ES2250265T3 - Espuma de poliimida aromatica. - Google Patents
Espuma de poliimida aromatica.Info
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Abstract
¿ Una espuma flexible de poliimida que comprende unidades de ácido 2, 3, 3'', 4''¿bifeniltetracarboxílico, unidades de diamina aromática, y unidades de diaminosiloxano, y que tiene una densidad aparente de 70 kg/m3 o menos y una temperatura de transición vítrea de 300ºC o más alta.
Description
Espuma de poliimida aromática.
Esta invención se refiere a una espuma de
poliimida aromática flexible que tiene una temperatura de transición
vítrea alta.
Productos alveolares tales como espuma de
poliestireno y espuma de poliolefina son bien conocidos. Estos
productos alveolares son rígidos y tienen una baja resistencia al
calor.
La espuma de poliuretano es también bien conocida
como espuma flexible, pero tiene también baja resistencia al
calor.
La Patente de Estados Unidos 4.241.193 da a
conocer una espuma de poliimida rígida y densa que se deriva de
mezclas de diaminas aromáticas y ésteres parciales de un ácido
benzofenona-tetracarboxílico.
La Patente de Estados Unidos 4.535.099 da a
conocer una poliimida y un proceso para su preparación, en el cual
la poliimida se prepara por reacción de un ácido orgánico
tetracarboxílico o derivado del mismo con una mezcla de una diamina
aromática y una silicona terminada en amina. De acuerdo con este
documento, tales poliimidas son particularmente útiles en la
preparación de espumas flexibles.
La Patente de Estados Unidos 3.554.939 da a
conocer un proceso para la preparación de una espuma de poliimida
que comprende preparar una composición formadora de polímero
transformable en espuma por mezcla íntima de un derivado éster de
ácido benzofenona-tetracarboxílico y una poliamina
que tiene al menos dos grupos amino primarios por molécula para
formar un sistema que tiene un contenido volátil de al menos 9% y
calentar luego este sistema a una temperatura a la cual se produce
la transformación en espuma simultáneamente a la polimerización de
las sustancias reaccionantes.
La Memoria Descriptiva de Patente Europea (EP) 0
437 821 B1 describe un método para la producción de productos de
poliimida a partir de una combinación de un alquiléster de un ácido
tetracarboxílico con al menos una diamina primaria aromática y/o
aromática heterocíclica.
Un producto de espuma de poliimida (nombre
comercial: SOLIMIDE) está disponible comercialmente de INSPEC Corp.
Esta espuma de poliimida tiene una temperatura de transición vítrea
de aprox. 250ºC.
Es un objeto de la invención proporcionar una
espuma flexible de poliimida que tiene una temperatura de transición
vítrea alta.
La invención reside en una espuma de poliimida
aromática flexible que comprende unidades de ácido
2,3,3',4'-bifeniltetracarboxílico, unidades de
diamina aromática, y unidades de diaminosiloxano, y que tiene una
densidad aparente de 70 kg/m^{3} o menos y una temperatura de
transición vítrea de 300ºC o mayor.
La espuma de poliimida aromática flexible de la
invención puede prepararse por un proceso que comprende los pasos
de:
mezclar un ácido aromático tetracarboxílico que
comprende dianhídrido
2,3,3',4'-bifeniltetracarboxílico, una porción del
cual se convierte en un mono- o di-alcohol-éster
primario inferior del mismo con una poliamina aromática que contiene
diaminosiloxano en una cantidad de 0,1 a 10% molar, basada en la
cantidad de compuestos amínicos totales, para dar un sólido de
precursor de poliimida; y
calentar el sólido de precursor de poliimida a
una temperatura de 300ºC a 500ºC.
Fig. 1 es un gráfico de viscoelasticidad de una
espuma de poliimida producida en el Ejemplo 2.
Fig. 2 es un gráfico de viscoelasticidad de una
espuma de poliimida producida en el Ejemplo 3.
La invención se describe ulteriormente por los
ejemplos que siguen.
La espuma de poliimida aromática flexible de la
invención tiene una densidad aparente de 70 kg/m^{3} o menos
(preferiblemente en el intervalo de 5 a 30 kg/m^{3}) y una
temperatura de transición vítrea de 300ºC o mayor (preferiblemente
350ºC o mayor). La densidad aparente de 70 kg/m^{3} o menos de la
espuma flexible de poliimida corresponde esencialmente a una
extensión de formación de espuma de 20 veces o más.
