ES2206207T3 - Esteres cianato que tienen propiedades resistentes a la llama. - Google Patents

Esteres cianato que tienen propiedades resistentes a la llama.

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ES2206207T3 ES00914096T ES00914096T ES2206207T3 ES 2206207 T3 ES2206207 T3 ES 2206207T3 ES 00914096 T ES00914096 T ES 00914096T ES 00914096 T ES00914096 T ES 00914096T ES 2206207 T3 ES2206207 T3 ES 2206207T3
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Abstract

Un compuesto representado por la **fórmula** en donde Z es un grupo alquileno de C1-C4 o un cicloalquileno de cinco o seis miembros; R1, R5, R6 y R10, independientemente, son alquilo de C1-C4 no sustituido o halogen- o C1-C3 alquilo sustituido que puede estar saturado o insaturado, halógeno, H, -OCN, -OH, alcoxilo de C1-C4, alquiltio, mercaptano, nitro, - OCOR(alquilo de C1-C3), -NCOR(alquilo de C1-C3), -COR, -NO2, -NR''R", donde R, R'' y R" son H o alquilo de C1-C3; R2, R4, R7 y R9, independientemente uno de otro, son alquilo de C1-C4, halógeno, H, -OCN, u -OH, alcoxilo de C1-C4, alquiltio, mercaptano, nitro, -OCOR(alquilo de C1-C3), - NCOR(alquilo de C1-C3), -COR, -NO2, -NR''R", en donde R, R'' y R" son H o alquilo de C1-C3; R3 y R8, independientemente uno de otro, son alquilo de C1- C4, halógeno H, -OCN u -OH, alcoxilo de C1-C4, alquiltio, mercaptano, nitro, -OCOR(alquilo de C1-C3), -NCOR(alquilo de C1-C3), -COR, -NO2, -NR''R", donde R, R'' y R" son H o alquilo de C1-C3; o R1 y R2 juntos y/o R2 y R3 juntos, y/o R9 y R10 juntos, y/o R8 y R9 juntos, independientemente uno de otro, forman uno o mas anillos aromáticos o cicloalquileno de cinco o seis miembros que puede cada uno estar sustituido por alquilo de C1-C4 o halógeno; R11 y R12, independientemente uno de otro, son H, fenilo, alquilo de C1-C4 o halógeno, en donde por lo menos uno de los anilos aromáticos A y B o por lo menos uno de los anillos aromáticos o el anillo de cinco o seis miembros formado por R1 y R2 y/o R2 y R3 y/o R9 y R10 y/o R8 y R9 está sustituido por a lo menos un grupo cianato.

Description

Ésteres cianato que tienen propiedades resistentes a la llama.
Este invento se refiere a nuevos compuestos de éster cianato aromáticos que tienen por lo menos dos anillos enlazados por un miembro conteniendo grupo insaturado, prepolímeros y sus composiciones, y procedimientos para su obtención. Los compuestos pueden utilizarse en adhesivos, compositos, laminados y composiciones de moldeo. Los compuestos y sus composiciones tienen particular utilidad para empleo en artículos moldeados que requieren resistencia a la llama, bajos ratios de liberación de calor pico, tal como interiores para aeronaves y otros vehículos de transporte, y un bajo ratio de liberación de calor total sin generar cantidades significantes de humo.
Los ésteres cianato fenólicos se han descrito extensivamente en la patente estadounidense nº 5.360.887, por ejemplo, describe una composición termofraguante resistente a la llama que contiene un éster monocianato y un éster dicianato de la fórmula
1
en donde el miembro puente a puede ser un enlace directo, metileno o metileno mono- o disustituido con alquilo y / o un grupo arilo, o un cicloalquileno de cinco o seis miembros, sulfonilo, tio, oxilo, carbonilo o xileno.
El artículo "Flammability Resistance Of Non-Brominated Cyanate Ester Resins", S: J: Ising et al., Tomorrow's Mater.: Today, Book 2, 1326-35 expone la mejor resistencia a la inflamabilidad de formulaciones de resina ARoC™, que cubren estos dicianatos de arilo como dicinato de bisfenol A, dicianato de tetrametilbisfenol, dicianato de tiodifenol y dicianato de hexafluorobisfenol A, en comparación con la de los epoxidos principalmente bromados y bismaleimidas. Las ilustraciones de la Patente U.S. nº 5.109.078 representan una de las muchas ilustraciones de resinas fenólicas conteniendo grupo cianato de la fórmula:
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en donde X es un radical orgánico divalente, de preferencia un radical elegido del grupo constituido por: -CH_{2}, -CO-, -SO2-, (S)y,
3
Existe una necesidad en la industria del transporte, particularmente para interiores de aviones, de componentes poliméricos moldeados que exhiban bajos ratios de liberación de calor pico. Muchos ésteres cianato exhiben buenas propiedades dieléctricas, absorción de agua y retardo de llama. Sin embargo todos los ésteres cianato conocidos normalmente tienen ratios de liberación de calor por debajo de 35 Julios/g-ºK, mas preferentemente por debajo de 10 Julios/g-ºK. Pueden obtenerse bajos ratios de liberación de calor pico utilizando otros polímeros de alta prestación tal como polifenilsulfona, poliaminimidas, polibenzoimidazoles y polibenzoxazoles. Todos los polímeros que normalmente se encuentran disponibles que tienen bajos ratios de liberación de calor pico adolecen de una o más desventajas tal como alto costo de fabricación o enfrentamiento de exigencias de procesado. El presente invento produce artículos moldeados que tienen el ratio de liberación de calor pico bajo deseado utilizando compuestos de éster cianato y sus composiciones.
