KR20110120986A - Co-polymer based polyimide articles and their uses in high temperature applications - Google Patents

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죤 피. 커닝햄
제프리 엘. 라우딘
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이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니
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Abstract

고온 응용에 적합한 폴리이미드 물품을 제조하는 방법이 본 명세서에 개시된다. 본 명세서에 개시된 물품은 강성이고, 산화 안정성이며, 내마모성이고, 가열된 수분 및 가스에 대해 투과성이며, 공중합체 기반 폴리이미드, 및 적어도 하나의 첨가제 또는 충전제를 포함하고, 138 내지 345 ㎫ (20,000 내지 50,000 psi)의 압축 압력을 사용하여 제조된다.Disclosed herein are methods of making polyimide articles suitable for high temperature applications. The articles disclosed herein are rigid, oxidatively stable, wear resistant, permeable to heated moisture and gases, comprise copolymer-based polyimides, and at least one additive or filler, and are from 138 to 345 MPa (20,000 to And a compression pressure of 50,000 psi).

Description

공중합체 기반 폴리이미드 물품 및 고온 응용에서의 그의 용도 {CO-POLYMER BASED POLYIMIDE ARTICLES AND THEIR USES IN HIGH TEMPERATURE APPLICATIONS}Copolymer-Based Polyimide Articles and Their Uses in High Temperature Applications {CO-POLYMER BASED POLYIMIDE ARTICLES AND THEIR USES IN HIGH TEMPERATURE APPLICATIONS}

플라스틱 재료는 일부 고온 응용을 포함하는 광범위한 산업적 응용을 갖는다. 폴리이미드는 일부 고온 응용에 사용될 수 있으나, 또한 소정의 다른 물리적 특성을 가질 필요가 있을 수 있다. 고온 응용에 사용하기에 적합하며, 또한 증가된 투과성, 내구성, 산화 안정성, 바람직한 마모 수명 및 열 노출 시의 결함에 대한 저항성을 갖는, 공중합체 기반 폴리이미드 물품이 본 명세서에 개시된다.Plastic materials have a wide range of industrial applications, including some high temperature applications. Polyimides may be used in some high temperature applications, but may also need to have some other physical properties. Disclosed herein are copolymer based polyimide articles suitable for use in high temperature applications, and which also have increased permeability, durability, oxidative stability, desirable wear life and resistance to defects upon thermal exposure.

고온 작동 조건 및 산업 제조는 그러한 조건을 견디는 재료의 사용을 필요로 한다. 현재, 종래와 같이, 금속, 세라믹, 흑연, 석면 및 기타 재료가 고온 응용을 위해 사용되고 있다. 플라스틱이 고온 응용을 위한 이러한 재료 중 일부를 대체하는 데 유용하였다. 그러나, 일부 응용은 또한 예를 들어, 내마모성, 내화학성, 적은 마찰, 감소된 마모, 및 그의 응용에 대해 상용성(compatibility)을 부여하는 기타 특성과 같은 부가적인 특성을 갖는 재료를 필요로 한다.High temperature operating conditions and industrial manufacturing require the use of materials that withstand such conditions. Currently, as is conventional, metals, ceramics, graphite, asbestos and other materials are used for high temperature applications. Plastics have been useful to replace some of these materials for high temperature applications. However, some applications also require materials with additional properties such as, for example, wear resistance, chemical resistance, low friction, reduced wear, and other properties that impart compatibility to their applications.

일부 응용은 400℃를 훨씬 초과하는 온도를 견딜 수 있는 적합한 재료를 필요로 한다. 예를 들어, 유리 제조 작업은 약 1400℃ 내지 1600℃에서 수행된다. 다른 시스템, 예를 들어, 내연기관은 고온을 견디고 이러한 고온으로 인해 빠르게 약화되거나 마모되지 않는 재료의 사용을 필요로 한다.Some applications require suitable materials that can withstand temperatures well above 400 ° C. For example, glass making operations are performed at about 1400 ° C. to 1600 ° C. Other systems, for example internal combustion engines, require the use of materials that withstand high temperatures and do not quickly weaken or wear out due to such high temperatures.

고온에 적합한 물품 또는 기계 부품을 제조하는 데 사용되는 재료가 제조될 수 있다. 그러나, 기계 부품의 단면적이 증가함에 따라 부품의 표면적은 포획되어 있는 가열된 수분 및 가스에 대한 접근성이 떨어져서, 이들의 방출을 억제하게 된다. 그러한 경우에, 기계 부품은 신속한 열 사이클링의 열 노출로 인한, 블리스터링(blistering)과 같은 결함에 취약하다. 부품의 기계적 특성의 점진적인 감소는 또한 수분 노출 및 열 노출의 반복되는 사이클에 의해 일어날 수 있으며, 이는 때때로 "습윤 Tg 녹다운(wet Tg knockdown)이라고 지칭되는, 플라스틱의 측정된 유리 전이 온도 (tg)의 감소로 입증된다.Materials used to make articles or mechanical parts suitable for high temperatures can be made. However, as the cross-sectional area of a mechanical part increases, the surface area of the part becomes less accessible to the trapped heated water and gas, thereby suppressing their release. In such cases, mechanical parts are vulnerable to defects such as blistering due to the thermal exposure of rapid thermal cycling. The gradual decrease in the mechanical properties of the part can also be caused by repeated cycles of moisture exposure and heat exposure, which is sometimes referred to as "wet Tg knockdown" of the measured glass transition temperature (tg) of the plastic. Evidenced by a decrease.

흑연이 고온 응용에 사용되어 왔으나, 이것은 부서지기 쉬우며 따라서 내구성이 결여되고, 일부 응용에서 인가되는 하중을 견딜 수 없으며, 다수의 응용을 위해 요구되는 마모 수명이 결여된다.Although graphite has been used for high temperature applications, it is brittle and therefore lacks durability, cannot withstand the load applied in some applications, and lacks the wear life required for many applications.

플라스틱으로부터 제조되는 다른 재료, 예를 들어, 열경화성 재료가 사용되어 왔다. 그러나, 다수의 이러한 재료는 고온 응용에 적합하지 않으며, 강도, 내구성 및 필요한 기계적 특성이 결여되어, 흑연에 비해 더 빨리 열화된다.Other materials made from plastics, such as thermoset materials, have been used. However, many of these materials are not suitable for high temperature applications and lack strength, durability and the necessary mechanical properties, which degrade faster than graphite.

일부 폴리이미드 재료가 또한 사용되어 왔으나, 특정 응용에서의 온도 범위로 인해, 또는 부품의 표면적에 비하여 상당한 또는 더 큰 단면적을 갖는 폴리이미드 부품은 열 노출 시에 가열된 수분 또는 가스를 방출할 수 없음으로 인해 제한점을 가질 수 있어서, 고온 응용에 적합하지 않다.Some polyimide materials have also been used, but due to the temperature range in certain applications, or polyimide parts having significant or larger cross-sectional areas relative to the surface area of the part, they cannot release heated moisture or gas upon thermal exposure. May have limitations and are not suitable for high temperature applications.

본 발명의 목적은 폴리이미드 조성물로부터 제조되고, 고온 응용에 적합하며, 신속한 열 사이클링 또는 열 노출에 의해 야기되는 결함을 방지하도록 강성(rigidity), 산화 안정성, 가열된 수분 및 가스에 대한 투과성을 갖는 물품을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to be made from a polyimide composition, to be suitable for high temperature applications and to have rigidity, oxidation stability, permeability to heated moisture and gases to prevent defects caused by rapid thermal cycling or heat exposure. It is to provide a method for producing an article.

추가로, 본 발명의 방법에 의해 제조된 폴리이미드 부품은, 동일하거나 상이한 응용에 사용되는 흑연 기반 재료의 경우처럼, 열화된 오일 잔류물의 누적에 민감하지 않다.In addition, the polyimide parts produced by the process of the invention are not sensitive to the accumulation of deteriorated oil residues, as is the case with graphite based materials used in the same or different applications.

