ES2273673T3 - Composiciones de poli (amida-acido amico) con base acuosa. - Google Patents

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Abstract

Una composición que contiene agua, una amina alifática y un poli(amida-ácido ámico) que tiene un índice de acidez mayor que 100 mg de KOH/g, comprendiendo dicho poli(amida-ácido ámico) unidades de amida-ácido ámico según la siguiente fórmula [1], en la que R es un radical arileno divalente. [1]

Description

Composiciones de poli(amida-ácido ámico) con base acuosa.
Antecedentes de la invención
Esta solicitud reivindica el beneficio de la solicitud provisional de Estados Unidos nº 60/123.961, presentada el 12 de marzo de 1999.
Esta invención se refiere a nuevas composiciones de poli(amida-ácido ámico) aromático con base acuosa que son útiles para dar formulaciones para revestir y aprestar fibras, superficies metálica, superficies de vidrio y otros materiales. Las resinas de poli(amida-ácido ámico) que comprenden las composiciones con base acuosa descritas en esta invención tienen un alto índice de acidez comparadas con las resinas de amida-ácido ámico y amida-imida de la técnica anterior, lo cual tiene como resultado solubilidad mejorada, proporcionando revestimientos que tienen mayor adhesión a los sustratos debido a una mayor reactividad química. Las composiciones acuosas de poli(amida-ácido ámico) de esta invención contienen sólo cantidades despreciables de disolventes orgánicos, a diferencia de las formulaciones de revestimiento y apresto de la técnica anterior, y son por lo tanto más deseables para uso donde los costes energéticos y los factores medioambientales sean importantes consideraciones.
Los polímeros y copolímeros de amida-imida aromáticas han sido conocidos durante más de 30 años y han sido ampliamente aceptados comercialmente para uso como esmaltes para alambre y barnices eléctricos y en una amplia variedad de otros usos para revestimiento. Estos polímeros también se usan en el apresto de fibras, como adhesivos, y como resinas impregnantes para tejidos y para materiales compuestos que comprenden fibra o materiales en partículas. Debido a que los polímeros de amida-imida son intratables y sustancialmente insolubles, las formulaciones de revestimiento y apresto se aplican generalmente al trabajo como un precursor de polímero de amida-ácido ámico. El revestimiento o matriz de resina de poli(amida-ácido ámico) se cura después térmicamente, generalmente a una temperatura por encima de alrededor de 150°C formando una resina de poli(amida-imida).
Cuando se usan en aplicaciones de revestimiento, las resinas de poli(amida-ácido ámico) se aplican lo más convenientemente a partir de solución. Debido a que el curado térmico se produce generalmente a temperaturas muy por debajo de la temperatura de fusión de estas resinas, no son prácticos los procedimientos de revestimiento en estado fundido. Los disolventes empleados para estos fines son generalmente disolventes polares y tienen un elevado punto de ebullición. Los disolventes que contienen nitrógeno, por ejemplo, dimetilacetamida, N-metilpirrolidona, dimetilformamida y los similares se emplean ampliamente, y también se han encontrado útiles éteres tales como tetrahidrofurano. Estos disolventes son difíciles de separar completamente del sustrato de revestimiento, requiriendo extensos periodos de secado, a menudo a presión reducida. Según la técnica, los disolventes nitrogenados y los disolventes de éter, tales como tetrahidrofurano, tienen una fuerte afinidad por estas resinas polares, formando complejos estequiométricos en la precipitación. El disolvente unido puede ser difícil de separar de estos complejos: por ejemplo, los polímeros precipitados en tetrahidrofurano pueden contener tanto como 19 por ciento en peso (% en peso) o más de disolvente éter residual, incluso después de un extenso secado. Los costes energéticos asociados con el secado y el curado, junto con la necesidad de recuperar el disolvente volatilizado, debido a consideraciones medioambientales así como al coste del disolvente, impactan sustancialmente en el atractivo comercial de las resinas de poli(amida-imida) como revestimientos.
Métodos alternativos descritos en la técnica incluyen formar un poli(amida-ácido ámico) en solución en un disolvente polar, precipitar la resina añadiendo un no-disolvente para el polímero miscible, por ejemplo, agua o un alcohol, lavar la resina repetidamente para separar los disolventes residuales y los subproductos de reacción solubles en agua, y después secar. La resina de poli(amida-ácido ámico) sólida se puede moldear por compresión o fabricar o conformar de otra forma en la forma deseada, después curar en estado sólido o en estado fundido calentando el artículo de resina durante extensos periodos, separando el agua a medida que se forma durante el curado. Aunque es útil para proporcionar artículos moldeados, particularmente cuando se emplean composiciones de resina cargada, este método encuentra poco uso en aplicaciones de revestimiento y apresto debido al bajo flujo de fusión e intratabilidad de la
resina.
Las resinas de poli(ácido ámico) y poli(amida-ácido ámico) aromáticas - sustancialmente exentas de disolventes polares de alto punto de ebullición y medioambientalmente indeseables, producidas por métodos conocidos hasta ahora y descritos en la técnica, son por lo tanto resinas sólidas, inapropiadas para la aplicación directa como revestimiento o apresto. Las resinas de poli(amida-ácido ámico) aromáticas se hacen disponibles para el comercio en forma sólida seca. No obstante, estas composiciones ni son solubles ni fácilmente dispersables en disolventes considerados medioambientalmente aceptables, incluyendo particularmente el agua. Un método apropiado para formar soluciones o dispersiones acuosas de poli(amida-ácido ámico)s con un bajo nivel de disolvente residual que se pueden aplicar a un sustrato, secar y curar con un mínimo de hidrólisis o que afecte de otra forma perjudicialmente a la resina sería un avance importante en la técnica de los revestimientos. Las formulaciones acuosas con bajo disolvente residual que comprenden resinas de poli(amida-ácido ámico) encontrarían amplia aceptación en el comercio y los medios para proporcionar tales composiciones representarían un avance importante y útil en la técnica de los
revestimientos.
Breve sumario de la invención
Esta invención se refiere a composiciones acuosas que comprenden un poli(amida-ácido ámico) y a un método para crear composiciones acuosas de poli(amida-ácido ámico). Más en particular, las composiciones acuosas de esta invención comprenden un poli(amida-ácido ámico) dispersado en agua, preferentemente disuelto en una mezcla que comprende agua y una amina.