El presente invento se refiere, en un primer aspecto, a un compuesto representado por la fórmula (I):
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en donde
Z es un grupo alquileno de C1-C4 o un cicloalquileno de cinco o seis miembros;
R1, R5, R6 y R10, independientemente, son alquilo de C1-C4 no sustituido o halogen- o C1-C3 alquilo sustituido que puede estar saturado o insaturado, halógeno, H, -OCN, -OH, alcoxilo de C1-C4, alquiltio, mercaptano, nitro, -OCOR(alquilo de C1-C3),
-NCOR(alquilo de C1-C3), -COR, -NO2, -NR'R'', donde R, R' y R'' son H o alquilo de C1-C3;
R2, R4, R7 y R9, independientemente uno de otro, son alquilo de C1-C4, halógeno, H, -OCN, u -OH, alcoxilo de C1-C4, alquiltio, mercaptano, nitro, -OCOR(alquilo de C1-C3), -NCOR(alquilo de C1-C3), -COR, -NO2, -NR'R'', en donde R, R' y R'' son H o alquilo de C1-C3;
R3 y R8, independientemente uno de otro, son alquilo de C1-C4, halógeno H, -OCN u -OH, alcoxilo de C1-C4, alquiltio, mercaptano, nitro, -OCOR(alquilo de C1-C3), -NCOR(alquilo de C1-C3), -COR, -NO2, -NR'R'', donde R, R' y R'' son H o alquilo de C1-C3; o
R1 y R2 juntos y/o R2 y R3 juntos, y/o R9 y R10 juntos, y/o R8 y R9 juntos, independientemente uno de otro, forman uno o mas anillos aromáticos o cicloalquileno de cinco o seis miembros que puede cada uno estar sustituido por alquilo de C1-C4 o halógeno;
R11 y R12, independientemente uno de otro, son H, fenilo, alquilo de C1-C4 o halógeno, en donde por lo menos uno de los anillos aromáticos A y B o por lo menos uno de los anillos aromáticos o el anillo de cinco o seis miembros formado por R1 y R2 y/o R2 y R3 y/o R9 y R10 y/o R8 y R9 está sustituido por a lo menos un grupo cianato.
Un compuesto preferido se caracteriza, de conformidad con la fórmula (I) anterior en donde Z es alquileno C1-C2; R1 y R10 son H, R2, R4, R7 y R9, independientemente uno de otro, son halógeno, H, -OCN, u -OH; R3, R5, R6 y R8, independientemente uno de otro, son H, -OCN u -OH; R11 y R12 son halógeno; y por lo menos uno de los anillos aromáticos A y B está sustituido por a lo menos un grupo cianato.
Un compuesto particularmente preferido se caracteriza, de conformidad con la fórmula (I) anterior, en donde Z es alquileno de C1-C2; R1, R5, R6 y R10 son H, R2, R4, R7 y R9, independientemente uno de otro, son halógeno o H, R11 y R12 son halógeno; y R3 y R8 son -OCN. Mas preferentemente, R11 y R12 son cloro o bromo. Mas preferentemente, R11 y R12 son cloro.
Otro compuesto preferido se caracteriza, de conformidad con la fórmula (I) anterior en donde Z es metileno, R1, R2, R4, R5, R6, R7, R9 y R10 son H, R3 y R8 son -OCN; y R11 y R12 son cloro.
El presente invento se refiere, en un segundo aspecto, a una mezcla prepolímero conteniendo un producto de reacción ciclotrimerizado de ésteres cianato en donde por lo menos uno de dichos ésteres cianato es el compuesto de conformidad con la fórmula (I) anterior. De preferencia hasta el 60% de los grupos cianato en la mezcla global está tirmerizado como parte del producto de reacción ciclotrimerizado. Mas particularmente 10 a 40%, de preferencia 20 a 30% de los grupos cianato en la composición global está trimerizado como parte del producto de reacción ciclotrimerizado.
El presente invento se refiere, en otro aspecto, a una composición que contiene a) un compuesto de conformidad con la fórmula (I) anterior o un producto de reacción ciclotrimerizado respectivo y b) un disolvente o c) un éster monocianato diferente del componente a). De preferencia el componente c) es por lo menos un éster monocianato aromático halogen-sustituido o no sustituido elegido entre naftol cianato, fenilfenol, cloronaftol cianato, clorofenilfenol, dicloronaftol cianato, diclorofenilfenol, bromonaftol cianato, bromofenilfenol, dibromonaftol cianato, dibromofenilfenol y sus mezclas.
El presente invento, en otro aspecto, se refiere a una composición que contiene a) un compuesto de conformidad con la fórmula (I) anterior o un producto de reacción ciclotrimerizado respectivo y b) un monómero u oligómero térmicamente curable distinto de un éster cianato. De preferencia el monómero u oligómero térmicamente curable o reactivo se elige entre una resina epoxi, bismaleimida, poliimida, poliéster, epoxi-acrilato, uretan-acrilato, dialil ftalato, espiropirano, fenólica y sus mezclas.
El presente invento, en otro aspecto, se refiere a una composición que contiene a) por lo menos 15%, de preferencia 50 a 100%, mas preferentemente de 60 a 99%, en peso de la composición total de un compuesto de conformidad con la fórmula (I) o un producto de reacción ciclotrimerizado respectivo, siendo el completado de la composición opcionalmente por lo menos uno de los componentes b) a g); b) disolvente; c) compuestos adicionales conteniendo grupo mono- y policianato; d) compuestos termocurables o reactivos distintos de éster cianato; e) catalizadores de curado y/o aceleradores de curado; f) endurecedores; y g) aditivos y rellenos usuales.
