KR20070023787A - A process for a two stage melt polymerization for the production of polybenzimidazole having an improved solid state polymerization - Google Patents

A process for a two stage melt polymerization for the production of polybenzimidazole having an improved solid state polymerization Download PDF

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KR20070023787A
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바비 지. 도킨스
제이. 딘 베이커
리타 에이치. 조이너
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피비아이 퍼포먼스 프로덕츠 인코포레이티드
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Abstract

하기에 의한 고분자량 폴리벤즈이미다졸의 생성을 위한 방법: (1) 제 1 반응 용기를 제공함; 반응 용기를 하나 이상의 방향족 탄화수소 테트라아민 및 디카르복실 성분을 구성하는 헤테로사이클릭 링으로 충전함; 교반기 토크가 점도 증가가 시작되기 전 토크의 약 1.5배가 될 때까지 반응물을 실질적으로 산소가 없는 대기하에서 교반시키면서 가열함; 반응 혼합물을 약 230℃까지 계속하여 가열하여 반응물 매스가 기포화되도록 하는 한편 교반을 종료함; 반응물 매스를 부서지기 쉬운 기포화된 매스가 되도록 냉각시킴; 부서지기 쉬운 기포화된 매스를 으깨어 분쇄 예비중합체를 수득함; 및 (2) 고강도 반응 용기인 제 2 반응 용기를 제공함; 분쇄 예비중합체를 제 2 반응 용기로 이송함; 분쇄 예비중합체를 교반하면서 대기압에서 315℃를 초과하도록 약 90분 동안 가열시킴.Method for the production of high molecular weight polybenzimidazoles by: (1) providing a first reaction vessel; Filling the reaction vessel with a heterocyclic ring constituting at least one aromatic hydrocarbon tetraamine and dicarboxylic component; Heating the reactant under substantially oxygen free atmosphere until the stirrer torque is about 1.5 times the torque before the viscosity increase begins; Continued heating of the reaction mixture to about 230 ° C. to allow the reactant mass to bubble while terminating stirring; Cooling the reactant mass to a brittle bubbled mass; Crushing the brittle bubbled mass to obtain a pulverized prepolymer; And (2) a second reaction vessel that is a high strength reaction vessel; Transferring the ground prepolymer to a second reaction vessel; The ground prepolymer was heated to about 90 minutes above 315 ° C. at atmospheric pressure with stirring.

고분자량 폴리벤즈이미다졸, 테트라아민, 디카르복실, 2 단계 중합. High molecular weight polybenzimidazole, tetraamine, dicarboxyl, two stage polymerization.

Description

향상된 고체 상태 중합을 하는 폴리벤즈이미다졸의 생성을 위한 2 단계 용융 중합 방법 {A PROCESS FOR A TWO STAGE MELT POLYMERIZATION FOR THE PRODUCTION OF POLYBENZIMIDAZOLE HAVING AN IMPROVED SOLID STATE POLYMERIZATION}A two-step melt polymerization process for the production of polybenzimidazoles with improved solid state polymerization.

본 발명은 특정 디카르복실 화합물을 단량체로서 사용하는 고분자량 폴리벤즈이미다졸의 생성을 위한 2 단계 용융 중합 방법을 제공한다.The present invention provides a two step melt polymerization process for the production of high molecular weight polybenzimidazoles using certain dicarboxylic compounds as monomers.

와드(Ward)의 US 특허 제 4,672,104호는 폴리벤즈이미다졸의 생성을 위한 2 단계 방법을 교시한다. 이 2 단계 용융 중축합 방법은 생성물 열 이력에 상응하는 반응기 설계에 있어서 상당한 변화를 겪으면서 작용하여, IV(Intrinsic Viscosity), 용해도, 용액 여과 품질, 색상 등에서 불균질한 생성물을 생성하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 제 2 단계 SSP (고체 상태 중합) 반응 기구 및 방법 조건을 최적화하고 개선시키기 위한 노력이 시작되었다.Ward US Pat. No. 4,672,104 teaches a two step method for the production of polybenzimidazoles. This two-step melt polycondensation method is known to work with significant changes in reactor design corresponding to product thermal history, producing heterogeneous products in Intrinsic Viscosity (IV), solubility, solution filtration quality, color, etc. . Thus, efforts have been undertaken to optimize and improve the second stage SSP (solid state polymerization) reaction mechanism and process conditions.

와드의 US 특허 제 4,717,764호는 벤즈이미다졸/방향족 아미드 중합체와 공중합체 및 완전 방향족 폴리아미드의 생성을 위한 2 단계 방법을 교시한다. Ward US Pat. No. 4,717,764 teaches a two-step process for the production of copolymers and fully aromatic polyamides with benzimidazole / aromatic amide polymers.

폴리벤즈이미다졸은, 아민 치환기가 나머지에 대하여 오르토 위치에 있도록 방향족 링 위에 2 쌍의 아민 치환기를 함유하는 하나 이상의 방향족 테트라아민과, 하기 화학식 1을 갖는 하나 이상의 화합물로 이루어지는 디카르복실 성분을 2 단계 중합 과정에서 반응시킴으로써 제조된다:Polybenzimidazole is a dicarboxylic component consisting of one or more aromatic tetraamines containing two pairs of amine substituents on an aromatic ring so that the amine substituent is in the ortho position relative to the rest, and at least one compound having the formula Prepared by reacting in a step polymerization process:

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112006097689650-PCT00001
Figure 112006097689650-PCT00001

여기서, R'는 이후에 더욱 상세하게 정의되는 2가의 유기 라디칼로서, 디카르복실 성분을 구성하는 다양한 분자들에서 같거나 다를 수 있고, Y 는 수소, 아릴 또는 알킬일 수 있는데, 디카르복실 성분을 구성하는 다양한 분자들 내의 전체 Y의 95% 이하가 개별적으로 수소 또는 페닐이 될 수 있다. 전술한 단량체의 조합을 이용하여 제조된 특정 폴리벤즈이미다졸은 물질의 새로운 조성이다.Wherein R ′ is a divalent organic radical, defined in more detail below, which may be the same or different in the various molecules that make up the dicarboxylic component, and Y may be hydrogen, aryl or alkyl, Up to 95% of the total Y in the various molecules that make up can be individually hydrogen or phenyl. Certain polybenzimidazoles made using a combination of the aforementioned monomers are a new composition of matter.

그 방법의 제 1 단계에서, 방향족 테트라아민과 디카르복실 성분의 혼합물을 방향족 테트라아민의 융점을 초과하는 축합 중합 온도까지 가열한다. 디카르복실 성분을 구성하는 화합물 또는 화합물들의 성질 및 융점에 따라, 생성되는 중합 매스는 용융 테트라아민 내의 고체 산 입자의 슬러리일 수 있는 액체, 또는 테트라아민 및 디카르복실 성분의 균질 혼합물 및/또는 용융 테트라아민 및 용융 디카르복실 성분을 포함하는 에멀젼이다. 교반기 토크가 점도 증가가 시작되기 전 토크의 약 1.5 배를 초과하고, 일반적으로는 약 6배를 초과하지는 않는 지점까지 혼합물의 점도가 상승할 때까지, 동시 발생적으로 강하게 교반하면서, 교반 중인 혼합물을 230℃ - 350℃ 까지 계속하여 가열한다. 그런 다음 교반을 종결하고, 매스가 부서지기 쉬운 매스로 기포화되도록 하면서 가열을 계속한다. 그런 다음 생성된 예비중합체를 냉각시키고, 가루로 분쇄하여 교반 수단 및 압력 또는 진공 조절 수단을 갖는 제 2 반응 용기로 이송하는데, 제2 반응 용기는 바람직하게는 고강도 반응 용기이며, 제 2 반응 용기 내에서, 제 2 중합 단계의 고체 상태로 제 1 단계보다 더 높은 온도로 가열하여, 목적하는 중합도를 수득한다.In the first step of the process, the mixture of aromatic tetraamine and dicarboxylic component is heated to a condensation polymerization temperature above the melting point of aromatic tetraamine. Depending on the nature and melting point of the compound or compounds constituting the dicarboxyl component, the resulting polymerization mass may be a liquid which may be a slurry of solid acid particles in molten tetraamine, or a homogeneous mixture of tetraamine and dicarboxyl components and / or Emulsions comprising a molten tetraamine and a molten dicarboxyl component. While stirring vigorously, the mixture under stirring is stirred until the viscosity of the mixture rises to the point where the stirrer torque exceeds about 1.5 times the torque before the viscosity increase begins, and generally does not exceed about 6 times. Continue heating to 230 ° C-350 ° C. Agitation is then terminated and heating continues while the mass is bubbled into a brittle mass. The resulting prepolymer is then cooled, ground to a powder and sent to a second reaction vessel having a stirring means and a pressure or vacuum control means, the second reaction vessel being preferably a high-strength reaction vessel, in the second reaction vessel In the solid state of the second polymerization stage, to a higher temperature than the first stage, to obtain the desired degree of polymerization.

다르게는, 고강도 반응 용기를 사용하지 않고서도 약한 양압에서 고체 상태 중합을 수행함으로써 제 2 단계에서 향상된 결과를 얻을 수 있음이 밝혀졌다.Alternatively, it has been found that improved results can be obtained in the second step by carrying out the solid state polymerization at low positive pressure without the use of a high strength reaction vessel.

본 발명의 방법으로 제조될 수 있는 폴리벤즈이미다졸은 하기 화학식 2의 반복 단위를 갖는 것이다:Polybenzimidazoles that may be prepared by the process of the invention are those having repeating units of formula

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112006097689650-PCT00002
Figure 112006097689650-PCT00002

여기서, R 은 방향족 핵의 인접한 탄소 원자 즉, 오르토 탄소 원자와 쌍을 이루도록 벤즈이미다졸 링을 형성하는 질소 원자를 갖는 4가의 방향족 핵이고, R' 는 방향족 링; 알킬렌기 (바람직하게는 4 내지 8개의 탄소 원자를 가짐); 및 피리딘, 피라진, 푸란, 퀴놀린, 티오펜 및 피란과 같은 헤테로시클릭 링을 이루는 군의 하나이다. 디카르복실 단량체 성분 내의 디카르복실산 부분이 동일한지 또는 다른지에 따라, R'는 중합체 쇄를 따르는 반복 단위들 사이에서 같거나 무작위로 다를 수 있다. 또한, 하나 또는 그 이상의 테트라아민 단량체가 중합에 사용되는지에 따라, R도 중합체 쇄를 따라 같거나 무작위로 다를 수 있다.Wherein R is a tetravalent aromatic nucleus having a nitrogen atom forming a benzimidazole ring to pair with an adjacent carbon atom of the aromatic nucleus, ie an ortho carbon atom, and R 'is an aromatic ring; Alkylene groups (preferably having 4 to 8 carbon atoms); And heterocyclic rings such as pyridine, pyrazine, furan, quinoline, thiophene and pyran. Depending on whether the dicarboxylic acid moiety in the dicarboxylic monomer component is the same or different, R 'may be the same or randomly different between repeating units along the polymer chain. In addition, depending on whether one or more tetraamine monomers are used in the polymerization, R may also be the same or randomly along the polymer chain.

하기 반응식 1은, 전술한 화학식 2의 반복 단위를 갖는 폴리벤즈이미다졸을 형성하는 축합 반응을 설명한다:Scheme 1 below illustrates a condensation reaction to form polybenzimidazoles having repeating units of Formula 2 above:

[반응식 1]Scheme 1

Figure 112006097689650-PCT00003
Figure 112006097689650-PCT00003

여기서, R. R' 및 Y 는 이전에 정의된 바와 같다. 이러한 폴리벤즈이미다졸은 (1) 각각의 기가 나머지에 대하여 오르토 위치에 존재하는 아민 치환기를 2개 함유하는 하나 이상의 방향족 테트라아민과 (2) 전술한 반응식에 지적되고 이후로 보다 완전하게 정의될 디카르복실 성분의 혼합물을 반응시킴으로써 생성된다. Where R. R 'and Y are as previously defined. Such polybenzimidazoles comprise (1) one or more aromatic tetraamines in which each group contains two amine substituents present in the ortho position relative to the rest, and (2) a dicar, as pointed out in the above schemes and more fully defined thereafter. It is produced by reacting a mixture of carboxyl components.