Las composiciones acuosas de esta invención están sustancialmente exentas de disolvente orgánico polar residual y son útiles para dar revestimientos que se adhieren bien a varios sustratos, incluyendo particularmente metales. También se pueden preparar formulaciones útiles como aprestos e impregnaciones que comprendan estas composiciones acuosas. Los revestimientos y películas que comprenden el componente acuoso de resina de poli(amida-ácido ámico) en combinación con amina terciaria se secan y curan térmicamente fácilmente, formado la correspondiente poli(amida-imida).
Descripción detallada de la invención
Las composiciones de poli(amida-ácido ámico) con base acuosa de esta invención comprenden un poli(amida-ácido ámico) aromático disuelto o dispersado en agua. Los métodos para producir resinas de poli(amida-ácido ámico) apropiadas para uso en la práctica de esta invención son muy conocidos en la técnica y están descritos en ella, por ejemplo, en la patente de Estados Unidos 5.230.950.
Generalmente descritos, los poli(amida-ácido ámico)s se preparan por la reacción de policondensación de al menos un ácido policarboxílico aromático apropiado o reactivo derivado del mismo y una o más diaminas aromáticas. La polimerización se lleva acabo convenientemente bajo condiciones sustancialmente anhidras en un disolvente polar y a una temperatura por debajo de alrededor de 150°C, empleando sustancialmente cantidades estequiométricas del componente de ácido carboxílico y del componente de amina reactivos. Si se desea, se puede emplear un ligero exceso estequiométrico, típicamente desde alrededor de 0,5 hasta alrededor de 5% en moles, de cualquiera de los componentes monómeros, preferentemente el componente de anhídrido de ácido carboxílico, con el fin de controlar el peso molecular; por otra parte, se puede emplear un reactante monofuncional como un agente de remate terminal para este fin, y para mejora la estabilidad.
Como se describirá con mayor detalle en ésta más adelante, los poli(amida-ácido ámico)s útiles en la práctica de esta invención tendrán deseablemente un alto nivel de funcionalidad de ácido ámico, y también se pueden describir y caracterizar convenientemente como que tienen un alto índice de acidez. Los poli(amida-ácido ámico)s formados a partir de compuestos de ácido trimelítico reactivos o compuestos de ácido tricarboxílico similares comprenderán en teoría un agrupamiento de ácido ámico por unidad repetida de ácido tricarboxílico. Imidar o curar térmicamente la resina cicla los grupos de ácido ámico para formar uniones imida, reduciendo por ello el nivel de funcionalidad ácido ámico y por lo tanto reduciendo el índice de acidez. Las resinas de poli(amida-ácido ámico) preferidas para uso para formar soluciones acuosas según la invención contendrán al menos 50% en moles, preferentemente mayor que 75% en moles, y más preferentemente contendrán tan grande como 90% en moles hasta tanto como 100% del nivel teórico de funcionalidad ácido ámico.
Es, por lo tanto, esencial evitar condiciones de procedimiento durante la polimerización y en el procesamiento posterior para aislar y recoger el poli(amida-ácido ámico) sólido que puedan imidar el poli(amida-ácido ámico). El poli(amida-ácido ámico) se aislará por lo tanto en forma sólida bajo condiciones suaves, preferentemente siendo coagulado o precipitado del disolvente de reacción polar añadiendo un no disolvente miscible, por ejemplo, agua, un alcohol alquílico inferior o los similares. La resina sólida se puede recoger entonces y lavar a fondo con agua y centrifugar o prensar para reducir más el contenido de agua del sólido sin aplicar calor.
Se conocen no disolventes distintos del agua y los alcoholes alquílicos inferiores y han sido usados en la técnica para precipitar poli(ácido ámico)s y poli(amida-ácido ámico)s de solución, incluyendo, por ejemplo, éteres, hidrocarburos aromáticos, cetonas y los similares. La mayoría de tales no disolventes no son solubles en agua y, por lo tanto, no se separan fácilmente de la resina sólida por lavado y, por lo tanto, no son preferidos. Además, los no disolventes miscibles de alto punto de ebullición pueden ser difíciles de separar del disolvente de reacción polar y recuperar para reciclado.
Para formar una solución acuosa de poli(amida-ácido ámico), la resina sólida se dispersará o disolverá en una mezcla que comprenda agua y una amina alifática, preferentemente una amina terciaria.
Combinar la resina sólida de poli(amida-ácido ámico) con una cantidad de una amina apropiada eficaz para neutralizar sustancialmente la funcionalidad de ácido ámico y formar la correspondiente sal de amina puede bastar para disolver el poli(amida-ácido ámico). Se sabe que las composiciones acuosas que comprenden poli(ácido ámico)s y que contienen mayor que 100% de la cantidad estequiométrica o de neutralización de amina, más particularmente desde 110% hasta 150%, basada en la cantidad de grupos ácido ámico presentes en el polímero, son marcadamente más estables a la hidrólisis, de aquí que se preferirán las formulaciones basadas en poli(amida-ácido ámico)s que comprendan igualmente altos niveles de amina. Las composiciones acuosas según esta invención que contengan una cantidad de amina terciaria sustancialmente en exceso de la cantidad estequiométrica, lo más preferentemente desde 150% de la cantidad estequiométrica hasta tanto como un exceso de 5 veces, serán más preferidas, y aún se pueden emplear convenientemente mayores niveles de amina sin afectar perjudicialmente a las propiedades de revestimiento de la resina de poli(amida-ácido ámico). Además de mejorar la estabilidad de la solución de estas composiciones, se puede encontrar que grandes excesos de amina mejoran la velocidad de disolución de la resina
sólida.
Se sabe que las aminas terciarias aumentan la velocidad de imidación y curado térmicos para los poli(ácido ámico)s
y pueden ser eficaces en fomentar el curado rápido de las películas y revestimientos de poli(amida-ácido ámico). Aunque se puede encontrar que las soluciones acuosas de resina de poli(amida-ácido ámico) que comprenden tan poco como 80% de una cantidad estequiométrica de amina tengan una menor estabilidad hidrolítica, tales soluciones pueden encontrar uso en aplicaciones donde la estabilidad de la solución sea de menor importancia que velocidades de curado rápidas.