<도 1>
도 1은 본 발명에 따라 제조된 공중합체 기반 폴리이미드를 포함하는 물품에 대한 인장 강도 대 압착 압력(compaction pressure)을 나타내는 그래프.
<도 2>
도 2는 본 발명에 따라 제조된 공중합체 기반 폴리이미드를 포함하는 물품에 대한 연신율 대 압착 압력을 나타내는 그래프.
[발명의 내용]
고온 시스템에 사용하기에 적합한 물품을 제조하는 방법으로서, 상기 시스템은 기구(instrumentation) 및 장비(equipment)로 이루어지며, 상기 물품은 공중합체 기반 폴리이미드 조성물을 포함하고, 상기 조성물은
a) 방향족 테트라카르복실산 이무수물 성분; 및
b) (i) 60 몰% 초과 내지 약 85 몰%의 p-페닐렌 다이아민과, (ii) 15 몰% 내지 40 몰% 미만의 m-페닐렌 다이아민을 추가로 포함하는 다이아민 성분을 포함하며;
a) 및 b)는 1:1의 비로 존재하고;
상기 방법은 압축을 사용하여, 미리 결정된 형상의 부품을 형성하는 단계를 포함하고; 압축에 사용되는 압력의 양은 약 137.9 ㎫ (20,000 psi) 내지 약 344.7 ㎫ (50,000 psi)이어서, 수분에 대한 투과성 및 열 노출에 의해 야기되는 결함에 대한 저항성을 갖는 다공성 물품을 달성하는 방법이 본 명세서에 개시된다.
고온 시스템에 사용하기에 적합한 물품으로서, 상기 시스템은 기구 및 장비로 이루어지며, 상기 물품은 공중합체 기반 폴리이미드 조성물을 포함하고, 상기 조성물은
a) 방향족 테트라카르복실산 이무수물 성분; 및
b) i) 60 몰% 초과 내지 약 85 몰%의 p-페닐렌 다이아민과, ii) 15 몰% 내지 40 몰% 미만의 m-페닐렌 다이아민을 추가로 포함하는 다이아민 성분을 포함하며;
a) 및 b)는 1:1의 비로 존재하고;
상기 물품은 다공성이며 수분에 대한 투과성, 및 열 노출에 의해 야기되는 결함에 대한 저항성을 갖는 물품이 또한 본 명세서에 개시된다.
<Figure 1>
1 is a graph showing tensile strength versus compaction pressure for an article comprising a copolymer based polyimide prepared according to the present invention.
<FIG. 2>
FIG. 2 is a graph showing elongation versus compression pressure for articles comprising copolymer based polyimide prepared according to the present invention. FIG.
[Content of invention]
A method of making an article suitable for use in a high temperature system, the system consisting of an instrumentation and an equipment, the article comprising a copolymer based polyimide composition, the composition comprising
a) aromatic tetracarboxylic dianhydride component; And
b) a diamine component further comprising (i) greater than 60 mol% to about 85 mol% p-phenylene diamine and (ii) 15 mol% to less than 40 mol% m-phenylene diamine Includes;
a) and b) are present in a ratio of 1: 1;
The method comprises using compression to form a part of a predetermined shape; The amount of pressure used for compression is from about 137.9 MPa (20,000 psi) to about 344.7 MPa (50,000 psi) such that a method of achieving a porous article having permeability to moisture and resistance to defects caused by heat exposure is disclosed herein. Is initiated.
An article suitable for use in a high temperature system, the system consisting of appliances and equipment, the article comprising a copolymer based polyimide composition, the composition comprising
a) aromatic tetracarboxylic dianhydride component; And
b) a diamine component further comprising i) greater than 60 mol% to about 85 mol% p-phenylene diamine, and ii) 15 mol% to less than 40 mol% m-phenylene diamine; ;
a) and b) are present in a ratio of 1: 1;
Also disclosed herein is an article that is porous and permeable to moisture and resistant to defects caused by thermal exposure.

폴리이미드 재료는 대기 중의 수분을 쉽게 흡수한다. 환경에 따라, 평형점이 1 중량% 초과일 수 있다. 폴리이미드 물질이 가열될 때, 이러한 수분이 방출될 것이다. 그러나, 이러한 수분이 빠져나갈 수 있는 것보다 더 빠른 속도로 재료가 가열된다면, 블리스터링이 발생할 수 있다.Polyimide materials readily absorb moisture in the atmosphere. Depending on the environment, the equilibrium point may be greater than 1 weight percent. When the polyimide material is heated, this moisture will be released. However, if the material is heated at a faster rate than this moisture can escape, blistering may occur.

본 발명은 고온 시스템에 사용하기에 적합한 물품을 제조하는 방법을 제공하며, 상기 시스템은 기구 및 장비로 이루어진다. 본 발명의 방법에 따라 제조된 물품은, 내구성이며, 고온 응용에서 장시간에 걸쳐 내마모성이고, 강성이고, 산화적으로 안정하며, 신속한 열 사이클링에 의해 야기되는 결함에 대해 저항성인 물품이다.The present invention provides a method of making an article suitable for use in a high temperature system, the system consisting of appliances and equipment. Articles made in accordance with the method of the present invention are articles that are durable, wear-resistant, rigid, oxidatively stable, and resistant to defects caused by rapid thermal cycling in high temperature applications.

본 발명의 방법에서, 물품은 공중합체 기반 폴리이미드 조성물을 포함하며, 상기 조성물은In the process of the invention, the article comprises a copolymer based polyimide composition, wherein the composition

a) 방향족 테트라카르복실산 이무수물 성분; 및a) aromatic tetracarboxylic dianhydride component; And

b) i) 60 몰% 초과 내지 약 85 몰%의 p-페닐렌 다이아민과, ii) 15 몰% 내지 40 몰% 미만의 m-페닐렌 다이아민을 추가로 포함하는 다이아민 성분을 포함하며;b) a diamine component further comprising i) greater than 60 mol% to about 85 mol% p-phenylene diamine, and ii) 15 mol% to less than 40 mol% m-phenylene diamine; ;

a) 및 b)는 1:1의 비로 존재하고;a) and b) are present in a ratio of 1: 1;

상기 방법은 압축을 사용하여, 미리 결정된 형상의 부품을 형성하는 단계를 포함하고; 압축에 사용되는 압력의 양은 약 137.9 ㎫ (20,000 psi) 내지 약 344.7 ㎫ (50,000 psi)이어서, 수분에 대한 투과성 및 열 노출에 의해 야기되는 결함에 대한 저항성을 갖는 다공성 물품을 달성한다.The method comprises using compression to form a part of a predetermined shape; The amount of pressure used for compression is from about 137.9 MPa (20,000 psi) to about 344.7 MPa (50,000 psi) to achieve a porous article having permeability to water and resistance to defects caused by heat exposure.

본 발명의 일 실시 형태에서, 압축 압력은 소정의 원하는 밀도를 갖는 물품을 제조하도록 미리 결정될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the compression pressure can be predetermined to produce an article having a desired desired density.

본 발명의 방법의 일 실시 형태에서, 물품은 물품의 표면적에 비해 더 큰 단면적을 가질 수 있으며, 상기 물품은 물품의 단면적에 존재하는 수분 및 가스를 물품의 표면적을 통해 방출할 수 있다.In one embodiment of the method of the present invention, the article may have a larger cross-sectional area relative to the surface area of the article, and the article may release moisture and gas present in the cross-sectional area of the article through the surface area of the article.

본 명세서에 개시된 방법의 다른 실시 형태에서, 폴리이미드 조성물은 적어도 하나의 충전제를 포함할 수 있다. 본 발명에 사용되는 충전제는 천연 흑연, 합성 흑연, 및 탄소 섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 탄소질 충전제; 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함하지만 이로 한정되지 않는 플루오로중합체; 및 카올리나이트, 세피올라이트 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 무기 충전제이다.In another embodiment of the methods disclosed herein, the polyimide composition may comprise at least one filler. Fillers used in the present invention include carbonaceous fillers selected from the group consisting of natural graphite, synthetic graphite, and carbon fibers; Fluoropolymers including but not limited to polytetrafluoroethylene; And an inorganic filler selected from the group consisting of kaolinite, sepiolite and mixtures thereof.

본 발명은 다양한 고온 시스템에 유용하며, 상기 시스템은 기구 및 장비로 이루어진다. 본 명세서에 개시된 것과 같이 제조된 물품은 고온에서 사용되는 통상적인 재료를 대체하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 것과 같이 제조된 물품은 흑연, 금속, 세라믹, 또는 석면으로 주로 구성된 기계적 요소, 부품을 대체하는 데 사용될 수 있다.The present invention is useful in a variety of high temperature systems, the system consisting of appliances and equipment. Articles made as disclosed herein can be used to replace conventional materials used at high temperatures. For example, articles made as disclosed herein can be used to replace mechanical elements, components primarily composed of graphite, metal, ceramic, or asbestos.

본 발명의 물품의 용도는 배기(emission) 시스템 부품, 내연기관 부품, 부싱(bushing), 베어링, 와셔, 시일 링(seal ring), 마모 패드 및 슬라이드 블록(slide block)을 비롯한, 대류 오븐, 회절 챔버(defracting chamber)를 분리하기 위한 것과 같은 과학 기구, 자동차 시스템에서의 부품으로서의 용도이다. 본 명세서에 개시된 부품의 추가적인 용도는 재순환 시스템; 클러치 시스템; 펌프; 터보차저(turbocharger); 역추진 장치(thrust reverser), 엔진실(nacelle), 플랩 시스템(flaps system); 사출 성형기; 컨베이어; 및 텐터 프레임(tenter frame)으로 이루어진 군으로부터 선택된다.Uses of the articles of the present invention include convection ovens, diffraction, including emission system components, internal combustion engine components, bushings, bearings, washers, seal rings, wear pads, and slide blocks. Scientific instruments, such as for separating defracting chambers, as components in automotive systems. Further uses of the components disclosed herein include recycling systems; Clutch system; Pump; Turbochargers; A thrust reverser, a nacelle, a flaps system; Injection molding machine; conveyor; And a tenter frame.