사용될 수 있는 방향족 테트라아민은 예를 들어 하기의 화학식 3-1 내지 3-5를 갖는 것들이다:Aromatic tetraamines that may be used are, for example, those having the following formulas 3-1 to 3-5:

[화학식 3-1][Formula 3-1]

Figure 112006097689650-PCT00004
Figure 112006097689650-PCT00004

[화학식 3-2][Formula 3-2]

Figure 112006097689650-PCT00005
Figure 112006097689650-PCT00005

[화학식 3-3][Formula 3-3]

Figure 112006097689650-PCT00006
Figure 112006097689650-PCT00006

[화학식 3-4][Formula 3-4]

Figure 112006097689650-PCT00007
Figure 112006097689650-PCT00007

[화학식 3-5][Formula 3-5]

Figure 112006097689650-PCT00008
Figure 112006097689650-PCT00008

여기서, X는 --O--, --S--, --SO.sub.2, --C--, 또는 --CH.sub.2--, --(CH.sub.2)sub.2--, 또는 --C(CH.sub.3).sub.2 3과 같은 저급 알킬렌기를 나타낸다. 이러한 방향족 테트라아민 중에서, 예를 들어, 1,2,4,5-테트라아미노벤젠; 1,2,5,6-테트라아미노나프탈렌; 2,3,6,7-테트라아미노나프탈렌; 3,3',4,4'-테트라아미노디페닐 메탄; 3,3',4,4'-테트라아미노디페닐 에탄; 3,3',4,4'-테트라아미노디페닐-2,2-프로판; 3,3',4,4'-테트라아미노디페닐 티오에테르; 및 3,3',4,4'-테트라아미노디페닐 술폰을 언급할 수 있다. 바람직한 방향족 테트라아민은 3,3',4,4'-테트라아미노바이페닐이다. Where X is --O--, --S--, --SO.sub.2, --C--, or --CH.sub.2--,-(CH.sub.2) sub.2--, or lower alkylene groups such as --C (CH.sub.3) .sub.2 3. Among these aromatic tetraamines, for example, 1,2,4,5-tetraaminobenzene; 1,2,5,6-tetraaminonaphthalene; 2,3,6,7-tetraaminonaphthalene; 3,3 ', 4,4'-tetraaminodiphenyl methane; 3,3 ', 4,4'-tetraaminodiphenyl ethane; 3,3 ', 4,4'-tetraaminodiphenyl-2,2-propane; 3,3 ', 4,4'-tetraaminodiphenyl thioether; And 3,3 ', 4,4'-tetraaminodiphenyl sulfone. Preferred aromatic tetraamines are 3,3 ', 4,4'-tetraaminobiphenyl.

본 발명의 디카르복실 성분을 포함하는 화합물은 하기 화학식 1로 정의된다:Compounds comprising the dicarboxyl component of the present invention are defined by Formula 1:

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112006097689650-PCT00009
Figure 112006097689650-PCT00009

여기서, Y는 수소, 아릴 또는 알킬일 수 있고, Y의 95% 미만이 수소 또는 페닐일 수 있다. 따라서, 디카르복실 성분은 자유 산과 하나 이상의 디에스테르 및/또는 모노에스테르의 혼합물; 디에스테르(들) 및/또는 모노에스테르(들)의 혼합물; 또는 단일 디알킬 에스테르, 모노에스테르 또는 혼합 아릴-알킬 또는 알킬/알킬 에스테르를 이룰 수 있으나, 자유 산 또는 디페닐 에스테르를 완전하게 이룰 수는 없다. Y 가 알킬일 때, 그것은 바람직하게는 1 내지 5 개의 탄소 원자를 함유하고, 가장 바람직하게는 메틸이다. Y가 아릴일 때, 그것은 전술한 바와 같이, 전술한 바와 같은 R 또는 R'일 수 있는 방향족 기의 하나를 제외한 모든 원자가를 수소로 채움으로써 수득되는 임의의 1가 방향족 탄화수소기일 수 있고. 또는, 1 내지 5개의 탄소 원자를 함유하는 알킬 또는 알콕시와 같은 임의의 불활성 1가 라디칼로 치환되거나 치환되지 않을 수 있다. 이러한 아릴기의 예는 페닐, 나프틸, 3개의 가능한 페닐페닐 라디칼 및 3개의 가능한 톨릴 라디칼이다. 바람직한 아릴기는 통상 페닐이다. Wherein Y may be hydrogen, aryl or alkyl, and less than 95% of Y may be hydrogen or phenyl. Thus, the dicarboxylic component may be a mixture of free acid and one or more diesters and / or monoesters; Mixtures of diester (s) and / or monoester (s); Or a single dialkyl ester, monoester or mixed aryl-alkyl or alkyl / alkyl ester, but not completely free acid or diphenyl ester. When Y is alkyl, it preferably contains 1 to 5 carbon atoms, most preferably methyl. When Y is aryl, it may be any monovalent aromatic hydrocarbon group obtained by filling all valences with hydrogen except one of the aromatic groups, which may be R or R 'as described above, as described above. Alternatively, it may or may not be substituted with any inert monovalent radical such as alkyl or alkoxy containing 1 to 5 carbon atoms. Examples of such aryl groups are phenyl, naphthyl, three possible phenylphenyl radicals and three possible tolyl radicals. Preferred aryl groups are usually phenyl.

본 발명의 방법에 의하여 폴리벤즈이미다졸을 생성하는데 사용하기 위한, 전술한 바와 같은 디카르복실 성분의 일부로서의 자유 또는 에스테르화된 형태가 적합한 디카르복실산은 방향족 디카르복실산; 지방족 디카르복실산 (바람직하게는, 4 내지 8개의 탄소 원자를 갖는 것들); 및 카르복실기가 피리딘, 피라진, 푸란, 퀴놀린, 티오펜 및 피란과 같은 링 화합물 내의 탄소 원자 상 치환기인 헤테로시클릭 디카르복실산을 포함한다.Dicarboxylic acids in which a free or esterified form as part of the dicarboxylic component as described above, for use in producing polybenzimidazoles by the process of the invention are suitable include aromatic dicarboxylic acids; Aliphatic dicarboxylic acids (preferably those having 4 to 8 carbon atoms); And heterocyclic dicarboxylic acids wherein the carboxyl group is a substituent on a carbon atom in a ring compound such as pyridine, pyrazine, furan, quinoline, thiophene and pyran.

기술된 바와 같이 자유 또는 에스테르화된 형태로 사용될 수 있는 바람직한 디카르복실산은 아래에 예시된 것과 같은 방향족 디카르복실산이다: Preferred dicarboxylic acids which can be used in free or esterified form as described are aromatic dicarboxylic acids as exemplified below:

Figure 112006097689650-PCT00010
Figure 112006097689650-PCT00010

여기서, X는 위에서 정의한 바와 같다. 예를 들어, 하기의 2산이 적절하게 사용될 수 있다: 이소프탈산; 테레프탈산; 4, 4'-바이페닐디카르복실산; 1,4-나프탈렌디카르복실산; 디펜산(2,2'-바이페닐디카르복실산); 페닐인단디카르복실산; 1,6-나프탈렌디카르복실산; 2,6-나프탈렌디카르복실산; 4,4'-디페닐에테르디카르복실산; 4,4'-디페닐술폰디카르복실산; 4,4'-디페닐티오에테르디카르복실산. 이소프탈산은 자유 또는 에스테르화된 형태의 디카르복실산이거나, 디페닐 이소프탈레이트(1,3-벤젠 디카르복실산, 디페닐 에스테르)가 본 발명의 방법에 사용하기에 가장 바람직하다.Where X is as defined above. For example, the following diacids may suitably be used: isophthalic acid; Terephthalic acid; 4, 4'-biphenyldicarboxylic acid; 1,4-naphthalenedicarboxylic acid; Diphenic acid (2,2'-biphenyldicarboxylic acid); Phenyl indandicarboxylic acid; 1,6-naphthalenedicarboxylic acid; 2,6-naphthalenedicarboxylic acid; 4,4'-diphenyletherdicarboxylic acid; 4,4'-diphenylsulfondicarboxylic acid; 4,4'-diphenylthioetherdicarboxylic acid. Isophthalic acid is dicarboxylic acid in free or esterified form, or diphenyl isophthalate (1,3-benzene dicarboxylic acid, diphenyl ester) is most preferred for use in the process of the invention.

바람직하게는 디카르복실 성분이 하기의 조합들 중 하나이다: (1) 하나 이상의 자유 디카르복실산 및 하나 이상의 디카르복실산의 디페닐 에스테르; (2) 하나 이상의 자유 디카르복실산 및 하나 이상의 디카르복실산의 디알킬 에스테르, 및 (3) 하나 이상의 디카르복실산의 디페닐 에스테르 및 하나 이상의 디카르복실산의 디알킬 에스테르; 및 (4) 하나 이상의 디카르복실산의 디알킬 에스테르. 각 조합의 화합물의 디카르복실 부분은 같거나 다를 수 있고, 조합 (2), (3) 및 (4)의 알킬 에스테르의 알킬기는 일반적으로 1 내지 5개의 탄소 원자를 함유하고 가장 바람직하게는 메틸이다.Preferably the dicarboxylic component is one of the following combinations: (1) one or more free dicarboxylic acids and one or more diphenyl esters of dicarboxylic acids; (2) dialkyl esters of one or more free dicarboxylic acids and one or more dicarboxylic acids, and (3) diphenyl esters of one or more dicarboxylic acids and dialkyl esters of one or more dicarboxylic acids; And (4) dialkyl esters of one or more dicarboxylic acids. The dicarboxyl moieties of the compounds of each combination may be the same or different and the alkyl groups of the alkyl esters of the combinations (2), (3) and (4) generally contain 1 to 5 carbon atoms and most preferably methyl to be.

방향족 테트라아민의 몰당 전체 디카르복실 성분의 약 1 몰의 비율로 디카르복실 성분을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 특정의 중합 시스템에서 반응물의 적절한 비율은 당해 기술분야의 통상의 기술자에 의하여 쉽게 결정될 수 있다.Preference is given to using the dicarboxyl component in a proportion of about 1 mole of the total dicarboxylic component per mole of aromatic tetraamine. However, the appropriate proportion of reactants in a particular polymerization system can be readily determined by one skilled in the art.