Neutralizar y disolver la resina sólida se puede llevar a cabo convenientemente en una única operación añadiendo la resina, preferentemente en forma de polvo, a la cantidad requerida de agua que contiene la amina terciaria. La cantidad de agua empleada será generalmente suficiente para dar una solución que contenga 0,5 hasta 20% en peso, preferentemente desde 1 hasta 6% en peso, más preferentemente desde 1 hasta 6% en peso de poli(amida-ácido ámico). Puede ser deseable para preparar la composición acuosa combinar primero la resina sólida directamente con amina terciaria, y después rebajar la mezcla diluyendo con agua.
Más particularmente descrito, las resinas de poli(amida-ácido ámico) preferidas para uso para formar las composiciones acuosas de esta invención se pueden preparar por la reacción de ácido trimelítico o un derivado del mismo tal como, por ejemplo, un éster de alquilo inferior de anhídrido de ácido trimelítico o un haluro de ácido trimelítico, preferentemente el cloruro de ácido de anhídrido trimelítico, es decir, cloruro de anhídrido trimelítico (CATM), con al menos una diamina aromática tal como, por ejemplo, p-fenilendiamina, m-fenilendiamina, oxibis(anilina), bencideno, 1,5-diaminonaftaleno, oxibis(2-metilanilina), 2,2-bis[4-(p-aminofenoxi)fenil]propano, bis[4-(p-aminofenoxi)]benceno, bis[4-(3-aminofenoxi)]-benceno y 4,4'-metilendianilina. La diamina aromática preferida es 4,4'-metilendianilina (MDA). Ejemplos de otras diaminas primarias aromáticas útiles se exponen en la patente de Estados Unidos nº 3.494.890 (1970) y patente de Estados Unidos nº 4.016.140 (1977).
Las diaminas aromáticas también se pueden polimerizar con dianhídridos de ácido tetracarboxílico tales como dianhídrido de ácido benzofenonatetracarboxílico (DABT), dianhídrido de ácido piromelítico (DAPM) o los similares, según la técnica, para dar poli(ácido ámico)s. Al curar, estos poli(ácido ámico)s forman revestimientos y películas de resina de poliimida. Éstos y similares dianhídridos aromáticos descritos en la técnica para la preparación de poliimidas también son conocidos y descritos en la técnica para uso en combinación con CATM para dar resinas de copolímero de poli(amida-imida). Véase, por ejemplo, el documento US 4.879.345. Las resinas de poli(amida-ácido ámico) en las que se sustituye hasta 25% en moles de monómero de CATM por uno o más de tales monómeros de dianhídrido adicionales también se pueden encontrar útiles en la práctica de esta invención. Por otra parte, también se pueden encontrar útiles mezclas útiles que comprendan las resinas de poli(amida-ácido ámico) preferidas y hasta 25% en peso de una resina de poli(ácido ámico) de la técnica anterior que tenga un alto nivel de funcionalidad ácido como se describe.
La reacción de un haluro de ácido trimelítico y una diamina aromática, por ejemplo, CATM y MDA, para formar el poli(amida-ácido ámico) se puede llevar a cabo convenientemente en un disolvente apropiado tal como N-metilpirrolidona (NMP); se pueden usar otros disolventes polares tales como N,N-dimetilformamida (DMF), metiletilcetona (MEK), N,N-dimetilacetamida (DMAC) y hexametilfosforamida (HMPA).
La relación molar de MDA a CATM estará preferentemente en el intervalo desde 0,9:1 hasta 1,1:1. Generalmente, la polimerización se llevará a cabo combinando y disolviendo primero MDA en el disolvente en el recipiente de reacción y después añadiendo monómero de CATM, con agitación. La reacción, que es exotérmica, se puede controlar convenientemente regulando la velocidad de adición de los reactantes al recipiente de reacción y por medio de refrigeración externa. La masa de reacción se mantendrá a una temperatura por debajo de 150°C para evitar el curado, y preferentemente en un intervalo desde 20°C hasta 50°C, más preferentemente desde 27°C hasta 50°C, durante un periodo desde alrededor de 1 hasta alrededor de 10 h, para completar la polimerización. El tiempo de reacción no es crítico, y puede variar desde alrededor de 1 hasta alrededor de 24 h, dependiendo de la temperatura de reacción, siendo preferido alrededor de 2 hasta alrededor de 4 h, a una temperatura en el intervalo desde 30°C hasta alrededor de
50°C.
El poli(amida-ácido ámico) formado por la reacción se puede aislar por cualquier medio conveniente, por ejemplo, mediante precipitación con agua. El poli(amida-ácido ámico) precipitado se lava, preferentemente con agua, y se recoge filtrando o centrifugando para dar un poli(amida-ácido ámico) con un bajo nivel de disolvente residual.
El poli(amida-ácido ámico) usado en esta invención se puede describir adicionalmente como un material polimérico que comprende una mezcla de unidades de amida-ácido ámico que se pueden representar por la siguiente fórmula estructural:
1
en la que la unión de los dos grupos amida al anillo aromático, como se muestra, se entenderá que representa las configuraciones 1,3 y 1,4-poli(amida-ácido ámico), junto con unidades de amida-imida que se pueden representar por la siguiente fórmula estructural:
2
en la que R en la estructura anterior es el resto derivado del componente de diamina aromática. R se puede describir además como un resto arileno divalente, sustituido o no sustituido, seleccionado del grupo que consiste en:
3
en los que A es un radical divalente seleccionado, por ejemplo, del grupo que consiste en -SO_{2}-, -CO-, -C(CH_{3})_{2}-, -O-, -S-, y un enlace químico directo. Diaminas aromáticas que tienen otros grupos de unión también son conocidas en la técnica y usadas como monómeros en la producción de resinas de poli(amida-imida) y la mayoría se encontrarán apropiadas para uso según la práctica de esta invención.
Para el poli(amida-ácido ámico) preferido según la invención, en el que el componente de diamina aromática es MDA, las unidades A y B se pueden representar más particularmente por las fórmulas estructurales
4
y
5
La relación de A, las unidades de amida-ácido ámico, a B, las unidades de amida-imida, en los poli(amida-ácido ámico)s de esta invención será alta, apropiadamente 20:1 hasta 1,01:1, preferentemente 18:1 hasta 5:1, lo más preferentemente 16:1 hasta 8:1. Las unidades A del poli(amida-ácido ámico) por lo tanto comprenderán apropiadamente mayor que 50% en moles de la suma total de unidades de amida-ácido ámico y unidades de amida-imida en el polímero, preferentemente mayor que 75% en moles y lo más preferentemente mayor que 90% en moles. Por lo tanto, la mayoría de las unidades en el poli(amida-ácido ámico) están en la forma de ácido ámico, es decir, A anterior.