본 발명은 폴리이미드 조성물로부터 형성된 부품을 제조하는 방법을 제공하며, 부품은 개선된 산화 안정성 및 탁월한 인장 특성을 갖는다. 그러한 형성된 부품은 고온 응용, 또는 약 400℃ 이상에서 작동하는 응용에 유용하다. 본 발명의 방법에 의해 제조되는 물품의 다른 용도는 과학 기구, 대류 오븐, 가열된 컨베이어, 자동차 응용 및 항공우주용 엔진을 포함한다. 본 발명의 방법을 사용하여 제조되는 부품 및 다른 물품은 또한 자동차 엔진; 배기 가스 재순환 시스템 및 클러치 시스템과 같은 다른 차량 서브시스템; 펌프; 비-항공기 제트 엔진; 터보차저; 사출 성형기와 같은 재료 가공 장비; 컨베이어, 벨트 프레스 및 텐터 프레임과 같은 재료 취급 장비; 및 필름, 시일, 와셔, 베어링, 부싱, 가스킷, 마모 패드, 시일 링, 슬라이드 블록 및 푸시 핀(push pin) 및 마모가 적은 것이 바람직한 기타 용도에 유용하다. 일부 용도에서, 본 명세서에 개시된 방법에 따라 제조되는 부품 또는 다른 물품은 그것이 존재하는 장치가 조립되고 정상적으로 사용되는 시간의 적어도 일부 동안 금속과 접촉한다.The present invention provides a method of making a part formed from a polyimide composition, the part having improved oxidative stability and excellent tensile properties. Such formed parts are useful for high temperature applications, or applications operating above about 400 ° C. Other uses of articles produced by the method of the present invention include scientific instruments, convection ovens, heated conveyors, automotive applications and aerospace engines. Parts and other articles made using the method of the present invention may also include automotive engines; Other vehicle subsystems such as exhaust gas recirculation systems and clutch systems; Pump; Non-aircraft jet engines; Turbocharger; Material processing equipment such as injection molding machines; Material handling equipment such as conveyors, belt presses and tenter frames; And films, seals, washers, bearings, bushings, gaskets, wear pads, seal rings, slide blocks and push pins, and other applications where low wear is desirable. In some applications, a part or other article made in accordance with the methods disclosed herein is in contact with the metal for at least a portion of the time it is assembled and normally used.

"강성 폴리이미드"라는 용어는 폴리이미드 단위에 유연성 연결기가 전혀 없음을 의미한다.The term "rigid polyimide" means that there are no flexible linkers in the polyimide unit.

본 발명의 공중합체 폴리이미드를 제조하는 데 사용되는 방향족 테트라카르복실산 이무수물 성분에는 파이로멜리트산 이무수물 (PMDA), 3,3'4,4'-바이페닐테트라카르복실산 이무수물 (BPDA), 및 임의의 기타 강성 방향족 이무수물이 포함된다. 최상의 결과는 BPDA가 이부수물 성분으로서 사용되는 경우에 나타난다. 본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 용액 이미드화 방법이 하기 반복 단위를 갖는 강성, 방향족 폴리이미드 조성물을 제공하는 데 사용된다.The aromatic tetracarboxylic dianhydride component used to prepare the copolymer polyimide of the present invention includes pyromellitic dianhydride (PMDA), 3,3'4,4'-biphenyltetracarboxylic dianhydride ( BPDA), and any other rigid aromatic dianhydrides. Best results are seen when BPDA is used as a dianhydride component. In a preferred embodiment of the invention, a solution imidization method is used to provide a rigid, aromatic polyimide composition having the following repeating units.

Figure pct00001
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R은 60 몰% 초과 내지 85 몰%의 PPD 단위 및 15 몰% 내지 40 몰% 미만의 MPD 단위이다. 70% PPD 및 30% MPD를 갖는 폴리이미드 조성물이 바람직하다.R is greater than 60 mol% to 85 mol% PPD units and 15 mol% to less than 40 mol% MPD units. Preference is given to polyimide compositions having 70% PPD and 30% MPD.

본 발명의 폴리이미드 조성물의 제조에 있어서, 용액 이미드화 방법은 하기에 따라 이용된다. 다이아민 (PPD 및 MPD)을 일반적으로 먼저 용매에 용해시켜 다이아민 성분을 형성한다. 일반적으로, 요구되는 농도의 용매에 다이아민 성분을 용해시킨 후에, 반응 용액에 실질적으로 등몰(equimolar) 양으로 이무수물을 첨가하여 폴리아미드산 (PAA) 중합체 용액을 형성한다. 이무수물 또는 다이아민 성분 중 어느 하나가 약간 몰 과량인 것이 가능하다. 0.5 내지 1.0% 몰 과량의 다이아민 성분이 최상의 결과를 제공하는 것으로 밝혀졌다. 대개는, 등몰의 화학량론에 가까울수록 더 우수한 인장 특성이 얻어지지만, 이는 당업자에게 알려진 바와 같이 등몰 지점에 근접함에 따라 나타나는 더 높은 점도와 견주어 보아야만 한다.In the preparation of the polyimide composition of the present invention, the solution imidization method is used as follows. Diamines (PPD and MPD) are generally first dissolved in a solvent to form the diamine component. Generally, after dissolving the diamine component in a solvent of the required concentration, the dianhydride is added to the reaction solution in substantially equimolar amounts to form a polyamic acid (PAA) polymer solution. It is possible that either the dianhydride or diamine component is slightly molar excess. It was found that 0.5 to 1.0% molar excess of diamine component gave the best results. Usually, the closer to equimolar stoichiometry, the better the tensile properties are obtained, but this must be comparable to the higher viscosity that appears as it approaches the equimolar point, as is known to those skilled in the art.

생성된 PAA 중합체 용액을 일정 시간에 걸쳐 용매의 가열된 용액으로 전달한다. 전달된 PAA 중합체 용액을 연속적으로 가열하고 교반하여 용해성 PAA의 불용성 폴리이미드 슬러리로의 반응을 완료시킨다.The resulting PAA polymer solution is delivered to a heated solution of solvent over time. The delivered PAA polymer solution is continuously heated and stirred to complete the reaction of the soluble PAA into an insoluble polyimide slurry.

생성된 폴리이미드 슬러리를 용매로 세척하고 100 내지 230℃, 바람직하게는 140 내지 190℃, 더욱 바람직하게는 180℃에서 건조하여, 폴리이미드 슬러리를 큰 표면적을 갖는 분말 형태의 폴리이미드 수지로 변환시킨다. 180℃의 최적 온도는 더 큰 가공 효율 및 더 우수한 물리적 특성을 야기한다. 반응 용액으로부터 폴리아미드산의 침전에 의해 야기된 입자 크기에 따라, 폴리이미드의 입자는, 예를 들어, 적합한 분쇄 기술에 의해, 추가로 변형되어 취급 및 이어지는 성형을 위해 바람직한 입자 크기를 제공할 수 있다.The resulting polyimide slurry is washed with a solvent and dried at 100-230 ° C., preferably 140-190 ° C., more preferably 180 ° C. to convert the polyimide slurry into a polyimide resin in powder form having a large surface area. . Optimal temperatures of 180 ° C. result in greater processing efficiency and better physical properties. Depending on the particle size caused by precipitation of the polyamic acid from the reaction solution, the particles of the polyimide can be further modified, for example by suitable grinding techniques, to provide the desired particle size for handling and subsequent molding. have.

PAA 중합체 용액을 합성하기 위한 용액 중합 방법에 유용한 용매는 반응물(BPDA 또는 다이아민) 중 어느 것과도 임의의 감지가능한 정도로 반응하지 않는 작용기를 갖는 유기 용매이다. 용매는 약 8 내지 10의 pH를 나타내며, pH는 용매를 소량의 물과 혼합한 다음 pH 시험지 또는 탐침을 사용해 측정함으로써 측정될 수 있다. 그러한 용매에는, 예를 들어, 피리딘 및 β-피콜린이 포함된다. 골(Gall) 및 에드워즈(Edwards)의 미국 특허 제3,179,614호에 기재된 용매 중, 피리딘 (KB = 1.4 × 10-9)은 중합 반응에서 이러한 반응물을 위해 바람직한 용매일 뿐만 아니라 촉매로서도 작용한다. 이무수물과 다이아민이 반응하여 PAA 중합체 용액을 형성하기 위해서는, 염기성 촉매가 필요하다. 피리딘은 염기성 화합물이기 때문에, 여기서 촉매 및 용매 둘 모두로서 작용한다.Solvents useful in the solution polymerization process for synthesizing PAA polymer solutions are organic solvents having functional groups that do not react to any detectable degree with any of the reactants (BPDA or diamine). The solvent exhibits a pH of about 8 to 10, and the pH can be measured by mixing the solvent with a small amount of water and then using a pH test paper or a probe. Such solvents include, for example, pyridine and β-picolin. Of the solvents described in US Pat. No. 3,179,614 to Gall and Edwards, pyridine (KB = 1.4 × 10-9) is not only a preferred solvent for this reactant in the polymerization but also acts as a catalyst. In order for the dianhydride and the diamine to react to form a PAA polymer solution, a basic catalyst is required. Since pyridine is a basic compound, it serves here as both a catalyst and a solvent.

