CN102471491A - 改性聚硅氧烷化合物的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明旨在提供一种在以对链烯基酚单元和有机硅氧烷单元为必要结构单元、通过嵌段共聚而得到的引入了酚骨架的改性聚硅氧烷化合物的制备方法中不会因分解、缩合而分子量变化、着色等的氯化氢使用条件。在本发明中,在非水溶剂的存在下对于式(I)即X(Y)n〔式中,X为具有式(II)表示的重复单元的聚合物链段,Y为具有式(III)表示的重复单元的聚合物链段,n为1或2)表示的、X和Y的重量比为1/99≤X/Y≤90/10、数均分子量为1,000~100,000的改性聚硅氧烷化合物,在加入含有氯化氢的非水溶液且相对于式(II)表示的重复单元1当量,氯化氢为0.9~1.3当量的条件下进行羟基保护基团脱去处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种改性聚硅氧烷化合物的制备方法,具体地,涉及一种以对链烯基酚单元和有机硅氧烷单元为必要结构单元,通过嵌段共聚而得到的引入有酚骨架的改性聚硅氧烷化合物的制备方法。
本申请主张2009年8月21日提交的日本专利申请第2009-192151号的优先权,并将其内容引入本说明书中。
背景技术
有机聚硅氧烷化合物由于热稳定性、拒水性、消泡性、脱模性等界面特性优异而被广泛用于各种领域。尤其是近年,发挥其特异的界面特性的作为成膜剂的用途在扩大的同时,作为用于赋予各种树脂以有机聚硅氧烷化合物所具有的温度特性和界面特性的改性剂的应用也在积极展开。
即,一直以来,为了改良涂料、模制品等合成树脂的性能,使用例如二甲基聚硅氧烷、甲基苯基聚硅氧烷、脂肪酸改性聚硅氧烷、聚醚改性聚硅氧烷等。然而,由于这些聚硅氧烷与树脂的相容性不足、耐热性不足,使用范围受到限制。
为了克服这些不足,可使用市售的各种反应性聚硅氧烷化合物,例如,分子末端有环氧基、氨基、羟基、(甲基)丙烯酸基等官能团的低分子量二甲基硅氧烷化合物。此外,也有发明者提出使用这些反应性聚硅氧烷化合物与其他树脂的反应物,例如,含有末端环氧基的聚硅氧烷与酚醛树脂的反应物(专利文献1、专利文献2等)、含有末端氢基的聚硅氧烷与含有链烯基的环氧树脂的反应物(专利文献3等)。
近年来,无论是作为具有制造超大规模集成电路(LSI)所需要的亚微米分辨能力的抗蚀剂材料,还是作为各种热固性树脂、热塑性树脂的机械特性、耐湿性、表面特性等的改性剂,或者是作为分离膜、生物相容性高分子材料,均渴望有一种结构得到控制且分子内具有任意数量官能团的聚硅氧烷化合物。但在前述方法中,使用市售的分子内具有官能团的低分子量二甲基硅氧烷化合物的方法存在由于与其他树脂的相容性不足而导致加工成形性和机械强度下降的缺点。而使用末端具有官能团的聚硅氧烷与其他树脂的反应物的方法则容易在改性反应中引发异常增稠和凝胶化等不良现象,且存在未反应成分残留、结果导致相容性下降等问题。
因此,为了制备分子量、结构得到控制且分子量分布窄、导入了酚骨架的改性聚硅氧烷化合物,,申请人开发出一种将对链烯基酚的酚羟基用饱和脂肪族类保护基团保护了的化合物通过阴离子聚合法聚合,接着加入环状硅氧烷化合物进行共聚后脱去饱和脂肪族类保护基团的方法(专利文献4)。
专利文献:
专利文献1:特开昭61-73725号公报
专利文献2:特开昭62-174222号公报
专利文献3:特开昭62-212417号公报
专利文献4:日本专利第3471010号公报
发明内容