본 발명의 방법에 따라 제조될 수 있는 폴리벤즈이미다졸의 예는 하기의 것을 포함한다:Examples of polybenzimidazoles that can be prepared according to the process of the invention include the following:

폴리-2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸; Poly-2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole;

폴리-2,2'-(바이페닐렌-2"2"')-5,5'-바이벤즈이미다졸, Poly-2,2 '-(biphenylene-2 "2"')-5,5'-bibenzimidazole,

폴리-2,2'-(바이페닐렌-4"4"')-5,5'-바이벤즈이미다졸; Poly-2,2 '-(biphenylene-4 "4"')-5,5'-bibenzimidazole;

폴리-2,2'-(1",1",3"트리메틸인다닐렌-3"5"-p-페닐렌-5,5'-바이벤즈이미다졸; Poly-2,2 '-(1 ", 1", 3 "trimethylindenylene-3" 5 "-p-phenylene-5,5'-bibenzimidazole;

2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸/2,2-(1",1",3"-트리메틸인다닐렌)5",3"-(p-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸 공중합체; 2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole / 2,2- (1 ", 1", 3 "-trimethylindenylene) 5", 3 "-(p- Phenylene) -5,5'-bibenzimidazole copolymer;

2,2'-(m-페닐렌)-5,5-바이벤즈이미다졸/2,2'-바이페닐렌-2",2"')-5,5'-바이벤즈이미다졸 공중합체; 2,2 '-(m-phenylene) -5,5-bibenzimidazole / 2,2'-biphenylene-2 ", 2"')-5,5'-bibenzimidazole copolymer;

폴리-2,2'-(푸릴렌-2",5")-5,5'-바이벤즈이미다졸; Poly-2,2 '-(furylene-2 ", 5")-5,5'-bibenzimidazole;

폴리-2,2'-(나프탈렌-1",6")-5,5'-바이벤즈이미다졸; Poly-2,2 '-(naphthalene-1 ", 6")-5,5'-bibenzimidazole;

폴리-2,2'-(나프탈렌-2",6")-5,5'-바이벤즈이미다졸; Poly-2,2 '-(naphthalene-2 ", 6")-5,5'-bibenzimidazole;

폴리-2,2'-아밀렌-5,5'-바이벤즈이미다졸; Poly-2,2'-amylene-5,5'-bibenzimidazole;

폴리-2,2'-옥타메틸렌-5,5'-바이벤즈이미다졸; Poly-2,2'-octamethylene-5,5'-bibenzimidazole;

폴리-2,2'-(m-페닐렌)-디이미다조벤젠; Poly-2,2 '-(m-phenylene) -diimidazobenzene;

폴리-2,2'-시클로헥세닐-5,5'-바이벤즈이미다졸; Poly-2,2'-cyclohexenyl-5,5'-bibenzimidazole;

폴리-2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-디(벤즈이미다졸)에테르; Poly-2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-di (benzimidazole) ether;

폴리-2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-디(벤즈이미다졸)설파이드; Poly-2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-di (benzimidazole) sulfide;

폴리-2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-디(벤즈이미다졸)술폰; Poly-2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-di (benzimidazole) sulfone;

폴리-2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-디(벤즈이미다졸)메탄; Poly-2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-di (benzimidazole) methane;

폴리-2,2"-(m-페닐렌)-5,5"-디(벤즈이미다졸)프로판-2,2; 및Poly-2,2 "-(m-phenylene) -5,5" -di (benzimidazole) propane-2,2; And

폴리-에틸렌-1,2-2,2"-(m-페닐렌)-5,5"-디벤즈이미다졸)에틸렌-1,2.Poly-ethylene-1,2-2,2 "-(m-phenylene) -5,5" -dibenzimidazole) ethylene-1,2.

여기서 에틸렌기의 이중 결합은 최종 중합체에서 변하지 않는다.Wherein the double bond of the ethylene group does not change in the final polymer.

본 발명의 방법에 의하여 제조되는 바람직한 폴리벤즈이미다졸은 폴리-2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸로서, 그 반복 단위는 n이 75를 초과하는 정수이다. 이 중합체는 본 발명의 방법에 따라서, 3,3',4,4'-테트라아미노바이페닐을, 디페닐 이소프탈레이트 또는 디메틸 이소프탈레이트와 같은 디알킬 이소프탈레이트를 갖는 이소프탈산의 조합; 디페닐 이소프탈레이트와 디메틸 이소프탈레이트와 같은 디알킬 이소프탈레이트의 조합; 또는 단독 디카르복실 성분으로서의 디메틸 이소프탈레이트와 같은 하나 이상의 디알킬 이소프탈레이트와 반응시킴으로써 제조될 수 있다.Preferred polybenzimidazoles prepared by the process of the invention are poly-2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazoles, the repeating units of which n is an integer greater than 75 to be. This polymer comprises a combination of 3,3 ', 4,4'-tetraaminobiphenyl with isophthalic acid having a dialkyl isophthalate, such as diphenyl isophthalate or dimethyl isophthalate, according to the process of the invention; Combinations of dialkyl isophthalates with dialkyl isophthalates such as dimethyl isophthalate; Or by reacting with one or more dialkyl isophthalates such as dimethyl isophthalate as the sole dicarboxyl component.

본 발명의 방법은 하나 이상의 방향족 테트라아민과 하나 이상의 디카르복실산으로부터 폴리벤즈이미다졸을 제조하는데 사용될 수 있다. 일반적으로, 전체 테트라아민과 디카르복실 성분의 화학양론적 양, 또는 디카르복실 성분의 약간의 몰 초과량이 사용된다.The process of the invention can be used to prepare polybenzimidazoles from one or more aromatic tetraamines and one or more dicarboxylic acids. Generally, stoichiometric amounts of total tetraamine and dicarboxyl components, or some molar excess of dicarboxylic components, are used.

고유 점도(이하 "IV")는 0 농도에 대하여 외삽(外揷)된 용질의 농도에 대한 알려진 농도의 용액의 비점도의 비율로서, dL/g의 단위로 측정된다. 고유 또는 내재 점도는 또한 극한 점성 도수라고도 불린다. 이것은 중합체 평균 몰 중량에 직접적으로 비례한다. dL/g, IV (고유 점도) 측정은 테스트될 중합체 시료의 농도(g/100 ml 또는 g/데시리터)에 기초한다. 중합체는 80℃에서 96.5% (+/- 0.5%) 황산 100ml 내에 0.4% (w/v) 수준으로 용해된다. 여과 후에, 25 +/- 0.1 C 수조에서 캘리브레이션된 캐논-펜스크(Cannon-Fenske) 모세관 점도계를 이용하여 분취액(aliquot)의 IV를 측정하고, 용해용 용매에 따라 측정된 PBI 중합체 용액의 유동 시간 (sec.)을 측정한다. IV = ln (tl/t2)/c (여기서, 용매의 유동 시간 (t2)에 대한 PBI 용액의 유동시간(t1)의 자연 로그가 PBI 용액 농도로 나누어진다).Intrinsic viscosity (hereinafter “IV”) is the ratio of the specific viscosity of a solution of known concentration to the concentration of extrapolated solute to zero concentration, measured in units of dL / g. Intrinsic or intrinsic viscosity is also referred to as extreme viscosity frequency. This is directly proportional to the polymer average molar weight. dL / g, IV (inherent viscosity) measurements are based on the concentration (g / 100 ml or g / deciliter) of the polymer sample to be tested. The polymer is dissolved at a level of 0.4% (w / v) in 100 ml of 96.5% (+/- 0.5%) sulfuric acid at 80 ° C. After filtration, the IV of the aliquot was measured using a Cannon-Fenske capillary viscometer calibrated in a 25 +/- 0.1 C water bath and the flow of PBI polymer solution measured according to the solvent for dissolution Measure the time (sec.). IV = ln (tl / t2) / c, where the natural logarithm of the flow time t1 of the PBI solution to the flow time t2 of the solvent is divided by the PBI solution concentration.

본 발명의 방법의 제 1 단계는, 제 1 반응 용기에서 방향족 테트라아민, 디카르복실 성분을 230℃- 350℃, 바람직하게는 280℃ - 340℃의 범위의 온도까지, 강하게 교반하면서 가열함으로써 수행된다. 디카르복실 성분 화합물의 융점 및 테트라아민 및 디카르복실 성분의 화학적 성질에 따라서, 교반된 액체 매스는 두가지 비혼화성 액체의 슬러리, 균질 혼합물 또는 에멀젼이 될 것이다. 반응 매스의 점도가, 증가된 교반 에너지에 의하여 강화된 증가된 교반기 토크에 의하여 지시된 대로 상승하기 시작할 때, 교반을 중단하고, 매스를 더 가열하여 기포화한다. 교반이 중단되는 시점에서는 일반적으로 교반기 토크 및 교반 에너지가 예를 들어 테트라아민의 용융 후 초기 토크 또는 교반 에너지의 약 1000%를 넘지 않고, 바람직하게는 약 300%를 넘지 않는다. 그런 다음 매스를 교반하지 않은 채 예를 들어 약 230℃ 내지 350℃, 바람직하게는 약 280℃ 내지 340℃ 범위의 온도까지 더 가열한다. 이러한 가열을 예를 들어 약 0.25 내지 3 시간, 바람직하게는 약 0.5 내지 1.5 시간 범위의 시간 동안 계속한다. 그런 다음 기포화된 매스를 그의 융점 미만의 온도, 예컨대 쉽게 으깨어지거나 분쇄되는 부서지기 쉬운 고체 매스가 되도록 하는 실온까지 냉각시킨다. 냉각 단계는 일반적으로 반응 매스를 35℃ 내지 15℃에 둘 수 있는데, 20℃ 내지 25℃ 정도로 인식되는 실온까지 냉각시키는 것이 바람직하다. 일반적으로, 제 1 단계 후의 예비중합체의 고유 점도는 예를 들어 약 0.05 내지 0.3 dl/g, (모든 고유 점도는 25℃에서 96.5% 황산 내의 0.4 중량%의 중합체 용액으로부터 측정되었다)의 범위에서 완성된다.The first step of the process of the invention is carried out by heating the aromatic tetraamine, dicarboxyl component in a first reaction vessel with vigorous stirring to a temperature in the range of 230 ° C.-350 ° C., preferably 280 ° C.-340 ° C. do. Depending on the melting point of the dicarboxylic component compounds and the chemical properties of the tetraamine and dicarboxylic components, the stirred liquid mass will be a slurry, homogeneous mixture or emulsion of two immiscible liquids. When the viscosity of the reaction mass begins to rise as indicated by the increased stirrer torque enhanced by the increased stirring energy, the stirring is stopped and the mass is further heated to bubble. At the point at which stirring is stopped, the stirrer torque and stirring energy generally do not exceed about 1000% of the initial torque or stirring energy, for example after melting of the tetraamine, and preferably not more than about 300%. The mass is then further heated to a temperature in the range of, for example, about 230 ° C. to 350 ° C., preferably about 280 ° C. to 340 ° C., without stirring the mass. This heating is continued for a time, for example, in the range of about 0.25 to 3 hours, preferably about 0.5 to 1.5 hours. The bubbled mass is then cooled to a temperature below its melting point, such as room temperature, to become a brittle solid mass that is easily crushed or crushed. The cooling step can generally place the reaction mass at 35 ° C. to 15 ° C., preferably cooling to room temperature which is perceived as on the order of 20 ° C. to 25 ° C. Generally, the intrinsic viscosity of the prepolymer after the first step is complete, for example, in the range of about 0.05 to 0.3 dl / g, (all intrinsic viscosity measured at 0.4% by weight of polymer solution in 96.5% sulfuric acid at 25 ° C). do.

그런 다음 분쇄된 예비중합체는 제 2 고강도 반응 용기로 이송된다. 고 강도 반응 용기는 교반 수단, 온도 조절 수단 및 압력 또는 진공 조절 수단을 갖는다. 이 용기를 반응의 제 1 단계에 사용된 용기로부터 떨어지도록 설치하는 것은 교반을 더욱 활발하게 하고 고체 상태로 분쇄 예비중합체를 교반시킬 수 있도록 하기 위한 수단이다. 이러한 고강도 반응기는 회전로(rotary furnace), 유동층, 정지 혼합기, 교반된 오토클레이브 또는 유리제품, 연속 반죽 반응기, 반대 회전 프로세서(opposite rotating processor), 동 방향 회전 프로세서 및 단일 샤프트 회전 프로세서를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 이러한 고강도 혼합기는 하기를 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 출처로부터 구입할 수 있다: Komax Systems Inc., Wilmington, CA; Koch-Glitsch, Wichita, KS; Carbolite, Watertown, WI; LIST Charlotte, NC; Processall, Cinncinnati, OH; Procedyne Corp. 또한, 교반기 블레이드를 혼합물의 대부분에 사용하도록 변경하고, 더 크거나 더 강한 교반기 모터를 사용하고, 추가의 교반기를 사용하거나 이러한 것들을 조합함으로써, 표준 혼합 용기를 고강도 반응 용기로 전환하는 것이 가능하다.The milled prepolymer is then transferred to a second high intensity reaction vessel. The high strength reaction vessel has stirring means, temperature regulating means and pressure or vacuum regulating means. Installing this vessel away from the vessel used in the first stage of the reaction is a means to make stirring more active and to agitate the ground prepolymer in a solid state. Such high intensity reactors include, but are not limited to, rotary furnaces, fluidized beds, static mixers, stirred autoclaves or glassware, continuous kneading reactors, positive rotating processors, co-rotating processors, and single shaft rotating processors. It is not limited. Such high intensity mixers can be purchased from a variety of sources, including but not limited to: Komax Systems Inc., Wilmington, CA; Koch-Glitsch, Wichita, KS; Carbolite, Watertown, WI; LIST Charlotte, NC; Processall, Cinncinnati, OH; Procedyne Corp. It is also possible to convert a standard mixing vessel into a high-strength reaction vessel by changing the stirrer blade to use most of the mixture, using a larger or stronger stirrer motor, and using additional stirrers or combining them.