El presente invento se refiere, en todavía otro aspecto, a un procedimiento para la preparación de un éster cianato que comprende:
a) hacer reaccionar por lo menos un compuesto aromático con un aldehído halogen sustituido, hemiacetal o acetal, en presencia de un ácido para producir un compuesto aromático que tiene, por lo menos dos anillos de conformidad con la fórmula (A)
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en donde
Z es un grupo alquileno de C1-C4 o un cicloalquileno de cinco o seis miembros;
R1, R5, R6 y R10, independientemente, son alquilo de C1-C4 no sustituido o halogen- o C1-C3 alquilo sustituido que puede estar saturado o insaturado, halógeno, H, -OCN, -OH, alcoxilo de C1-C4, alquiltio, mercaptano, nitro, -OCOR(alquilo de C1-C3),
-NCOR(alquilo de C1-C3), -COR, -NO2, -NR'R'', donde R, R' y R'' son H o alquilo de C1-C3;
R2, R4, R7 y R9, independientemente uno de otro, son alquilo de C1-C4, halógeno, H, -OCN, u -OH, alcoxilo de C1-C4, alquiltio, mercaptano, nitro, -OCOR(alquilo de C1-C3), -NCOR(alquilo de C1-C3), -COR, -NO2, -NR'R'', en donde R, R' y R'' son H o alquilo de C1-C3;
R3 y R8, independientemente uno de otro, son alquilo de C1-C4, halógeno H, -OCN u -OH, alcoxilo de C1-C4, alquiltio, mercaptano, nitro, -OCOR(alquilo de C1-C3), -NCOR(alquilo de C1-C3), -COR, -NO2, -NR'R'', donde R, R' y R'' son H o alquilo de C1-C3; o
R1 y R2 juntos y/o R2 y R3 juntos, y/o R9 y R10 juntos, y/o R8 y R9 juntos, independientemente uno de otro, forman uno o mas anillos aromáticos o cicloalquileno de cinco o seis miembros que puede cada uno estar sustituido por alquilo de C1-C4 o halógeno;
R11, R12 y R13, independientemente uno de otro, son H, fenilo, alquilo de C1-C4 o halógeno, con la condición de que por lo menos uno de los grupos R11, R12 y R13 debe ser halógeno;
en donde por lo menos uno de los anillos aromáticos A y B o por lo menos uno de los anillos aromáticos o el anillo de cinco o seis miembros formado por R1 y R2 y/o R2 y R3 y/o R9 y R10 y/o R8 y R9 está sustituido por a lo menos un grupo cianato;
b) poner en contacto el compuesto aromático de conformidad con la fórmula (A) con un compuesto básico para separar por lo menos un grupo halógeno del átomo de carbono enlazado a R11, R12 y R13 y así producir un compuesto aromático con por lo menos dos anillos enlazados por un grupo conteniendo un grupo insaturado de conformidad con la fórmula (B)
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c) convertir por lo menos algunos de los grupos hidroxilo del compuesto aromático de conformidad con la fórmula (B) en grupos cianato vía reacción con un cianogenhaluro para producir un compuesto de éster cianato aromático orgánico.
Un procedimiento preferido utiliza un aldehído conteniendo halógeno, acetal o hemiacetal elegido entre fluoropropanal, fluoroacetaldehido, bromopropanal, bromoace-taldehido, cloroetanal, cloropropanal, cloroacetaldehido, 2-cloro-1-etoxi etanol, 2-fluoro-1-etoxi etanol, 2-bromo-1-etoxi etanol, difluoropropanal, difluoroacetaldehido, dibromopropanal, dibromoacetaldehido, dicloroetanal, dicloropropanal, dicloro-acetaldehido, 2,2-dicloro-1-etoxi etanol, 2,2-difluoro-1-etoxi etanol, 2,2-dibromo-1-etoxi etanol, trifluoropropoanal, trifluoroacetaldehido, tribromopropanal, tribromoacetaldehido, tricloroetanal, tricloropropanal, tricloroacetaldehido, 2,2,2-tricloro-1-etoxi etanol, 2,2,2-trifluoro-1-etoxi etanol, 2,2,2-tribromo-1-etoxi etanol y sus mezclas. Mas preferentemente, el aldehído, acetal o hemiacetal conteniendo halógeno, se elige entre tricloroetanal, 2,2,2-tricloro-1-etoxi etanol y sus mezclas.
Un procedimiento preferido utiliza un compuesto aromático que ha de reaccionar con el aldehído, acetal o hemiacetal conteniendo halógeno en la etapa (a) que se elige entre fenol, clorofenol, diclorofenol, cresol, xilenil, carvacol, timol, naftol, antrol, fenantrol, pirocatecol, resorcinol, clororesorcinol, diclororesorcinol, hidroquinona, clorohidroquinona, diclorohidroquinona, triclorohidroquinona, dinaftol, clorodinaftol, diclorodinaftol y sus mezclas.
El procedimiento descrito antes puede llevarse a cabo ventajosamente de modo que la mezcla reaccional de la etapa (a) comprenda, además, una cantidad menor de un alcohol no aromático.
El cianogenhaluro preferido para llevar a la práctica el procedimiento antes descrito se elige entre cloruro de cianógeno, bromuro de cianógeno y sus mezclas.
El presente invento, en todavía otro aspecto, se refiere a un artículo curado resultante de una mezcla curable que comprende un compuesto de conformidad con la fórmula (I) anterior o su producción de reacción ciclotrimerizado que tiene un ratio de liberación de calor pico inferior a alrededor de 10 julios/g-ºK medido utilizando un calorímetro de combustión de pirólisis desarrollado por la Federal Aviation Administration o un ratio de liberación de calor pico inferior a 30, de preferencia 25 medido de conformidad con la prueba de liberación de calor de la Universidad del estado de Ohio. El presente invento se refiere además a un artículo curado restante de una mezcla curable que comprende un compuesto de conformidad con la fórmula (I) anterior o un producto de reacción ciclotrimerizado respectivo que tiene una liberación de calor total de menos de alrededor de 3 Kjulios/g. Los artículos curados no generan cantidades significantes de humo durante la combustión.
El presente invento es un compuesto de éster cianato aromático resistente a la llama, sus prepolímeros, y composiciones que los contienen, artículos fabricados, y métodos para obtenerlos y utilizarlos. El compuesto de conformidad con el presente invento tiene un grupo de enlace que contiene un grupo insaturado que puentea por lo menos dos grupos aromáticos. Mas particularmente, el compuesto puede representarse por la fórmula (I):
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en donde
Z es un grupo alquileno de C1-C4 o un cicloalquileno de cinco o seis miembros;
R1, R5, R6 y R10, independientemente, son alquilo de C1-C4 no sustituido o halogen- o C1-C3 alquilo sustituido que puede estar saturado o insaturado, halógeno, H, -OCN, -OH, alcoxilo de C1-C4, alquiltio, mercaptano, nitro, -OCOR(alquilo de C1-C3),
-NCOR(alquilo de C1-C3), -COR, -NO2, -NR'R'', donde R, R' y R'' son H o alquilo de C1-C3;
R2, R4, R7 y R9, independientemente uno de otro, son alquilo de C1-C4, halógeno, H, -OCN, u -OH, alcoxilo de C1-C4, alquiltio, mercaptano, nitro, -OCOR(alquilo de C1-C3), -NCOR(alquilo de C1-C3), -COR, -NO2, -NR'R'', en donde R, R' y R'' son H o alquilo de C1-C3;
R3 y R8, independientemente uno de otro, son alquilo de C1-C4, halógeno H, -OCN u -OH, alcoxilo de C1-C4, alquiltio, mercaptano, nitro, -OCOR(alquilo de C1-C3), -NCOR(alquilo de C1-C3), -COR, -NO2, -NR'R'', donde R, R' y R'' son H o alquilo de C1-C3; o
R1 y R2 juntos y/o R2 y R3 juntos, y/o R9 y R10 juntos, y/o R8 y R9 juntos, independientemente uno de otro, forman uno o mas anillos aromáticos o cicloalquileno de cinco o seis miembros que puede cada uno estar sustituido por alquilo de C1-C4 o halógeno;
R11 y R12, independientemente uno de otro, son H, fenilo, alquilo de C1-C4 o halógeno, en donde por lo menos uno de los anillos aromáticos A y B o por lo menos uno de los anillos aromáticos o el anillo de cinco o seis miembros formado por R1 y R2 y/o R2 y R3 y/o R9 y R10 y/o R8 y R9 está sustituido por a lo menos un grupo cianato.