在专利文献4的方法中,为了脱去饱和脂肪族类保护基团,需要使用酸性物质,但根据所用酸的种类和反应条件,会有由于分解、缩合而发生分子量变化、着色等之虞。专利文献4中记述了吹入氯化氢气体来脱去保护基团的具体例子,但关于氯化氢的适宜使用条件及适宜使用量却并不清楚。
本发明旨在提供一种不会因分解、缩合而发生分子量变化、着色等的氯化氢的使用条件及使用量。
本发明者为达成前述目的进行了深入研究,结果发现,为脱去饱和脂肪族类保护基团,在非水系中使氯化氢与饱和脂肪族类保护基团基本当量地反应,即可达到目的,并由此完成了本发明。
即,本发明涉及一种式(IV)表示的改性聚硅氧烷化合物的制备方法,在该制备方法中,在非水溶剂的存在下使式(I)表示的、X和Y的重量比为1/99≤X/Y≤90/10、数均分子量为1,000~100,000的改性聚硅氧烷化合物通过加入含氯化氢的非水溶液并使氯化氢相对于式(II)表示的重复单元1当量为0.9~1.3当量而进行羟基保护基的脱去处理,
X(Y)n (I)
式中,X为具有式(II)表示的重复单元的聚合物链段,Y为具有式(III)表示的重复单元的聚合物链段,n为1或2;
〔化1〕
(式中,R1表示氢原子或甲基,R2表示碳数1~6的直链或支链烷基)
〔化2〕
(式中,R3及R4分别表示碳数1~20的直链或支链烷基、环烷基、芳基或芳烷基;式中,R3及R4可彼此相同或不同)
X’(Y)n (IV)
式中,X’为具有式(V)表示的重复单元的聚合物链段,Y和n的定义同上;
〔化3〕
(式中,R1的定义同上)。
本发明优选地涉及一种分子量分布为1.05-1.5的改性硅氧烷化合物的制备方法。
本发明还涉及这样一种改性聚硅氧烷化合物的制备方法,其中,式(I)表示的改性聚硅氧烷化合物为在阴离子聚合引发剂的存在下使式(VII)表示的化合物均聚或使式(VII)表示的化合物和可与式(VII)表示的化合物共聚的化合物共聚,然后加入环状硅氧烷化合物进行共聚而得到的化合物,
〔化4〕
(式中,R5表示氢原子或者甲基,R6表示碳数1~6的直链或支链烷基)。
具体实施方式
(改性聚硅氧烷化合物)
本发明中使用的改性聚硅氧烷化合物由下式(I)表示。
X(Y)n (I)
式中,X为具有式(II)表示的重复单元的聚合物链段,Y为具有式(III)表示的重复单元的聚合物链段,n为1或2,
〔化5〕
(式中,R1表示氢原子或甲基,R2表示碳数1~6的直链或支链烷基)
〔化6〕
(式中,R3及R4分别表示碳数1~20的直链或支链烷基、环烷基、芳基或芳烷基,式中,R3及R4可彼此相同或不同)。
上述改性聚硅氧烷化合物中,X和Y的重量比为1/99≤X/Y≤90/10,数均分子量为1,000~100,000。
X是具有源自一种或者二种以上对链烯基酚衍生物的重复单元的聚合物链段,或者是由源自对链烯基酚衍生物的重复单元与一种或二种以上共轭二烯及/或一种或二种以上乙烯基化合物的重复单元构成的无规共聚物或嵌段共聚物组成的链段,此外,还包含下式(VI)表示的单元,
〔化7〕
(式中,R1、R2表示与前述相同的含义,a及b为与聚合度相应的任意自然数)。
本发明的上述式(I)中的Y是以上述式(III)表示的有机硅氧烷为重复单元的聚合物链段。
式(I)表示的化合物由X-Y或Y-X-Y表示。
(改性聚硅氧烷化合物的制法)
对本发明的由X(Y)n表示的改性聚硅氧烷化合物的制法无特殊限制,可以采用公知的方法,例如,可以通过以下方法进行制备(参见日本专利第3471010号公报)。
在阴离子聚合引发剂的存在下,使式(VII)表示的化合物均聚,或者使式(VII)表示的化合物和可与其共聚的化合物共聚,然后加入环状硅氧烷化合物进行共聚,
〔化8〕
(式中,R5表示氢原子或甲基,R6表示碳数1~6的直链或支链烷基)。
1.X部分的聚合法