고강도 혼합기의 사용에 의하여, 고체 상태 중합 방법 및 생성물 데이타/결과는, 현재의 통상의 제조 방법에 비교하여, 더 높은 통상 제조 온도 성능 (400℃ 까지)과 감소된 반응 시간에, 향상된 IV 균일성과 더 높은 IV 목표 성능을 나타내거나, 또는 반대로 더 낮은 제조 온도 (335℃ vs. 345℃-370℃)에서 생성물 IV 목표를 만족시키는 능력을 나타낸다. 이것은 목적하는 IV 목표를 조절하기 위하여 온도를 사용하는데 있어서 추가의 유동성을 제공한다. 놀랍게도, 생성된 생성물의 플러깅 값(plugging value)은 현재의 시판 중인 생성물보다 훨씬 높게 운영되고 있다. By the use of high-strength mixers, the solid state polymerization process and product data / results are improved with improved IV uniformity at higher conventional production temperature performance (up to 400 ° C.) and reduced reaction time compared to current conventional manufacturing methods. It shows higher IV target performance, or vice versa the ability to meet the product IV target at lower production temperatures (335 ° C. vs. 345 ° C.-370 ° C.). This provides additional fluidity in using the temperature to adjust the desired IV target. Surprisingly, the plugging value of the resulting product is operating much higher than the current commercially available product.

분쇄된 예비중합체를 제 2 반응 용기로 이송한 후 제 2 단계 동안, 분쇄된 예비중합체를 교반하면서 315℃ 내지 400℃, 바람직하게는 330℃ 내지 400℃까지 가열한다. 만약 IV 목표가 1.0 dL/g 미만이면, 330℃ 내지 350℃의 온도가 사용될 수 있다. 만약 IV가 1.0 dL/g 을 초과하면, 355℃ 내지 400℃의 온도가 바람직하다. 분쇄된 예비중합체를 교반하면서 가열하는 경우, 약한 양압이 사용되고, 이러한 약한 양압은 대기압이거나, 2 mbar 내지 30 mbar에 상당하거나, 0.25 인치의 H2O 내지 5 인치의 H2O, 또는 0.63 cm 의 H2O 내지 13 cm의 H2O 일 수 있다. 분쇄된 예비중합체를 90분 내지 400분, 바람직하게는 200분 내지 360분 또는 220분 내지 330분 동안 가열한다.After transferring the milled prepolymer to the second reaction vessel, during the second step, the milled prepolymer is heated to 315 ° C to 400 ° C, preferably 330 ° C to 400 ° C, with stirring. If the IV target is less than 1.0 dL / g, temperatures of 330 ° C to 350 ° C can be used. If IV exceeds 1.0 dL / g, temperatures of 355 ° C to 400 ° C are preferred. When heating the pulverized prepolymer with stirring, a weak positive pressure is used and this weak positive pressure is at atmospheric pressure, equivalent to 2 mbar to 30 mbar, 0.25 inch H 2 O to 5 inch H 2 O, or 0.63 cm H 2 O to 13 cm of H 2 O. The ground prepolymer is heated for 90 minutes to 400 minutes, preferably 200 minutes to 360 minutes or 220 minutes to 330 minutes.

폴리벤즈이미다졸은 그 입자 크기에 따라 다른 목적으로 사용된다. 150 마이크론 미만의 평균 입자 크기(PS)를 갖는 폴리벤즈이미다졸은 일반적으로 중합체로서 통상 이용되고, 최소 고유 점도 0.5를 가져야한다. 압출 섬유 및 압출 필름을 제조하기 위해서는, 약 0.8 이상의 고유 점도(IV)를 갖는 일반적으로 300 마이크론 이상의 입자를 갖는 것이 좋다. 연료 전지 멤브레인으로 사용하기 위해서는, 300 마이크론을 초과하는 더 큰 입자 크기가 사용되고, 고유 점도는 0.9 이상, 바람직하게는 1.1이 요구된다.Polybenzimidazoles are used for different purposes depending on their particle size. Polybenzimidazoles having an average particle size (PS) of less than 150 microns are generally commonly used as polymers and should have a minimum intrinsic viscosity of 0.5. In order to produce extruded fibers and extruded films, it is generally desirable to have particles of at least 300 microns having an intrinsic viscosity (IV) of at least about 0.8. For use as a fuel cell membrane, larger particle sizes in excess of 300 microns are used and an intrinsic viscosity of at least 0.9, preferably 1.1 is required.

본 발명의 방법의 양 단계에 있어서, 압력은 바람직하게는 대기압 이상, 예컨대 1 또는 2 대기압을, 바람직하게는 대기압을 사용한다. 이러한 압력은 반응의 부산물로서 생성되는 축합 화합물을 제거하기 위한 콘덴서를 구비한 개방 중합 시스템을 이용함으로써 통상적으로 수득된다.In both steps of the process of the invention, the pressure is preferably at least atmospheric pressure, such as 1 or 2 atmospheres, preferably at atmospheric pressure. This pressure is typically obtained by using an open polymerization system with a condenser to remove condensation compounds that are produced as byproducts of the reaction.

제조방법의 양 단계는 실질적으로 산소가 없는 대기에서 수행된다. 예를 들어, 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 가스가 중합이 이루어지는 동안 반응 지역으로 계속적으로 통과될 수 있다. 사용된 불활성 가스는 실질적으로 산소가 없어야 하는 것으로서, 다시 말하면 약 20 ppm (parts per million) 미만, 바람직하게는 약 8 ppm 미만의 산소를 가지고, 더욱 바람직하게는 산소가 없어야 한다. 불활성 가스는 표준 조건 즉, 대기압 및 온도에서 측정된 유동 속도로 반응 지역으로, 분당 반응 지역의 부피의 약 1 내지 200 퍼센트의 범위 내에서, 도입된다. 불활성 가스는 실온에서, 바람직하다면 반응 온도로 예열되어 중합 반응 지역으로 통과될 수 있다. 실질적으로 산소가 없는 대기를 얻기 위한 한가지 방법은 N2를 분당 0.6 표준 리터 (SLPM) 내지 4.6 SLPM의 속도로 반응 챔버로 펌핑하는 것이다. 제 1 단계에서, 반응물을 약한 진공 일반적으로 10 cm 내지 46 cm 의 Hg 하에 둘 수 있다. Both steps of the production process are carried out in an atmosphere substantially free of oxygen. For example, an inert gas such as nitrogen or argon may be passed through the reaction zone continuously during the polymerization. The inert gas used should be substantially free of oxygen, in other words less than about 20 parts per million (ppm), preferably less than about 8 ppm, more preferably free of oxygen. Inert gas is introduced into the reaction zone at flow rates measured at standard conditions, i.e. atmospheric pressure and temperature, within a range of about 1 to 200 percent of the volume of the reaction zone per minute. The inert gas can be preheated at room temperature, if desired, to the reaction temperature and passed to the polymerization reaction zone. One way to obtain a substantially oxygen free atmosphere is to pump N 2 into the reaction chamber at a rate of 0.6 standard liters per minute (SLPM) to 4.6 SLPM. In the first step, the reactants may be placed under a slight vacuum, typically Hg of 10 cm to 46 cm.

본 발명의 방법은 상대적으로 높은 고유 점도를 갖는 고분자량 폴리벤즈이미다졸 생성물을 생성하는데 사용될 수 있다. 이러한 생성물은 300 내지 1000 마이크론 범위의 크기를 갖는 입자에 대하여, 25℃에서 96.5 퍼센트 H2SO4 100 ml 내의 중합체 0.4g 의 농도에서 측정하였을 때, 약 0.6 dl/g 이상의 고유 점도를 나타낸다. 바람직하게는, 중합체는 약 0.8 dl/g 이상의 고유 점도를 나타내고, 고유 점도는 가장 바람직하게는 약 1.0 dl/g 이상이다.The process of the present invention can be used to produce high molecular weight polybenzimidazole products having a relatively high intrinsic viscosity. This product exhibits an intrinsic viscosity of at least about 0.6 dl / g when measured at a concentration of 0.4 g of polymer in 100 ml of 96.5 percent H 2 SO 4 at 25 ° C. for particles having a size in the range from 300 to 1000 microns. Preferably, the polymer exhibits an intrinsic viscosity of at least about 0.8 dl / g, and most preferably at least about 1.0 dl / g.

본 발명의 방법을 사용하면, 150 마이크론 이상 1000 마이크론 이하 범위의 크기를 갖는 모든 입자에 대하여 0.6 dL/g 이상의 평균 고유 점도를 수득하는 것이 가능하다. 이것은 2 단계 방법으로 수득될 수 있다. 교반 수단 및 대기 조절 수단을 구비한 제 1 반응 용기를 제공함으로써 제 1 단계가 시작된다. 그런 다음 반응 용기를 방향족 링의 오르토 위치에 2 쌍의 아민 치환기를 함유하는 하나 이상의 방향족 탄화수소 테트라아민 및 하기 화학식 1을 갖는 하나 이상의 화합물을 이루는 디카르복실 성분으로 충전한다:Using the method of the present invention, it is possible to obtain an average intrinsic viscosity of at least 0.6 dL / g for all particles having a size in the range from 150 microns to 1000 microns. This can be obtained in a two step method. The first step is started by providing a first reaction vessel with stirring means and atmospheric control means. The reaction vessel is then charged with at least one aromatic hydrocarbon tetraamine containing two pairs of amine substituents at the ortho position of the aromatic ring and a dicarboxyl component consisting of at least one compound having the formula

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112006097689650-PCT00011
Figure 112006097689650-PCT00011

