JPH08504197A - 重合性モノマー反応体(pmr)タイプの樹脂 - Google Patents

重合性モノマー反応体(pmr)タイプの樹脂

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JPH08504197A
JPH08504197A JP6513556A JP51355693A JPH08504197A JP H08504197 A JPH08504197 A JP H08504197A JP 6513556 A JP6513556 A JP 6513556A JP 51355693 A JP51355693 A JP 51355693A JP H08504197 A JPH08504197 A JP H08504197A
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ホジキン、ジョナサン・ハワード
エイブル、ロバート
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コモンウェルス・サイエンティフィック・アンド・インダストリアル・リサーチ・オーガニゼイション
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Abstract

(57)【要約】 本発明は(a)化学式(Ia)のナド酸およひそれらの誘導体 (b)化学式(Ib)のジアミノビスイミド (c)化学式(Ic)の芳香族テトラカルボン酸またはそれらの誘導体

Description

【発明の詳細な説明】 重合性モノマー反応体(PMR)タイプの樹脂 本発明はビスナドイミド(bisnadimide)を含有する重合性モノマ −反応体(polymerizable monomeric reactan ts)(PMR)およびそれらから作られる複合材料としての耐熱性のよいマト リックスポリマーに関する。 近年、宇宙産業を発達させた高温熱安定性のあるポリイミドマトリックス樹脂 の最も実際的なタイプは、米国国家航空宇宙局(NASA)の研究者達が作り出 した重合性モノマー反応体(PMR)タイプであった。これらの樹脂は芳香族ジ アミンとナド酸無水物および芳香族二無水物をベースとするエステルとのモノマ ー混合物である。これらの混合物を中温で反応させると、ナドイミドが端に付い た以下の化学式(I)で示されるオリゴマーが得られることが報告された。 硬化温度がより高いと、これらのオリゴマーは溶融して架橋し、アドバンスド した複合構造で連続的に安定なマトリックスを形成する。最近の研究(ジェイ・ エヌ・ハイ(J.N.Hay)、ジェイ・ディー・ボイル(J.D.Boyle )、ピー・ジー・ジェームス(P.G.James)、ジェイ・アール・ワルト ン(J.R.Walton)、およびディー・ウィルソン(D.Wilson) 、「ポリメリゼイション・メカニズムズ・イン・ピー・エム・アール・15・ポ リイミド(Polymerisation Mechanisms in PM R 15 Polyimide)」、イン・ポリイミド(in Polyimi des):マテリアルズ(Materials)、ケミストリー・アンド・キャ ラクタリゼイション(Chemistry and Characteriza tion)、シー・フェガー(C.Feger)、エム・エム・コジャステフ( M.M.Khojasteh)、およびジェイ・イー・マクグラス・エズ(J. E.McGrath Eds)、エルセビアー(Elsevier)、アムステ ルダム、1989、305〜320頁)では、形成したオリゴマーには非環構造 と同様に、未反応エステルおよび酸基とのさらに多くの複雑な構造体があること が示された。この複雑性および部分反応のためばらつきのない樹脂特性というも のはあり得ず、また、最終複合材料において脆性、微小亀裂および気孔が生じる O上記樹脂の中に存在する芳香族ジアミンモノマー、例えば、工業的に最もよく 用いられる芳香族ジアミンであるジアミノジフェニルメタン、にはしばしば毒性 および安定性の問題がある。 複合材料の靭性等を改善するための代わりのアプローチとして、より高分子量 またはフッ素化モノマーを初期の樹脂混合物中に使用し、分子の流動性および加 工性を改善することが行われてきた。