在真空或氮气、氩气等惰性气体环境下,将式(VII)表示的化合物或可与其共聚的化合物置于有机溶剂中,以碱金属及/或有机碱金属化合物为聚合引发剂,在-100℃~150℃的温度下进行阴离子聚合。通过该方法可以得到分子量得到控制且分子量分布窄的聚合物。
作为本发明中使用的上述式(VII)表示的化合物,例如可以是对正丁氧基苯乙烯、对仲丁氧基苯乙烯、对叔丁氧基苯乙烯、对叔丁氧基-α-甲基苯乙烯等,尤其优选对叔丁氧基苯乙烯及对叔丁氧基-α-甲基苯乙烯。
本发明中使用的可与上述式(VII)共聚的化合物优选共轭二烯或乙烯基化合物,作为共轭二烯或乙烯基化合物,可以是1,3-丁二烯、异戊二烯、2,3-二甲基一1,3-丁二烯、1,3-戊二烯、1,3-己二烯等共轭二烯类;苯乙烯、对甲基苯乙烯、α-甲基苯乙烯、对叔丁基苯乙烯、乙烯基萘、二乙烯基苯、1,1-二苯乙烯等乙烯基芳香族化合物;(甲基)丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸乙酯、(甲基)丙烯酸丁酯等(甲基)丙烯酸酯类;2-乙烯基吡啶、4-乙烯基吡啶等乙烯基吡啶类;丙烯腈等,这些化合物可单独使用,也可两种以上混合使用。
作为阴离子聚合引发剂的碱金属,有锂、钠、钾等,而作为有机碱金属化合物,则可使用上述碱金属的烷基化物、烯丙基化物、芳基化物等。作为有机碱金属化合物的具体例子,例如可以是乙基锂、正丁基锂、仲丁基锂、叔丁基锂、乙基钠、丁二烯基双锂、丁二烯基双钠、锂联苯、锂萘、锂芴、钠联苯、钠萘、三苯基钠(sodium triphenyl)、α-甲基苯乙烯钠二负离子等,这些化合物可单独使用,也可两种以上混合使用。
作为有机溶剂,可以使用正己烷、正庚烷等脂肪族烃类、环己烷、环戊烷等脂环族烃类、苯、甲苯等芳香族烃类、乙醚、二氧六环、四氢呋喃等醚类等在阴离子聚合中常用的有机溶剂中的一种或两种以上的混合溶剂。
通过上述阴离子聚合而得到的共聚物的形式有:将上述式(IV)表示的化合物和上述单体的混合物加入反应系中进行聚合,得到无规共聚物,将任何一方的一部分预先聚合,然后加入两者的混合物继续聚合,得到部分嵌段共聚物,此外,将上述式(IV)表示的化合物和上述单体依次加入反应系中进行聚合,合成完全嵌段共聚物。
2.Y部分的制法
在上述X部分的聚合反应后,向反应系中加入环状硅氧烷化合物,在与上面举例说明的同样的条件下继续进行聚合反应。
最终,制得由上述式(VII)表示的化合物单独或和可与其共聚的化合物一起构成的链同聚硅氧烷链组成的嵌段共聚物(下面称前体)。
此处使用的上述环状硅氧烷化合物为下式(VIII)表示的化合物。
〔化9〕
(其中,R7、R8分别为碳数1~20的直链或直链烷基、环烷基、芳基或者芳烷基,c为3~7的正整数。此外,R7、R8可彼此相同或不同。)
作为上述式(VIII)表示的化合物的具体例子,例如可以是六甲基环三硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、十甲基环五硅氧烷、十二甲基环六硅氧烷、六乙基环三硅氧烷、八乙基环四硅氧烷、六苯基环三硅氧烷等,这些化合物可单独使用,也可两种以上混合使用。
在该依次进行的阴离子聚合反应中,反应温度、反应溶剂等聚合条件可在设定的范围内适当改变。
此外,本发明的改性聚硅氧烷化合物也可通过上述方法以外的方法制备,例如,在上述(VII)表示的化合物均聚后,或在(VII)表示的化合物与可共聚的化合物共聚反应后,向反应系中加入具有能与上述聚合物的增长链末端反应的官能团的有机硅氧烷化合物,在与上面举例说明的相同的条件下进行偶合反应,制得上述式(VII)表示的化合物的链或由上述式(VII)表示的化合物和可与其共聚的化合物构成的链同聚硅氧烷链组成的嵌段共聚物。