큰 표면적을 갖는 생성물을 얻는 데 있어서 용매의 양이 중요하다. 특히, 용매는 PAA 중합체 용액의 농도가 약 1 내지 15 중량% 고형물, 바람직하게는 약 8 내지 12 중량% 고형물이 되도록 하는 양으로 존재하여야 한다.The amount of solvent is important in obtaining a product having a large surface area. In particular, the solvent should be present in an amount such that the concentration of the PAA polymer solution is about 1 to 15 wt% solids, preferably about 8 to 12 wt% solids.

본 발명의 폴리이미드 조성물로부터 생성된 폴리이미드 수지의 표면적은 20 ㎡/g 이상이어야 한다. 허용가능한 물리적 특성을 달성하기 위해서 그리고 가공 용이성을 위해서 표면적은 75 ㎡/g 이상인 것이 바람직하다.The surface area of the polyimide resin produced from the polyimide composition of the present invention should be at least 20 m 2 / g. In order to achieve acceptable physical properties and for ease of processing, the surface area is preferably at least 75 m 2 / g.

PAA의 제조에 있어서, 분자량은 PAA 중합체 용액의 내재 점도 (inherent viscosity; IV)가 0.2 dl/g 이상, 바람직하게는 0.5 내지 2.0 dl/g이 되도록 하는 것인 것이 필수적이다. IV를 측정 및 계산하기 위한 방법이 하기에 기재된다.In the preparation of PAA, it is essential that the molecular weight is such that the inherent viscosity (IV) of the PAA polymer solution is at least 0.2 dl / g, preferably 0.5 to 2.0 dl / g. Methods for measuring and calculating IV are described below.

폴리이미드 조성물은 흔히 적어도 하나의 충전제 또는 하나의 유형의 충전제를 포함한다. 본 발명의 폴리이미드 조성물에서 충전제에는 점토, 예를 들어, 카올리나이트 또는 세피올라이트; 플루오로중합체 또는 공중합체, 예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌; 이황화몰리브덴; 및/또는 탄소질 충전제, 예를 들어, 흑연, 탄소 섬유가 포함될 수 있다. 충전제는 폴리이미드 조성물 및 그로부터 제조된 부품의 탁월한 인장 및 산화 안정성을 유지하면서 마모 및 마찰 특성을 개선하는 데 사용될 수 있다.Polyimide compositions often include at least one filler or one type of filler. Fillers in the polyimide compositions of the invention include clays such as kaolinite or sepiolite; Fluoropolymers or copolymers such as polytetrafluoroethylene; Molybdenum disulfide; And / or carbonaceous fillers such as graphite, carbon fibers. Fillers can be used to improve wear and friction properties while maintaining excellent tensile and oxidative stability of polyimide compositions and components made therefrom.

본 명세서에 사용하기 적합한 흑연은 자연 발생 흑연 또는 합성 흑연일 수 있다. 천연 흑연은 일반적으로 넓은 범위의 불순물 농도를 갖는 한편, 저농도의 반응성 불순물을 갖는 합성하여 생성된 흑연이 구매가능하다. 허용할 수 없을 만큼 고농도의 불순물을 함유하는 흑연은, 예를 들어, 광산(mineral acid)을 이용한 화학적 처리를 비롯한 다양한 임의의 공지된 처리에 의해 정제될 수 있다. 예를 들어, 승온 또는 환류 온도에서 황산, 질산 또는 염산을 이용한 순수하지 않은 흑연의 처리는 원하는 수준으로 불순물을 감소시키기 위해 사용될 수 있다.Graphite suitable for use herein may be naturally occurring graphite or synthetic graphite. Natural graphites generally have a wide range of impurity concentrations, while synthetically produced graphites with low concentrations of reactive impurities are commercially available. Graphite containing an unacceptably high concentration of impurities can be purified by any of a variety of known treatments, including, for example, chemical treatment with mineral acid. For example, treatment of non-pure graphite with sulfuric acid, nitric acid or hydrochloric acid at elevated or reflux temperatures can be used to reduce impurities to a desired level.

세피올라이트 충전제, 카올린 충전제, 또는 그 혼합물이 또한 본 발명에 사용하기에 적합하다. 본 발명에 사용하기 적합한 세피올라이트 충전제는 세피올라이트 그 자체 [Mg4Si6O15(OH)6(H2O)]를 포함하며, 이는 그 섬유성 구조로 인하여 높은 종횡비(aspect ratio)를 나타내는 수화된 규산마그네슘 충전제이다. 규산염 중에서 유일하게, 세피올라이트는 실리카 사슬이 섬유의 축에 평행하게 연장(run)하는 긴 라스(lath)형 미결정으로 구성된다. 이 물질은 α 형태 및 β 형태의 2가지 형태로 이루어지는 것으로 나타났다. α 형태는 긴 섬유 다발(bundle)로 알려져 있으며, 형태는 무정형 응집체로서 존재한다.Sepiolite fillers, kaolin fillers, or mixtures thereof are also suitable for use in the present invention. Sepiolite fillers suitable for use in the present invention include sepiolite itself [Mg 4 Si 6 O 15 (OH) 2 .6 (H 2 O)], which has a high aspect ratio due to its fibrous structure. hydrated magnesium silicate filler. Unique among silicates, sepiolite is composed of long lath microcrystalline with silica chains running parallel to the axis of the fiber. This material appeared to be composed of two forms, α form and β form. The α form is known as a long fiber bundle, and the form exists as an amorphous aggregate.

본 발명에 사용하기 적합한 세피올라이트 충전제는 또한 아타풀자이트(팔리고스카이트로도 알려짐)를 포함하며, 이는 아타풀자이트가 약간 더 작은 단위 셀을 갖는 것을 제외하고는 세피올라이트와 구조적으로 그리고 화학적으로 거의 동일하다.Sepiolite fillers suitable for use in the present invention also include attapulgite (also known as paligosky), which is structurally and chemically related to sepiolite except that attapulgite has slightly smaller unit cells. Is almost the same.

본 발명에 사용하기 적합한 세피올라이트 충전제는 또한 층화된 섬유성 물질인 점토를 포함하며, 여기서는 각 층이 마그네슘 이온을 함유한 8면체 단위의 중앙 시트에 결합된 4면체 실리카 단위의 2개의 시트로 구성된다 [예를 들어, 문헌[L. Bokobza et al, Polymer International, 53, 1060-1065 (2004)]의 도 1 및 도 2 참조]. 섬유들은 함께 점착하여 섬유 다발을 형성하며, 이는 다시 응집체를 형성할 수 있다. 이들 응집체는 미세화(micronization) 또는 화학적 개질(chemical modification)과 같은 산업적 공정에 의해 분리될 수 있다 (예를 들어, 톨사 에스.에이.(Tolsa S.A.)의 유럽 특허 제170,299호 참조).Sepiolite fillers suitable for use in the present invention also include clay, which is a layered fibrous material, wherein each layer consists of two sheets of tetrahedral silica units bonded to a central sheet of octahedral units containing magnesium ions. [See, eg, L. Bokobza et al, Polymer International, 53, 1060-1065 (2004)]. The fibers stick together to form a fiber bundle, which in turn can form aggregates. These aggregates can be separated by industrial processes such as micronization or chemical modification (see, e.g., European Patent No. 170,299 to Tolsa S.A.).

일 실시 형태에서, 본 발명에 사용하기 적합한 세피올라이트 충전제는, 유럽 특허 EP-A-454,222호 및/또는 EP-A-170,299호에 개시되고 스페인 마드리드 소재의 톨사 에스.에이.에 의해 상표명 판젤(Pangel)(등록상표)로 판매되는 것과 같은 리올로지 등급의 세피올라이트 점토를 포함한다. 이와 관련해서, 용어"리올로지 등급"은, 전형적으로 평균 표면적이 120 ㎡/g [(문헌[Brunauer et al, "Adsorption of Gases in Multimolecular Layers", Journal of the American Chemical Society, 60: 309-19, 1938]에 기재된 바와 같이) 브루나우어/엠메트/텔러 방법(Brunauer/Emmett/Teller method)에 의해 N2에서 측정됨]보다 크며 전형적으로 평균 섬유 치수가 약 200 내지 2000 ㎚의 길이, 10 내지 30 ㎚의 넓이 및 5 내지 10 ㎚의 두께를 갖는 세피올라이트 점토를 말한다. 리올로지 등급의 세피올라이트는 세피올라이트 섬유의 파손을 실질적으로 방지하는 미분화 공정에 의해 천연 세피올라이트로부터 얻어지는데, 그 결과 세피올라이트는 물 및 기타 극성 액체에서 쉽게 분산되고 높은 정도의 불규칙성, 300 ㎡/g보다 큰 높은 비표면 및 흡착을 위한 고밀도의 활성 중심(active center)을 가진 외부 표면을 가지며, 활성 중심과 수소 가교를 상대적으로 쉽게 형성할 수 있을 때 매우 높은 물 보유 능력을 제공하게 된다. 리올로지 등급의 세피올라이트 입자의 미세섬유 특성은 세피올라이트를 높은 다공성과 낮은 겉보기 밀도를 갖는 물질이 되게 한다.In one embodiment, sepiolite fillers suitable for use in the present invention are disclosed in European Patent EP-A-454,222 and / or EP-A-170,299 and are trademarked by Tolsa S.A., Madrid, Spain. Rheological grade sepiolite clay such as sold under Pangel®. In this regard, the term "rheological grade" typically refers to an average surface area of 120 m 2 / g [Brunauer et al, "Adsorption of Gases in Multimolecular Layers", Journal of the American Chemical Society, 60: 309-19. , Measured at N 2 by the Brunauer / Emmett / Teller method), typically having an average fiber dimension of about 200-2000 nm in length, 10 Sepiolite clay with an area of from 30 nm and a thickness of from 5 to 10 nm. Rheological grade sepiolites are obtained from natural sepiolites by a micronization process that substantially prevents the breakage of sepiolite fibers, resulting in sepiolites that are readily dispersed in water and other polar liquids and have a high degree of irregularity. It has a high specific surface, greater than 300 m2 / g, and an outer surface with a high density of active centers for adsorption, and provides very high water retention when it is relatively easy to form hydrogen bridges with active centers. Done. The microfiber properties of rheological grade sepiolite particles make the sepiolite a material with high porosity and low apparent density.