여기서, R' 는 방향족 탄화수소 링, 알킬렌기 및 헤테로시클릭 링을 이루는 군의 2가 유기 라디칼로서, 디카르복실 성분을 구성하는 다양한 분자들에서 같거나 다를 수 있고, Y 는 수소, 아릴 또는 알킬이고, 그의 95% 이하가 수소 또는 페닐이어서 반응 매스를 생성할 수 있다. 그런 다음 10cm 의 Hg 내지 46cm 의 Hg 의 진공을 형성하고, 교반 토크가 점도 증가가 시작되기 전의 토크의 약 1.5 내지 약 6 배가 될 때까지 교반시키면서 실질적으로 산소가 없는 대기에서 반응물을 가열한다. 이 점에서 교반을 종료하는 한편 230℃ 내지 350℃의 온도까지 반응 혼합물을 계속하여 가열시켜 반응 매스를 기포화 될 수 있도록 한다. 반응 매스를 곧이어 으깨어지게 될 부서지기 쉬운 기포화된 매스로 냉각시켜, 분쇄 예비중합체를 수득한다. 교반 수단 및 압력 또는 진공 조절 수단을 구비한 제 2 반응 용기가 제공됨으로써 제 2 단계가 시작되고, 분쇄 예비중합체를 제 2 반응 용기로 이송한다. 분쇄 예비중합체를 315℃ 내지 400℃, 약한 양압에서, 90분 내지 400분 동안 교반시키면서 가열한다. 현재의 통상의 방법은 일반적으로 분쇄 예비중합체가 350℃ 이상으로 가열되어 0.6 dL/g을 초과하는 IV를 수득할 것이 요구된다. 그러나, 플러깅 값은 통상 일관되게 6g/cm2 미만이고, 많은 경우에 3g/cm2 미만으로 떨어지는 경향이 있다. 놀랍게도, 본 발명에서는, 150 마이크론 이상 1000 마이크론 이하의 크기 범위의 모든 입자에 대하여 0.7 dL/g 이상의 평균 고유 점도를 수득하는 것이 가능한데, 분쇄 예비중합체는 330℃ 내지 350℃의 범위까지 가열되고 10 g/cm2 이상의 플러깅 값도 수득할 수 있다. 본 발명에서는 반응 온도를 355-400℃까지 상승시킴으로써, 150 마이크론 이상 1000 마이크론 이하의 크기 범위의 모든 입자에 대하여 1.0 dL/g 이상의 평균 고유 점도를 수득하는 것이 가능하고, 10 이상의 플러깅 값도 수득할 수 있다.Where R 'is a divalent organic radical of the group consisting of an aromatic hydrocarbon ring, an alkylene group and a heterocyclic ring, which may be the same or different in the various molecules constituting the dicarboxyl component, and Y is hydrogen, aryl or alkyl And 95% or less thereof is hydrogen or phenyl to produce a reaction mass. A vacuum of 10 cm Hg to 46 cm Hg is then formed and the reaction is heated in an atmosphere substantially oxygen free with stirring until the stirring torque is about 1.5 to about 6 times the torque before the viscosity increase begins. At this point, stirring is terminated while the reaction mixture is continuously heated to a temperature of 230 ° C. to 350 ° C. so that the reaction mass can be bubbled. The reaction mass is cooled to a brittle bubbled mass that will soon be crushed to obtain a pulverized prepolymer. A second step is initiated by providing a second reaction vessel with agitation means and pressure or vacuum control means and transferring the ground prepolymer to the second reaction vessel. The ground prepolymer is heated at 315 ° C. to 400 ° C., at a slight positive pressure, with stirring for 90 to 400 minutes. Current conventional processes generally require the milled prepolymer to be heated to at least 350 ° C. to obtain an IV exceeding 0.6 dL / g. However, plugging values are typically consistently below 6 g / cm 2 and in many cases tend to fall below 3 g / cm 2 . Surprisingly, in the present invention, it is possible to obtain an average intrinsic viscosity of at least 0.7 dL / g for all particles in the size range of 150 microns to 1000 microns, wherein the ground prepolymer is heated to a range of 330 ° C. to 350 ° C. and is 10 g. Plugging values of / cm 2 or greater can also be obtained. In the present invention, by raising the reaction temperature to 355-400 ° C., it is possible to obtain an average intrinsic viscosity of 1.0 dL / g or more for all particles in the size range of 150 microns to 1000 microns, and also to obtain a plugging value of 10 or more. Can be.

하기 실시예가 본 발명을 더 설명한다. 실시예에 언급된 고유 점도(IV)는 25℃에서 96.5% 농도의 황산 내의 0.4% 용액으로 측정하였고, 96.5% 황산 내의 중합체 5% 용액 또는 2% 리튬 클로라이드를 함유하는 디메틸 아세트아미드 내의 6% 용액을 형성하고, 25℃, 1 대기압에서 겔만(Gelman) 타입 A 글래스 페이퍼 필터를 통해 그 용액을 여과함으로써 플러깅 값(PV, 용해도/여과도 척도, 이어지는 중합체 용액 질과 이어지는 섬유 및 필름 압출 능력 및 질을 정의하기 위한 핵심)을 측정하였다. 무한 시간 동안 단위 면적당 여과된 중합체 용액의 그램 수인 플러깅 값은 평방 센티미터 당 중합체의 그램으로 표시된다. 값이 높을수록 중합체 용액이 겔과 불용성 물질을 덜 함유하고 있음을 나타낸다. 겔은 본 방법에서는 불용성, 변형성, 중합체 유사 입자, 가장 쉽게 분해되거나 가교된 중합체로서 정의된다.The following examples further illustrate the invention. The intrinsic viscosity (IV) mentioned in the examples was determined as a 0.4% solution in sulfuric acid at 96.5% concentration at 25 ° C., and a 5% solution of polymer in 96.5% sulfuric acid or a 6% solution in dimethyl acetamide containing 2% lithium chloride. And the plugging value (PV, solubility / filtration scale, subsequent polymer solution quality followed by fiber and film extrusion capacity and quality by filtering the solution through a Gelman Type A glass paper filter at 25 ° C., 1 atmosphere pressure. The key to defining this is measured. Plugging values, the number of grams of polymer solution filtered per unit area for infinite time, are expressed in grams of polymer per square centimeter. Higher values indicate that the polymer solution contains less gel and insoluble matter. Gels are defined herein as insoluble, deformable, polymer-like particles, polymers that are most readily degraded or crosslinked.

SSP 시험은 제 2 단계 반응 온도 및 시간에서 0.5 - 1.1 dl/g 범위의 PBI 중합체의 제조를 보여주었다. 최종 중합체 생성물 특성-- 색상, PV, "겔" 레벨, 입자 크기 분포, 밀도를 포함--은 단량체 화학양론, 산소에의 노출도, 진공/압력/대기 조건, 교반 속도, 페놀 레벨 및 단량체 순도 (특히 테트라아미노바이페닐(TAB))와 같은 다른 요소들에 의하여 잠재적으로 영향을 받는다.SSP testing showed the preparation of PBI polymer in the range of 0.5-1.1 dl / g at the second stage reaction temperature and time. Final polymer product properties--including color, PV, "gel" level, particle size distribution, and density--are monomer stoichiometry, exposure to oxygen, vacuum / pressure / atmosphere conditions, stirring rate, phenol level, and monomer purity (Potentially by other factors such as tetraaminobiphenyl (TAB)).

선행한 회전형 반응로 벤치-스케일 시험은 SSP 가 제 1 단계 화학양론 (과량의 디페닐 이소프탈레이트(DPIP)을 사용하거나 사용하지 않음), 질소 가스 유동 속도, 온도 (350℃ - 380℃) 및 제 1 단계 예비중합체 입자 크기에 의하여 얼마나 영향을 받는지를 보여주었다. 예비중합체 화학양론, 입자 크기 및 중합 온도 및 시간의 적절한 선택으로, 예정된 IV를 갖는, 겔이 없는 중합체(gel-free polymer)를 제조할수 있음이 증명되었다. The preceding rotary reactor bench-scale test showed that the SSP had a first stage stoichiometry (with or without excess diphenyl isophthalate (DPIP)), nitrogen gas flow rate, temperature (350 ° C.-380 ° C.) and It was shown how affected by the first stage prepolymer particle size. With the appropriate choice of prepolymer stoichiometry, particle size and polymerization temperature and time, it has been demonstrated that gel-free polymers can be produced with a predetermined IV.

제 1 단계 원료를 통상의 방법 즉, DPIP 단량체를 0.6% 몰 과량으로 사용하는 방법을 이용하여 제조할 수 있다. 과량의 DPIP는 자유 TAB 에 대한 잠재성을 감소시키고, DPIP는 자유 페놀로 반응기를 잠재적으로 증류할 수 있다. 반응기 교반으로, 중합체 입자는 감소하고, 생성물의 균질도는 증가하며, IV 성장은 입자 크기에 좌우될 것으로 예상된다. 더 작은 크기의 입자가 제 2 단계에서 만큼 많이 생성되지는 않지만(<300 마이크론 입자 크기 범위에 대한 입자 크기 분포 데이타에 따른 IV를 보라), 예비중합체의 분쇄 (핀밀링과 같은 것)는 열 전이 및 특히 100 메쉬 생성물 (<150 마이크론)에 대한 입자 크기 조절을 더욱 촉진하지만, 고 IV 생성물에 대하여서는 그렇지 않을 것으로 예상된다. 더 작은 입자가 더 좋고/많은 균질한 열 전이를 제공하지만, 감소된 표면적이 페놀과 물의 제거를 더 어렵게 만들고 이어서 IV 성장을 감소시키는 것이 분명하다. 낮은 IV, 더 큰 크기를 갖는 입자는 불량한 열 전이로부터 비롯될 수 있다. IV는 개별 입자의 IV 및 크기에 따라, 열 이력을 갖는 다양한 몰 중량 종으로의 중합을 명백하게 앞당기는 것으로 보인다. 더 높은 온도에서 반응 시간이 오래 걸릴수록 IV가 증가하지만, PV를 조절하지 않고 궁극적으로 감소시킬 것이다.The first stage raw material can be prepared using conventional methods, ie using 0.6% molar excess of DPIP monomer. Excess DPIP reduces the potential for free TAB, and DPIP can potentially distill the reactor with free phenol. With reactor agitation, polymer particles are expected to decrease, homogeneity of the product is increased, and IV growth is expected to depend on particle size. Although smaller size particles are not produced as much as in the second stage (see IV according to particle size distribution data for <300 micron particle size range), grinding of the prepolymer (such as pin milling) is a thermal transition. And particularly promote particle size control for 100 mesh products (<150 microns), but not for high IV products. Although smaller particles provide better / more homogeneous heat transfer, it is clear that the reduced surface area makes the removal of phenol and water more difficult and then reduces IV growth. Particles with low IV, larger size can result from poor thermal transitions. IV appears to significantly advance polymerization to various molar weight species with thermal history, depending on the IV and size of the individual particles. The longer the reaction time at higher temperature, the IV increases, but will ultimately decrease without controlling the PV.

높은 IV 연료 전지 등급 중합체에 대하여, 비 LiCl 용액화(non-LiCl solutioning)는 1.1 IV 최소한도에서 작은 입자 크기 즉, <500 마이크론에 있어서 더 쉽게 될 것이다. 또한, IV (>1.2)가 높을수록, 제조되고 숙성되면서, 생성된 필름의 기계적 안정성이 향상된다. 목적하는 IV 및 입자 크기는 PSD 데이타에 따른 IV에 기초하여 분리되고/걸러지고, 최종 생성물이 목적하는 목표 IV 및 입자 크기, 또는 범위로 제조될 수 있다.For high IV fuel cell grade polymers, non-LiCl solution will be easier for small particle size, i.e. <500 microns, at a 1.1 IV minimum. In addition, the higher the IV (> 1.2), the better the mechanical stability of the resulting film is produced and aged. The desired IV and particle size can be separated and filtered based on the IV according to the PSD data, and the final product can be made to the desired target IV and particle size, or range.

다른 비일상적인 중합체 특성화 및 품질 테스트가 시중의 제품과의 직접 비교를 위하여 하기를 포함하였다.Other unusual polymer characterization and quality tests included the following for direct comparison with commercial products.

겔 레벨은 마개 달린 병 내의 97% 황산 내의 0.4%(w/v) 중합체 용액을 준비하고, 실온에서 48시간 동안 교반함으로써 측정되었다. 용액을 소성 유리 도가니 (ASTM 타입 10-15 마이크론)을 통해서 여과하였다. 불용성 부분을 암모니아 용액 및 이어서 물로 세척하고 140℃에서 8시간 동안 진공에서 건조하였다; 겔 함량을 중량측정법으로 측정하였다. 무시할 정도의 겔 레벨은 무시할 정도의 불용성 물질이 있음과 우수한 용액 품질을 나타내는 것이다.Gel levels were measured by preparing a 0.4% (w / v) polymer solution in 97% sulfuric acid in a stoppered bottle and stirring for 48 hours at room temperature. The solution was filtered through a calcined glass crucible (ASTM type 10-15 microns). The insoluble portion was washed with ammonia solution and then water and dried in vacuo at 140 ° C. for 8 hours; Gel content was determined by gravimetry. Negligible gel levels indicate negligible insoluble matter and good solution quality.

