Preparation and investigations of polyimides III

Abstract

Polyamide acid powders of pyromellitic dianhydride and 4,4′-diaminodiphenyl ether base were prepared in tetrahydrofuran, in the heterogeneous phase. The imidization of these powders was investigated by thermogravimetric, calorimetric and mass-spectrometric methods.

According to the TG and DSC data, the temperatures of the beginning and maximum rate of imidization increase with increasing temperature and duration of imidization.

A linear relationship has been found to exist between the weight loss and the reaction heat of the imidization process. The reaction heat corresponding to unit weight loss increases with decreasing molecular weight.

Dicarboxylic anhydrides, applied as chain-terminators, do not affect the thermal properties of polyamide acids to an appreciable extent.

Imidization has been found to be a complex process, in which decomposition of polyamide acids also takes place besides dehydrocyclization. The kinetics of imidization are satisfactorily described by a first-order dehydrocyclization and a parallel first-order decomposition. The weight loss during imidization is higher than the loss calculated on the basis of dehydrocyclization, which must be due to the release of the decomposition products of the polyamide acid, the release of solvated or complexed tetrahydrofuran, or that of possible oligomeric clusters.

Résumé

Les polyamides en poudre résultant du dianhydride pyromellitique et de l'éther 4,4′-diaminodiphénylique ont été préparés en phase hétérogène dans le té trahydrofuranne. La formation d'imides à partir de ces poudres a été étudiée par thermogravimétrie, calorimétrie et spectrométrie de masse.

D'après les résultats obtenus par TG et DSC, les températures du début de la formation d'imide et la vitesse maximale de la réaction augmentent avec l'accroissement de la température et de la durée de la réaction.

On a trouvé une corrélation linéaire entre la perte de poids et la chaleur de formation de l'imide. La chaleur de réaction correspondant à l'unité de perte de poids augmente quand le poids moléculaire diminue.

Les anhydrides dicarboxyliques utilisés en bouts de chaines n'ont pas d'effet appréciable sur les propriétés thermiques des polyamides.

On a établi que la formation d'imide est un processus complexe, au cours duquel, outre la déshydrocyclomérisation, une décomposition des polyamides a également lieu. La cinétique de la réaction peut être décrite de façon satisfaisante par une déshydrocyclomérisation du premier ordre et une réaction de décomposition parallèle également du premier ordre. Lors de la formation d'imide la perte de poids est plus élevée que celle calculée à partir de la déshydrocyclomé risation, ce qui provient sans doute du dégagement des produits de décomposition du polyamide, du dégagement du tétrahydrofuranne solvaté ou complexé ou bien de celui des inclusions oligomères éventuelles.

Zusammenfassung

Polyamidsäurepulver von Pyromellitdianhydrid und 4,4′-Diamino-diphenyläther wurden in Tetrahydrofuran in heterogener Phase hergestellt. Die Imidisierung dieser Pulver wurde durch thermogravimetrische, kalorimetrische und Massenspektrometrische Methoden verfolgt.

Nach TG- und DSC-Angaben steigt die Temperatur des Beginns und der Maximalgeschwindigkeit der Imidisierung mit steigender Temperatur und Imidisierungsdauer an.

Ein linearer Zusammenhang wurde zwischen Gewichtsverlust und Reaktionswärme des Imidisierungsvorgangs gefunden. Die der Einheit des Gewichtsverlustes entsprechende Reaktionswärme nimmt mit abnehmendem Molekulargewicht zu.

Als Kettenende angewandte Dicarboxylanhydride beeinflussen die thermischen Eigenschaften der Polyamidsäuren nicht in merklichem Maße.

Es wurde festgestellt, daß die Imidisierung ein komplexer Vorgang ist, in dem außer der Dehydrocyclisierung auch eine Zersetzung der Polyamidsäuren stattfindet. Die Kinetik der Imidisierung kann durch eine Dehydrocyclisierung erster Ordnung und eine parallele Zersetzungsreaktion erster Ordnung befriedigend beschrieben werden. Der Gewichtsverlust während der Imidisierung ist höher als der aufgrund der Dehydrocyclisierung berechnete Verlust, was der Abspaltung von Zersetzungsprodukten der Polyamidsäure, der Freisetzung von solvatiertem oder komplexgebundenem Tetrahydrofuran oder eventueller oligomerer Einschlüsse zuzuschreiben ist.

Резюме

Были получены порошк и полиамидной кислот ы в гетерогенной фазе и в растворе тетрагидрофурана из диангидрида пиромел литовой кислоты и 4,4-диаминдифе нилового эфира. Имидизация эти х порошков была иссле дована термогравиметричес ким, калориметрическ им и масс-спектрометрич еским методами. Согла сно данным ТГ и дифференциально й сканирующей калорим етрии, температура на чальной и максимальной скорос ти имидизации увеличив ается с увеличением т емпературы и продолжительности и мидизации. Найдена линейная зав исимость между потер ей веса и теплотой реакции ими дизации. Теплота реакции, соот ветствующая единице потери веса, увеличивается с умен ьшением молекулярного веса. А нгидриды дикарбонов ых кислот, используемые в качес тве обрывателей цепи, не оказывают зам етного влияния на тер мические свойства полиамидны х кислот. Найдено, что имидизац ия является сложным п роцессом, в котором кроме дегидр оциклизации, также имеет место раз ложение полиамидных кислот. Кинетика имидизации удовлетворительно описывается реакцие й дегидроциклизации первого порядка и параллельн о протекающей реакцие й разложения тоже пер вого порядка. Потеря веса п ри имидизации выше, чем потеря веса, в ычисленного на основ е реакции дегидроциклизации. Э то должно быть обусловлено выд елением продуктов ра зложения полиамидной кислоты, выделением сольватированного и ли закомплексирован ного тетрагидрофурана ил и выделением возможн ых олигомерных включен ий.