부가적으로, 리올로지 등급의 세피올라이트는 매우 낮은 양이온 교환 능력 (10-20 meq/100 g)을 가지며 전해질과의 상호 작용은 매우 약하며, 이는 다시 리올로지 등급의 세피올라이트가 그것이 발견되는 매질 내의 염의 존재에 의해 실제적으로 영향을 받지 않게 따라서 세피올라이트가 넓은 pH 범위에서 안정적으로 있게 된다. 상기 언급된 리올로지 등급의 세피올라이트의 품질은 또한 리올로지 등급 아타풀자이트에서 발견될 수 있으며, 이는 전형적으로 미국의 엔젤하드 코포레이션(Engelhard Corporation)에 의해 제조되고 시판되는 일련의 아타젤(ATTAGEL)(등록상표) 점토(예를 들어, 아타젤 40 및 아타젤 50); 및 플로리딘 컴퍼니(Floridin Company)의 일련의 민-유-젤(MIN-U-GEL) 제품과 같은, 40 마이크로미터보다 작은 입자 크기를 갖는다.In addition, rheological grade sepiolites have very low cation exchange capacity (10-20 meq / 100 g) and the interaction with the electrolyte is very weak, which in turn leads to the formation of rheological grade sepiolites The sepiolite is therefore stable over a wide pH range so that it is not substantially affected by the presence of salts in the medium. The quality of the above mentioned rheological grade sepiolite can also be found in rheology grade attapulgite, which is typically a series of ATTAGELs manufactured and marketed by Angelhard Corporation, USA. (Trademark) clay (eg, Atazel 40 and Atazel 50); And particle sizes smaller than 40 micrometers, such as a series of MIN-U-GEL products from Floridin Company.

본 발명에 사용하기에 적합한 카올린 충전제는 카올리나이트 자체를 포함하며, 이는 그 분자들이 하나는 실리카이고 하나는 알루미나인 두 개의 시트 또는 판으로 배열되는 시트형 실리케이트이다. 카올리나이트는 Al2Si2O5(OH)4의 화학 조성을 가진 점토 광물이다. 이는 층화된 실리케이트 광물로서, 하나의 4면체 시트(tetrahedral sheet)가 산소 원자를 통해 하나의 알루미나 8면체의 8면체 시트(octahedral sheet)에 연결된다. 카올리나이트가 풍부한 암석은 고령토(china clay) 또는 카올린으로 알려져 있다. 대조적으로, 몬트모릴로나이트 점토 광물과 같은 스멕타이트는 두 개의 실리카 시트와 하나의 알루미나 시트로 배열된다. 스멕타이트의 분자는 카올리나이트 그룹의 분자보다 덜 견고하게 함께 연결되며 따라서 더 멀리 떨어져 있다. 최대 약 450℃ [예를 들어, 열중력 분석(TGA)에 의해 나타난 바와 같음]와 같은 고온에서 시트 실리케이트의 구조수(structural water)의 열 안정성을 유지하는 것이 바람직한 것처럼, 시트 실리케이트의 결정 구조의 상 안정성을 유지하는 것이 바람직하다. 폴리이미드 조성물의 가공 동안의 구조수의 손실은 폴리이미드 일체성(integrity)에 대한 손상으로 이어질 수 있으며, 가능하게는 시트 실리케이트의 결정 구조를 변화시켜, 더 단단하고 더 마모성의 화합물을 제공한다. 본 명세서에 개시된 조성물에 포함될 만큼 충분히 안정적이지 않은 시트 실리케이트의 예에는 몬트모릴로나이트, 질석 및 엽랍석(pyrophyllite)이다. 본 발명에 사용하기 적합한 카올린 충전제는 문헌[Murray, Applied Clay Science 17(2000) 207-221]에서 추가로 논의된다.Kaolin fillers suitable for use in the present invention include kaolinite itself, which is a sheet-like silicate arranged in two sheets or plates whose molecules are one silica and one alumina. Kaolinite is a clay mineral with a chemical composition of Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 . It is a layered silicate mineral in which one tetrahedral sheet is connected to an octahedral sheet of one alumina octahedron via an oxygen atom. Kaolinite-rich rocks are known as china clay or kaolin. In contrast, smectite, such as montmorillonite clay mineral, is arranged in two silica sheets and one alumina sheet. The molecules of smectite are linked together less firmly than the molecules of the kaolinite group and are therefore farther apart. Of the crystal structure of the sheet silicate as desired to maintain the thermal stability of the structural water of the sheet silicate at a high temperature such as up to about 450 ° C. (eg, as shown by thermal gravity analysis (TGA)). It is desirable to maintain phase stability. Loss of structural water during processing of the polyimide composition can lead to damage to polyimide integrity, possibly altering the crystal structure of the sheet silicate, providing a harder and more abrasive compound. Examples of sheet silicates that are not sufficiently stable to be included in the compositions disclosed herein are montmorillonite, vermiculite and pyrophyllite. Kaolin fillers suitable for use in the present invention are further discussed in Murray, Applied Clay Science 17 (2000) 207-221.

본 발명에 사용하기 적합한 세피올라이트 충전제 및 카올린 충전제는 문헌[Murray, Applied Clay Science 17(2000) 207-221]에서 추가로 논의된다.Sepiolite fillers and kaolin fillers suitable for use in the present invention are further discussed in Murray, Applied Clay Science 17 (2000) 207-221.

본 발명의 실시 형태에서, 충전제로서 사용되는 흑연, 세피올라이트 및/또는 카올린은 전형적으로, PAA 중합체 용액 (또는 다른 유형의 단량체의 경우 다른 용액)의 전달 전에, 가열된 용매 내로 혼입되어, 이로써 조성물 내로 혼입되게 된 성분 (b) 및 성분 (c) 의 존재 하에서, 생성된 폴리이미드가 침전되게 된다.In embodiments of the invention, graphite, sepiolite and / or kaolin used as fillers are typically incorporated into a heated solvent prior to delivery of the PAA polymer solution (or other solution for other types of monomers), thereby In the presence of component (b) and component (c) which have been incorporated into the composition, the resulting polyimide is allowed to precipitate.

본 조성물에서 선택적으로 사용하기 적합한 첨가제는 제한 없이 하기 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 안료; 산화방지제; 낮아진 열팽창 계수를 부여하기 위한 물질, 예를 들어, 탄소 섬유; 예를 들어 유리 섬유, 세라믹 섬유, 붕소 섬유, 유리 비드, 위스커, 흑연 위스커 또는 다이아몬드 분말과 같이 고강도 특성을 제공하기 위한 물질; 예를 들어 아라미드 섬유, 금속 섬유, 세라믹 섬유, 위스커, 실리카, 실리콘 카바이드, 산화규소, 알루미나, 마그네슘 분말 또는 티타늄 분말과 같이 방열 또는 내열 특성을 제공하기 위한 물질; 예를 들어 천연 운모, 합성 운모 또는 알루미나와 같이 코로나 내성을 제공하기 위한 물질; 예를 들어 카본 블랙, 은 분말, 구리 분말, 알루미늄 분말 또는 니켈 분말과 같이 전기 전도성을 제공하기 위한 물질; 마모 또는 마찰 계수를 더 감소시키기 위한 물질, 예를 들어, 질화붕소 또는 폴리(테트라플루오로에틸렌) 단일중합체 및 공중합체. 충전제는 부품들의 제조에 앞서 건조한 분말로서 최종 수지에 첨가될 수 있다.Additives suitable for use selectively in the present compositions may include, without limitation, one or more of the following: pigments; Antioxidants; Materials for imparting a lower coefficient of thermal expansion, such as carbon fibers; Materials for providing high strength properties such as, for example, glass fibers, ceramic fibers, boron fibers, glass beads, whiskers, graphite whiskers or diamond powders; Materials for providing heat or heat resistant properties such as, for example, aramid fibers, metal fibers, ceramic fibers, whiskers, silica, silicon carbide, silicon oxide, alumina, magnesium powder or titanium powder; Substances for providing corona resistance, such as, for example, natural mica, synthetic mica or alumina; Materials for providing electrical conductivity such as, for example, carbon black, silver powder, copper powder, aluminum powder or nickel powder; Materials to further reduce wear or coefficient of friction, such as boron nitride or poly (tetrafluoroethylene) homopolymers and copolymers. The filler may be added to the final resin as a dry powder prior to the manufacture of the parts.

