DE3787990T2

DE3787990T2 - Lösliche Polyimide.

Info

Publication number: DE3787990T2
Application number: DE3787990T
Authority: DE
Inventors: Kazuaki C O R D Laborat Harada; Hiroharu C O R D Laborat Inoue; Takero C O R D Labora Teramoto
Original assignee: Nippon Steel Corp; Nippon Steel Chemical Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Priority date: 1986-04-22
Filing date: 1987-04-16
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2007-04-17
Also published as: EP0242815B1; DE3787990D1; EP0242815A3; US4845185A; EP0242815A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft neue Polyimide, die eine hohe Hitzebeständigkeit aufweisen und die in einigen organischen Lösungsmitteln löslich und zur Bildung eines Films fähig sind.
Es ist auf dem Fachgebiet bereits bekannt, daß Polymere des Polyimidtyps äußerst ausgezeichnete Eigenschaften aufweisen, zum Beispiel Hitzebeständigkeit und Chemikalienbeständigkeit, und daher sind diese Polyimide besonders als Drahtummantelungen, Filme und Haftmittel geeignet.
Polyimide werden gegenwärtig auf folgende Weise hergestellt: Polyaminsäuren werden zuerst aus Tetracarbonsäurebestandteilen und Diaminbestandteilen hergestellt, und die entstandenen Polyaminsäuren werden dann mit verschiedenen Verfahren in Imide umgewandelt (d. h. die sogenannte Zweistufenherstellung von Polyimiden). Jedoch weisen die vorstehend erwähnten Zwischenstufen-Polyamide eine geringe Lagerstabilität und eine hohe, nichtbevorzugte Viskosität auf, die eine Gelierung sogar bei Rauintemperatur bewirkt, obwohl diese Polyamide eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit aufweisen, und so müssen sie bei niedriger Temperatur gelagert werden. Weiter wird, wenn man die Polyamide über einen längeren Zeitraum stehen läßt, ein Teil davon dehydratisiert, wobei ein Ringschluß bewirkt wird, und dabei werden Polyimide gebildet und unlöslich gemacht, was die Bildung einer Trübung bewirkt.
Die vorstehenden Nachteile der Herstellung und Verarbeitung der Polymere des Imidtyps können durch Synthese wasserlöslicher hochmolekularer Polyimide beseitigt werden. Zum Beispiel offenbaren JP-B-47-37706 und JP-A-56-36520 lösliche Polyimide, die unter Verwendung aliphatischer Verbindungen als Tetracarbonsäurebestandteil oder als Diaminbestandteil hergestellt werden. Jedoch ist die bedeutendste Eigenschaft der Polyimide, die Hitzebeständigkeit, bei diesen Polyimiden nichtbevorzugt herabgesetzt.
Weiter können die in JP-A-50-113597 offenbarten Polyimide, die von Biphenyltetracarbonsäure und p-Phenylendiamin abgeleitet sind, die hohe Hitzebeständigkeit halten, aber sie können nur in phenolischen Lösungsmitteln, wie m-Cresol oder Xylenol gelöst werden. Jedoch ist es mit diesen Lösungsmittel schwierig, Polyimide in hoher Konzentration zu lösen, und zusätzlich ist es schwierig, Polyimidfilme mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften herzustellen. Die Cardopolymere sind in J. Macromol Chem., C 11 (1), 45-142 (1974) zusammengefaßt.
Ein Aufsatz von Vinogradova und Mitarb. mit dem Titel "The Structure and Properties of Aromatic Polyimides", veröffentlicht in POLYMER SCIENCE U.S.S.R., Vol. 11, Nr. 12, S. 3098-3116 (Sept. 1970) beschreibt verschiedene Polyimide, nach dem Titel des Aufsatzes einschließlich Polyimide, die Pyromellitsäuredianhydrid und 9,9-Bis(4-aminophenyl)fluoren als Monomerbestandteile in der Polymerhauptkette enthalten.
Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung sind, die vorstehenden Nachteile zu beseitigen und neue Polyimide zu schaffen, die in organischen Lösungsmitteln sowie in phenolischen Lösungsmitteln löslich sind, während sie die gewünschte hohe Hitzebeständigkeit der Polyimide beibehalten.
Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus folgender Beschreibung offensichtlich.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Polyimid mit einer Ketteneinheit bereitgestellt, im wesentlichen dargestellt durch die Grundeinheit
in der X die folgenden Strukturen (A) und (B) darstellt:
wobei das Molverhältnis der Strukturen (A) zu (B) 1 : 99 bis 70 : 30 beträgt, und Y die folgende Struktur (C):