El índice de acidez (miligramos de KOH/gramo) del poli(amida-ácido ámico) es apropiadamente mayor que 100, preferentemente en el intervalo desde 100, más preferentemente 110 y aún más preferentemente mayor que 120, y puede ser hasta el índice de acidez teórico para una resina que comprenda sólo unidades estructurales A como la mostrada anteriormente. El índice de acidez de una resina completamente lavada es principalmente una función de la cantidad de componente de ácido ámico, unidad A, presente en la resina, y puede ser aproximada sobre una base teórica como:
\text{Índice de acidez teórico (mg KOH)} = \frac{(\text{fracción molar de unidades A})\cdot 56}{\text{Pm de las unidades A}}\ 100
Por ejemplo, para una resina formada enteramente de metilendianilina y CATM en cantidades equimolares y que contenga una fracción molar de 1,0 de unidades A, el peso molecular de la unidad repetida será 372, y el índice de acidez teórico será aproximadamente 150 mg de KOH/g de resina. Para una resina que esté completamente imidada, es decir, que contenga sólo unidades B, el índice de acidez sería cero.
Se entenderá que el índice de acidez puede ser mayor que el valor teórico si se usa en la polimerización un desequilibrio estequiométrico que favorezca al componente trimelítico, y también si se produce hidrólisis del ácido ámico durante la polimerización o la etapa de lavado. El índice de acidez también se aumentará por cualquier subproducto de reacción ácido tal como HCl no eliminado en la etapa de lavado y, si el polímero contiene grupos finales ácidos, dependerá en menor grado del peso molecular del polímero. Estos factores se pueden tomar en cuenta, si se considera apropiado, al calcular un índice de acidez teórico corregido para un producto de resina. Generalmente, no obstante, el índice de acidez se puede tomar como una aproximación grosera del grado de imidación que ha tenido lugar, es decir, la proporción de unidades A y unidades B en el polímero. Como se indica, los productos de resina de poli(amida-ácido ámico) preferidos tendrán un bajo nivel de imidación: la relación molar de unidades A será por lo tanto mayor que 0,50 y, por ello, la resina tendrá un alto índice de acidez.
El peso molecular del poli(amida-ácido ámico) será generalmente mayor que 1.000 hasta 10.000, más preferentemente desde 1.000 hasta 6.000 y aún más preferentemente desde 2.000 hasta 4.500 g/mol.
La torta húmeda lavada y prensada de poli(amida-ácido ámico), aislada de la mezcla de reacción por precipitación y filtración, será un polvo sólido y húmedo que comprende tanto como 80% en peso de agua, preferentemente desde 40 hasta 70% en peso de agua, basado en el peso combinado de agua y polímero. Puede ser deseable minimizar el contenido de agua de la torta húmeda de la resina prensando más o por medios convencionales similares para reducir el contenido de agua. No obstante, es esencial que estos procedimientos sean llevados a cabo sin someter a la resina a calor u otras condiciones que puedan imidar o producir una reducción en el peso molecular, por ejemplo, por hidrólisis. Para la mayoría de los usos, incluyendo proporcionar una solución acuosa del poli(amida-ácido ámico) como se describe adicionalmente en ésta más adelante, la torta húmeda se empleará convenientemente sin secado adicional.
Como se indica, la polimerización para formar el poli(amida-ácido ámico) se llevará a cabo bajo condiciones sustancialmente anhidras para evitar la hidrólisis de los precursores así como la hidrólisis del poli(amida-ácido ámico). Se comprende bien en la técnica que los poli(ácido ámico)s son sensibles al agua, particularmente cuando se mantienen a un pH neutro o ácido. La función amida del agrupamiento de ácido ámico queda hidrolizada bajo estas condiciones, rompiendo la cadena del polímero y causando una pérdida en el peso molecular. Se cree que la funcionalidad ácido dicarboxílico aromático que resulta de la hidrólisis se puede ciclar térmicamente para formar una funcionalidad anhídrido que es reactiva hacia los grupos terminales amina. El calentamiento y el curado, por lo tanto, pueden reformar la cadena del polímero, "curando" por ello el polímero. Como será evidente de un examen de la fórmula estructural A, los poli(amida-ácido ámico)s, incluyendo aquellos preferidos para uso en la práctica de esta invención, contienen una función amida además de un agrupamiento de ácido ámico. La segunda funcionalidad amida se hidroliza fácilmente bajo condiciones ácidas en presencia de agua, formado un grupo ácido carboxílico que es sustancialmente no reactivo. La pérdida en el peso molecular producida por esta etapa de hidrólisis, que se piensa que es irreversible, puede tener como resultado una completa despolimerización del poli(amida-ácido ámico). Por lo tanto, se entenderá que es altamente deseable minimizar el contacto con agua bajo condiciones que hidrolizarán el poli(amida-ácido ámico).
Para formar una composición acuosa en solución según las enseñanzas de la invención, el poli(amida-ácido ámico) sólido y sustancialmente exento de disolvente orgánico descrito anteriormente se mezcla con agua en presencia de una amina, por ejemplo, una amina terciaria. La amina se seleccionará que sea miscible con agua y volátil, preferentemente una amina terciaria de bajo punto de ebullición que se volatilizará fácilmente durante un tratamiento térmico para ciclar y curar el poli(amida-ácido ámico). También se pueden encontrar útiles las trialquilaminas que tengan solubilidad en agua limitada, tal como tri-n-butilamina, particularmente si se emplean junto con un codisolvente para la amina miscible con agua apropiado, por ejemplo, isopropanol. El amoniaco, así como las alquilaminas primarias y secundarias miscibles con agua, también pueden ser eficaces para disolver el poli(amida-ácido ámico). No obstante, se sabe generalmente que tales aminas son reactivas con grupos funcionales amida y pueden atacar la funcionalidad amida del poli(amida-ácido ámico), dando como resultado la escisión de la cadena; de aquí que estas aminas reactivas sean menos preferidas.