첨가제 및/또는 충전제 중 임의의 하나 또는 조합은 0.1 내지 80 중량% 범위의 양으로 존재할 수 있다. 선택된 특정 충전제 또는 충전제들, 뿐만 아니라 사용량은, 당업자에게 명백한 바와 같이, 물론 최종 조성물에서 요구되는 효과에 따라 좌우될 것이다.Any one or combination of additives and / or fillers may be present in amounts ranging from 0.1 to 80% by weight. The particular filler or fillers selected, as well as the amount of use, will, of course, depend on the effect required in the final composition, as will be apparent to those skilled in the art.

이러한 첨가제 또는 충전제는 전형적으로, PAA 중합체 용액의 전달 전에, 가열된 용매에 혼입되어, 그에 의해 혼입되는 충전제의 존재 하에 폴리이미드가 침전되지만, 항상 그런 것은 아니다. 일부 경우에, 충전제(들) 또는 첨가제(들), 또는 둘 모두는 폴리이미드 미립자와 함께 건조 블렌딩된다. 충전제의 형태는 최종 생성물에서의 충전제의 기능에 따라 좌우될 것이다. 예를 들어, 충전제는 미립자 또는 섬유질 형태일 수 있다.Such additives or fillers are typically incorporated into heated solvents prior to delivery of the PAA polymer solution, thereby precipitating the polyimide in the presence of the fillers incorporated therein, but this is not always the case. In some cases, the filler (s) or additive (s), or both, are dry blended with the polyimide particulates. The form of the filler will depend on the function of the filler in the final product. For example, the filler may be in particulate or fibrous form.

앞서 언급된 바와 같이, 본 발명의 폴리이미드 조성물은 산화적으로 안정하다. 산화 안정성을 시험하기 위하여, 하기에 기재된 바와 같이 인장 막대를 형성한 다음 정해진 길이의 시간 동안 극한의 온도에 노출시킨다. 시험 전 및 후 둘 모두에 인장 막대를 칭량하고 퍼센트 중량손실을 계산한다. 퍼센트 중량 손실이 5% 미만, 바람직하게는 3% 미만인 경우에 본 발명의 강성, 방향족 폴리이미드 조성물은 산화적으로 안정한 것으로 간주되는데, 이는 그러한 중량 손실이 인장 막대, 또는 더욱 구체적으로, 본 명세서에 개시된 바와 같은 본 발명의 방법에 의해 제조된 부품의 완결성을 떨어뜨리지 않기 때문이다.As mentioned above, the polyimide compositions of the present invention are oxidatively stable. To test oxidative stability, tension bars are formed as described below and then exposed to extreme temperatures for a defined length of time. Weigh the tension bar both before and after the test and calculate the percent weight loss. When the percent weight loss is less than 5%, preferably less than 3%, the rigid, aromatic polyimide compositions of the present invention are considered to be oxidatively stable, such that the weight loss is a tension bar, or more specifically, herein This is because the completeness of the parts produced by the method of the present invention as disclosed is not impaired.

본 발명의 폴리이미드 물품은 오직 탁월한 산화 안정성에 의해서만, 또는 오직 임의의 하나의 특성에 의해서만이 아니라, 내구성, 내마모성 및 마모 수명, 강성, 가열된 수분 및 가스에 대한 투과성, 및 열 노출 시의 결함에 대한 저항성과 같은, 고온 응용에서 중요한 다른 특성들과 함께, 예외적인 인장 특성에 의해서 특징지워진다. 인장 강도 및 연신율은 상기한 바와 같은 응용을 위해 특히 중요한 특성이다. 당업자에게 일반적으로 알려진 바와 같이, 낮은 연신율을 갖는 제품은 부서지기 쉬운 경향이 있어서 기계가공 동안 또는 내력(load bearing) 응용에서 균열을 야기한다.The polyimide articles of the present invention are not only due to excellent oxidative stability, or only by any one property, but also durability, wear resistance and wear life, stiffness, permeability to heated moisture and gases, and defects upon thermal exposure. Characterized by exceptional tensile properties, along with other properties important in high temperature applications, such as resistance to. Tensile strength and elongation are particularly important properties for such applications as described above. As is generally known to those skilled in the art, products with low elongation tend to be brittle, causing cracking during machining or in load bearing applications.

본 명세서에 개시된 바와 같이 제조된 폴리이미드 조성물은 승압 하에 매우 다양한 형태로 성형될 수 있다. 다수의 응용에서, 폴리이미드 조성물은 주위 온도에서 약 345 내지 690 ㎫ (50,000 내지 100,000 psi)의 압력에서 성형된다.Polyimide compositions prepared as disclosed herein can be molded into a wide variety of forms under elevated pressure. In many applications, the polyimide composition is molded at a pressure of about 50,000 to 100,000 psi at ambient temperature of about 345 to 690 MPa (50,000 to 100,000 psi).

가열된 수분 및 가스에 대한 투과성을 포함하는, 고온 응용을 위한 물품을 제조하는 방법은 직접 형성 방법이며, 폴리이미드 조성물을 주형으로 도입하고, 폴리이미드 조성물을 약 300℃ 내지 약 450℃의 승온에서 소결하면서 약 138 ㎫ (20,000 psi) 내지 약 345 ㎫ (50,000 psi), 바람직하게는 약 241 ㎫ (35,000 psi) 내지 약 310 ㎫ (45,000 psi), 가장 바람직하게는 약 276 ㎫ (40,000 psi)의 압력을 사용하여 부품을 압축하여 물품 또는 부품을 형성함으로써 수행된다.The method of making an article for high temperature applications, including permeability to heated moisture and gas, is a direct forming method, the polyimide composition is introduced into a mold and the polyimide composition is at an elevated temperature of about 300 ° C. to about 450 ° C. Pressure from about 138 MPa (20,000 psi) to about 345 MPa (50,000 psi), preferably about 241 MPa (35,000 psi) to about 310 MPa (45,000 psi), most preferably about 276 MPa (40,000 psi) By compressing the parts using the formed article or part.

약 138 ㎫ (20,000 psi) 내지 약 345 ㎫ (50,000 psi)에서 폴리이미드 조성물을 압축하여 제조된 물품 또는 부품은 고온 응용에 유용하다. 더욱 구체적으로, 본 발명의 방법에 의해 제조된 부품의 물품은 유리 제조, 및 더욱 구체적으로 유리 용기 제조에 유용하다. 그러한 물품 또는 부품에는 유리 취급 조립체, 및 그의 구성요소가 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 여기에는 테이크-아웃 조(take-out jaw) 인서트, 데드 플레이트(dead plate), 스위프 아웃 장치(sweep out device), 스택커 바(stacker bar), 스택커 바 패드, 스택커 바 베어링 및 이들 중 어느 것의 구성요소를 포함하는, 테이크-아웃 조 조립체 및 그 구성요소가 포함된다.Articles or parts made by compressing a polyimide composition from about 138 MPa (20,000 psi) to about 345 MPa (50,000 psi) are useful for high temperature applications. More specifically, articles of parts made by the method of the present invention are useful for glass making, and more specifically for glass container making. Such articles or parts include, but are not limited to, glass handling assemblies, and components thereof. These include take-out jaw inserts, dead plates, sweep out devices, stacker bars, stacker bar pads, stacker bar bearings, among which Included is a take-out jaw assembly and components thereof, including any of the components.