La espuma flexible de poliimida aromática de la
invención puede prepararse por un proceso que comprende los dos
pasos siguientes.
El primer paso está dirigido a producir un sólido
de precursor de poliimida, y puede realizarse por mezcla de un ácido
aromático tetracarboxílico que comprende dianhídrido
2,3,3',4'-bifeniltetracarboxílico (al que se hace
referencia en lo sucesivo como a-BPDA) una porción
del cual (preferiblemente 25 a 50% molar) se convierte en un mono- o
di-alcohol-éster primario inferior del mismo con una
poliamina aromática (v.g.,
p-fenileno-diamina, o
4,4'-diaminodifenil-éter) que contiene
diaminodisiloxano en una cantidad de 0,1 a 10% molar, basada en la
cantidad de compuestos amínicos totales, para dar un sólido de
precursor de poliimida.
En el primer paso, puede añadirse a la mezcla un
compuesto amínico que tiene tres o más grupos amino, tal como un
compuesto de triamina aromática o un compuesto de tetraamina
aromática. Puede emplearse un disolvente esterificante tal como un
alcohol primario inferior (v.g., metanol, etanol,
n-propanol, o n-butanol) para
disolver la mezcla en el disolvente. Se emplea preferiblemente una
mezcla de metanol y etanol. En la solución preparada, el contenido
de componentes no volátiles está comprendido preferiblemente entre
10% en peso y 50% en peso. La mezcla puede contener adicionalmente
un catalizador de imidación tal como
1,2-dimetilimidazol, bencimidazol, isoquinolina o
una piridina sustituida. La mezcla puede contener también otros
aditivos tales como una carga inorgánica y un pigmento inorgánico u
orgánico.
La mezcla, en la forma de una solución, se
convierte luego en una mezcla sólida en polvo por calentamiento de
la solución utilizando un aparato conocido tal como un secador de
pulverización o un evaporador. La solución se calienta generalmente
a una temperatura inferior a 100ºC, preferiblemente 80ºC o más baja.
El procedimiento de secado puede llevarse a cabo a la presión
atmosférica o a una presión aumentada o reducida.
La mezcla seca se somete luego al segundo paso
para producir la espuma de poliimida aromática flexible deseada.
El segundo paso puede realizarse por
calentamiento del sólido en polvo del precursor de poliimida
producido en el primer paso a una temperatura de 300ºC a 500ºC. El
segundo paso puede conducirse preferiblemente en dos etapas: la
primera etapa para transformar en espuma el sólido del precursor de
poliimida a fin de producir una espuma rígida, y la segunda etapa
para recocer la espuma rígida a fin de obtener un producto
transformado en espuma flexible.
La primera etapa se lleva a cabo preferiblemente
por calentamiento del sólido en polvo por medio de un generador de
microondas. De acuerdo con ello, en la primera etapa, el sólido en
polvo o una dispersión del sólido en polvo en un disolvente
apropiado se coloca sobre una placa o en un recipiente. La placa o
el recipiente debe ser resistente a las microondas.
El calentamiento por medio de microondas puede
llevarse a cabo, por ejemplo, a una potencia de 2,45 GHz. La
potencia de las microondas se selecciona adecuadamente teniendo en
cuenta el sólido en polvo a calentar. Por ejemplo, el sólido en
polvo se calienta en la condición de aproximadamente 100 g/l kW para
iniciar la transformación en espuma durante aprox. 1 minuto, y
después de ello se completa la transformación en espuma en 2 ó 3
minutos. El producto transformado en espuma es rígido y
quebradizo.
La espuma rígida y quebradiza se somete a
recocido luego para dar la espuma flexible deseada. Para este
propósito, la espuma rígida puede calentarse gradualmente
comenzando a aprox. 200ºC, preferiblemente a una tasa de elevación
de la temperatura de aprox. 100ºC/10 min, hasta una temperatura
correspondiente a la temperatura de transición vítrea de la espuma o
más alta (es decir, Tg o más alta), durante un periodo de 5 a 60
minutos, preferiblemente durante 10 minutos.
La espuma flexible así producida puede cortarse,
si se desea, para dar un producto de las dimensiones deseadas,
teniendo en cuenta la utilización de la espuma flexible.
En la preparación de la espuma flexible de
poliimida aromática de la invención, el dianhídrido
2,3,3',4'-bifeniltetracarboxílico
(a-BPDA) puede emplearse en combinación con una
cantidad relativamente pequeña (menor que 50% molar) de otros
anhídridos aromáticos tetracarboxílicos o sus derivados reactivos.