作为此处使用的有机硅氧烷化合物,只要具有能与上述聚合物的增长链末端反应的官能团,则在结构上无特殊限制,若列举具体例子,则可以使用下式(IX)和(X)表示的化合物等。
〔化10〕
(式中,R9、R10分别为碳数1~20的直链或支链烷基、环烷基、芳基或芳烷基,X1、X2表示卤素原子、环氧基、羰基、氯羰基或者含有卤素原子、环氧基、羰基、氯羰基等的碳数1~20的烃基,d表示1以上的整数。)
(化11〕
(式中,R9、R10、X1及d表示与上述相同的含义,R11表示碳数1~20的直链或支链烷基、环烷基、芳基或芳烷基。)
作为上述式(IX)和(X)表示的化合物的具体例子,例如可以是市售的α,ω-二(氯甲基)聚二甲基硅氧烷、1-(3-氯丙基)-1,1,3,3,3-五甲基二硅氧烷、α,ω-二(3-缩水甘油醚氧基丙基)聚二甲基硅氧烷、α,ω-二氯聚二甲基硅氧烷等。
在该依次进行的聚合反应及偶合反应中,反应温度、反应溶剂等条件可在设定的范围内适当改变。
(羟基保护基团的脱去处理)
从上述式(I)表示的改性聚硅氧烷化合物中脱去式(II)的重复单元中存在的羟基保护基团、生成对链烯基酚骨架的反应可通过在非水溶剂的存在下加入含有氯化氢的非水溶液来进行,从而得到分子量、结构得到控制且分子量分布窄的、引入了酚骨架的改性聚硅氧烷化合物,所述非水溶剂例如有正己烷、正庚烷等脂肪族烃类;环己烷、环戊烷等脂环族烃类;苯、甲苯等芳香族烃类;乙醚、二氧六环、四氢呋喃等醚类;四氯化碳等含氯溶剂;甲醇、乙醇、2-丙醇等醇类;丙酮、甲乙酮、甲基异丁基甲酮等酮类;乙酸乙酯、乙酸丁酯、丙酸乙酯、丙二醇单甲醚醋酸酯、丙酸乙酯等酯类;甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等有机酸类溶剂。
在进行(I)表示的改性聚硅氧烷化合物的脱保护处理时,可直接使用通过上述方法制得的聚合反应粗液。
含有氯化氢的非水溶液可通过将氯化氢气体吹入脱水溶剂中使其溶解而制备。或者,可购买市售品。使其溶解时,可通过中和滴定规定其浓度。
氯化氢的使用量相对于式(II)表示的重复单元1当量,为0.9~1.3当量,优选0.95~1.1当量。反应温度为0~100℃,优选为室温~70℃。
作为反应时的有机溶剂,可单独使用上述中的一种溶剂,也可以两种以上混合使用,但优选四氢呋喃、二氧六环等醚类。
此外,作为含氯化氢溶液的溶剂,可以单独使用下列溶剂中的一种或者两种以上的混合溶剂:正己烷、正庚烷等脂肪族烃类;环己烷、环戊烷等脂环族烃类;苯、甲苯等芳香族烃类;乙醚、二氧六环、四氢呋喃等醚类;四氯化碳等含氯溶剂;甲醇、乙醇、2-丙醇等醇类;丙酮、甲乙酮、甲基异丁基甲酮等酮类;乙酸乙酯、乙酸丁酯、丙酸乙酯、丙二醇单甲醚醋酸酯等酯类;甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等有机酸类溶剂。优选四氢呋喃、二氧六环等醚类。
通过上述制法脱去保护的改性聚硅氧烷化合物,其数均分子量为2,000~20,000,更优选为4,000~12,000。分子量分布为1.05~1.5,优选为1.1~1.3。
在包含用碱性显影液形成图案的方法在内的用途(例如光刻胶等)中,若分子量过小(分子量<4,000),则图案的保持不充分,而若分子量过大(分子量>20,000),则对碱性显影液的溶解速度慢,分辨率差。此外,数均分子量在10,000以上时,制成溶液时会显示触变性,因而适合用于涂料、粘合剂的用途。