폴리이미드 재료는 대기 중의 수분을 쉽게 흡수한다. 환경에 따라, 평형점이 1 중량% 초과일 수 있다. 폴리이미드 물질이 가열될 때, 이러한 수분이 방출될 것이다. 그러나, 이러한 수분이 빠져나갈 수 있는 것보다 더 빠른 속도로 재료가 가열된다면, 블리스터링이 발생할 수 있다. 이러한 현상은 다수의 응용에서 폴리이미드 재료의 사용을 제한할 수 있다. 이러한 제한을 극복하기 위하여, 본 발명자들은 폴리이미드 재료의 투과성을 증가시키기 위한 방법을 연구하였다. 본 발명자들은 낮은 압력에서 폴리이미드 재료를 압착 또는 압축하는 것이 열 노출 동안 또는 신속한 열 사이클링에 대한 노출 동안 블리스터링에 대해 상당히 더 우수한 저항성을 갖는 더욱 다공성인 구조를 야기할 수 있음을 입증하였다. 본 발명자들은 또한 이것이 고온 마모 성능 및 내구성에 핵심적인, 재료의 기계적 특성에 크게 영향을 주지 않으면서 행해질 수 있음을 입증하였다.Polyimide materials readily absorb moisture in the atmosphere. Depending on the environment, the equilibrium point may be greater than 1 weight percent. When the polyimide material is heated, this moisture will be released. However, if the material is heated at a faster rate than this moisture can escape, blistering may occur. This phenomenon can limit the use of polyimide materials in many applications. To overcome this limitation, the inventors have studied a method for increasing the permeability of polyimide materials. The inventors have demonstrated that pressing or compressing polyimide materials at low pressure can result in a more porous structure with significantly better resistance to blistering during thermal exposure or during exposure to rapid thermal cycling. The inventors have also demonstrated that this can be done without significantly affecting the mechanical properties of the material, which is critical for high temperature wear performance and durability.

본 발명의 방법(들) 및 물품(들)에 사용되는 공중합체 기반 폴리이미드는, 전통적이며 보통 사용되는 폴리이미드 재료, 및 (예를 들어, 폴리이미드가 없는) 탄소 흑연 재료 의 사용과 비교하여, 고온 유리 취급 응용, 항공기 엔진 및 부품, 또는 분석 과학 기구와 같은 고온 응용에서 소정의 이점을 부여한다.Copolymer-based polyimides used in the method (s) and article (s) of the present invention are compared to the use of traditional and commonly used polyimide materials, and carbon graphite materials (eg, without polyimide) And certain advantages in high temperature applications such as high temperature glass handling applications, aircraft engines and components, or analytical scientific instruments.

본 명세서에 개시된 방법 및 용도는 낮은 열전도도를 제공하여, 전통적인 탄소 흑연을 사용해 제조된 물품과 비교하여 약 50 내지 100배 더 낮은 열전달 계수를 나타낸다. 본 발명의 물품의 더 낮은 열 전도도, 및 본 발명의 물품의 관련된 용도는, 블리스터 및 미세균열의 최소화 또는 제거를 가져옴으로써 품질 불량(quality reject)이 감소되고 생산성이 개선된다.The methods and uses disclosed herein provide low thermal conductivity, resulting in about 50 to 100 times lower heat transfer coefficients compared to articles made using traditional carbon graphite. Lower thermal conductivity of the articles of the invention, and related uses of the articles of the invention, result in minimization or removal of blisters and microcracks, thereby reducing quality rejection and improving productivity.

본 발명의 방법 및 물품은 고온 유리 제조 응용에 전통적으로 사용되는 탄소 흑연 부품보다 70 내지 100% 더 큰 고도의 내충격성을 제공하는 것으로 또한 밝혀졌다. 제작, 취급 및 사용 중 물품의 파손 감소는 물품의 수명을 연장시키며, 이어서 공정 신뢰도를 증가시키고 작업 비용을 감소시킨다.The methods and articles of the present invention have also been found to provide a high impact resistance of 70 to 100% greater than carbon graphite parts traditionally used in high temperature glass making applications. Reduced breakage of the article during manufacture, handling and use extends the life of the article, which in turn increases process reliability and reduces operating costs.

본 발명의 방법 및 물품에서 오일 흡수가 또한 관찰된다. 본 발명에서 제조된 구성요소는 탄소 흑연 부품보다 30배 더 적은 오일 흡수 내지 0의 오일 흡수를 나타낸다. 오일 흡수가 감소되거나 또는 없는 것은 물품에 의해 취급되는 용기에서 검사(checking)를 감소시켜 용기의 수율을 증가시키고 작업 비용을 감소시키는 이점을 제공한다.Oil absorption is also observed in the methods and articles of the invention. The components produced in the present invention exhibit 30 times less oil absorption to zero oil absorption than carbon graphite parts. Reduced or absent oil absorption provides the advantage of reducing the checking in containers handled by the articles, thereby increasing the yield of the containers and reducing the operating costs.

본 발명의 방법 및 물품의 다른 이점은 마모의 감소이다. 시험 결과는 진동(oscillatory) 조건에 있어서 315℃ (600℉)에서 탄소 흑연에 비해 3배 더 적은 마모를 보여주며, 이는 유리 취급 탄소 흑연 테이크-아웃 인서트보다 2배 내지 11배 더 긴 수명을 나타낸다. 그러한 이점은 상당히 더 긴 수명의 소모품을 야기하여 생산 효율을 증가시킨다.Another advantage of the methods and articles of the present invention is the reduction of wear. The test results show three times less wear compared to carbon graphite at 315 ° C. (600 ° F.) under oscillatory conditions, indicating a 2 to 11 times longer life than glass handled carbon graphite take-out inserts. . Such an advantage leads to a considerably longer life of consumables, thereby increasing production efficiency.

실시예Example

Figure pct00002
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상기 표에 기재된 시험 데이터를 위해서, 본 명세서에 개시된 바와 같은 폴리이미드 조성물의 샘플을 ASTM E8 - "분말 금속 제품을 위한 표준 인장 시험 시편-평평한 기계가공되지 않은 인장 시험 막대" (Standard Tension Test Specimen for Powdered Metal Products - Flat Un-machined Tensile Test Bar)에 따라 실온에서 그리고 138 내지 690 ㎫ (20,000 내지 100,000 psi) 범위의 압력에서 인장 막대로 제작하였다. 인장 막대를 질소 퍼징하면서 3시간 동안 405℃에서 소결하였다. ASTM D638에 따라 인장 강도 및 연신율을 측정하였다.For the test data listed in the table above, samples of polyimide compositions as disclosed herein were subjected to ASTM E8-"Standard Tension Test Specimen for Flat Metal Articles-Flat, Unmachined Tensile Test Rod" (Standard Tension Test Specimen for Powdered Metal Products-Flat Un-machined Tensile Test Bar) were fabricated with tension bars at room temperature and at pressures ranging from 20,000 to 100,000 psi (138 to 690 MPa). The tension bar was sintered at 405 ° C. for 3 hours with nitrogen purging. Tensile strength and elongation were measured according to ASTM D638.

아르키메데스 이론을 사용하여 비중을 측정하였다 (즉, 수중에서 시편 중량을 측정하고 이것을 시편의 건조 중량으로부터 빼서 부피를 결정한다. 그 다음, 이러한 부피를 건조 중량으로 나누어서 비중을 결정한다).Specific gravity was measured using Archimedes' theory (ie, the weight of the specimen was measured in water and subtracted from the dry weight of the specimen to determine the volume. Then, this volume was divided by the dry weight to determine specific gravity).

우선 인장 막대 또는 인장 막대의 부품을 알코올에 15분 동안 침지하고 149℃ (300℉)에서 1시간 동안 건조하여, 열 산화 안정성 (TOS)을 시험하였다. 냉각 시에, 시편을 칭량한 다음 공기 중에 483 ㎪ (70 psia)의 압력에서 371℃ (700℉)의 온도에 100시간 동안 노출시켰다. 최종 중량을 측정한 다음 하기 식에 따라 인장 막대의 퍼센트 중량 손실을 계산하였다:Tensile bars or parts of tension bars were first immersed in alcohol for 15 minutes and dried at 149 ° C. (300 ° F.) for 1 hour to test thermal oxidation stability (TOS). Upon cooling, the specimens were weighed and then exposed to air at a temperature of 371 ° C. (700 ° F.) for 100 hours at a pressure of 483 kPa (70 psia). The final weight was determined and then the percent weight loss of the tension bar was calculated according to the following formula:

% 중량 손실 = (초기 중량 - 최종 중량 / 초기 중량) × 100% Weight loss = (initial weight-final weight / initial weight) × 100

인장 막대 또는 인장 막대의 부품을 먼저 95℃ 물에 12일 동안 침지하여, 열 노출 또는 신속한 열 사이클링 동안의 블리스터링에 대한 저항성을 시험한다. 다음으로, 시편을 특정 온도로 예열된 오븐에 넣는다. 이러한 열 노출 후에 시편에 가시적인 균열 또는 블리스터링이 존재하지 않는 경우에 합격 결과를 얻는다. 138 및 276 ㎫ (20,000 및 40,000 psi)에서 압착된 샘플은 최대 400℃ (400℃ 포함)에 노출 후에 가시적인 결함을 나타내지 않았다. 414 내지 689 ㎫ (60,000 내지 100,000 psi)에서 압착된 샘플은 325℃ 이상의 온도에 노출 후에 결함을 나타내었다.Tension bars or parts of tension bars are first immersed in 95 ° C. water for 12 days to test resistance to blistering during heat exposure or rapid thermal cycling. Next, the specimen is placed in an oven preheated to a certain temperature. A pass result is obtained if there are no visible cracks or blisters on the specimen after this thermal exposure. Samples compressed at 138 and 276 MPa (20,000 and 40,000 psi) showed no visible defects after exposure to up to 400 ° C. (including 400 ° C.). Samples compressed at 60,000 to 100,000 psi (414 to 689 MPa) showed defects after exposure to temperatures above 325 ° C.