Preferentemente, la amina terciaria será una tri(alquil de C_{1}-C_{4})amina tal como, por ejemplo, trimetil-amina, N,N-dimetiletilamina, N,N-dimetilpropilamina, tri-etilamina o las similares. También se pueden encontrar útiles las aminas terciarias cíclicas, como pueden ser cualquiera de la variedad de alcanolaminas terciarias miscibles con agua muy conocidas, incluyendo N,N'-dimetiletanolamina. Aunque también se pueden encontrar eficaces las aminas polifuncionales tales como N,N'-dimetilpiperidina, así como alcalindiaminas N,N,N',N'-tetraalquiladas y alcalentriaminas poli-N-alquiladas, las aminas polifuncionales pueden tender a formar reticulaciones asociativas y gel, y serán menos preferidas. La más preferida será la trietilamina.
La cantidad de poli(amida-ácido ámico) que se disolverá en la mezcla de agua y amina dependerá en parte del uso pretendido. Para la mayoría de los fines, la solución comprenderá desde 0,5 hasta 15% en peso, preferentemente desde 1 hasta 8% en peso, y más preferentemente hasta alrededor de 5% en peso de poli(amida-ácido ámico), basado en el peso combinado de poli(amida-ácido ámico), agua y amina terciaria. A mayores concentraciones, particularmente a concentraciones por encima de alrededor de 20% en peso, la solución tendrá una viscosidad muy alta y no fluirá fácilmente, y, por lo tanto, no se preferirá para la mayoría de las aplicaciones de revestimiento y apresto. A concentraciones de resina muy bajas, se hace difícil alcanzar la cobertura adecuada del sustrato a un espesor de revestimiento útil; la utilidad de soluciones con una baja concentración de resina, generalmente por debajo de 0,5% en peso, estará así limitada y, por lo tanto, no son preferidas.
La resina de poli(amida-ácido ámico) se combinará con una cantidad eficaz de amina terciaria suficiente para neutralizar sustancialmente la funcionalidad ácido ámico de la resina y solubilizar el poli(amida-ácido ámico) en agua. Generalmente, y dependiendo del contenido de sólidos final, la solución de poli(amida-ácido ámico) comprenderá desde 0,5 hasta 50% en peso de amina terciaria, basado en el peso combinado total de amina, polímero y agua. La cantidad mínima de amina terciaria empleada será aproximadamente la cantidad estequiométrica requerida para neutralizar los grupos ácido carboxílico libres en el polímero, y más preferentemente será desde 0,8 hasta 1,2 moles por cada mol de grupos ácido carboxílico libres en el poli(amida-ácido ámico). Como se indica, puede ser deseable un exceso de la amina terciaria, tanto como un exceso estequiométrico de 3-5 veces. La relación de amina a grupos ácido carboxílico libres estará por lo tanto preferentemente en el intervalo desde 0,8 hasta 5.
La concentración de grupos ácido carboxílico libres en la resina de poli(amida-ácido ámico) se determinará por cualquier método conveniente, por ejemplo, por titulación de una parte alícuota con una base, y se puede calcular fácilmente a partir del índice de acidez para la resina. De acuerdo con esto, la cantidad de amina terciaria que se empleará al formar soluciones acuosas de resinas de poli(amida-ácido ámico) se puede determinar a partir del índice de acidez de la resina y la relación deseada de amina a grupos ácido carboxílico libres usando la siguiente fórmula:
\text{Pep de amina} = \frac{(\text{índice de acidez de la resina}) \ x \ (\text{Pm de la amina})}{0.056}\ C\ x\ (\text{pep de resina})
(Pep = partes en peso)
en la que C representa la relación seleccionada de amina a grupos ácido carboxílico libres. C puede tener un valor en el intervalo desde 0,8 hasta 5 y preferentemente será mayor que alrededor de 1, más preferentemente desde 1,1 hasta 3. Como se indica, las composiciones acuosas de poli(amida-ácido ámico) que comprenden un exceso de la amida se cree que son más estables. Las composiciones acuosas que contienen desde 10% en peso hasta tanto como 50% en peso de amina terciaria se pueden encontrar útiles, y las formulaciones acuosas que comprenden 4-20% en peso de sólidos y tanto como desde 60 hasta 88% en peso de amina terciaria también pueden encontrar aplicación, particularmente para dar concentrados de resina.
Para preparar las composiciones acuosas de esta invención se puede emplear cualquier método conveniente de combinar los componentes. El polímero sólido se puede añadir en incrementos a una mezcla agitada de la amina y agua, continuando la agitación hasta que la resina sólida se haya disuelto. Por otra parte, la amina terciaria se puede añadir lentamente a una suspensión agitada de poli(amida-ácido ámico) en agua, con agitación continuada hasta que se disuelva el sólido. Como con cualquier reacción ácido-base, se puede encontrar necesario inicialmente refrigeración externa; calentamiento posterior y agitación pueden ser deseables para completar la disolución de la resina sólida en un periodo de tiempo razonable.
Las soluciones con base acuosa según la invención comprenderán por lo tanto un poli(amida-ácido ámico), agua y una amina terciaria. Generalmente, estas composiciones basadas en agua tienen un bajo nivel de disolvente orgánico residual, generalmente menor que 8% en peso, preferentemente menor que 5% en peso y más preferentemente menor que 3% en peso, y se puede encontrar que las composiciones que comprenden desde 0,5 hasta 3% en peso de disolvente orgánico residual, basado en el peso combinado de disolvente orgánico residual y poli(ácido ámico), son altamente deseables para la mayoría de las aplicaciones. También pueden ser obtenibles formulaciones que contengan tan poco como 0,1% en peso e incluso niveles más bajos de disolvente orgánico residual, por ejemplo, mediante el uso de extensos lavados. Tales composiciones serán altamente deseadas para uso en aplicaciones donde no se pueda tolerar disolvente residual.
Las composiciones de poli(amida-ácido ámico) con base acuosa de esta invención se pueden encontrar particularmente deseables en formulaciones destinadas para uso en aplicaciones de revestimiento, que dan una capa de revestimiento continuo de alta resistencia y adherente que tiene dureza mejorada sobre una superficie revestida. Tales revestimientos pueden servir como una capa ligante para acabados de automoción, para mejorar la adhesión entre capas existentes de acabados de automoción o con otros acabados metálicos.
