JP2008074769A - テトラカルボン酸類及びそのポリイミド、ならびにその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 本発明は、有益で新規な同一重合鎖内に少なくともエステル結合、イミド結合、フルオレニル基を含むことを特徴とするポリマーを提供する。
【解決手段】 エステル基、およびフルオレニル基を含有するテトラカルボン酸類を原料としてジアミン類と反応させて得られるポリマーをイミド化することにより誘導される同一重合鎖内に少なくともエステル結合、イミド結合、フルオレニル基を含むことを特徴とするポリマーが産業分野において有益な材料となることを見出した。
【選択図】 なし
Description
本発明は、フルオレニル基およびエステル基を共に含有する新規なテトラカルボン酸類、およびこれらを原料として製造されるポリイミド前駆体、ポリイミド及びその製造方法に関する。
ポリイミドは優れた耐熱性のみならず、耐薬品性、耐放射線性、電気絶縁性、優れた機械的性質などの特性を併せ持つことから、フレキシブルプリント配線回路用基板、テープオートメーションボンディング用基材、半導体素子の保護膜、集積回路の層間絶縁膜等、様々な電子デバイスに現在広く利用されている。ポリイミドはまた製造方法の簡便さ、高い膜純度、物性改良のしやすさの点で、非常に有用な材料であり、近年様々な用途毎に適した機能性ポリイミドの材料設計がなされている。
多くのポリイミドは有機溶媒に不溶で、ガラス転移温度以上でも溶融しないため、ポリイミドそのものを成型加工することは通常容易ではない。そのためポリイミドは一般に、無水ピロメリット酸等の芳香族テトラカルボン酸二無水物とジアミノジフェニルエーテル等の芳香族ジアミンとをジメチルアセトアミド等の非プロトン性極性有機溶媒中で等モル反応させて、先ず高重合度のポリイミド前駆体を重合し、この溶液を膜などに成形し250℃から350℃程度の温度をかけて加熱し、脱水閉環(イミド化)して製膜される。
ポリイミド/金属基板積層体をイミド化温度から室温へ冷却する過程で発生する熱応力はしばしばカーリング、膜の剥離、割れ等の深刻な問題を引き起こす。最近では電子回路の高密度化に伴い、多層配線基板が採用されるようになってきたが、たとえ膜の剥離や割れにまで至らなくても多層基板における応力の残留はデバイスの信頼性を著しく低下させるので、熱応力を低減することも検討されているが、これら熱応力の低い樹脂は溶媒に対する溶解性が低く操作性が悪いという問題がある。
一方、ポリイミドが有機溶媒に可溶である場合、熱イミド化工程を必要としないため、金属基板上にポリイミドの有機溶媒溶液(ワニス)を塗布後、熱イミド化温度よりずっと低い温度で溶媒を蒸発・乾燥するだけでよく、金属基板/絶縁膜積層体における熱応力を低減することが可能である。しかしながら、有機溶媒に可溶で実用化されたポリイミドはごく限られており、多様な物性を有し且つ汎用溶媒に可溶なポリイミドの開発が待ち望まれている。
さらに、ポリイミドは一般に吸水率が高いことが知られている。絶縁層における吸水は絶縁膜の寸法変化や電気特性の低下等の深刻な問題を引き起こす。低吸水率を実現するための分子設計として、ポリイミド骨格へのエステル結合の導入が有効であると報告されている(非特許文献1)。
また近年、特にマイクロプロセッサーの演算速度の高速化やクロック信号の立ち上がり時間の短縮化が情報処理・通信分野で重要な課題になってきているが、そのためには絶縁膜として使用されるポリイミド膜の誘電率を下げることが必要となる。また電気配線長の短縮のための高密度配線および多層基板化にとっても、絶縁膜の誘電率が低いほど絶縁層を薄くできる等の点で有利である。
また近年、特にマイクロプロセッサーの演算速度の高速化やクロック信号の立ち上がり時間の短縮化が情報処理・通信分野で重要な課題になってきているが、そのためには絶縁膜として使用されるポリイミド膜の誘電率を下げることが必要となる。また電気配線長の短縮のための高密度配線および多層基板化にとっても、絶縁膜の誘電率が低いほど絶縁層を薄くできる等の点で有利である。
ポリイミドの低誘電率化には骨格中へのフッ素置換基の導入が有効である(非特許文献2)。しかしながらフッ素化モノマーの使用はコストの点で不利である。
また芳香族単位を脂環族単位に置き換えてπ電子を減少することも低誘電率化に有効な
手段である(非特許文献3)。