276 ㎫ (40,000 psi)에서 압착된 시편은 689 ㎫ (100,000 psi)에서 압착된 시편의 인장 강도의 88% 및 연신율의 94%를 유지하면서 400℃에서 긍정적인 블리스터링 저항 성능을 나타내는 것과 비교하여, 더 높은 압력에서 압착된 시편의 경우에는 단지 325℃에서 그러한 성능을 나타낸다는 것이 주목할 만하다.Specimens pressed at 276 MPa (40,000 psi) exhibited positive blistering resistance performance at 400 ° C. while maintaining 88% of tensile strength and 94% of elongation of the specimens compressed at 689 MPa (100,000 psi). It is noteworthy that in the case of specimens pressed at higher pressures only such performance is shown at 325 ° C.

열적, 화학적 또는 기계적 처리 단계 시에 열화 또는 연마 또는 분쇄되어 기공의 네트워크 또는 수분 배출 경로를 생성하는 희생 충전제(sacrificial filler)의 부가와 같은 다른 방법을 이용하여 저밀도 또는 증가된 기공 밀도의 부품을 얻을 수 있음에 주의하여야 한다. 그러나, 고온 응용을 위해 적합한 기계적 완결성을 갖는 부품을 달성하면서, 추가적인 충전제 및 처리 단계가 필요하지 않기 때문에 본 명세서에 기재된 방법이 경제적이다.Other methods, such as the addition of sacrificial fillers that deteriorate or polish or grind during thermal, chemical or mechanical processing steps to create a network of pores or paths of water discharge, can be used to obtain parts of low or increased pore density. Care should be taken. However, the methods described herein are economical because no additional fillers and processing steps are required, while achieving parts with mechanical integrity suitable for high temperature applications.

실시예Example 2: 비교 분석 2: comparative analysis

Figure pct00003
Figure pct00003

"실시예 2: 비교 분석"에서, "전통적인 폴리이미드"로 표지된 컬럼의 결과는 60 중량%의 통상적인 폴리이미드와 40 중량%의 흑연의 샘플을 사용하여 얻었다. "전통적인 탄소 흑연" 결과는 폴리이미드가 없는 흑연을 사용하여 얻었다. "본 발명의 공중합체 기반 폴리이미드" 결과는 50 중량%의 본 명세서에 개시된 것과 같은 폴리이미드 조성물과 50 중량%의 흑연의 샘플을 사용하여 얻었다.In "Example 2: Comparative Analysis", the results of the column labeled "Traditional Polyimide" were obtained using a sample of 60 weight percent conventional polyimide and 40 weight percent graphite. "Traditional carbon graphite" results were obtained using graphite without polyimide. The "copolymer based polyimide of the present invention" results were obtained using 50% by weight of a polyimide composition as disclosed herein and a sample of 50% by weight of graphite.

Claims (15)

고온 시스템에 사용하기에 적합한 물품을 제조하는 방법으로서,
상기 시스템은 기구(instrumentation) 및 장비(equipment)로 이루어지며, 상기 물품은 공중합체 기반 폴리이미드 조성물을 포함하고,
상기 조성물은
a) 방향족 테트라카르복실산 이무수물 성분; 및
b) (i) 60 몰% 초과 내지 약 85 몰%의 p-페닐렌 다이아민과, (ii) 15 몰% 내지 40 몰% 미만의 m-페닐렌 다이아민을 추가로 포함하는 다이아민 성분을 포함하며;
a) 및 b)는 1:1의 비로 존재하고;
상기 방법은 압축을 사용하여, 미리 결정된 형상의 부품을 형성하는 단계를 포함하고;
압축에 사용되는 압력의 양은 약 138 ㎫ (20,000 psi) 내지 약 345 ㎫ (50,000 psi)이어서, 수분에 대한 투과성 및 열 노출에 의해 야기되는 결함에 대한 저항성을 갖는 다공성 물품을 달성하는 방법.
A method of making an article suitable for use in a high temperature system,
The system consists of instrumentation and equipment, the article comprising a copolymer based polyimide composition,
The composition is
a) aromatic tetracarboxylic dianhydride component; And
b) a diamine component further comprising (i) greater than 60 mol% to about 85 mol% p-phenylene diamine and (ii) 15 mol% to less than 40 mol% m-phenylene diamine Includes;
a) and b) are present in a ratio of 1: 1;
The method comprises using compression to form a part of a predetermined shape;
The amount of pressure used for compression is from about 138 MPa (20,000 psi) to about 345 MPa (50,000 psi) to achieve a porous article having permeability to water and resistance to defects caused by heat exposure.
제1항에 있어서, 상기 압축 압력은 약 241 ㎫ (35,000 psi) 내지 약 310 ㎫ (45,000 psi)인 방법.The method of claim 1, wherein the compression pressure is about 241 MPa (35,000 psi) to about 310 MPa (45,000 psi). 제1항에 있어서, 상기 압축 압력은 약 276 ㎫ (40,000 psi)인 방법.The method of claim 1, wherein the compression pressure is about 276 MPa (40,000 psi). 제1항에 있어서, 상기 물품은 물품의 표면적에 비해 더 큰 단면적을 가지며, 상기 물품은 물품의 단면적에 존재하는 수분과 가스를 물품의 표면적을 통해 방출할 수 있는 방법.The method of claim 1, wherein the article has a larger cross-sectional area relative to the surface area of the article, and the article can release moisture and gas present in the cross-sectional area of the article through the surface area of the article. 제1항에 있어서, 상기 폴리이미드 조성물은 적어도 하나의 충전제 또는 첨가제를 포함하는 방법.The method of claim 1 wherein the polyimide composition comprises at least one filler or additive. 제5항에 있어서, 상기 충전제는 탄소질 충전제이고, 상기 탄소질 충전제는 천연 흑연, 합성 흑연 및 탄소 섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.6. The method of claim 5 wherein said filler is a carbonaceous filler and said carbonaceous filler is selected from the group consisting of natural graphite, synthetic graphite and carbon fibers. 제6항에 있어서, 상기 충전제는 플루오로중합체이고, 상기 플루오로중합체는 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.The method of claim 6, wherein the filler is a fluoropolymer, and the fluoropolymer is selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene. 제5항에 있어서, 상기 충전제는 카올리나이트, 세피올라이트, 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.6. The method of claim 5, wherein said filler is selected from the group consisting of kaolinite, sepiolite, and mixtures thereof. 제1항의 방법에 의해 제조된 물품.An article made by the method of claim 1. 제9항에 있어서, 회절 챔버(defracting chamber)를 분리하기 위한 분석 과학 기구에 사용하기에 적합한 물품.The article of claim 9 suitable for use in an analytical scientific instrument for separating a diffracting chamber. 제9항에 있어서, 대류 오븐 또는 가열된 컨베이어에 사용하기에 적합한 물품.10. The article of claim 9 suitable for use in a convection oven or a heated conveyor. 제9항에 있어서, 자동차 엔진 또는 자동차 서브시스템(subsystem)에 사용하기에 적합한 물품.10. The article of claim 9 suitable for use in an automotive engine or automotive subsystem. 제12항에 있어서, 상기 자동차 서브시스템은 배기 가스 재순환 시스템, 클러치 시스템, 펌프, 및 터보차저(turbocharger)로 이루어진 군으로부터 선택되는 물품.The article of claim 12, wherein the vehicle subsystem is selected from the group consisting of an exhaust gas recirculation system, a clutch system, a pump, and a turbocharger. 제12항에 있어서, 시일, 와셔, 베어링, 부싱(bushing), 가스킷 및 시일 링(seal ring)인 물품.13. The article of claim 12, which is a seal, washer, bearing, bushing, gasket and seal ring. 고온 시스템에 사용하기에 적합한 제조 물품으로서,
상기 시스템은 기구 및 장비로 이루어지며, 상기 물품은 공중합체 기반 폴리이미드 조성물을 포함하고,
상기 조성물은
a) 방향족 테트라카르복실산 이무수물 성분; 및
b) i) 60 몰% 초과 내지 약 85 몰%의 p-페닐렌 다이아민과, ii) 15 몰% 내지 40 몰% 미만의 m-페닐렌 다이아민을 추가로 포함하는 다이아민 성분을 포함하며;
a) 및 b)는 1:1의 비로 존재하고;
상기 물품은 다공성이며, 수분에 대한 투과성 및 열 노출에 의해 야기되는 결함에 대한 저항성을 갖는 물품.
As an article of manufacture suitable for use in high temperature systems,
The system consists of an appliance and equipment, the article comprising a copolymer based polyimide composition,
The composition is
a) aromatic tetracarboxylic dianhydride component; And
b) a diamine component further comprising i) greater than 60 mol% to about 85 mol% p-phenylene diamine, and ii) 15 mol% to less than 40 mol% m-phenylene diamine; ;
a) and b) are present in a ratio of 1: 1;
The article is porous and has permeability to moisture and resistance to defects caused by thermal exposure.
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