Se conocen los poli(amida-ácido ámico)s por tener buena adhesión a superficies metálicas, y las composiciones con base acuosa de esta invención por lo tanto también se pueden encontrar particularmente útiles para dar formulaciones para uso como esmaltes en aplicaciones de revestimiento de recipientes; como un aditivo para sistemas de revestimiento de metal con base de solución o electrorrevestidos en automoción; como un revestimiento químicamente resistente a la corrosión para metal u otros sustratos, como una capa ligante para utensilios de cocina no adherentes; como revestimiento para barras de unión para uso en cemento; como un revestimiento de pretratamiento para películas de polímero tales como, por ejemplo, película de poliéster, poliamida y poliimida, cuando se usan en una operación de metalización; como un adhesivo para varios materiales en forma de película plástica o metálica tales como polímeros de cristal líquido y poliimidas; como un aditivo para mejorar el comportamiento de tintas; en un sistema de revestimiento con polvo de metal para uso en imanes; y en aplicaciones de revestimiento por pulverización industriales tales como un aditivo para sistemas de revestimiento por pulverización térmica metálicos o plásticos.
Las composiciones acuosas sustancialmente exentas de disolvente orgánico de esta invención se pueden encontrar útiles para colar películas donde los disolventes orgánicos pueden no ser deseados o tolerados. Las formulaciones comúnmente empleadas para colar películas en solución y para operaciones de revestimiento similares son materiales viscosos que fluirán suficientemente a la temperatura de revestimiento para ser extendidas sobre superficies planas, usando preferentemente una rasqueta o aparato similar y nivel para formar una superficie de película lisa y uniforme al secar. Se pueden producir películas gruesas llenando bateas poco profundas con soluciones incluso más viscosas, dejando que la solución fluya por gravedad y nivelando para formar una superficie lisa, evaporando lentamente el agua y después secando. Es muy conocida y ampliamente usada comercialmente una amplia variedad de aparatos y métodos para colar barniz, y se puede adaptar para uso con las formulaciones acuosas de esta invención. El contenido de sólidos de las formulaciones acuosas de poli(amida-ácido ámico) destinadas para uso en operaciones de colado se seleccionará sobre la base del sustrato y sobre las condiciones de operación y el aparato pretendidos, y puede comprender desde 0,5 hasta 25% en peso de poli(amida-ácido ámico), más preferentemente desde 2 hasta 15% en peso de poli(amida-ácido ámico), y aún más preferentemente desde 2 hasta 8% en peso de poli(amida-ácido ámico).
Otros usos para estas composiciones incluyen como materia prima aditivo para mejorar los productos de fibra de aramida; como capa de barrera térmica para plásticos; como un aditivo en cauchos para neumáticos y otros artículos de caucho; como aditivo para asfalto para mejorar la resistencia al desgaste; y como material preimpregnado para fabricación de materiales compuestos. En éstas y otras de tales operaciones de mezcla, el componente de poli(amida-ácido ámico) se
\hbox{puede
añadir en solución acuosa, o se puede encontrar deseable y útil
añadir directamente como sólido.}
Las formulaciones que comprenden estas composiciones de poli(amida-ácido ámico) con base acuosa también se pueden encontrar útiles como aprestos, y particularmente para material de fibra que tenga un módulo de 55.160 MPa o mayor y sea térmicamente estable hasta al menos 315,5°C durante al menos 10 minutos. Los sustratos de fibra térmicamente estables que se pueden usar para estos fines incluyen fibra de vidrio, fibra de carbono y grafito, fibra de aluminio, fibra de nitruro de silicio, fibra de boro, fibra de aramida, fibra de fluocarbono y las similares. La expresión "fibra de carbono" se usa en esta invención en sentido genérico e incluye fibras de grafito así como fibras de carbono amorfo que se obtienen como resultado tras un tratamiento de carbonización o grafitación térmica.
Las formulaciones para apresto que comprenden las composiciones de poli(amida-ácido ámico) inventadas se pueden aplicar ventajosamente a otras fibras también, incluyendo fibras que comprenden nailon, poliéster y las similares, y a fibras de acero u otro metal. Tales formulaciones también pueden ser útiles para revestir el cordaje de acero de neumáticos y como adhesivo de altas prestaciones en artículos de caucho para neumáticos y mecánicos. La composición de esta invención se puede usar sola o en combinación con otras resinas conocidas para uso en aplicaciones de apresto como, por ejemplo, composiciones de apresto basadas en poliuretano, epóxido o acrílico.
El apresto se puede aplicar a fibras individuales o a fibras múltiples en forma de madejas, cordones, cintas o tejidos y los similares por métodos muy conocidos y ampliamente practicados en la técnica para estos fines, incluyendo, por ejemplo, estirar las fibras a través de un baño que contiene las formulaciones de apresto acuosas o pulverizando la formulación de apresto sobre las fibras y después secar las fibras. Los sólidos para aplicación para formulaciones de apresto estarán normalmente en el intervalo desde 0,05 hasta 10% en peso, y preferentemente desde 0,5 hasta 5% en peso, basado en el peso total de la solución.
Cuando se aplica como apresto o revestimiento, el artículo revestido o aprestado se secará después para dar un artículo que tenga un revestimiento o película adherente que comprende poli(amida-ácido ámico). La composición de la película o revestimiento seco se cree que es una sal de amonio que comprende el poli(amida-ácido ámico) y al menos una cantidad estequiométrica de la amina como la descrita. Se cree que la sal se disocia fácilmente al calentar, reformando el poli(amida-ácido ámico). El calentamiento durante un extenso periodo a elevadas temperaturas por encima de 150°C, y generalmente en el intervalo desde 200°C hasta 350°C, imidará o curará el polímero, eliminando el componente de amina completamente junto con agua adicional formada en la reacción de imidación, formando una película de poli(amida-imida).