파르(Parr) 반응기에 시료 5mg과 디메틸 아세트아미드(DMAc) 내의 0.05N 리튬 클로라이드(LiCl) 20ml를 충전시켜 겔 투과 크로마토그래피 (GPC) 분석용 중합체 시료를 준비하였다. 반응기를 꽉 잠근 후에, 오일 베쓰에 놓고 온도를 180℃에서 12시간 동안 유지시켰다. 용액을 0.2 마이크론 주사기 필터를 통해 여과하고, GPC 칼럼 (PSS 폴리올레핀 선형 XL) 상에 100 마이크로리터 분취액(aliquot)을 주사한다. DMAc 용리액 내의 0.05N LiCl, 1ml/분 유동 속도, 65℃, 4.7 MPa 압력, 굴절율 인덱스 검출, PMMA(폴리메틸 메타크릴레이트)에 대한 넓은 분자량분포(MWD) 중합체 표준을 이용하여 GPC 분리를 수행한다. 본 방법의 실시예에 예시된 SSP 시험 생성물의 좁은 MWD (목표 <3.0 다분산도)는 향상된 압출/방적 성능을 목표로 하는 좁은 분자량 (MW/IV) 및 압출 필름 및 멤브레인에 대하여 요구되는 기계적 성질과 직접적으로 일치하였다.A polymer sample for gel permeation chromatography (GPC) analysis was prepared by filling a Parr reactor with 5 mg of sample and 20 ml of 0.05N lithium chloride (LiCl) in dimethyl acetamide (DMAc). After the reactor was tightly locked, it was placed in an oil bath and the temperature was maintained at 180 ° C. for 12 hours. The solution is filtered through a 0.2 micron syringe filter and 100 microliters aliquots are injected onto a GPC column (PSS polyolefin linear XL). GPC separations are performed using 0.05N LiCl, 1 ml / min flow rate, 65 ° C., 4.7 MPa pressure, refractive index index detection, broad molecular weight distribution (MWD) polymer standard for PMMA (polymethyl methacrylate) in DMAc eluent. . The narrow MWD (target <3.0 polydispersity) of the SSP test product exemplified in the examples of the method is characterized by the narrow molecular weight (MW / IV) and the mechanical properties required for the extruded film and membrane aimed at improved extrusion / spinning performance. Directly corresponded to

3-4 mg으로 측정된 시료를 유리 반응 병에 넣고 96% 중수소화 황산 1ml을 첨가함으로써 핵자기공명(NMR)을 위한 중합체 용액을 준비하였다. 뚜껑을 덮은 유리병을 실온에서 2일 동안 흔들어 완전한 용액을 만들었다. 베리언 유나이티(Varian Unity) 300 스펙트로미터를 이용하여 양성자 NMR 스펙트럼 스캔을 수득하였다.A sample, measured at 3-4 mg, was placed in a glass reaction bottle to prepare a polymer solution for nuclear magnetic resonance (NMR) by adding 1 ml of 96% deuterated sulfuric acid. The capped vial was shaken for 2 days at room temperature to form a complete solution. Proton NMR spectral scans were obtained using a Varian Unity 300 spectrometer.

테스트 결과는 보통의 시중 제품에 전형적인 것이거나 더 우수한 것으로 밝혀졌다.Test results have been found to be typical or better for ordinary commercial products.

비교 테스트용 대조 시료Control Samples for Comparative Test

대조 시료를 통상의 방법으로 제조된 3 배처(batchers)로부터 구하였다. 이러한 배치(batches)는 시험 데이타를 보통의 통상의 생성물과 비교하기 위하여 0.74 내지 1.10의 IV 범위를 포함하도록 선택되었다. 그러나, 이 IV 범위에서 이러한 통상의 배치를 생성하기 위해서는 현재의 생성이 더 높은 IV 범위에 대하여 더 긴 반응 시간으로 더 높은 온도에서 이루어져야 하였다. 이 시료들은 보통의 통상 생성 시료이고, 따라서 100 메쉬 입자 (<150 마이크론)를 제거하기 위하여 체에 걸러져야 하는 중합체를 나타낸다: 배치 1-120/2-119-02PM, 1-121-02 및 2-112-02 는 대조 A, 대조 B 및 대조 C로서 표에 표시되어 있다.Control samples were obtained from three batchers prepared by conventional methods. These batches were chosen to include an IV range of 0.74 to 1.10 to compare the test data with normal conventional products. However, in order to produce this conventional batch in this IV range, the current production had to be made at higher temperatures with longer reaction times for the higher IV range. These samples are common commercially produced samples and therefore represent polymers that must be sieved to remove 100 mesh particles (<150 microns): batches 1-120 / 2-119-02PM, 1-121-02 and 2 -112-02 is indicated in the table as Control A, Control B and Control C.

배치 137-02로부터의 제 1 단계 중합체를 현재 시중의 반응 용기를 사용하고 보통의 제 1 단계 방법을 이용하여 제조하였다. 생성물을 으깨고 난 후, 용기를 75분의 정지 시간 동안 290℃까지 승온시켰다. 용기를 냉각시키고, 제 2 단계를 위하여 반응기로부터 중합체를 수거하였다. 290℃에서의 90분 정지 시간이라는 것을 제외하고는 유사하게 배치 138-02로부터 제 1 단계를 준비하였다. "정지"시간은 페놀 축합물의 제거를 촉진시키면서 중합체 반응물에 부정적인 영향을 주지 않도록 하기 위하여, 전형적인 제 1 단계 반응 후에, 반응 순서상 일찍 추가된 공정 시간이다. 전형적인 이어지는 제 2 단계 반응에 공정 시간이 추가되었고, 더 높은 온도에서 가교가 촉진될 수 있었으며, 이에 따라 IV 또는 몰 중량의 성장이 방해를 받았다. 중합체 용해도 및 여과 품질은 더 이른 "정지 시간" 또는 단일 단계 방법을 통하여 긍정적인 영향을 받게 된다.The first stage polymer from batch 137-02 was prepared using current commercial reaction vessels and using the normal first stage method. After crushing the product, the vessel was warmed to 290 ° C. for a 75 minute down time. The vessel was cooled and the polymer was collected from the reactor for the second step. A first step was similarly prepared from batch 138-02 except that it was a 90 minute dwell time at 290 ° C. The "stop" time is the process time added earlier in the reaction sequence after a typical first stage reaction, in order to promote removal of the phenol condensate and not adversely affect the polymer reactants. Process time was added to a typical subsequent second stage reaction, and crosslinking could be promoted at higher temperatures, thus inhibiting growth of IV or molar weights. Polymer solubility and filtration quality are positively influenced through earlier "stop time" or single step methods.

시험 시료Test sample

실시예 J1: LIST CRP-10 배치에 충전된 배치 1-093-02로부터 13.34lbs., 트윈 샤프트, 209℃의 용기; 16 mbar g의 용기 압력; 16 rpm 으로 교반; 표준 온도 (0℃) 및 압력 (1 atm)에서의 3 SCFH (시간당 표준 입방 피트), 또는 1.42 SLPM (분당 표준 리터)의 N2 유동; 137℃/hr로 325℃ 목표까지 승온; 320℃ 에서부터 측정한 총 중합 시간 240분; 그런 다음 시료를 취함. Example J1: 13.34 lbs., Twin shaft, 209 ° C. vessel from batch 1-093-02 filled in a LIST CRP-10 batch; Vessel pressure of 16 mbar g; Stirring at 16 rpm; N 2 flow of 3 SCFH (standard cubic feet per hour), or 1.42 SLPM (standard liters per minute) at standard temperature (0 ° C.) and pressure (1 atm); Elevated temperature to 325 ° C. target at 137 ° C./hr; Total polymerization time of 240 minutes measured from 320 ° C .; Then take a sample.

실시예 J2: 주위 온도에서 충전된 1-093-02로부터 9.99 lbs. (센터컷, 즉, > 50 메쉬 또는 > 300 마이크론 입자 크기); 전술한 바와 동일한 교반, N2 유동 및 압력; 172℃/hr로 343℃ 목표까지 승온; 330℃에서부터 측정한 총 중합 시간 240분; 전술한 바와 동일하게 시료를 취함.Example J2: 9.99 lbs from 1-093-02 charged at ambient temperature. (Centercut, ie> 50 mesh or> 300 micron particle size); Same agitation, N 2 flow and pressure as described above; Warming up to a target of 343 ° C. at 172 ° C./hr; Total polymerization time of 240 minutes, measured from 330 ° C .; Take a sample as described above.

실시예 J3: 주위 온도에서 용기에 충전된 배치 1-093-02로부터 9.99 lbs.; 전술한 바와 동일한 교반, N2 유동 및 압력; 83℃/hr로 343℃ 목표까지 승온 (히터의 고장으로 인하여, 생성물을 130℃에서 40분간 유지함); 330℃에서부터 측정한 총 중합 시간 300분; 시료를 취함.Example J3: 9.99 lbs. From batch 1-093-02 filled in the vessel at ambient temperature; Same agitation, N 2 flow and pressure as described above; Raise the temperature to 343 ° C. target at 83 ° C./hr (due to failure of the heater, keep the product at 130 ° C. for 40 minutes); Total polymerization time of 300 minutes, measured from 330 ° C .; Take a sample.

실시예 O1: LIST 6.3에 충전된 배치 1-137-02로부터 5.7 lbs., 단일 샤프트, 200℃의 용기; 2 인치 H2O 양압 (5.1 cms H2O 양압); 20 rpm 으로 교반; 표준 온도 (0℃) 및 압력 (1 atm)에서의 3 SCFH (시간당 표준 입방 피트) 또는 1.42 SLPM (분 당 표준 리터) N2 유동; 141℃/hr로 328℃ 목표까지 승온; 312℃에서부터 측정한 총 중합 시간 255분; 그런 다음 시료를 취함.Example O1: 5.7 lbs. From batch 1-137-02 filled in LIST 6.3, single shaft, vessel at 200 ° C .; 2 inches H 2 O positive pressure (5.1 cms H 2 O positive pressure); Stirring at 20 rpm; 3 SCFH (standard cubic feet per hour) or 1.42 SLPM (standard liters per minute) N 2 flow at standard temperature (0 ° C.) and pressure (1 atm); Elevated temperature to 328 ° C target at 141 ° C / hr; Total polymerization time measured from 312 ° C. 255 minutes; Then take a sample.

실시예 02: 주위 온도에서 용기에 충전된 배치 1-138-02로부터 5.7 lbs.; 2 인치 H2O 양압 (5.1 cms H2O 양압); 20 rpm 으로 교반; 표준 온도 (0℃) 및 압력 (1 atm)에서의 3 SCFH (시간당 표준 입방 피트) 또는 1.42 SLPM (분당 표준 리터) 에서의 N2 유동; 122℃/hr로 328℃ 목표까지 승온; 312℃에서부터 측정한 총 중합 시간 300분; 그런 다음 시료를 취함.Example 02: 5.7 lbs. From batch 1-138-02 filled in vessel at ambient temperature; 2 inches H 2 O positive pressure (5.1 cms H 2 O positive pressure); Stirring at 20 rpm; N 2 flow at 3 SCFH (standard cubic feet per hour) or 1.42 SLPM (standard liters per minute) at standard temperature (0 ° C.) and pressure (1 atm); Raise the temperature to 122 ° C./hr to the 328 ° C. target; Total polymerization time of 300 minutes, measured from 312 ° C .; Then take a sample.