しかしながら、材料コストを増やさないで 相対的に均質な材料を調製することは困難である。 ここで参考文献として引用されている本出願人による国際特許公開第WO92 /06078号では、オリゴマー、アミドおよび非環化不純物が実質上なく、適 切に定義された構造の新規、高分子量モノマーのジアミノビスイミド(以下、「 DABIs」とする)の低コストでの製造方法が述べられている。これらの芳香 族ジアミンは無毒で安定であることも見いだされている。国際特許公開第WO9 2/06078号では、エポキシ樹脂の硬化剤としてのDABIsの使用法も開 示されている。 欧州特許公開第0479722A2号では、クラマー(Kramer)等が上 で定義された化学式(I)で表されるオリゴマーポリイミド(式中、ArはC62、5<n<150)を開示している。これらのポリイミドは可溶性であり、 架橋樹脂システム(systems)において強化剤(tougheners) として有用であることが述べられている。 我々は、国際特許公開第WO92/06078号で開示された方法により製造 されるDABIsを用いると、加熱すると架橋して標準PMRマトリックス樹脂 よりずっと優れた特性を有する熱的に安定なポリイミド樹脂が得られるPMRタ イプの樹脂を調製することができることを見いだした。 本発明の一つの見地に従うと、(a)化学式(Ia)のナド酸およびそれらの 誘導体 (b)化学式(Ib)のジアミノビスイミド (c)化学式(Ic)の芳香族テトラカルボン酸またはそれらの誘導体 の混合物からなり、成分(a)、(b)、(c)がそれぞれ約2:n:n−1の モル比で存在するPMRタイプの樹脂が提供される。ここで、nは所望のサイズ のポリイミドポリマーを提供するように選択され; ArおよびAr”は同一であっても異なっていてもよく、それそれ置換基を有 していてもよいアリール基、置換基を有していてもよいブリッジ化あるいは結合 ジ−あるいはポリ−アリール、または置換基を有していてもよいへテロアリール 基; Ar’は窒素含有基間に良好な共役を提供する、置換基を有していてもよいア リールまたはヘテロアリール基である; Xはアルキル基または水素である)。 好ましくは5>n≧2である。 ここで用いられる「良好な共役」は、下記の化学式(III)で表されるジア ミンからジアミノビスイミド先駆物質への形成中に、窒素原子のうちの1つへの 電子吸引基の置換は、その反応中もう1つの窒素原子の反応性を抑えることを意 味する。 H2N-Ar'-NH2 化学式(III) 化学式(III)の芳香族ジアミンは、例えば化学式(V)および(VI)の 化合物のように、立体的に障害を受けていることが好ましい。 (式中、R3、R4、R5およびR6は同じでも、異なっていてもよく、それそれは アルキル、アリール、ヘテロアリール、ニトロおよびハロゲン基から選択される 。) Ar、Ar′またはAr″は1またはそれ以上のアルキル、アルコキシ、アル キルチオ、アリール、ヘテロアリール、アリールオキシ(aryloxy)、カ ルボキシ、アルキルチオ、アルキルアミノ、ジアルキルアミノ、アミノ、ニトロ 、シアノまたはハロゲン基と置換されてよい。 「アリール」とは芳香族炭素環基(aromatic carboxylic group)、例えばフェニル、ナフチル等、を意味する。 「ブリッジ化あるいは結合ジ−あるいはポリ−アリール」とはビフェニル等に おけるような結合やスルホニルジフェニル等におけるブリッジ基(bridgi ng group)により連結された、例えばフェニル、ナフチル等の2または それ以上の芳香族カルボキシリック(炭素環式(carboxylic))環シ ステムからなる群を意味するものとする。 「ブリッジ基」には下記の化学式(VIIa) (式中、R2は例えば、−SO2−、−CO−、−CH2−および−O−等の二価 の基である)で表される化合物等におけるような、例えばSO2、CO、CH2お よびOが含まれる。 一般的にAr′基はArのために上で挙げた基の中から選択されてよい。しか しながら、「良好な共役」(上で定義したものと同じ)の要求により強いられる 拘束のため、ブリッジ化ジ−あるいはポリ−アリール基の中には適当でないもの もあるかもしれない。