En un compuesto mas preferido, Z es alquileno de C1-C2, R1 y R10 son H; R2, R4, R7 y R9, independientemente uno de otro, son halógeno, H, -OCN, u -OH; R3 y R8, independientemente, son H, -OCN u -OH; R5 y R6, independientemente uno de otro, son H,
-OCN u -OH; y R11 y R12 son halógeno, en donde por lo menos uno de los anillos aromáticos A y B está sustituido por a lo menos un grupo cianato. En un compuesto particularmente preferido, Z es alquileno de C1-C2, R1, R5, R6 y R10 son H; R2, R4, R7 y R9, independientemente uno de otro, son halógeno o H; R3 y R8 son -OCN; y R11 y R12 son halógeno. Un compuesto mas preferido se caracteriza por ser Z metileno, siendo R1, R2, R4, R5, R6, R7, R9 y R10 H; siendo R3 y R8 un grupo cianato y siendo R11 y R12 cloro.
El nuevo compuesto se prepara haciendo reaccionar, en una primera reacción, un compuesto aromático sustituido por un aldehído conteniendo mono-, di- o tri-halógeno, acetal o hemiacetal o alcohol correspondiente, en presencia de un ácido, de preferencia un ambiente altamente acídico que tiene un pH inferior a alrededor de 3, para producir un compuesto aromático conteniendo por lo menos dos anillos enlazados por el radical halogen-sustituido del aldehído, acetal o hemiacetal. En una segunda reacción se pone en contacto el compuesto aromático resultante con un compuesto básico, tal como hidróxido potásico, y un disolvente no polar orgánico, tal como metanol, para separar por lo menos un grupo halógeno para producir un compuesto aromático en donde los por lo menos dos anillos están enlazados por un grupo que contiene un grupo insaturado. Las reacciones antes citadas se describen con mayor detalle en las patentes estadounidenses núms. 3.856.566, 4.110.541 y 4.117.018, que se incorporan aquí como referencia. En una tercera reacción, por lo menos alguno de los grupos hidroxilo del compuesto aromático resultante de la segunda reacción se convierte en grupos cianato vía reacción con un cianogenhaluro, tal como cloruro de cianógeno o bromuro de cianógeno, vía una reacción conocida como se describe en la patente estadounidense nº 5.149.863 (que se incorpora aquí como referencia) para producir el producto final deseado. El producto resultante puede utilizarse tal cual o recristalizarse en forma mas pura. La cantidad de cianogenhaluro debe ser suficiente para reaccionar con todo de los grupos hidroxilo del compuesto aromático resultante de la segunda reacción si bien pueden utilizarse cantidades superiores o inferiores a las este-quiométricas.
Compuestos aromáticos apropiados para este invento contienen uno o mas anillos aromáticos que tienen por lo menos un grupo hidroxilo. Los anillos aromáticos pueden sustituirse adicionalmente con grupos alquilo y/o halógeno. Ejemplos de compuestos aromáticos apropiados son fenol, fenil fenol, cresol, xilenil, carvacol, timol, naftol, naftol disustituido, antrol, fenantrol, pirocatecol, resorcinol, hidroquinona, y compuestos conteniendo hidroxilo bicíclico enlazados por grupos alquileno, carbonilo, oxilo y/o sulfonilo y halogenados, tal como compuestos correspondientes de bromo, flúor y cloro. Debe indicarse que la sustitución de halógeno mejorará el retardo de llama de artículos moldeados resultante de estos compuestos halogenados y sus composiciones. Pueden utilizarse mezclas de dichos compuestos aromáticos, así como mezclas con cantidades menores de alcoholes no aromáticos. El fenol es un compuesto aromático particularmente preferido para ser aquí utilizado.
Los aldehídos, acetales y hemiacetales conteniendo halógeno apropiados incluyen compuestos mono- y polihalogenados, tal como fluoropropanal o fluoroacetaldehido, bromopropanal o bromoacetaldehido, cloroetanal, cloropropanal o cloroace-taldehido, 2-cloro-1-etoxi etanol, 2-fluoro-1-etoxi etanol, 2-bromo-1-etoxi etanol, difluoropropanal o difluoroacetaldehido, dibromopropanal o dibromoacetaldehido, dicloroetanal, dicloro-propanal o dicloroacetaldehido, 2,2-dicloro-1-etoxi etanol, 2,2-difluoro-1-etoxi etanol, 2,2-dibromo-1-etoxi etanol, trifluo-ropropanal o trifluoroacetaldehido, tribromopropanal o tribromoacetaldehido (bromal), tricloroetanal, tricloropropanal o tricloroacetaldehido (cloral), 2,2,2-tricloro-1-etoxi etanol, 2,2,2-trifluoro-1-etoxi etanol, 2,2,2-tribromo-1-etoxi etanol. Se prefiere particularmente tricloroetanal y 2,2,2-tricloro-1-etoxi etanol.
A continuación se ejemplifica una secuencia de reacción particularmente preferida.
8
El nuevo compuesto antes descrito forma, de modo convencional, una red de triacina aromática después de calentamiento y/o en presencia de un agente de curado. Condiciones de curado típicas son de 120ºC a 250ºC entre la presión atmosférica y 500 psi durante 0,1 a l hora dependiendo del tamaño de la muestra, temperatura y presión. La reacción de curado se conoce como ciclotrimerización. Se requiere por lo menos tres moles de monómero de éster cianato antes descrito para producir un mol de producto de prepolímero ciclo-trimerizado. Una composición conteniendo el nuevo compuesto antes descrito puede ciclotrimerizarse en forma convencional para producir un prepolímero en donde hasta alrededor del 60% de los grupos cianato en la composición total se ha trimerizado. Mas preferentemente el prepolímero se caracteriza por tener entre alrededor de 10 y 40%, mas preferentemente entre alrededor de 20 y 30% de los grupos cianato trimerizados.