Ejemplos de los otros anhídridos aromáticos tetracarboxílicos
incluyen dianhídrido del ácido
3,3',4,4'-bifeniltetracarboxílico (al que se hace
referencia en lo sucesivo como s-BPDA), dianhídrido
piromelítico (al que se hace referencia en lo sucesivo como PMDA),
dianhídrido 3,3',4,4'-benzofenonatetracarboxílico
(al que se hace referencia en lo sucesivo como BTDA), dianhídrido de
bis(3,4-dicarboxifenil)éter, dianhídrido
2,3,6,7-naftaleno-tetracarboxílico,
dianhídrido
1,2,5,6-naftalenotetra-carboxílico,
dianhídrido
1,2,4,5-naftalenotetra-carboxílico,
dianhídrido
1,4,5,8-naftalenotetra-carboxílico,
dianhídrido
2,2-bis(2,5-dicarboxifenil)-propano,
dianhídrido
1,1-bis(2,3-dicarboxifenil)etano,
1,1-bis(3,4-dicarboxifenil)etano,
y dianhídrido
1,3-bis-(3,4-dicarboxifenil)-1,1,3,3-tetradimetildisiloxano.
La diamina tiene preferiblemente dos núcleos,
particularmente dos anillos de benceno. Puede emplearse una diamina
que tiene 3 ó 4 núcleos en combinación con la diamina para hacer
fácil y uniforme la preparación de la espuma flexible deseada.
El diaminodisiloxano puede servir como agente
tensioactivo para dar una estructura uniforme de espuma de
poliimida, y se emplea preferiblemente en una cantidad de 0,1 a 10%
molar, más preferiblemente 0,2 a 5% molar, basada en la cantidad de
compuestos de amina totales.
La presente invención se describe ulteriormente
por los ejemplos siguientes.
En un matraz de tipo berenjena de 500 ml de
capacidad se introdujeron 58,8 g (200 mmol) de dianhídrido
2,3,3',4'-bifeniltetracarboxílico
(a-BPDA), 75 g de etanol, y 2,4 g de
1,2-dimetilimidazol (DMZ, catalizador). La mezcla
contenida en el matraz se calentó a reflujo con agitación durante 60
minutos introduciendo el matraz en un baño de aceite calentado a
100ºC, para dar una mezcla de reacción homogénea.
La mezcla de reacción se enfrió a 70ºC, y se
añadieron 21,4 g (198 mmol) de p-fenilenodiamina
(PPD), 0,5 g (2 mmol) de
1,3-bis(3-aminopropil)tetrametildisiloxano
(DADSi), y 77,1 g de etanol. La mezcla se agitó para dar una
solución homogénea.
La solución se concentró en un evaporador y se
calentó ulteriormente a 60ºC hasta sequedad en un desecador de
vacío. El producto seco se pulverizó en un mortero para dar un
producto en polvo.
El producto en polvo se introdujo en una prensa
de moldeo por compresión (S-37.5, disponible de
Jinto Metal Works, Co., Ltd.) utilizando un separador de 5 mm y se
sometió a moldeo por compresión a la temperatura ambiente.
La pieza moldeada comprimida se introdujo en un
horno eléctrico (RE-4100, disponible de Sharp Co.,
Ltd.) y se calentó mediante microondas a 1100W durante 3 minutos. La
pieza moldeada así calentada se introdujo a continuación en un horno
de recalentamiento calentado a 180ºC durante 5 minutos. La
temperatura del horno se aumentó gradualmente hasta 330ºC durante 30
minutos, después de lo cual se mantuvo la misma temperatura durante
10 minutos. La pieza moldeada se introdujo luego en un horno
eléctrico (FM48, disponible de Yamato Science Co., Ltd.) calentado a
300ºC durante 5 minutos. La temperatura del horno eléctrico se
aumentó hasta 450ºC durante 15 minutos, y se mantuvo luego la misma
temperatura durante 10 minutos.
El producto transformado en espuma resultante era
flexible y tenía una amplitud (relación) transformación en espuma de
142 veces, una densidad aparente de 9,5 kg/m^{3}, y una
temperatura de transición vítrea (Tg) de 390ºC.
El producto transformado en espuma tenía una
resistencia física satisfactoriamente alta y se cortaba suavemente.