このようにAr′にとって、ブリッジ基(もし存在するな ら)はジアミン部分(III)のアミノ基との間に良好な共役を提供しなければ ならない。例えば、化学式(VIIb) (式中、R1はCH2またはジアミンが3,3′−スルホニルジアニリンである場 合)の基においては共役が不十分となり、先駆物質ジアミノビスイミド中にはオ リゴマージアミノイミドが存在する。対照的に、ベンジジンおよび4,4′−ス ルホニルジアニリンは十分な共役を有し、所望の主に単量体のジアミノビスイミ ド化合物が得られ、それゆえに実質的に単量体のビスナドイミドが得られる。 「ヘテロアリール」は、少なくとも1つのヘテロ原子、例えば、窒素、酸素ま たは硫黄等を含む芳香族単環または多環基を意味する。例えば、適切な「ヘテロ アリール」基とは:1〜4の窒素原子を含む3〜8員、より好ましくは5〜6員 ヘテロ単環基、例えば、ピロリル(pyrrolyl)、イミダゾリル(imi dazolyl)、ピラゾリル(pyrazolyl)・ピリジル(pyrid yl)、ピリミジル(pyrimidyl)、ピラジニル(pyrazinyl )、ピリジダジニル(pyridazinyl)、トリアジニル(triazi nyl);1〜5の窒素原子を含む縮合ヘテロ環基、例えば、インドイル(in doyl)、イソインドリル(isoindolyl)、インドリジニル(in dolizinyl)、ベンズイミダゾリル(benzimidazolyl) 、キノリル(quinolyl)、イソキノリル(isoquinolyl)、 インダゾリル(indazolyl)、ベンゾトリアゾリル(benzotri azolyl)等;1〜2の硫黄原子および1〜3の窒素原子を含む3〜8員ヘ テロ単環基、例えば、チアゾリル(thiazolyl)、イソチアゾリル(i sothiazolyl)、チアジアゾリル(thiadiazolyl)等; 1〜2の硫黄原子を含む3〜8員ヘテロ単環基、例えば、チエニル(thien yl)等;1〜2の硫黄原子および1〜3の窒素原子を含む縮合ヘテロ環基、例 えば、ベンゾチアゾリル(benzothiazolyl)、ベンゾチアジアゾ リル(benzothiadiazolyl)等;1つの酸素原子を含む3〜8 員ヘテロ単環基、例えば、フリル(furyl)等;1〜2の硫黄原子を含む縮 合ヘテロ環基、例えば、ベンゾチエニル(benzothienyl)等;1ま たは2の酸素原子を含む縮合ヘテロ環基、例えば、ベンゾフラニル(benzo furanyl)等である。 アルキル基は直鎖でも分枝鎖でもよく、1〜20の炭素原子を含んでよい。適 切なアルキル基はメチル、エチル、プロピル、イソ−プロピル、n−ブチル、イ ソーブチル、tert−ブチル、n−ペンチル、イソ−ペンチル、neo−ペン チル、n−オクチル、イソ−オクチル、デシル、セチル、ステアリル等である。 「アルコキシ」および「アルキルチオ」は、アルキル部分が1〜8の炭素原子 を含む分枝または非分枝飽和炭化水素、例えば、メチル、エチル、プロピル、イ ソ−プロピル、n−ブチル、イソ−ブチル、tert−ブチル等である基を意味 する。 「アルカノイル」とはホルミル(formyl)、アセチル、プロピオニル( propionyl)、ブチリル(butyryl)、バレリル(valery 1)、イソ−バレリル(iso−valery1)、ピバロイル(pivalo yl)、ヘキサノイル(hexanoyl)等である。 好ましくは、化学式(Ib)のジアミノビスイミドは国際特許公開第WO92 /06078号で開示された方法により、実質上オリゴマー、アミドおよび非環 不純物のない化合物として製造される。しかしながら、本発明の方法で用いられ る化学式(Ib)のジアミノビスイミドは適切などんな既知の方法により製造さ れてもよいことが理解されるだろう。 高温で硬化すると、本発明による樹脂は標準のPMR硬化メカニズムでオリゴ マー中間体を経て、改善された特性を有する架橋ポリイミドポリマーに転換され るかもしれない。これらのポリイミドポリマーは接着剤、バー(bars)、フ イルム、電子封入(electronic encapsulation)、成 形品および複合材料を含む様々な用途に有用である。 