对于脱去保护的改性聚硅氧烷化合物的组成,只要对羟基苯乙烯及二甲基硅氧烷各自的特性不受损害,则无特殊限制,但考虑到对羟基苯乙烯部分的耐热性、作为交联反应部位的羟基量、碱溶解性等与二甲基硅氧烷部分的耐热性、耐候性、阻燃性、介电特性、电绝缘性、拒水性、脱模性等的平衡,作为能显示其共聚物特征性能的组成比,对羟基苯乙烯/二甲基硅氧烷(各单元的摩尔%比)为10/90至90/10,优选30/70至70/30。
实施例
下面通过实施例及比较例对本发明进行更具体的说明。但本发明的范围不限于下述实施例。
另外,在下述例子中,“PTBST”是指对叔丁氧基苯乙烯。
〔参考例〕
前体聚合物(PTBST-二甲基硅氧烷)的调制
-40℃下边搅拌边用30分钟将PTBST 707g添加到正丁基锂(15.36重量%浓度的己烷溶液)87g在甲苯1320g和THF 707g中的混合溶液中,再继续反应30分钟后,用1小时向该反应溶液中添加含六甲基环三硅氧烷0.22摩尔的THF溶液1190g,保持反应温度在40℃再搅拌4小时后,再在室温下搅拌一晚。接着,向反应液中加入三甲基氯硅烷25g,停止反应,得到前体聚合物。前体聚合物PTBST-二甲基硅氧烷的数均分子量(Mn)=6200,分子量分布=1.14,组成比PTBST/二甲基硅氧烷=50/50摩尔%。水洗该聚合物粗液,将有机层浓缩后,调制成35质量%浓度的THF溶液。
〔实施例1〕
向参考例中得到的前体聚合物(PTBST-二甲基硅氧烷)的35重量%浓度的THF溶液20g中添加4M氯化氢-二氧六环溶液8.1g。相对于聚合物中的PTBST,氯化氢的添加量相当于1.1当量。将该混合液加温到50℃,每隔1小时取样。脱丁基化的反应进展通过IR光谱测定进行确认,反应终点通过PTBST芳香环上C-H面外弯曲振动引起的899cm-1峰的消失进行判断。
结果,反应开始后6小时,899cm-1峰消失,由此确认反应结束。
〔比较例1〕
除了将4M氯化氢-二氧六环溶液的添加量改为3.8g以外,按与实施例1相同的方法进行。相对于前体聚合物中的PTBST,该氯化氢的添加量相当于0.5当量。
结果,反应开始后48小时,PTBST芳香环上C-H面外弯曲振动引起的899cm-1峰仍未消失,由此确认在0.5当量下反应未结束。
〔比较例2〕
除了改为向前体聚合物的35重量%浓度的THF溶液10g中添加4M氯化氢-二氧六环溶液7.3g以外,按与实施例1相同的方法进行。相对于前体聚合物中的PTBST,该氯化氢的添加量相当于2当量。
结果,反应开始后2小时,PTBST芳香环上C-H面外弯曲振动引起的899cm-1峰消失,由此确认脱丁基化反应结束,但GPC溶出曲线形状劣化,表明聚合物分解了。
〔比较例3〕
除了改为向前体聚合物的35重量%浓度的THF溶液40g中添加硫酸6.0g以外,按与实施例1相同的方法进行。相对于前体聚合物中的PTBST,该硫酸的添加量相当于1.1当量。
结果,使用硫酸后,反应一开始即变褐色。此外,1小时内PTBST芳香环上C-H面外弯曲振动引起的899cm-1峰消失,由此确认脱丁基化反应结束,但GPC溶出曲线形状劣化,表明聚合物分解了。
〔实施例2〕
向前体聚合物(PTBST-二甲基硅氧烷,数均分子量(Mn)=6200,分子量分布=1.14,组成比PTBST/二甲基硅氧烷=50/50摩尔%)的35重量%浓度的二氧六环溶液10g中添加4M氯化氢-二氧六环溶液4.0g。相对于前体聚合物中的PTBST,氯化氢的添加量相当于1.1当量。使该混合液分别在室温、40℃、50℃、60℃、70℃下反应,每隔1小时取样。脱丁基化的反应进展通过IR光谱测定进行确认,反应终点通过PTBST芳香环上C-H面外弯曲振动引起的899cm-1峰的消失进行判断。