Las composiciones acuosas según esta invención pueden contener además tales componentes disolventes adicionales y modificadores de la viscosidad según se pueda desear, con la condición de los componentes disolventes añadidos serán miscibles con agua y fácilmente volatilizados del poli(amida-ácido ámico) al secar y curar. Al formular composiciones para revestimiento y mezcla, también se pueden emplear lubricantes poliméricos, colorantes, cargas, estabilizadores y similares convencionales, de nuevo con la condición de que tales aditivos se seleccionarán para que sean inertes y no interactúen perjudicialmente con la resina. Las composiciones que comprendan altos niveles de poli(amida-ácido ámico), mayor que 20% en peso, se pueden encontrar útiles en otras aplicaciones y, cuando se modifiquen adicionalmente, por ejemplo, añadiendo mejoradores de flujo y disolventes pobres para reducir la viscosidad de la solución, se puede encontrar que dan composiciones adicionales útiles.
El poli(amida-ácido ámico) sólido en la forma obtenida por precipitación y lavado como se describe en ésta anteriormente, que comprende desde 25-40% en peso de resina y está sustancialmente exento de disolvente orgánico residual, también se puede encontrar que es directamente útil sin ser disuelto primero, por ejemplo, como un aditivo para composición con cauchos, tintas, adhesivos y los similares.
La invención se entenderá más fácilmente a partir de la consideración de los siguientes ejemplos:
Ejemplos Ejemplo 1 Preparación de poli(amida-ácido ámico)
Se disolvió bis(4-aminofenil)metano (4,4'-metilendianilina o MDA), 2624 pep (13,25 moles) en 9504 pep de N-metilpirrolidona (NMP). La solución se enfrió hasta 10°C en un recipiente vitrificado y se agitó mientras se añadían 2800 pep (13,24 moles) de cloruro de anhídrido de 4-trimelitoilo (CATM) en un periodo de 4 h, y mientras se aplicaba refrigeración externa para mantener la mezcla de reacción a o por debajo de una temperatura de 39°C. Después de que se completara la adición, la masa de reacción se agitó durante 3 h adicionales, después se mezcló con agua que contenía aproximadamente 5% de NMP, en un periodo de 4 h, para coagular y precipitar el polímero. Después de filtrar, la torta de filtrado se lavó lentamente con agua desionizada hasta que el contenido de NMP de una pequeña muestra filtrada a vacío fuese menor que 3% en peso. La resina se suspendió de nuevo con agua y después se separó por centrifugación y se prensó para dar una torta húmeda que tenía un contenido de sólidos de 37%.
Ejemplo 2 Preparación de solución acuosa de poli(amida-ácido ámico)
A un matraz de fondo redondo, de 1 litro, de tres bocas, equipado con un agitador mecánico y un termómetro se añadieron 477 gramos de agua desionizada y 22 gramos de trietilamina 99% pura. A la mezcla agitada se añadieron, en tres porciones, a intervalos de 1 h, 131 gramos de la torta húmeda de poli(amida-ácido ámico) (37% de polímero, 63% de agua), preparada sustancialmente según el procedimiento expuesto en el ejemplo 1. La mezcla se agitó después por la noche a temperatura ambiente para dar una solución acuosa de la sal de poli(amida-ácido ámico).
Ejemplo 3 Colada de la película
Se colaron películas de una solución de resina de poli(amida-ácido ámico) preparada, a una concentración de sólidos de alrededor de 6,0% en peso, sustancialmente como se describe en el ejemplo 2.
La solución viscosa de poli(amida-ácido ámico) se revistió sobre una placa de vidrio limpia y se extendió usando una varilla de vidrio para aplicar la solución viscosa uniformemente por toda la longitud de la placa. El revestimiento se secó después en un horno de aire circulante a 80°C durante 1 hora para dar un revestimiento de poli(ácido ámico) seco al tacto sobre el sustrato de vidrio. Las películas se curaron térmicamente calentando adicionalmente a una temperatura de alrededor de 200°C durante 5 h. Después de enfriar, las películas coladas se separaron del sustrato sumergiendo las placas de vidrio en agua y después se secaron. Las películas de poli(amida-imida) recuperadas tenían un espesor de aproximadamente 0,05 mm.
Llenar bateas para película de 10,16 cm x 15,24 cm x 1,27 cm de hondo con una solución al 6% en peso del poli(amida-ácido ámico), secar por evaporación lenta el agua en un horno de aire circulante mantenido a 80°C durante la noche, y después curar la película resultante calentando a 300°C durante 4 h, proporciona una película de poli(amida-imida) que tiene un espesor de alrededor de 2,5 mm.
Ejemplo 4 Revestimiento
Las composiciones acuosas de poli(amida-ácido ámico) de esta invención también son eficaces para dar revestimientos superficiales adherentes para artículos que comprenden una amplia variedad de metales y aleaciones de metal ferrosos y no ferrosos, incluyendo cobre, aluminio, acero y los similares.
Una solución acuosa al 6% en peso, viscosa, de la sal de poli(ácido ámico) preparada como se describe, colocada sobre una superficie de un panel de ensayo de cobre limpio de 7,62 cm x 20,32 cm x 0,38 cm, en un extremo, y estirada uniformemente por toda la longitud del panel usando una rasqueta que tiene un espaciamiento de 2,03 mm, proporciona al panel un revestimiento uniforme de solución de resina de poli(amida-ácido ámico). El revestimiento, después de ser secado en un horno de aire circulante hasta 78°C durante 1 h, después curado calentando a 300°C durante 180 minutos, proporciona al sustrato de cobre un revestimiento de poli(amida-ácido ámico) adherente seco al tacto que tiene un espesor aproximado de 0,1 mm.
La fibra, en hebra continua así como en forma cortada, se puede aprestar o revestir con las composiciones acuosas de poli(amida-ácido ámico) de esta invención. La fibra y el tejido revestidos y aprestados serán útiles en materiales compuestos, y se pueden mezclar adicionalmente como refuerzo para artículos de caucho, materiales de plástico cargados y los similares que tengan adhesión sustrato-fibra mejorada.
Ejemplos 5-8
Revestimiento o apresto de fibras
En los siguientes ejemplos, se revistió hebra de fibra continua con una solución de poli(amida-ácido ámico) preparada como se describe en el ejemplo 2, generalmente según el siguiente procedimiento:
Se tiró a mano longitudinalmente de una hebra de fibra sin aprestar de aproximadamente 1 metro de longitud a través de un baño que contenía la solución acuosa de poli(amida-ácido ámico). Una guía de alambre para la fibra sumergida en la solución aseguraba que la hebra estuviera completamente sumergida a medida que se iba tirando de ella a través del baño. El procedimiento se repitió tres o cuatro veces para asegurar la cobertura completa de la hebra. La hebra de fibra revestida se colgó de ganchos en un horno de aire circulante, después se secó a 90°C durante una hora, después de calentó a 3°C/min hasta 150°C y se mantuvo durante 30 minutos, y después a 3°C/min hasta 260°C y se mantuvo durante 15 min para curar el revestimiento y proporcionar una hebra de fibra revestida con poli(amida-imida).
