, vorzugsweise von ungefähr einer Minute bis ungefähr 6 Stunden,
und insbesondere von ungefähr
3 Stunden bis ungefähr
5 Stunden, sein.
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BEISPIELE
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Vernetzte
Cyanatester-Triazinlaminate wurden hergestellt, indem man anfänglich eine
50%ige (Gewichtsprozent) Lösung
der vernetzbaren Zusammensetzung in Toluol oder in einer Mischung
aus Toluol und N,N-Dimethylformamid (95:5 vol/vol) (Tabellen 2-3)
herstellte.
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Nach
der Formulierung, wie zuvor beschrieben, wurde die gewünschte Verstärkung mit
der Harzlösung
imprägniert.
Das resultierende, imprägnierte
Gewebe wurde auf 150°C
für 7 Minuten
erwärmt,
um Lösungsmittel
zu entfernen und den Duroplasten teilweise zu vernetzen. Die resultierenden,
verstärkten
Prepregs wurden geschichtet und in einem Presswerkzeug bei ungefähr 200°C für drei Stunden
erwärmt,
um 6–8 lagige
Laminate herzustellen. Die physikalischen Eigenschaften der so hergestellten
Laminate werden in den Tabellen 2–3 gezeigt. Diese Verbundstoffe
wiesen exzellente, dielektrische Eigenschaften auf, die für ihre Verwendung
bei Anwendungen, wie bspw. als Leiterplatten, Antennenkuppeln (radome
structures) und Antennenbeschichtungen, entscheidend sind.
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Tabelle
1 zeigt die Molekulargewichte und Grenzviskositäten von PPE-Polymeren, die
in dieser Studie untersucht wurden. Die PPE-Polymere wurden durch
- A) oxidative Polymerisation von 2,6-Xylenol,
- B) Umlagerung von 0,40 IV Poly-2,6-dimethyl-1,4-phenylenether
(PPO®,
eine Handelsmarke von General Electric Co.) mit Bisphenol-A unter
Verwendung eines Benzoylperoxid-Katalysators (PPE Nr.2) hergestellt.
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Wie
in Tabelle 3 gezeigt, konnte die Umlagerungsreaktion auch gerade
vor der Formulierung ohne Isolierung des PPE-Polymers durchgeführt werden.
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Tabelle
1: PPE-Polymere,
untersucht in PPE-Polycyanurat-Duroplasten Molekulargewichte
durch GPC ermittelt und relativ zu Polystyrol-Standards berechnet
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Die
Tabellen 2 und 3 zeigen typische E-Glas-verstärkte Cyanatester-Triazinzusammensetzungen,
die unter Verwendung von Zinkoctoat und Phenolenthaltender Verbindung
als Katalysatoren, vernetzt wurden. Die Beispiele 3–7 zeigen
typische E-Glas-verstärkte
Cyanatester-Triazinzusammensetzungen, die unter Verwendung eines
Zinkoctoat-Katalysators und eines PPE-Polymerkatalysators vernetzt
wurden. Wie gezeigt, führten diese
Harze zur Herstellung von Laminaten mit Tgs von 182-235°C, mit Dielektrizitätskonstanten
im Bereich von 3,8 bis 4,5 und Verlustfaktoren im Bereich von 0,0016-0,0030.
Die exzellenten, elektrischen und thermischen Eigenschaften dieser
Zusammensetzungen machen sie bei Anwendungen, wie bspw. Leiterplatten,
Antennenbeschichtungen, Einbettharze, Matrizen für Schleifmittel oder Duroplastklebstoffe,
extrem nützlich.
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Tabelle 2:
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E-Glas verstärkte Cyanatester-Triazin-Zusammensetzungen
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Alle
Komponenten werden in Gewichtsteilen angegeben. Die Proben wurden
unter Verwendung von E-Glas-Verstärkung der Ausführung 7628
hergestellt.
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Weil
die Verfügbarkeit
von PPE-Polymeren mit niedrigem Molekulargewicht nicht weit verbreitet
ist, ist bei dieser Erfindung die in situ Herstellung von PPE-Polymeren
mit niedrigem Molekulargewicht aus leicht erhältlichen PPE-Polymeren mit
hohem Molekulargewicht von besonderer Bedeutung. Wie gezeigt, kann
dies durch Umlagerung eines 0,40 IV PPO® Polymer
(General Electric Co.) mit 2,2-Bis-4-hydroxyphenyl-propan (Bisphenol-A)
und einem Benzoylperoxid-Oxidationsmittel oder mit einem Oxidationsmittel
alleine erreicht werden. Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse von PPE-Cyanatester-Triazin-Zusammensetzungen,
die nach diesem Verfahren hergestellt wurden. In diesem Zusammenhang
wurden 2,2-Bis-4-hydroxyphenyl-propan und Benzoylperoxid mit Mengen
von vier Gewichtsprozent der PPO-Menge oder 1,11 Gewichtsprozent
der gesamten Zusammensetzung verwendet.
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Tabelle 3:
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E-Glas
verstärkte
Cyanatester-Triazin-Zusammensetzungen, die PPE als Venetzungskatalysator
enthalten.
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Alle
Komponenten werden in Gewichtsteilen angegeben. Die Proben wurden
unter Verwendung von E-Glas-Verstärkung der Ausführung 7628
hergestellt.
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