El nuevo compuesto antes descrito forma una resina sólida que tiene un punto de ablandamiento en la gama de 70 a 80ºC. El compuesto del invento antes descrito puede utilizarse solo o combinado con otros compuestos conteniendo grupo mono- y policianato para formar composiciones de resina termoendurecibles. Los compuestos que contienen grupo cianato adicionales pueden halogenarse con el fin de mejorar el ratardo de llama. Los compuestos que contienen grupo cianato adicionales pueden combinarse con el compuesto del invento antes descrito en orden a modificar la temperatura de transición vítrea y mejorar el procesado de la composición global siempre que se obtenga el objetivo general de obtener un artículo moldeado que tenga características de liberación de calor pico. La peticionaria ha encontrado, por ejemplo, que la adición de monocianatos aromáticos, tal como naftol cianato, fenilfenol cianato y el monocianato de los compuestos del invento aquí descritos, de preferencia hasta alrededor del 40% en peso dependiendo del tipo de cianato aromático seleccionado reduce la temperatura de transición vítrea de la composición termofraguante global sin aumentar de modo significante el ratio de liberación de calor pico de los artículos moldeados resultantes y propiedades de impacto mecánico.
El compuesto del invento descrito antes puede combinarse también con otros monómeros termocurables y compuestos reactivos, tal como epoxidos, bismaleimidas, poliimidas, poliésteres, epoxi-acrilatos, uretan-acrilatos, dialil ftalatos, espiropirano, y fenol siempre que el artículo moldeado retenga las bajas características de liberación de calor deseadas. La composición puede contener también un catalizador de curado, tal como compuestos de imidazol, aminas terciarias o compuestos organometálicos. Se prefieren compuestos organometálicos tal como cobalto octanato, zinc octanato, cobalto naftalenato o zinc naftenato. La reacción de curado puede también acelerarse adicionalmente con la adición de pequeñas cantidades de fenoles, tal como bisfenol A, bisfenol F, bisfenol S o p-nonilfenol. La composición puede también contener, adicionalmente, un aditivo usual o relleno tal como alúmina, hidróxido de aluminio, tri- o pentaóxido de antimonio, óxido de zinc, dióxido de titanio, polvo de sílice, polvo de cuarzo, polvo de vidrio, microbalones cerámicos o sus mezclas.
Una composición termofraguante preferida o barniz de resina contiene por lo menos 15%, mas preferentemente 50 a 100%, mas preferentemente 60 a 99% en peso del compuesto del invento y/o su prepolímero correspondiente siendo el completado disolvente, compuestos conteniendo grupos mono- y policianato adicionales, compuestos termocurables o reactivos aparte de ésteres cianato, aceleradores de curado y aditivos y rellenos usuales. Los disolventes apropiados incluyen cetonas, tal como metil etil cetona, metil isobutil cetona, hidrocarburos aromáticos, tal como tolueno o xileno, éteres, tal como dioxano, tetrahidrofurano o monometil éter de etilenglicol, alcoholes, tal como metanol, etanol, alcohol isopropílico, amidas, tal como dimetilformamida o dimetilacetamida y sus mezclas. Se prefieren los hidrocarburos aromáticos y cetonas.
Para aplicaciones de colada se calienta una composición termoendurecible antes descrita hasta un estado fundido para producir una composición de prepolímero antes de ser colado en el molde, y luego se deja curar a una temperatura elevada. Para aplicaciones de unión se aplica un barniz de resina o composición de prepolímero fundida a las superficies que han de unirse, y luego se deja curar bajo calor y presión. Se producen productos preimpregnados impregnando un sustrato apropiado con un barniz de resina conteniendo el compuesto del invento y secando el sustrato impregnado. El aparato de impregnación puede ser de diseño convencional. Ejemplos de sustratos utilizados en la preparación de productos preimpregnados incluyen fibra de carbón, sustratos de fibra de vidrio, tal como paño de vidrio o tejido sin tejer de vidrio, sustratos celulósicos, tal como papel kraft o papel de fibra de algodón, tejido de fibra sintética tal como paño de aramida o tejido sin tejer de aramida. Pueden producirse laminados de composito utilizando diferentes tipos de sustratos en combinación. Los compuestos y composiciones aquí descritas pueden utilizarse para producir la sección interior de aeronaves en forma conocida, tal como los interiores descritos en la patente estadounidense nº 5.714.419, cedida a Fiberite, Inc, que se incorpora aquí como referencia.
Se obtuvieron datos de microcombustión para artículos moldeados conteniendo los compuestos del invento utilizando calorímetro de pirólisis-flujo de combustión desarrollado por la Federal Aviation Administration ("FAA"). En la prueba se dispone 1 a 5 mg en un tubo de cuarzo de 10 mm-largo por 2,5 mm de diámetro externo. Se utiliza un ratio de calentamiento lineal de 10ºC/segundo. Los productos de pirólisis se barren del pirolizador haciendo fluir una corriente de gas de nitrógeno a través de un conducto de transferencia calentado y se mezcla con oxígeno en exceso antes de entrar en un horno de alta temperatura para forzar la combustión completa del pirolizado. La liberación de calor por la combustión se calcula a partir del consumo de oxígeno utilizando un valor universal de 13,1 kj de calor liberado por gramo de oxígeno diatómico consumido. Los datos del ratio de liberación de calor pico y liberación de calor total se obtienen del calorímetro sobre muestras triplicadas de cada material medido.
La resistencia a la inflamabilidad para la resina se midió también de conformidad con la prueba de liberación de calor de la Universidad del Estado de Ohio (prueba OSU). Esta prueba mide la cantidad de calor generado en un periodo de 2 minutos (C) así como el ratio de evolución de calor en el pico (B) cuando se expone una muestra de prueba dada a radiación bajo condiciones específicadas. La prueba OSU resulta en una curva de evolución de calor frente al tiempo. El ratio de calor aumenta a condiciones especificadas de conformidad con la Federal Aviation Administration (FAA). Esto corresponde a la incidencia de una muestra a un ratio de 3,5 watios/cm^{2}. Los volátiles se queman por completo con una pequeña llama y el calor generado se registra como una función del tiempo. El tejido de vidrio no contribuye a evolución de calor.