darstellt, in der R ein Wasserstoffatom, eine Methyl- oder Ethylgruppe bedeutet, das Polyimid, das mindestens in einem der Lösungsmittel Dimethylacetamid, N-Nethylpyrrolidon, m- Cresol, o-Chlorphenol und Methylenchlorid löslich ist, eine inhärente Viskosität (η, inh) von 0.25 dl/g oder mehr aufweist, bestimmt bei einer Temperatur von 30ºC in einer Lösung von 0.5 g des Polyimids in 100 ml o-Chlorphenol, und das Polyimid in einem Lösungsmittel erhältlich ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung soll das Löslichmachen der Polyimide ohne Verminderung der gewünschten Hitzebeständigkeit bewirkt werden. Jedoch sind die Löslichkeit und Hitzebeständigkeit gegensätzliche Eigenschaften, und daher wird, wenn die Löslichkeit erhöht wird, im allgemeinen die Hitzebeständigkeit vermindert. Demgemäß haben die Erfinder eine Untersuchung des Löslichmachens der Polyimide angestellt, während die Glasübergangstemperatur und die Zersetzungstemperatur beibehalten wurde und haben als Ergebnis die vorstehenden löslichen Polimide mit im wesentlichen der wiederkehrenden Einheit -(X-Y)- gefunden.
Die vorstehende Struktur X, die die vorliegenden löslichen Polyimide bildet, ist aus den vorstehenden Bestandteilen (A) und (B) und die Struktur Y aus dem Bestandteil (C) zusammengesetzt. Es wird angenommen, daß die Strukturen der von den Bestandteilen (A), (B) und (C) abgeleiteten Polymere die Polymerstruktur -(A-C)- und -(B-C)- sind. Von diesen Strukturen weist die Struktur -(A-C)- eine gute Hitzebeständigkeit aber keine wesentliche Löslichkeit in Lösungsmitteln auf. Andererseits ist die Struktur -(B-C)- in Lösungsmitteln löslich, zeigt aber eine niedrige Hitzebeständigkeit. Aus diesen Gründen sind gemäß der vorliegenden Erfindung die Strukturen der vorliegenden Polyimide auf die vorstehenden Strukturen beschränkt. Die Verwendung der vorstehenden Bestandteile ist wichtig für den Erhalt von Polyimiden mit sowohl der gewünschten Hitzebeständigkeit als auch Löslichkeit. Das Molverhältnis der Bestandteile (A) zu (B) liegt im Bereich von 1 : 99 bis 70 : 30, stärker bevorzugt 1 : 99 bis 60 : 40 und besonders bevorzugt 5 : 95 bis 60 : 40.
Der Bestandteil (A) ist zum Beispiel von Pyromellitsäuredianhydrid abgeleitet und der Bestandteil (B) ist zum Beispiel von Benzophenontetracarbonsäuredianhydrid abgeleitet. Weiter ist der Bestandteil (C) von 9,9-Bis(4-aminophenyl)fluoren oder Derivaten davon abgeleitet, bei denen ein oder mehrere Substituenten (z. B. Methyl- oder Ethylgruppen) in den aromatischen Ring eingeführt wurden.
Die erfindungsgemäßen Polyimide weisen eine inhärente Viskosität (η inh) von 0.25 dl/g oder mehr, vorzugsweise 0.30 dl/g oder mehr, stärker bevorzugt 0.35 dl/g bis 5 dl/g, bestimmt bei einer Temperatur von 30ºC in einer Lösung von 0.5 g des Polyimids in 100 ml o-Chlorphenol, auf. Ist die inhärente Viskosität geringer als 0.25 dl/g, ist der Polymerisationsgrad gering und daher sind die Formbarkeit und Verarbeitbarkeit vermindert. Das heißt die Bildung von Filmen und ähnlichem wird schwierig und die physikalischen Eigenschaften, wie Zugfestigkeit, werden unzufriedenstellend.
Die erfindungsgemäßen Polyimide können in mindestens einem der Lösungsmittel Dimethylacetamid, N-Methylpyrrolidon, m-Cresol, o-Chlorphenol und Methylenchlorid gelöst werden. Die Löslichkeit wird durch Erhöhung des Molverhältnisses des Bestandteils (B) in den Bestandteilen (A) und (B) des Polyimids erhöht.
Die erfindungsgemäßen Polyimide können zum Beispiel durch allmähliches Zugeben eines festen Gemisches von Pyromellitsäuredianhydrid und Benzophenontetracarbonsäuredianhydrid zu einer Lösung von 9,9-Bis(4-aminophenyl)fluoren in einem Lösungsmittel, wie m-Cresol oder o-Chlorphenol, anschließend Erhitzen bei einer Temperatur von 20ºC bis 50ºC während 1 bis 4 Stunden, vorzugsweise 2 bis 4 Stunden, 120ºC bis 180ºC während 1 bis 3 Stunden und 180ºC bis 220ºC während 1 bis 3 Stunden hergestellt werden. Während des letzten Schritts der Polymerisationsreaktion sollte das bei der Reaktion gebildete Wasser aus dem Reaktionsgemisch unter Verwendung eines azeotropen Destillationsverfahrens entfernt werden.
So können die gewünschten Polyimide mit hoher Hitzebeständigkeit und guter Löslichkeit erhalten werden.