En comparación con la espuma de poliimida disponible comercialmente
(SOLIMIDE), el producto transformado en espuma del Ejemplo 1 tenía
una temperatura de transición vítrea más alta y una mayor
resistencia de extensión (tanto como 10 veces), y recuperaba
fácilmente su forma original.
En un matraz de tipo berenjena de 500 ml de
capacidad se introdujeron 58,8 g (200 mmol) de
a-BPDA, 75 g de metanol, y 2,4 g de DMZ. La mezcla
contenida en el matraz se calentó a reflujo con agitación durante 60
minutos introduciendo el matraz en un baño de aceite calentado a
90ºC, para dar una mezcla de reacción homogénea.
La mezcla de reacción se enfrió a 60ºC, y se
añadieron 21,4 g (198 mmol) de PPD, 0,5 g (2 mmol) de DADSi, y 77,1
g de metanol. La mezcla se agitó para dar una solución
homogénea.
La solución resultante se procesó ulteriormente
del mismo modo que en el Ejemplo 2, para dar un producto
transformado en espuma flexible que tenía una amplitud (relación) de
transformación en espuma de 102 veces, una densidad aparente de 13,2
kg/m^{3}, y una temperatura de transición vítrea (Tg) de
400ºC.
Un gráfico de viscoelasticidad de la espuma
flexible producida se muestra en la Fig. 1 de los dibujos
adjuntos.
El producto transformado en espuma tenía una
resistencia física satisfactoriamente alta y se cortaba suavemente.
En comparación con la espuma de poliimida disponible comercialmente
(SOLIMIDE), el producto alveolar del Ejemplo 2 tenía una temperatura
de transición vítrea más alta y una mayor resistencia de extensión
(tanto como 10 veces), y recuperaba fácilmente su forma
original.
En un matraz de tipo berenjena de 500 ml de
capacidad se introdujeron 29,4 g (100 mmol) de
a-BDPA, 60 g de metanol, y 1,4 g de DMZ. La mezcla
contenida en el matraz se calentó a reflujo con agitación durante 60
minutos introduciendo el matraz en un baño de aceite calentado a
90ºC, para dar una mezcla de reacción homogénea.
La mezcla de reacción se enfrió a 60ºC, y se
añadieron 11,6 g (58 mmol) de
4,4'-diaminodifenil-éter (ODA), 4,3 g (10 mmol) de
3,3',4,4'-tetraaminobifenilo (TAB), 0,5 g (2 mmol)
de DADSi, y 200,0 g de metanol. La mezcla se agitó para dar una
solución homogénea.
La solución resultante se procesó ulteriormente
del mismo modo que en el Ejemplo 3, para dar un producto
transformado en espuma flexible que tenía una amplitud (relación) de
transformación en espuma de 147 veces, una densidad aparente de 9,2
kg/m^{3}, y una temperatura de transición vítrea (Tg) de
372ºC.
Un gráfico de viscoelasticidad de la espuma
flexible producida se muestra en la Fig. 2 de los dibujos adjuntos.
El producto alveolar tenía una resistencia física satisfactoriamente
alta y se cortaba suavemente. En comparación con la espuma de
poliimida disponible comercialmente (SOLIMIDE), el producto alveolar
del Ejemplo 3 tenía una temperatura de transición vítrea más alta y
una mayor resistencia de extensión (tanto como 10 veces), y
recuperaba fácilmente su forma original.
En un matraz de tipo berenjena de 500 ml de
capacidad se introdujeron 47,1 g (160 mmol) de
a-BPDA, 12,9 g (40 mmol) de dianhídrido
3,3',4,4'-benzofenona-tetracarboxílico
(BTDA), 75 g de metanol, y 2,5 g de DMZ. La mezcla contenida en el
matraz se mantuvo a reflujo con agitación durante 60 minutos
introduciendo el matraz en un baño de aceite calentado a 90ºC, para
dar una mezcla de reacción homogénea.
La mezcla de reacción se enfrió a 60ºC, y se
añadieron 21,4 g (198 mmol) de PPD, 0,5 g (2 mmol) de DADSi, y 77,1
g de metanol. La mezcla se agitó para dar una solución
homogénea.
La solución resultante se procesó ulteriormente
de la misma manera que en el Ejemplo 1, para dar un producto
alveolar flexible que tenía una amplitud (relación) de
transformación en espuma de 64 veces, una densidad aparente de 21,2
kg/m^{3}, y una temperatura de transición vítrea (Tg) de
373ºC.