Se han expuesto varios ejemplos a continuación para ilustrar la naturaleza del invento y método para llevarlo a cabo, no obstante el invento no debe considerarse como limitado a sus detalles. Todas las partes se exponen en partes en peso a menos que se indique de otro modo.
Ejemplo 1
El 1,1-dicloro-2,2-bis(4-cianatofenil)etileno se prepara como sigue. Un matraz de 3 litros y cuatro cuellos equipado con agitador mecánico, una admisión de nitrógeno, y termómetro, se carga con 83% de ácido sulfúrico (640 g). A este ácido sulfúrico se adiciona fenol (354 g) a 20ºC. Se adiciona a gotas cloral (200 g) en un embudo adicional a la mezcla de agitación fenólica. La temperatura de reacción se mantiene por debajo de 30ºC. Después de la adición se deja en agitación la mezcla a temperatura ambiente durante 18 horas, antes de adicionarse agua (640 g). Se filtra la mezcla resultante y se lava con mas agua para dar 1,1,1-tricloro-2,2-bis (4-hidroxifenil)etanol (423 g) en forma de sólidos blancos.
Un matraz de 5 litros y 4 cuellos, equipado con un agitador mecánico, un termómetro, y un condensador, se carga con metanol (800 g). Se adiciona hidróxido potásico (440 g) en porciones a la solución de metanol. Después de la adición se enfría la solución hasta 20ºC. A esta solución en agitación se adiciona en porciones 1,1,1-tricloro-2,2-bis(4-hidroxifenil)-etanol (420 g). La temperatura de la reacción se mantiene por debajo de 40ºC. Después de la adición se eleva la temperatura hasta 50ºC y se mantiene durante 2 horas y media. Se enfría la mezcla reaccional hasta 20ºC y se neutraliza con solución de HCl al 25%. Después de neutralización se calienta la mezcla hasta reflujo y se adiciona agua (480 g). Se deja enfriar la mezcla hasta la temperatura ambiente. Se filtra el precipitado y se seca, lo que da 1,1-dicloro-2,2-bis(4-hidroxifenil)eteno en forma de sólidos blancos con color tostado claro.
Un matraz de 4 cuellos y 5 litros, equipado con agitador mecánico, termómetro, y un embudo adicional, se carga con metil isobutil cetona (1500 g), 1,1-dicloro-2,2-bis(4-hidroxifenil)-eteno (320 g), y bromuro de cianógeno (270 g). La solución resultante se enfría hasta -20ºC con un baño de hielo seco/acetona. A la solución en agitación se adiciona a gotas trietilamina (240 g) en el embudo adicional. Se mantiene la temperatura de reacción por debajo de 20ºC. Después de la adición se deja calentar la mezcla resultante hasta 0ºC y se enfría con solución acuosa diluida de HCl. Se lava la fase orgánica con agua unas pocas veces y se concentra bajo vacío para dar 370 g de líquido ámbar, que solidifica como sólidos de color tostado claro.
Ejemplo 1a
En un matraz se mezclan 350 g de la resina del ejemplo 1 con 0,35 g de solución de octoato de manganeso al 6% en hexano a 100ºC. Se desgasea la mezcla y vierte en un molde con una dimensión de 200 mm x 200 mm x 6 mm. Luego se cura la resina a 170ºC durante 1 hora y 220ºC durante 3 horas. La placa moldeada curada se corta en 4 placas (100 mm x 10 mm x 6 mm) para prueba de calorímetro de cono. Se obtienen los resultados siguientes:
Flujo de calor [kW/m^{2}] T ig [seg] HRR pK [kW/m^{2}] Rendimiento de CO [kg/kg]
50 189 124 0,036
75 139 177 0,036
100 129 186 0,025
Nota: T ig: tiempo hasta que se produce la ignición;
\hskip0.8cm HRR pk: Pico del ratio de liberación de calor
Ejemplo 2
Se prepara como sigue 1,1-dibromo-2,2-bis(4-cianatofenil)etileno. Un matraz de 3 litros y 4 cuellos se equipa con agitador mecánico, una admisión de nitrógeno, un termómetro, se carga con 83% de ácido sulfúrico (640 g) y fenol (354 g). A la mezcla lechosa resultante se adiciona a gotas tribromo-acetaldehido (380 g) en un embudo adicional. Se mantiene la temperatura de reacción inferior a 30ºC. Después de la adición se deja en agitación la mezcla a la temperatura ambiente durante 18 horas, antes de adicionarse agua (640 g). Se filtra la mezcla resultante y se lava con mas agua para dar 1,1,1-tribromo-2,2-bis(4-hidroxifenil)etano.
Un matraz de 5 litros y 4 cuellos, equipado con agitador mecánico, termómetro, y un condensador, se carga con metanol (800 g). Se adiciona hidróxido potásico (440 g) en porciones a la solución de metanol. Después de la adición se enfría la solución hasta 20ºC. A esta solución en agitación se adiciona en porciones 1,1,1-tribromo-2, 2-(4-hidroxifenil)etano (420 g). La temperatura de reacción se mantiene por debajo de 40ºC. Después de la adición se eleva la temperatura hasta 50ºC y se mantiene durante 2 horas. Se enfría la mezcla reaccional hasta temperatura ambiente y neutraliza con solución de HCl al 25%. Después de neutralización se calienta la mezcla hasta reflujo y se adiciona agua. Se deja enfriar la mezcla hasta la temperatura ambiente. Se filtra el precipitado formado y se seca, lo que da 1,1-dibromo-2,2-bis (4-hidroxifenil)eteno.
Un matraz de 5 litros y 4 cuellos, equipado con agitador mecánico, termómetro, y un embudo adicional, se carga con metil isobutil cetona (1500 g), 1, 1-dibromo-2,2-bis(4-hidroxifenil)-eteno (420 g), y bromuro de cianógeno (270 g). Se enfría la solución resultante hasta -20ºC con un baño de hielo seco/acetona. A la solución en agitación se adiciona a gotas trietilamina (240 g) en el embudo adicional. La temperatura de reacción se mantiene por debajo de 20ºC. Después de la adición se deja calentar la mezcla resultante hasta 0ºC y se enfría con solución acuosa diluida de HCl. Se lava la fase orgánica adicionalmente con agua varias veces y se concentra bajo vacío para dar el producto deseado.