本発明のもう一つの見地に従うと、化学式(Id) のオリゴマー中間体が提供される;ここにAr’およびXは上記と同じであり; Ar'''は上記されているArまたはAr”であり、;5>n≧2である。 さらなる本発明の見地に従うと、上記されているようなPMRタイプの樹脂ま たはオリゴマー中間体から形成されるポリイミドポリマーが提供される。 また本発明のさらなる見地に従うと、上記されているようなPMRタイプの樹 脂またはオリゴマー中間体を加熱することからなるポリイミドポリマーの製造方 法が提供される。 本発明を利用することにより、従来用いられていた毒性のある反応性ジアミン を含有するPMRタイプの樹脂を、複合材料成形加工中に容易に取り扱うことの できる安全で安定なジアミンを含有するものにとって代えれる。さらにその上、 少なくとも半分の基がすでに環化しているので、樹脂原素材料重量に基づくと揮 発性環化生成物かその工程中に発生する量はほんのごくわずかである。 本発明により提供されるPMRタイプの樹脂の中には、毒性のあるジアミンメ チレンジアニリンの代わりに国際特許公開第WO92/06078号で記載され るDABIsを用いて、すでに開示されている従来技術の方法の変形により製造 できるものもある。しかしながら、より不溶性のDABIsと混合されたナド酸 およびテトラカルボン酸二無水物タイプのエステルとの完全な反応を確保するに は、より高温でより長時間反応させることが必要である。 従来技術においては、硬化性PMRタイプの樹脂にとっての共反応体はほとん どないと述べられているが、トランス−スチルベンは本発明によるPMRタイプ の樹脂にとって特に有効な硬化添加剤(curing addltive)であ ることが見いだされた。本発明による組成物からボイド(void)のない樹脂 バーを生産するのに特に有用な別の添加剤は、少量のハイドロキノンまたは「ス キニング(skinning)」およびそれに伴う硬化初期段階での残留揮発分 の閉じ込めを防止するための他の添加剤である。 本発明によるPMRタイプの樹脂はファイバー強化複合材料の製造において特 に有用てある。例えば、本発明によるPMRタイプの樹脂は、溶液(好ましくは 低級脂肪族ケトンまたはハロゲン化炭化水素溶媒)または熱溶融液からのどちら かから、一方向(uni−directional)またはファイバー繊維織物 (woven carbon fibre)等、強化用布(reinforci ng cloth)に適用されてもよい。手でまたは機械で適用してもよく、適 用には下塗りした伝達媒体(a precoated transfer me dlum)からの伝達を必要とする技術が含まれている。 このように、本発明は含浸ファイバー強化材料(通常、「プレプレグ」として 知られる)も提供し、該ファイバー強化材は上で定義されたPMRタイプの樹脂 またはオリゴマー中間体でコートされている。 含浸ファイバー強化材料はアドバンスド複合材料の生産における使用に適して いる。含浸ファイバー材料は、例えば、当て板または適切な成形用具上での真空 バッギング(vacuum bagging)等の複合材料を作るのに適切な既 知のいかなる製造方法によっても製造することができる。 従って、本発明は上で定義されたオリゴマー中間体またはポリイミドポリマー のマトリックスに強化用ファイバーのアセンブリー(an assembly) を有するアドバンスド複合材料をさらに提供する。 また、本発明による組成物を樹脂トランスファー成形のためか、またはシート (sheet)成形材料の製造のために適当な配合物中で使用することができる 。もくろまれる別の適用は引抜成形である。 以下の実施例により本発明を説明する。これらの実施例はいかなる方法におい ても本発明を制限しては解釈されない。 本実施例で使用される系統的名称は関連化合物のケミカル・アブストラクツ・ ネーム(the Chemical Abstracts name)に基づく 。 実施例1 PMRタイプの樹脂、CBR−151、化学式(Ia)、(Ib)、(Ic) においてXがH、ArおよびAr”がC63COC63であり、Ar’が1,3 二置換メチルジエチルフェニルである。 (a)樹脂製造 ナド酸無水物(32.4g,.0.20モル)および3,3’,4,4’ベン ゾフェノンテトラカルボン酸二無水物(32.2g)0.10モル)のメタノー ル250mI溶液を50℃で0.5時間加熱し、メチルエステルを形成した。国 際特許公開第WO92/06078号に記載のような方法で製造された5,5− カルボニルビス−{2−[3−アミノ(メチルジエチル)フェニル]}−IH− イソインドール−1,3(2H)−ジオン(28.6g、0.10モル)を攪拌 および加熱しながら徐々に添加し、1時間還流した。次に溶液を200℃まで4 時間以上かけてゆっくりと「ロトバック(rotovac)」上で真空下加熱し 、トリクロロエチレンおよびアセトンに可溶状態の淡色茶色の溶融樹脂素材を得 た。 赤外線スペクトルは1777および1717cm-1(イミド)、1674cm-1 (カルボニル)1182、1105および723cm-1にピークを示した。 (b)プレプレグ製造と硬化 40−45%樹脂含量で0.5m2のカーボン−ファイバークロス(SPS) 無地組織上にプレプレグを製造した。これを5層プラックにレイアップし以下の 硬化プロファイルで段プレスで硬化させた。 220℃まで1時間、2時間その温度を維持、260℃まで1時間、3時間維 持、280℃1時間。この後、窒素下300℃で3時間後硬化した。 260℃の段階まで、ほんのわずかの圧力(約20psi)をかけたが、これ った。 ポリマー・ラボラトリーズ・アナライザーを使用したこのサンプルのダイナミ ック・メカニカル・サーマル・アナリシス(DMTA)により、硬化複合材料は 250℃まで3500MPaより高い曲げ弾性率(E1)および315℃のTg を有するということがわっかた。 実施例2 溶媒としてエタノールを用いた以外は実施例1で述べた方法を用いてPMRタ イプの樹脂(CBR−151)を製造した。この生成物樹脂をアルテム・アンハ イドライド(Ultem anhydride)(ゼネラル・エレクトリック( General Electric)株式会社製の融剤)15%との混合物とし 、これをアセトン/ジメチルホルムアミド溶剤(7.5/2.5%)でカーボン クロスにコートしてプレプレグを形成した。実施例1(b)のように、このプレ プレグから5層複合プラックを作製した。 DMTA測定より、250℃までの温度で3500MPaを越える曲げ弾性率 (E1)および305℃のTgが示された。 実施例3 PMRタイプの樹脂CBR−450、化学式(Ia)、(Ib)および(Ic )においてXはH、ArはC63CH263、Ar″はC63C(CF3263、Ar′は1,3二置換メチルジフェニルである。 (a) 樹脂製造 ナド酸無水物(2.26g、0.014モル)およびヘキサフルオロイソプロ ピルビスフタル酸無水物、6FDA(2.56g、0.007モル)のメタノー ル90ml溶液を加熱して3時間還流し、さらに国際特許公開第WO92/06 078号で開示された方法により製造した5,5−メチレンビス−{2−[3− アミノ(メチルジエチル)フェニル]}−1H−イソインドール−1,3(2H )−ジオン(10.0g、0.014モル)と共に3時間加熱した。メタノール をロータリー・エバポレーターで除去し、樹脂を真空下で3時間かけて190℃ まで徐々に加熱して、トリクロロエチレンおよびアセトンに可溶性の淡色褐色固 形物を得た。 赤外スペクトルは1777および1715cm-1(イミド)、1253、11 02、743および719cm-1にピークを示した。 (b) プレプレグ製造と硬化 43%樹脂含量で0.5m2のカーボン−ファイバークロス(SPS)無地組 織上にプレプレグを製造した。これを5層プラックにレイアップし以下の硬化プ ロファイルで段プレスで硬化させた。 200℃まで1時間、2時間維持、250℃まで1/2時間、6時間維持、3 15℃まで1/2時間適用された圧力=180psi、2時間維持、2時間以上 かけて冷却。 DMTA測定により、306℃のTgおよび270℃までの温度で3200M Paを越える曲げ弾性率(E1)が示された。 実施例4 PMRタイプの樹脂CBR−160、化学式(Ia)、(Ib)および(Ic )において、XはH、Arは Ar′は1,4−ジフェニレン、Ar″はC63COC63である。 (a) 樹脂製造 実施例2の手順を用いて樹脂を作製した。生成物はアセトンおよび塩素化溶剤 に不溶性の淡色褐色粉末であった。赤外スペクトルは1776および1718c m-1(イミド)および1674cm-1(カルボニル)にピークを示した。 (b)プレプレグ製造と硬化 粉末プレプレッギングエ法(powder prepreggig tech niques)によりカーボン−ファイバークロス上にプレプレグを製造し、実 施例1(b)と同様にして強靭な5層プラックに硬化させた。DMTA測定の結 果、Tgは265℃であった。 この明細書および後に続く請求の範囲を通して、特記しない限り、「含む(c omprise)」、または「含む(comprises)」または「含んでい る(comprising)」等のバリエーションは規定された整数または整数 群を含んでいるものと理解されるものとし、他のいかなる整数または整数群は排 除されることを意味するものではない。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FR,GB,GR,IE,IT,LU,M C,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF,CG ,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,SN, TD,TG),AT,AU,BB,BG,BR,BY, CA,CH,CZ,DE,DK,ES,FI,GB,H U,JP,KP,KR,KZ,LK,LU,LV,MG ,MN,MW,NL,NO,NZ,PL,PT,RO, RU,SD,SE,SK,UA,US,UZ,VN (72)発明者 エイブル、ロバート オーストラリア連邦3122ビクトリア、リト ル・リバー、オールド・メルボルン・ロー ド(番地の表示なし)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. (a)化学式(Ia)のナド酸およびそれらの誘導体 (b)化学式(Ib)のジアミノビスイミド (c)化学式(Ic)の芳香族テトラカルボン酸またはそれらの誘導体 の混合物であり、成分(a)、(b)、(c)が約2:n:n−1のモル比で存 在するPMRタイプの樹脂; (式中、nは所望のサイズのポリイミドポリマーを提供するように選択され; ArおよびAr”は同一であっても異なっていてもよく、それそれ置換基を有 していてもよいアリール基、置換基を有していてもよいブリッジ化あるいは結合 ジ−あるいはポリ−アリール、または置換基を有していてもよいヘテロアリール 基; Ar’は窒素含有基間に良好な共役を提供する、置換基を有していてもよいア リールまたはヘテロアリール基である; Xはアルキル基または水素である)。 2.化学式(Id)のオリゴマー中間体; (式中、Ar’およびXは請求項1で規定されているのと同じ;Ar'''は請求 項1で定義されているArまたはAr”である;5>n≧2である)。 3.請求項1に記載のPMRタイプ樹脂または請求項2に記載のオリゴマー中 間体から形成されるポリイミドポリマー。 4.請求項1に記載のPMRタイプ樹脂または請求項2に記載のオリゴマー中 間体を加熱することからなる請求項3に記載のポリイミドポリマーの製造方法。 5.硬化添加剤の存在下に加熱が起こる請求項4の方法。 6.硬化添加剤がトランス−スチルベンおよび/またはヒドロキノンである請 求項5の方法。 7.部分的にまたは全部が請求項2または請求項3に記載されているポリイミ ドポリマーからなる接着、バー、フィルムまたは金型部品。 8.ファイバー強化材が請求項1に記載のPMRタイプの樹脂または請求項2 に記載のオリゴマー中間体で被覆されている、含浸ファイバー強化材料。 9.請求項2に記載のオリゴマー中間体または請求項3に記載のポリイミドポ リマーのマトリックス中に強化用ファイバーのアセンブリーを有するアドバンス ド複合材料。
JP6513556A 1992-12-07 1993-12-07 重合性モノマー反応体(pmr)タイプの樹脂 Pending JPH08504197A (ja)

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