BEISPIELE

Die vorliegende Erfindung wird weiter durch folgende Beispiele und Vergleichsbeispiele veranschaulicht, ist aber in keiner Weise darauf beschränkt.

Beispiel 1

In 40 ml m-Cresol wurden ein Gemisch aus 0.65 g Pyromellitsäuredianhydrid und 0.95 g Benzophenontetracarbonsäuredianhydrid (d. h. das Molverhältnis der Bestandteile (A) zu (B) beträgt 5 : 5) und 2.09 g 9,9-Bis(4-aminophenyl)fluoren suspendiert. Das Gemisch wurde dann bei einer Temperatur von 40ºC 2 Stunden gerührt, während man gasförmigen Stickstoff einblies, und nach Sicherstellen der Bildung einer homogenen Lösung wurde die entstandene Lösung weitere 2 Stunden bei einer Temperatur von 150ºC gerührt.
Weiter wurde die Lösung auf eine Temperatur von 190ºC erhitzt. Dann wurde nach Anbringen einer Destillationsapparatur auf der Reaktionsapparatur und Zugabe von zusätzlichem m-Cresol zum Reaktionssystem in einer Menge, die der destillierten Flüssigkeit entspricht, das Reaktionsgemisch weitere 2 Stunden gerührt, anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt. Die so erhaltene Reaktionslösung war gleichförmig und homogen. Die Lösung wurde auf die Oberfläche einer Glasplatte gegossen, um einen Film zu bilden.
Das vorstehend erhaltene Polyimid in Form eines Films zeigte keine Glasübergangstemperatur und wies eine Temperatur der anfänglichen Zersetzung von 500ºC und eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit auf. Das Polyimid war löslich in Dimethylacetamid, N-Methylpyrrolidon, m-Cresol und Methylenchlorid.
Die inhärente Viskosität (η inh) des vorstehend erhaltenen Polyimids wurde durch Auflösen von 0.5 g Polyimid in 100 ml o-Chlorphenol bestimmt. Die Bestimmung wurde bei einer Temperatur von 30ºC in einem konstanten Temperaturbad durchgeführt. Die bestimmte inhärente Viskosität betrug 0.53 dl/g. Das IR-Absorptionsspektrum des vorstehend erhaltenen Polyimids zeigte deutlich die Absorption eines Imidrings bei 1720 cm&supmin;¹ und 1780 cm-¹.

Beispiele 2 bis 6

Die Polyimide wurden genauso wie im Beispiel 1 hergestellt, außer daß die Mengen der Bestandteile (A) und (B), wie in Tabelle 1 gezeigt, geändert wurden.
Die Ergebnisse einschließlich der Ergebnisse vom Beispiel 1 sind in Tabelle 1 gezeigt. Die Temperatur der anfänglichen Zersetzung war die Temperatur, bei der die Abnahme des Gewichts der Polyimidprobe begann, wie mit Thermogravimetrie bestimmt (TG).
Das Polyimid vom Beispiel 3 weist folgende physikalische Eigenschaften auf:
Zugfestigkeit 97.8 MPa (10.0 kgf/mm²)
Zugelastizitätsmodul 4.01 GPa (410 kgf/mm²)
Volumenresistivität 2.6 · 10¹&sup5;Ω·cm
Gesamte Lichtdurchlässigkeit 86.5% Tabelle 1 Beispiel A (g) B(g) Molverhältnis (A/B) Temperatur der anfänglichen Zersetzung (ºC) inh (dl/g) Löslichkeit* o-Chlorphenol N-Methylpyrrolidon Dimethylacetamid Dichlormethan
*o - löslich bei Raumtemperatur in einer Lösung mit 15 Gew.-%.
x - nicht löslich bei Raumtemperatur in einer Lösung mit 15 Gew.-%.