Los compuestos que siguen se obtienen de conformidad con los procedimientos expuestos en el ejemplo 1:
Nº grupo aromático
\hskip3cm
Producto(s) principal(es)
11 cresol
9
\newpage
12 xilenil
10
13 carvacol
11
14 timol
12
15 naftol
13
16 antrol
14
\newpage
17 fenantrol
15
18 pirocatecol
16
19 hidroquinona
17
20 resorcionol
18
21 clorofenol
19
\newpage
22 diclorofenol
20
23 clorohidroquinona
21
24 2,6-dicloro-hidroquinona
22
25 2,5-dicloro-hidroquinona
23
26 2,3,6-tricloro-hidroquinona
24
\newpage
26 4-cloro-resorcinol
25
27 4,6-dicloro-resorcinol
26
Ejemplo de aplicación 1
En una cubeta de aluminio, se mezclan 12 g de resina del ejemplo 1 con 12 mg de solución de octoato de manganeso en hexano a 100ºC. Se cura la mezcla resultante a 160ºC durante 1 hora y 220ºC durante 2 horas. La resina curada del ejemplo 1 y materiales comparativos se estudian respecto a su ratio de liberación de calor con el microcalorímetro desarrollado por el Technical Center of FAA. El compuesto 1a es resina de fenol formaldehido curada. El compuesto 1b es resina de éster de cianato curada, PT-30. La prueba se realizó sobre cada muestra por triplicado. Los valores medios se exponen en la Tabla 1.
TABLA 1 Resultados de estudio de microliberación de calor
Ratio de liberación de calor pico [julios/g-ºK] Liberación total de calor [julios/g-ºK]
Ej. 1 8,0 1,8
Comp. 1a 41,9 6,2
Comp. 1b 59,2 7,2
Ejemplo de aplicación 2
Se prepara una serie de compositos de 1/8 de pulgada utilizando tejido y resina de vidrio o carbón. Se reviste de modo uniforme un tamaño predeterminado de tejido de vidrio o carbón con 60% en peso de solución de resina en acetona. La resina se prepara a partir del producto del ejemplo 1 y 0,1% de una solución al 6% de octoato de manganeso en hexano. El preimpregnado se seca y se apila 1 pliegue del preimpregnado sobre cada lateral de un panal Nomex de 1/8 de pulgada y se cura el panel emparedado en una prensa caliente. El curado se lleva a cabo a 160ºC durante 1 hora y 220ºC durante 2 horas. Se pesan los laminados curados y el contenido de resina se determina como de alrededor del 35%. El ejemplo 2a es el panel emparedado con tejido de vidrio y el ejemplo 2b es el panel emparedado con tejido de carbón. El compuesto 2a se obtiene a partir de resina de fenol formaldehido y tejido de vidrio. El compuesto 2b se obtiene a partir de resina de fenol formaldehido y tejido de carbón. La prueba OSU se lleva a cabo sobre cada muestra por triplicado. En la Tabla 2 se muestra la media de tres valores.
TABLA 2 Resultados de la prueba OSU
Ratio de liberación de calor pico [kW/m^{2}] Liberación total de calor [KW/m^{2}-min]
Ej. 2a 20,7 19,6
Ej. 2b 19,8 19,2
Comp. 2a 53,2 44,4
Comp. 2b 50,6 41,8

Claims (18)

1. Un compuesto representado por la fórmula (I):
27
en donde
Z es un grupo alquileno de C1-C4 o un cicloalquileno de cinco o seis miembros;
R1, R5, R6 y R10, independientemente, son alquilo de C1-C4 no sustituido o halogen- o C1-C3 alquilo sustituido que puede estar saturado o insaturado, halógeno, H, -OCN, -OH, alcoxilo de C1-C4, alquiltio, mercaptano, nitro, -OCOR(alquilo de C1-C3), -NCOR(alquilo de C1-C3), -COR, -NO2, -NR'R'', donde R, R' y R'' son H o alquilo de C1-C3;
R2, R4, R7 y R9, independientemente uno de otro, son alquilo de C1-C4, halógeno, H, -OCN, u -OH, alcoxilo de C1-C4, alquiltio, mercaptano, nitro, -OCOR(alquilo de C1-C3), -NCOR(alquilo de C1-C3), -COR, -NO2, -NR'R'', en donde R, R' y R'' son H o alquilo de C1-C3;
R3 y R8, independientemente uno de otro, son alquilo de C1-C4, halógeno H, -OCN u -OH, alcoxilo de C1-C4, alquiltio, mercaptano, nitro, -OCOR(alquilo de C1-C3), -NCOR(alquilo de C1-C3), -COR, -NO2, -NR'R'', donde R, R' y R'' son H o alquilo de C1-C3; o
R1 y R2 juntos y/o R2 y R3 juntos, y/o R9 y R10 juntos, y/o R8 y R9 juntos, independientemente uno de otro, forman uno o mas anillos aromáticos o cicloalquileno de cinco o seis miembros que puede cada uno estar sustituido por alquilo de C1-C4 o halógeno;
R11 y R12, independientemente uno de otro, son H, fenilo, alquilo de C1-C4 o halógeno, en donde por lo menos uno de los anillos aromáticos A y B o por lo menos uno de los anillos aromáticos o el anillo de cinco o seis miembros formado por R1 y R2 y/o R2 y R3 y/o R9 y R10 y/o R8 y R9 está sustituido por a lo menos un grupo cianato.
2. Un compuesto, de conformidad con la reivindicación 1, en donde
Z es alquileno de C1-C2, R1 y R10 son H;
R2, R4, R7 y R9, independientemente uno de otro, son halógeno, H, -OCN, u -OH;
R3, R5, R6 y R8, independientemente uno de otro son H, -OCN u -OH;
R11 y R12 son halógeno; y por lo menos uno de los anillos aromáticos a y B está sustituido por a lo menos un grupo cianato.
3. Un compuesto, de conformidad con la reivindicación 1, en donde
Z es alquileno de C1-C2; R1, R5, R6 y R10 son H;
R2, R4, R7 y R9, independientemente uno de otro, son halógeno o H;
R11 y R12 son halógeno; y R3 y R8 son -OCN.
4. Un compuesto, de conformidad con la reivindicación 3, en donde
Z es metileno, R1, R2, R4, R5, R6, R7, R9 y R10 son H;
R3 y R8 son -OCN; y R11 y R12 son cloro.