실시예 03: 주위 온도에서 용기에 충전된 배치 1-137-02로부터 5.7 lbs.; 전술한 바와 동일한 교반, 압력 및 N2 유동 조건; 132℃/hr로 338℃ 목표까지 승온; 323℃에서부터 측정한 총 중합 시간 300분; 그런 다음 시료를 취함.Example 03: 5.7 lbs. From batch 1-137-02 filled to vessel at ambient temperature; Same agitation, pressure and N 2 flow conditions as described above; Elevated temperature to 338 ° C. target at 132 ° C./hr; Total polymerization time of 300 minutes, measured from 323 ° C .; Then take a sample.

실시예 04: 주위 온도에서 용기에 충전된 배치 1-138-02로부터 5.7 lbs.; 전술한 바와 동일한 교반, 압력 및 N2 유동 조건; 149℃/hr로 338℃ 목표까지 승온; 323℃에서부터 측정한 총 중합 시간 300분; 그런 다음 시료를 취함.Example 04: 5.7 lbs. From batch 1-138-02 filled to vessel at ambient temperature; Same agitation, pressure and N 2 flow conditions as described above; Elevated temperature to 338 ° C. target at 149 ° C./hr; Total polymerization time of 300 minutes, measured from 323 ° C .; Then take a sample.

대조 시료와 실시예 모두에 대하여 최종 중합체 생성물의 하기의 특성을 체크하였다: IV (및 입자 크기 분포에 따른 IV), PV (플러깅 값, 또는 여과 성능), L 색상, 겔 레벨, 및 GPC (겔 투과 크로마토그래피)에 의한 몰 중량 분포 및 NMR (핵자기 공명) 스펙트로스코피. The following properties of the final polymer product were checked for both the control sample and the examples: IV (and IV according to particle size distribution), PV (plugging value, or filtration performance), L color, gel level, and GPC (gel Molar weight distribution) and NMR (nuclear magnetic resonance) spectroscopy by permeation chromatography.

겔은 본 방법에서는 불용성, 변형성, 중합체 유사 입자, 가장 쉽게 분해되거 나 가교된 중합체로서 정의된다. PV 는 용해도/여과도의 척도이고, 용액 질과 이어지는 섬유 압출 능력 및 질을 정의하기 위한 핵심이다. "L" 색상은 색상 스케일상의 백도(whiteness)에 대한 색상 레벨을 지칭하며, 값이 높을수록 밝은 색상으로 보인다. NMR, 또는 핵 자기 공명은 생성물의 분자 구조를 관측하기에 유효하다. 중합체 시료 및 생성물을 이러한 여러 방법으로 테스트하여 생성된 중합체의 화학적 및 물리적 성질을 추가로 특징짓고, 생성물을 폴리벤즈이미다졸로서 특징지었다. Gels are defined herein as insoluble, deformable, polymer-like particles, polymers that are most readily degraded or crosslinked. PV is a measure of solubility / filtration and is key to defining solution quality and subsequent fiber extrusion capacity and quality. "L" color refers to the color level for whiteness on the color scale, the higher the value, the lighter the color appears. NMR, or nuclear magnetic resonance, is effective for observing the molecular structure of the product. Polymer samples and products were tested in several of these ways to further characterize the chemical and physical properties of the resulting polymers, and the product was characterized as polybenzimidazole.

IV (및 입자 크기 분포, PSD에 따른 IV) 및 PV는 하기에 제공된다. L 색상, 겔 레벨, 및 GPC (겔 투과 크로마토그래피)에 의한 몰 중량 분포 및 NMR (핵자기 공명) 스펙트로스코피는, 특별히 언급되지 않은 한 현재 표준에 의하여 수용가능한 것으로 판단되는 것으로 간주된다.IV (and particle size distribution, IV according to PSD) and PV are provided below. L color, gel level, and molar weight distribution by GPC (gel permeation chromatography) and NMR (nuclear magnetic resonance) spectroscopy are considered to be acceptable by the current standard unless otherwise noted.

Figure 112006097689650-PCT00012
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Figure 112006097689650-PCT00013
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Figure 112006097689650-PCT00014
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Claims (20)