结果,反应开始后,室温下48小时内,40℃下6小时内,50℃下3小时内,60℃下2小时内,70℃下2小时内,899cm-1峰消失,由此确认,即使将溶剂置换为二氧六环溶液,再改变温度,脱丁基化反应仍结束。
〔比较例4〕
除了将4M氯化氢-二氧六环的添加量改为7.3g以外,按与实施例2相同的方法进行。相对于前体聚合物中的PTBST,该氯化氢的添加量相当于2当量。
结果,反应开始后,室温下24小时内,50℃下1小时内,PTBST芳香环上C-H面外弯曲振动引起的899cm-1峰消失,由此确认脱丁基化反应结束,但GPC溶出曲线形状劣化,表明聚合物分解了。
〔实施例3〕
-40℃下边搅拌边用30分钟将PTBST 707g添加到正丁基锂(15.36重量%浓度的己烷溶液)87g在甲苯1320g和THF 707g中的混合溶液中,再继续反应30分钟后,用1小时向该反应溶液中添加含六甲基环三硅氧烷0.22摩尔的THF溶液1190g,再将反应温度保持在40℃,搅拌4小时后,室温下再搅拌一晚。接着,向反应液中加入三甲基氯硅烷25g,停止反应,得到前体聚合物。前体聚合物PTBST-二甲基硅氧烷的数均分子量(Mn)为6200,分子量分布为1.14,组成比PTBST/二甲基硅氧烷为50/50摩尔%。
向该前体聚合物的聚合反应粗液10g中添加4M氯化氢-二氧六环溶液3.2g。相对于前体聚合物中的PTBST,氯化氢的添加量相当于1.1当量。使该混合液在50℃反应,每隔1小时取样。脱丁基化的反应进展通过IR光谱测定进行确认,反应终点通过PTBST芳香环上C-H面外弯曲振动引起的899cm-1峰的消失进行判断。
结果,反应开始后2小时,899cm-1峰消失,由此确认,即使使用聚合反应粗液,反应仍结束。
用GPC测定该脱丁基化后所得的对羟基苯乙烯-二甲基硅氧烷共聚物,确认其数均分子量(Mn)=5800,分子量分布=1.17,出现与丁基脱离相应的分子量下降,此外,GPC溶出曲线形状与反应前基本相同,表明未发生聚合物分解。
根据本发明的方法,可以合成不会因分解、缩合而分子量变化、着色等,分子量、结构得到控制,分子量分布窄、引入了酚骨架的改性聚硅氧烷化合物。
因此,该改性聚硅氧烷化合物可望作为具有制造超大规模集成电路(LSI)所必需的亚微米分辨能力的抗蚀剂材料,和作为各种热固性树脂、热塑性树脂的改性剂,以及作为分离膜和生物相容性高分子材料,在多领域得到应用。
Claims (3)
1.式(IV)表示的改性聚硅氧烷化合物的制备方法,在该制备方法中,在非水溶剂的存在下使下式(I)表示的、X和Y之重量比为1/99≤X/Y≤90/10、数均分子量为1,000~100,000的改性聚硅氧烷化合物在加入含氯化氢的非水溶液且相对于下式(II)表示的重复单元1当量,氯化氢为0.9~1.3当量的条件下进行羟基保护基脱去处理,
X(Y)n (I)
式中,X为具有式(II)表示的重复单元的聚合物链段,Y为具有式(III)表示的重复单元的聚合物链段,n为1或2;
[化1]
式中,R1表示氢原子或甲基,R2表示碳数1~6的直链或支链烷基;
[化2]
式中,R3及R4分别表示碳数1~20的直链或支链烷基、环烷基、芳基或芳烷基,式中,R3及R4可彼此相同或不同;
X’(Y)n (IV)
式中,X’为具有式(V)表示的重复单元的聚合物链段,Y和n与前述定义相同;
[化3]
式中,R1与前述定义相同。
2.根据权利要求1所述的改性聚硅氧烷化合物的制备方法,其特征在于,分子量分布为1.05~1.5。
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