5. Una mezcla de prepolímero que comprende un producto de reacción ciclotrimerizado de ésteres cianato en donde por lo menos uno de dichos ésteres cianato es el compuesto de conformidad con la reivindicación 1.
6. Una mezcla de prepolímero, de conformidad con la reivindicación 5, en donde hasta alrededor del 60% de los grupos cianato en la composición global se trimerizan como una parte del producto de reacción ciclotrimerizado.
7. Una composición que comprende
a) un compuesto de conformidad con la reivindicación 1 ó un producto de reacción ciclotrimnerizado de ésteres cianato en donde por lo menos uno de dichos ésteres cianato es el compuesto de conformidad con la reivindicación 1 y b) un disolvente.
8. Una composición que comprende
a) un compuesto de conformidad con la reivindicación 1, o un producto de reacción ciclotrimerizado de ésteres cianato en donde por lo menos uno de dichos ésteres cianato es el compuesto de conformidad con la reivindicación 1 y
b) un éster monocianato diferente del componente a).
9. Una composición de conformidad con la reivindicación 8, en donde el componente b) es por lo menos un éster monocianato aromático halogen-sustituido o no sustituido.
10. Una composición que comprende
a) un compuesto de conformidad con la reivindicación 1
o un producto de reacción ciclotrimerizado de ésteres cianato en donde por lo menos uno de dichos ésteres cianato es el compuesto de conformidad con la reivindicación 1 y
b) un monómero u oligómero térmicamente curable distinto de un éster cianato.
11. Una composición que comprende
a) por lo menos 15% en peso de la composición global de un compuesto de conformidad con la reivindicación 1 ó un producto de reacción ciclotrimerizado de ésteres cianato en donde por lo menos uno de dichos ésteres cianato es el compuesto de conformidad con la reivindicación 1 y siendo el completo de la composición, opcionalmente, por lo menos uno de los componentes (b) a (g) como sigue:
c) compuestos conteniendo grupo mono- y policianato adicionales,
d) compuestos termocurables o reactivos distintos de ésteres cianato,
e) catalizadores y/o aceleradores de curado
f) conferidores de resistencia y
g) aditivos y rellenos usuales.
12. Un procedimiento para la preparación de un éster cianato de conformidad con la reivindicación 1, que comprende:
a) hacer reaccionar por lo menos un compuesto aromático con aldehído, hemiacetal o acetal halogen sustituido, en presencia de un ácido para producir un compuesto aromático que tiene, por lo menos, dos anillos de conformidad con la fórmula (A)
28
en donde
los sustituyentes Z y R1 a R10 son como se ha definido en la reivindicación 1, y
R11, R12 y R13, independientemente uno de otro, son H, fenilo, alquilo de C1-C4 o halógeno, con la condición de que por lo menos uno de los grupos R11, R12 y R13 es un halógeno;
en donde por lo menos uno de los anillos aromáticos A y B o por lo menos uno de los anillos aromáticos o el anillo pentagonal o hexagonal formado por R1 y R2 y/o R2 y R3 y/o R9 y R10 y/o R8 y R9 está sustituido por a lo menos un grupo hidroxilo;
b) poner en contacto el compuesto aromático de conformidad con la fórmula (A) con un compuesto básico para separar por lo menos un grupo halógeno del átomo de carbono enlazado a R11 y R12 y R13 y producir así un compuesto aromático que tiene por lo menos dos anillos enlazados por un grupo conteniendo un grupo insaturado de conformidad con la fórmula (B)
29
c) convertir por lo menos alguno de los grupos hidroxilo del compuesto aromático de conformidad con la fórmula (B) en grupos cianato vía reacción con haluro de cianógeno para producir un compuesto de éster cianato aromático orgánico.
13. Un procedimiento, de conformidad con la reivindicación 12, en donde el aldehído, acetal o hemiacetal conteniendo halógeno se elige entre fluoropropanal, fluoroacetaldehido, bromopropanal, bromoacetaldehido, cloro-etanal, cloropropanal, cloroacetaldehido, 2-cloro-1-etoxi etanol, 2-fluoro-1-etoxi etanol, 2-bromo-1-etoxi etanol, difluoropropanal, difluoroacetaldehido, dibromopropanal, dibro-moacetaldehido, dicloroetanal, dicloropropanal, dicloroace-taldehido, 2,2-dicloro-1-etoxi etanol, 2,2-difluoro-1-etoxi etanol, 2,2-dibromo-1-etoxi etanol, trifluoropropanal, tri-fluoroacetaldehido, tribromopropanal, tribomoacetaldehido, tri-cloroetanal, tricloropropanal, tricloroacetaldehido, 2,2,2-tricloro-1-etoxi etanol, 2,2,2-trifluoro-1-etoxi etanol, 2,2,2-tribromo-1-etoxi etanol y sus mezclas.
14. Un procedimiento, de conformidad con la reivindicación 12, en donde el compuesto aromático se hace reaccionar con el aldehído, acetal o hemiacetal conteniendo halógeno en la etapa (a) se elige entre fenol, clorofenol, diclorofenol, cresol, xilenil, carvacol, timol, naftol, antrol, fenantrol, pirocatecol, resorcinol, clororesorcinol, dicloro-resorcinol, hidroquinona, clorohidroquinona, diclorohidro-quinona, triclorohidroquinona, dinaftol, clorodinaftol, dicloro-dinaftol y sus mezclas.
15. Un procedimiento de conformidad con la reivindicación 12, en donde la mezcla reaccional en la etapa (a) comprende además una cantidad menor de un alcohol no aromático.
16. Un artículo curado resultante de una mezcla curable que comprende un compuesto de conformidad con la reivindicación 1 o un producto de reacción ciclotrimerizado respectivo que tiene un ratio de liberación de calor pico de menos de alrededor de 10 julios/g-ºK medido utilizando un calorímetro de pirólisis-flujo de combustión desarrollado por la Federal Aviation Administration.
17. Un artículo curado resultante de una mezcla curable que comprende un compuesto de conformidad con la reivindicación 1 o un producto de reacción ciclotrimerizado respectivo tiene un ratio de liberación de calor pico de menos de alrededor de 25 julios/g-ºK medido con la prueba de liberación de calor de la Universidad del Estado de Ohio.
18. Un artículo curado resultante de una mezcla curable que comprende un compuesto de conformidad con la reivindicación 1 o un producto de reacción ciclotrimerizado respectivo que tiene una liberación de calor total de menos de alrededor de 3 Kjulios/g.
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