제 1 단계 및 제 2 단계에서 고분자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하기 위한 2 단계 용융 중합 방법으로서,A two-step melt polymerization process for producing high molecular weight polybenzimidazole in the first and second steps, 상기 제 1 단계는, The first step is, 교반 수단 및 대기 조절 수단을 갖는 제 1 반응 용기를 제공하는 단계;Providing a first reaction vessel having agitation means and atmospheric control means; 방향족 링의 오르토 위치에 2쌍의 아민 치환기를 함유하는 하나 이상의 방향족 탄화수소 테트라아민 및 하기 화학식 1을 갖는 하나 이상의 화합물을 이루는 디카르복실 성분으로 상기 반응 용기를 충전하는 단계Filling said reaction vessel with at least one aromatic hydrocarbon tetraamine containing two pairs of amine substituents at the ortho position of the aromatic ring and a dicarboxyl component comprising at least one compound having the formula [화학식 1][Formula 1]
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(여기서, R' 는 방향족 탄화수소 링, 알킬렌기 및 헤테로시클릭 링을 이루는 군의 2가 유기 라디칼로서, 디카르복실 성분을 구성하는 다양한 분자들에서 같거나 다를 수 있고, Y 는 수소, 아릴 또는 알킬일 수 있고, Y 의 95% 이하가 수소 또는 페닐이어서 반응 매스를 생성한다.);Wherein R 'is a divalent organic radical of the group consisting of an aromatic hydrocarbon ring, an alkylene group and a heterocyclic ring, which may be the same or different in the various molecules making up the dicarboxyl component, and Y is hydrogen, aryl or Alkyl, and up to 95% of Y is hydrogen or phenyl to produce a reaction mass); 교반기 토크가 점도 증가가 시작되기 전 토크의 약 1.5 배 내지 약 6배가 될 때까지 교반하면서, 교반 중인 상기 반응물을 실질적으로 산소가 없는 대기에서 가열하는 단계;Heating the reactant under stirring in an atmosphere substantially oxygen free while stirring until the stirrer torque is about 1.5 to about 6 times the torque before the viscosity increase begins; 교반을 종료하는 한편 230℃ 내지 350℃의 온도까지 반응 혼합물을 계속하여 가열시켜 상기 반응 매스를 기포가 될 수 있도록 하는 단계;Continuing the heating of the reaction mixture to a temperature of 230 ° C. to 350 ° C. while ending the stirring to allow the reaction mass to bubble; 상기 반응 매스를 부서지기 쉬운 기포화된 매스로 냉각시키는 단계; 및Cooling the reaction mass to a brittle bubbled mass; And 상기 부서지기 쉬운 기포화된 매스를 으깨어 분쇄 예비중합체를 수득하는 단계를 포함하고, Crushing the brittle bubbled mass to obtain a pulverized prepolymer, 상기 제 2단계는,The second step, 교반 수단 및 압력 또는 진공 조절 수단을 갖는, 고 강도 반응 용기인 제 2 반응 용기를 제공하는 단계;Providing a second reaction vessel, which is a high strength reaction vessel, having a stirring means and a pressure or vacuum control means; 상기 분쇄 예비중합체를 상기 제 2 반응 용기로 이송하는 단계; 및Transferring the ground prepolymer to the second reaction vessel; And 상기 분쇄 예비중합체를 대기압에서 90분 내지 400분 동안 315℃ 내지 400℃까지 교반하면서 가열하는 단계를 포함하는, Heating the ground prepolymer with stirring at 315 ° C. to 400 ° C. for 90 to 400 minutes at atmospheric pressure, 고분자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하기 위한 2 단계 용융 중합 방법.A two stage melt polymerization process for producing high molecular weight polybenzimidazoles.
제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 제 2 단계에서 가열 및 교반 단계는 약한 양압에서 수행되는, 고분자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하기 위한 2 단계 용융 중합 방법.The two-step melt polymerization process for producing high molecular weight polybenzimidazole, wherein the heating and stirring step in the second step is carried out at a weak positive pressure. 제 2 항에 있어서, The method of claim 2, 제 2 단계에서 상기 약한 양압은 2 mbar 내지 30 mbar에 상당하는, 고분자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하기 위한 2 단계 용융 중합 방법.And wherein said weak positive pressure in said second stage corresponds to between 2 mbar and 30 mbar. 제 2 항에 있어서, The method of claim 2, 제 2 단계에서 상기 약한 양압은 0.25 인치의 H2O 내지 5 인치의 H2O, 또는 0.63 cm 의 H2O 내지 13 cm의 H2O 에 상당하는, 고분자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하기 위한 2 단계 용융 중합 방법.The weak positive pressure in the second step is for producing high molecular weight polybenzimidazoles, corresponding to 0.25 inches of H 2 O to 5 inches of H 2 O, or 0.63 cm of H 2 O to 13 cm of H 2 O. Two stage melt polymerization method. 제 2 항에 있어서, The method of claim 2, 제 2 단계에서 상기 가열은 200분 내지 320분 동안 수행되는, 고분자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하기 위한 2 단계 용융 중합 방법.The second step melt polymerization method for producing a high molecular weight polybenzimidazole, wherein the heating in the second step is carried out for 200 to 320 minutes. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 제 2 단계에서 상기 분쇄 예비중합체를 220분 내지 330분 동안 약한 양압에서 330℃ 내지 350℃까지 교반하면서 가열하여, 150 마이크론 이상 1000 마이크론 이하의 크기 범위의 모든 입자에 대하여 0.7 dL/g 이상의 평균 고유 점도를 갖는 고분자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하는, 고분자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하기 위한 2 단계 용융 중합 방법.In the second step, the milled prepolymer was heated with stirring from 330 ° C. to 350 ° C. at a slight positive pressure for 220 to 330 minutes, with an average intrinsic of at least 0.7 dL / g for all particles ranging in size from 150 microns to 1000 microns A two-step melt polymerization process for producing high molecular weight polybenzimidazole, which produces a high molecular weight polybenzimidazole having a viscosity. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 고분자량 폴리벤즈이미다졸은 10 g/cm2 이상의 플러깅 값을 갖는, 고분 자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하기 위한 2 단계 용융 중합 방법.Wherein said high molecular weight polybenzimidazole has a plugging value of 10 g / cm 2 or more, and a two-step melt polymerization method for producing high molecular weight polybenzimidazole. 제 1 단계 및 제 2 단계에서 고분자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하기 위한 2 단계 용융 중합 방법으로서,A two-step melt polymerization process for producing high molecular weight polybenzimidazole in the first and second steps, 상기 제 1 단계는, The first step is, 교반 수단 및 대기 조절 수단을 갖는 제 1 반응 용기를 제공하는 단계;Providing a first reaction vessel having agitation means and atmospheric control means; 방향족 링의 오르토 위치에 2쌍의 아민 치환기를 함유하는 하나 이상의 방향족 탄화수소 테트라아민 및 하기 화학식 1을 갖는 하나 이상의 화합물을 이루는 디카르복실 성분으로 상기 반응 용기를 충전하는 단계Filling said reaction vessel with at least one aromatic hydrocarbon tetraamine containing two pairs of amine substituents at the ortho position of the aromatic ring and a dicarboxyl component comprising at least one compound having the formula [화학식 1][Formula 1]
Figure 112006097689650-PCT00016
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(여기서, R' 는 방향족 탄화수소 링, 알킬렌기 및 헤테로시클릭 링을 이루는 군의 2가 유기 라디칼로서, 디카르복실 성분을 구성하는 다양한 분자들에서 같거나 다를 수 있고, Y 는 수소, 아릴 또는 알킬일 수 있고, Y 의 95% 이하가 수소 또는 페닐이어서 반응 매스를 생성한다.);Wherein R 'is a divalent organic radical of the group consisting of an aromatic hydrocarbon ring, an alkylene group and a heterocyclic ring, which may be the same or different in the various molecules making up the dicarboxyl component, and Y is hydrogen, aryl or Alkyl, and up to 95% of Y is hydrogen or phenyl to produce a reaction mass); 10cm 의 Hg 내지 46cm 의 Hg 의 진공을 형성하는 단계;Forming a vacuum of 10 cm Hg to 46 cm Hg; 교반기 토크가 점도 증가가 시작되기 전 토크의 약 1.5 배 내지 약 6배가 될 때까지 교반하면서, 교반 중인 상기 반응물을 실질적으로 산소가 없는 대기에서 가 열하는 단계;Heating the reactant under stirring in an atmosphere substantially oxygen free with stirring until the stirrer torque is about 1.5 times to about 6 times the torque before the viscosity increase begins; 교반을 종료하는 한편 230℃ 내지 350℃의 온도까지 반응 혼합물을 계속하여 가열시켜 상기 반응 매스를 기포가 될 수 있도록 하는 단계;Continuing the heating of the reaction mixture to a temperature of 230 ° C. to 350 ° C. while ending the stirring to allow the reaction mass to bubble; 상기 반응 매스를 부서지기 쉬운 기포화된 매스로 냉각시키는 단계; 및Cooling the reaction mass to a brittle bubbled mass; And 상기 부서지기 쉬운 기포화된 매스를 으깨어 분쇄 예비중합체를 수득하는 단계를 포함하고, Crushing the brittle bubbled mass to obtain a pulverized prepolymer, 상기 제 2단계는,The second step, 교반 수단 및 압력 또는 진공 조절 수단을 갖는 반응 용기를 제공하는 단계;Providing a reaction vessel having a stirring means and a pressure or vacuum control means; 상기 분쇄 예비중합체를 상기 반응 용기로 이송하는 단계; 및Transferring the ground prepolymer to the reaction vessel; And 상기 분쇄 예비중합체를 약한 양압에서 90분 내지 400분 동안 315℃ 내지 400℃까지 교반하면서 가열하는 단계를 포함하는, Heating the ground prepolymer with stirring at low positive pressure for 90 minutes to 400 minutes to 315 ° C to 400 ° C, 고분자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하기 위한 2 단계 용융 중합 방법.A two stage melt polymerization process for producing high molecular weight polybenzimidazoles.
제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 제 2 단계에서 상기 약한 양압은 2 mbar 내지 30 mbar에 상당하는, 고분자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하기 위한 2 단계 용융 중합 방법.And wherein said weak positive pressure in said second stage corresponds to between 2 mbar and 30 mbar. 제 8 항에 있어서, The method of claim 8, 제 2 단계에서 상기 약한 양압은 0.25 인치의 H2O 내지 5 인치의 H2O, 또는 0.63 cm 의 H2O 내지 13 cm의 H2O 에 상당하는, 고분자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하기 위한 2 단계 용융 중합 방법.The weak positive pressure in the second step is for producing high molecular weight polybenzimidazoles, corresponding to 0.25 inches of H 2 O to 5 inches of H 2 O, or 0.63 cm of H 2 O to 13 cm of H 2 O. Two stage melt polymerization method. 제 8 항에 있어서, The method of claim 8, 제 2 단계에서 상기 가열은 200분 내지 320분 동안 수행되는, 고분자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하기 위한 2 단계 용융 중합 방법.The second step melt polymerization method for producing a high molecular weight polybenzimidazole, wherein the heating in the second step is carried out for 200 to 320 minutes. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 제 2 단계에서 상기 분쇄 예비중합체를 220분 내지 330분 동안 약한 양압에서 330℃ 내지 350℃까지 교반하면서 가열하여, 150 마이크론 이상 1000 마이크론 이하의 크기 범위의 모든 입자에 대하여 0.7 dL/g 이상의 평균 고유 점도를 갖는 고분자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하는, 고분자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하기 위한 2 단계 용융 중합 방법.In the second step, the milled prepolymer was heated with stirring from 330 ° C. to 350 ° C. at a slight positive pressure for 220 to 330 minutes, with an average intrinsic of at least 0.7 dL / g for all particles ranging in size from 150 microns to 1000 microns A two-step melt polymerization process for producing high molecular weight polybenzimidazole, which produces a high molecular weight polybenzimidazole having a viscosity. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 고분자량 폴리벤즈이미다졸은 10 g/cm2 이상의 플러깅 값을 갖는, 고분자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하기 위한 2 단계 용융 중합 방법.The high molecular weight polybenzimidazole has a plugging value of 10 g / cm 2 or more, a two-step melt polymerization method for producing a high molecular weight polybenzimidazole. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 제 2 단계에서 상기 분쇄 예비중합체를 200분 내지 360분 동안 약한 양압에서 355℃ 내지 400℃까지 교반하면서 가열하여, 150 마이크론 이상 1000 마이크론 이하의 크기 범위의 모든 입자에 대하여 1.0 dL/g 이상의 평균 고유 점도를 갖는 고분자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하는, 고분자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하기 위한 2 단계 용융 중합 방법.In the second step, the milled prepolymer was heated with stirring from 355 ° C. to 400 ° C. at a weak positive pressure for 200 to 360 minutes, with an average intrinsic value of at least 1.0 dL / g for all particles ranging in size from 150 microns to 1000 microns. A two-step melt polymerization process for producing high molecular weight polybenzimidazole, which produces a high molecular weight polybenzimidazole having a viscosity. 제 14 항에 있어서,The method of claim 14, 상기 고분자량 폴리벤즈이미다졸은 10 g/cm2 이상의 플러깅 값을 갖는, 고분자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하기 위한 2 단계 용융 중합 방법.The high molecular weight polybenzimidazole has a plugging value of 10 g / cm 2 or more, a two-step melt polymerization method for producing a high molecular weight polybenzimidazole. 제 1 단계 및 제 2 단계에서 고분자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하기 위한 2 단계 용융 중합 방법으로서,A two-step melt polymerization process for producing high molecular weight polybenzimidazole in the first and second steps, 상기 제 1 단계는, The first step is, 교반 수단 및 대기 조절 수단을 갖는 제 1 반응 용기를 제공하는 단계;Providing a first reaction vessel having agitation means and atmospheric control means; 방향족 링의 오르토 위치에 2쌍의 아민 치환기를 함유하는 하나 이상의 방향족 탄화수소 테트라아민 및 하기 화학식 1을 갖는 하나 이상의 화합물을 이루는 디카르복실 성분으로 상기 반응 용기를 충전하는 단계Filling said reaction vessel with at least one aromatic hydrocarbon tetraamine containing two pairs of amine substituents at the ortho position of the aromatic ring and a dicarboxyl component comprising at least one compound having the formula [화학식 1][Formula 1]
Figure 112006097689650-PCT00017
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(여기서, R' 는 방향족 탄화수소 링, 알킬렌기 및 헤테로시클릭 링을 이루는 군의 2가 유기 라디칼로서, 디카르복실 성분을 구성하는 다양한 분자들에서 같거나 다를 수 있고, Y 는 수소, 아릴 또는 알킬일 수 있고, Y 의 95% 이하가 수소 또는 페닐이어서 반응 매스를 생성한다.);Wherein R 'is a divalent organic radical of the group consisting of an aromatic hydrocarbon ring, an alkylene group and a heterocyclic ring, which may be the same or different in the various molecules making up the dicarboxyl component, and Y is hydrogen, aryl or Alkyl, and up to 95% of Y is hydrogen or phenyl to produce a reaction mass); 10cm 의 Hg 내지 46cm 의 Hg 의 진공을 형성하는 단계;Forming a vacuum of 10 cm Hg to 46 cm Hg; 교반기 토크가 점도 증가가 시작되기 전 토크의 약 1.5 배 내지 약 6배가 될 때까지 교반하면서, 교반 중인 상기 반응물을 실질적으로 산소가 없는 대기에서 가열하는 단계 (여기서, 상기 실질적으로 산소가 없는 대기는 20 ppm 미만의 산소를 함유하고, 0.6 SLPM 내지 4.6 SLPM의 N2 유동을 포함한다);Heating the reactant under stirring in a substantially oxygen free atmosphere while stirring until the stirrer torque is between about 1.5 and about 6 times the torque before the viscosity increase begins (wherein the substantially oxygen free atmosphere is Contains less than 20 ppm oxygen and includes an N 2 flow of 0.6 SLPM to 4.6 SLPM); 교반을 종료하는 한편 250℃ 내지 380℃의 온도까지 반응 혼합물을 계속하여 가열시켜 상기 반응 매스를 기포가 될 수 있도록 하는 단계;Continuing to heat the reaction mixture to a temperature of 250 ° C. to 380 ° C. while ending the agitation, allowing the reaction mass to bubble; 상기 반응 매스를 35℃ 내지 15℃까지 부서지기 쉬운 기포화된 매스로 냉각시키는 단계; 및Cooling the reaction mass to a brittle bubbled mass up to 35 ° C. to 15 ° C .; And 상기 부서지기 쉬운 기포화된 매스를 으깨어 분쇄 예비중합체를 수득하는 단계를 포함하고, Crushing the brittle bubbled mass to obtain a pulverized prepolymer, 상기 제 2단계는,The second step, 교반 수단 및 압력 또는 진공 조절 수단을 갖는 반응 용기를 제공하는 단계;Providing a reaction vessel having a stirring means and a pressure or vacuum control means; 상기 분쇄 예비중합체를 상기 반응 용기로 이송하는 단계; 및Transferring the ground prepolymer to the reaction vessel; And 상기 분쇄 예비중합체를 약한 양압에서 200분 내지 360분 동안 330℃ 내지 350℃까지 교반하면서 가열하는 단계; 및Heating the milled prepolymer with stirring at a weak positive pressure for 200 minutes to 360 minutes at 330 ° C. to 350 ° C .; And 150 마이크론 이상 1000 마이크론 이하의 크기 범위의 모든 입자에 대하여 0.7 dL/g 이상의 평균 고유 점도 및 10 g/cm2 이상의 플러깅 값을 갖는 고분자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하는 단계를 포함하는,Producing a high molecular weight polybenzimidazole having an average intrinsic viscosity of at least 0.7 dL / g and a plugging value of at least 10 g / cm 2 for all particles in a size range of at least 150 microns and at most 1000 microns, 고분자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하기 위한 2 단계 용융 중합 방법.A two stage melt polymerization process for producing high molecular weight polybenzimidazoles.
제 16 항에 있어서, The method of claim 16, 제 2 단계에서 상기 약한 양압은 0.25 인치의 H2O 내지 5 인치의 H2O, 또는 0.63 cm 의 H2O 내지 13 cm의 H2O 에 상당하는, 고분자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하기 위한 2 단계 용융 중합 방법.The weak positive pressure in the second step is for producing high molecular weight polybenzimidazoles, corresponding to 0.25 inches of H 2 O to 5 inches of H 2 O, or 0.63 cm of H 2 O to 13 cm of H 2 O. Two stage melt polymerization method. 제 16 항에 있어서, The method of claim 16, 제 2 단계에서 상기 제 2 반응 용기는 고강도 반응 용기인, 고분자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하기 위한 2 단계 용융 중합 방법.The second stage melt polymerization process for producing high molecular weight polybenzimidazole in a second stage, wherein the second reaction vessel is a high strength reaction vessel. 제 16 항에 있어서, The method of claim 16, 상기 방향족 테트라아민은 3,3',4,4'-테트라아미노바이페닐인, 고분자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하기 위한 2 단계 용융 중합 방법.Wherein said aromatic tetraamine is 3,3 ', 4,4'-tetraaminobiphenyl, to produce high molecular weight polybenzimidazole. 제 16 항에 있어서,The method of claim 16, 상기 디카르복실 성분은 디페닐 이소프탈레이트인, 고분자량 폴리벤즈이미다졸을 생성하기 위한 2 단계 용융 중합 방법.Wherein said dicarboxyl component is diphenyl isophthalate.
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