El producto alveolar tenía una resistencia física
satisfactoriamente alta y se cortaba suavemente. En comparación con
la espuma de poliimida disponible comercialmente (SOLIMIDE), el
producto alveolar del Ejemplo 4 tenía una temperatura de transición
vítrea más alta y una mayor resistencia de extensión (tanto como 10
veces), y recuperaba fácilmente su forma original.
Ejemplo de Comparación
1
En un matraz de tipo berenjena de 500 ml de
capacidad se introdujeron 29,4 g (100 mmol) de
a-BPDA, 55 g de metanol, y 1,5 g de DMZ. La mezcla
contenida en el matraz se mantuvo a reflujo con agitación durante 60
minutos introduciendo el matraz en un baño de aceite calentado a
90ºC para dar una mezcla de reacción homogénea.
La mezcla de reacción se enfrió a 60ºC, y se
añadieron 10,8 g (110 mmol) de PPD y 77,1 g de metanol. La mezcla se
agitó para dar una solución homogénea.
La solución resultante se procesó ulteriormente
del mismo modo que en el Ejemplo 1, para dar un producto alveolar
rígido que tenía una amplitud (relación) de transformación en espuma
de 50 veces, una densidad aparente de 26,8 kg/m^{3} y una
temperatura de transición vítrea (Tg) de 405ºC.
Claims (13)
1. Una espuma flexible de poliimida que comprende
unidades de ácido 2,3,3',4'-bifeniltetracarboxílico,
unidades de diamina aromática, y unidades de diaminosiloxano, y que
tiene una densidad aparente de 70 kg/m^{3} o menos y una
temperatura de transición vítrea de 300ºC o más alta.
2. La espuma flexible de poliimida de la
reivindicación 1, en la cual la densidad aparente está comprendida
en el intervalo de 5 a 30 kg/m^{3}.
3. La espuma flexible de poliimida de la
reivindicación 1, en la cual la temperatura de transición vítrea es
350ºC o más alta.
4. La espuma de poliimida flexible de la
reivindicación 1, en la cual la poliimida comprende adicionalmente
unidades de aromáticas tetraamina.
5. Un proceso para producir una espuma flexible
de poliimida de la reivindicación 1, que comprende los pasos de:
mezclar un ácido aromático tetracarboxílico que
comprende dianhídrido
2,3,3',4'-bifeniltetracarboxílico, una porción del
cual se convierte en un mono- o di-alcohol-éster
primario inferior con una poliamina aromática que contiene
diaminodisiloxano en una cantidad de 0,1 a 10% molar, basada en la
cantidad de compuestos amínicos totales, para dar un sólido de
precursor de poliimida; y
calentar el sólido de precursor de poliimida a
una temperatura de 300ºC a 500ºC.
6. El proceso de la reivindicación 5, en el cual
la poliamina aromática comprende 70 a 99,9% molar de una diamina
aromática que tiene uno o dos anillos de benceno, 0 a 29,9% molar de
una triamina o tetraamina aromática, y 0,1 a 10% molar de
diaminosiloxano.
7. El proceso de la reivindicación 5, en el cual
25 a 50% molar del ácido aromático tetracarboxílico se convierte en
un mono- o di-alcohol-éster primario inferior del
mismo.
8. El proceso de la reivindicación 5, en el cual
el paso de calentamiento se efectúa por transformación en espuma del
sólido de precursor de poliimida y convertir el producto alveolar en
una espuma de poliimida.
9. El proceso de la reivindicación 8, en el cual
la poliimida sólida se transforma en espuma por calentamiento con
microondas.
10. El proceso de la reivindicación 8, en el cual
el producto alveolar se calienta a una temperatura de transición
vítrea o mayor para convertirse en la espuma de poliimida.
11. El proceso de la reivindicación 5, en el cual
el paso de mezclar un ácido aromático tetracarboxílico con una
poliamina aromática se efectúa en presencia de un catalizador de
imidación.
12. El proceso de la reivindicación 11, en el
cual el catalizador de imidación se selecciona del grupo constituido
por 1,2-dimetilimidazol, bencimidazol, isoquinolina
y piridinas sustituidas.
13. El proceso de la reivindicación 5, en el cual
el paso de mezclar un ácido aromático tetracarboxílico con una
poliamina aromática se efectúa en presencia de un disolvente
orgánico.
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