Vergleichsbeispiele 1 und 2

Die Polyimide wurden genauso wie im Beispiel 1 hergestellt, außer daß als Bestandteile (A) und (B) 1.30 g Pyromellitsäuredianhydrid (d. h. Vergleichsbeispiel 1 nur der Bestandteil (A)) und 1.93 g Benzophenontetracarbonsäuredianhydrid (d. h. Vergleichsbeispiel 2, nur der Bestandteil (B)) verwendet wurden.
Das Produkt beim Vergleichsbeispiel 1 zeigte im wesentlichen keine Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln bei Raumtemperatur in einer Lösung von 15 Gew.-%.
Andererseits war im Fall des Produkts beim Vergleichsbeispiel 2, in dem nur der Bestandteil (B), Benzophenontetracarbonsäuredianhydrid, verwendet wurde, das Produkt löslich in Dimethylacetamid, Methylenchlorid, N-Methylpyrrolidon und m-Cresol. Die inhärente Viskosität (η inh) betrug 0.41 dl/g und die Temperatur der anfänglichen Zersetzung 455ºC.

Vergleichsbeispiel 3

Ein Polyimid des Benzophenontetracarbonsäuretyps wurde mit dem herkömmlichen Zweistufenverfahren hergestellt.
Zu einer Lösung von 2.09 g 9,9-Bis(4-aminophenyl)fluoren in 40 ml Dimethylacetamid wurden allmählich 1.93 g Benzophenontetracarbonsäuredianhydrid zugegeben und das Gemisch dann 20 Stunden bei Raumtemperatur gerührt.
Die entstandene Polyamidsäure wurde auf eine Glasplatte gegossen und dann bei einer Temperatur von 220ºC wärmegehärtet oder erhitzt, um die Reaktion zu beschleunigen. So wurde der Polyimidfilm mit einem herkömmlichen Verfahren hergestellt.
Die Glasübergangstemperatur des vorstehend erhaltenen Polyimids lag oberhalb der Temperatur der anfänglichen Zersetzung von 455ºC. So war das Polyimid bei Raumtemperatur nicht in den vorstehenden Lösungsmitteln in einer 15 Gew.-%igen Lösung löslich.
Wie vorstehend erwähnt, sind lösliche Polyimide gegenwärtig im wesentlichen nicht im Handel erhältlich, und es wird angenommen, daß die Bereiche der Anwendung für die Polyimide wegen deren nachteiliger Verarbeitbarkeit (z. B. Löslichkeit in einem Lösungsmittel) beschränkt sind, obwohl die Polyimide ausgezeichnete physikalische Eigenschaften aufweisen.
Demgemäß wurden bis jetzt Polyamidsäuren, die die Vorstufen von Polyimiden sind, verwendet und wärmegehärtet, wobei Polyimide erzeugt wurden. Da jedoch die erfindungsgemäßen Polyimide verglichen mit herkömmlichen Polyimiden verbesserte Löslichkeit in Lösungsmitteln und auch gute Hitzebeständigkeit aufweisen, können die vorliegenden Polyimide in einem weiten Bereich, zum Beispiel auf den elektrischen und elektronischen Fachgebieten, verwendet werden.
Weiter können die vorliegenden Polyimide auch, da die vorliegenden Polyimide neue Polyimide sind, bei denen die Probleme herkömmlicher Polyimide überwunden sind, in einem weiten Bereich in verschiedenen Anwendungsgebieten, zum Beispiel als hitzebeständige Beschichtungszusammensetzungen, verschiedene Beschichtungsmaterialien und Hohlfasern, verwendet werden. So ist offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung von industriellem Wert ist.

Claims

1. Polyimid mit einer Ketteneinheit, im wesentlichen dargestellt durch Grundeinheit

in der X die folgenden Strukturen (A) und (B) darstellt

wobei das Molverhältnis der Strukturen (A) zu (B) 1 : 99 bis 70 : 30 beträgt, und Y die folgende Struktur (C) darstellt, in der R ein Wasserstoffatom, einen Methyl- oder Äthylrest bedeutet, das Polyimid, das mindestens in einem der Lösungsmittel Dimethylacetamid, N-Methylpyrrolidon, m-Cresol, o-Chlorphenol und Methylenchlorid löslich ist, eine inhärente Viskosität (η inh) von 0,25 dl/g oder mehr, bestimmt bei einer Temperatur von 30ºC in einer Lösung von 0,5 g des Polyimids in 100 ml o-Chlorphenol, aufweist und das Polyimid in einem Lösungsmittel erhältlich ist.

2. Polyimid nach Anspruch 1, wobei das Molverhältnis der Strukturen (A) zu (B) 1 : 99 bis 60 : 40 beträgt.