De esta forma se prepararon y revistieron cuatro muestras de hebras de fibra comerciales, incluyendo una hebra de fibra de poliaramida Kevlar®, una hebra de fibra de carbono basada en PAN de 6 K, una hebra de fibra de carbono basada en brea de 12 K, y una hebra de fibra de vidrio. Después de enfriar, se examinaron y evaluaron las hebras viendo las fibras revestidas usando microscopia electrónica de barrido (SEM).
La hebra de fibra revestida que tiene alrededor de 0,1 hasta alrededor de 10% en peso de resina de poli(amida-ácido ámico) como revestimiento o apresto, que puede estar presente como contraparte de poli(amida-imida) curada, exhibe adhesión mejorada cuando se combina con una variedad de materiales matrices y por lo tanto puede encontrar aplicación en la producción de materiales compuestos de refuerzo de fibra. La hebra de fibra revestida y aprestada se puede usar también en forma continua o cortada como refuerzo de una variedad de artículos de caucho moldeados y extrudidos y en formulaciones que comprenden resinas termoplásticas y termoestables, y las similares.
La invención, por lo tanto, se verá que es una composición acuosa que comprende desde 0,5 hasta 40% en peso de un poli(amida-ácido ámico) que tiene un índice de acidez mayor que 100, preferentemente desde 120 hasta el valor teórico para un poli(amida-ácido ámico) 100% en moles. Las composiciones que contienen agua y desde 20 hasta 40% en peso de resina de poli(amida-ácido ámico) generalmente en forma de un polvo o torta de filtro húmedos, combinadas con una cantidad eficaz de una amina miscible con agua suficiente para disolver el poli(amida-ácido ámico), proporciona soluciones acuosas que comprenden desde 0,5 hasta 20% en peso de resina. Preferentemente, la amina será una amina alifática terciaria, soluble en agua y volátil, y se empleará en exceso estequiométrico con respecto a la funcionalidad ácido ámico presente en el poli(amida-ácido ámico). Las soluciones acuosas de la invención también se pueden caracterizar porque comprenden sales de amina de poli(amida-ácido ámico)s. Al secar para eliminar el agua y al menos una parte del exceso de amina, se crean películas y revestimientos que comprenden sales de amina de poli(amida-ácido ámico)s que son fácilmente curadas para formar poli(amida-imida)s. La invención, por lo tanto, también se puede describir como dirigida a fibra revestida y aprestada y a artículos que comprenden superficies metálicas revestidas o aprestadas con una sal de amina de un poli(amida-ácido ámico), y a un método para crear películas y revestimientos que comprenden sales de amina de resinas de poli(amida-ácido ámico).

Claims (17)

1. Una composición que contiene agua, una amina alifática y un poli(amida-ácido ámico) que tiene un índice de acidez mayor que 100 mg de KOH/g, comprendiendo dicho poli(amida-ácido ámico) unidades de amida-ácido ámico según la siguiente fórmula [1], en la que R es un radical arileno divalente.
\vskip1.000000\baselineskip
6
\vskip1.000000\baselineskip
2. La composición de la reivindicación 1, que comprende desde 0,5 hasta 40% en peso de dicho poli(amida-ácido ámico).
3. La composición de la reivindicación 1, en la que dicho índice de acidez está en el intervalo desde 100 mg de KOH/g hasta el valor máximo teórico.
4. La composición de la reivindicación 1, en la que dicho poli(amida-ácido ámico) comprende unidades de amida-ácido ámico según la fórmula estructural:
\vskip1.000000\baselineskip
7
\vskip1.000000\baselineskip
y comprende además las correspondientes unidades de amida-imida según la fórmula estructural:
\vskip1.000000\baselineskip
8
\vskip1.000000\baselineskip
en la que la relación molar de dichas unidades de amida-ácido ámico a dichas unidades de amida-imida está en un intervalo desde 18:1 hasta 5:1.
5. La composición de la reivindicación 4, en la que dichas unidades de amida-ácido ámico tienen la estructura:
9
y dichas unidades de amida-imida tienen la estructura:
10
6. La composición de la reivindicación 1, en la que dicha amina es una amina alifática terciaria.
7. Una composición según la reivindicación 6, que comprende desde 0,5 hasta 20% en peso del poli(amida-ácido ámico) y una cantidad de amina alifática terciaria que está en el intervalo determinado por la relación [II], en la que C tiene un valor en el intervalo desde 0,8 hasta 5.
(II)\text{Pep de amina} = \frac{(\text{índice de acidez de la resina}) \ x \ (\text{Pm de la amina})}{0.056} \ C \ x \ (\text{pep de resina})
8. La composición de la reivindicación 7, en la que C tiene un valor mayor que 1,0.
9. La composición de la reivindicación 7, en la que dicha amina alifática terciaria comprende desde 0,5 hasta 50% en peso del peso combinado de dicha amina alifática terciaria, agua y poli(amida-ácido ámico).
10. La composición de la reivindicación 7, en la que dicha amina alifática terciaria es trietilamina.
11. Una composición según la reivindicación 1, en la que dicho poli(amida-ácido ámico) se prepara a partir de monómeros que comprenden haluro de ácido trimelítico y 4,4'-metilendianilina y tiene un índice de acidez en el intervalo desde 120 hasta 150 mg de KOH/g.
12. Uso de una composición según cualquiera de las reivindicaciones precedentes en aplicaciones de revestimiento.
13. Una película hecha colando una composición según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.
14. Fibras revestidas que comprenden la película de la reivindicación 13 como un revestimiento adherente.
15. Fibras revestidas de la reivindicación 14 tratadas térmicamente.
16. Artículos de fabricación que comprenden la película de la reivindicación 13.
17. Un artículo de metal que tiene la película de la reivindicación 13 adherente a al menos una superficie del mismo.
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