しかしながら、低誘電率(目標値として3.0以下)、低吸水性および溶媒可溶性を同時に有し、かつハンダ耐熱性を保持するポリイミドを得ることは分子設計上容易ではなく、このような要求特性を満足し、低コストで製造可能な材料は今のところ知られていない。ポリイミド以外の低誘電率高分子材料や無機材料も検討されているが、誘電率、耐熱性および靭性の点で要求特性が十分に満たされていないのが現状である。
また芳香族単位を脂環族単位に置き換えてπ電子を減少することも低誘電率化に有効な
手段である(非特許文献3)。
しかしながら、低誘電率(目標値として3.0以下)、低吸水性および溶媒可溶性を同時に有し、かつハンダ耐熱性を保持するポリイミドを得ることは分子設計上容易ではなく、このような要求特性を満足し、低コストで製造可能な材料は今のところ知られていない。ポリイミド以外の低誘電率高分子材料や無機材料も検討されているが、誘電率、耐熱性および靭性の点で要求特性が十分に満たされていないのが現状である。
更に近年、光学材料用途へ展開する要望から、可視光領域で高い透明性を示すポリイミドの要求が高まっている。この透明性に加えて、耐熱性、可溶性、適度な靭性を兼ね備えたポリイミドが得られれば、液晶ディスプレイやELディスプレイ用フレキシブル基板や、内部に使用される各種光学特性部材として好適に使用することできるが、このような物性を兼ね備えた材料は知られていないのが現状である。
特に各種ディスプレイのパネルは多くのフィルムを組み合わせて構成されており、それぞれの目的に応じて多様な機能が要求されている。例えば、位相差フィルムはディスプレイを構成する重要なフィルムの1つであり、このものの光学的な役割は、波長による複屈折のずれを補償するものとされている。特に負の複屈折性などの特異な機能をフィルムに付与するためには、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレンをモノマーとして一部使用したポリカーボネートとすると良いという報告がある(特許文献1)。ただしこのものは耐熱性が不足していて工程上使用できない場合があり、耐熱性を兼ね備えたこのような機能性フィルムはいまだ知られていない。
また、絶縁層としてのポリイミドにスルーホール形成や微細加工を施す目的で、ポリイミドあるいはその前駆体自身に感光性能を付与した感光性ポリイミドシステムが盛んに研究されている。一方塩基性物質でポリイミドそのものにエッチングを施し、スルーホール形成等も行われている。しかしながら後者ではアルカリによるポリイミド膜のエッチング速度が通常遅いために、エッチング液はエタノールアミン等特殊な塩基性物質に限られており、エタノールアミンを用いても全てのポリイミドに適用できるわけではない。上記要求特性を有し且つ、汎用の塩基性物質により容易にエッチングできるような材料が開発されれば、上記産業分野において極めて有益な材料を提供しうるが、そのような材料は現在のところ知られていない。
高分子討論会予稿集,53,4115(2004) Macromolecules,24,5001(1991) Macromolecules,32,4933(1999) 特開平7−216078号公報
高分子討論会予稿集,53,4115(2004) Macromolecules,24,5001(1991) Macromolecules,32,4933(1999)
本発明は高ガラス転移温度、高透明性、低吸水率およびエッチング特性を併せ持つため、各種電子デバイスにおける電気絶縁膜や積層板、フレキシブルプリント配線基板などの電子材料分野、液晶ディスプレイ用基板、有機エレクトロルミネッセンス(EL)ディスプレイ用基板、電子ペーパー用基板、位相差フィルムなどの表示装置分野、レンズや回折格子、光導波路などの光学材料分野、バッファーコート膜や層間絶縁膜などの半導体分野、この他太陽電池用基板、感光材料等において有益なポリイミドと、その前駆体、さらにその原料である新規なモノマー及びそれらの製造方法を提供するものである。
さらには、ディスプレイ分野において使用される位相差フィルムはフルオレン環をペンダント型に配したポリカーボネートなどを使用する事が提案されているが、ポリカーボネートは耐熱性が十分ではなく液晶セルを組み上げるプロセスにおいて少なからず制約があった。そこでこのフィルムの耐熱性を上げて、より広範なプロセス条件において適用可能な位相差フィルムを提供するものである。
以上の問題を鑑み、鋭意研究を積み重ねた結果、下記一般式(1)〜(3)で表されるフルオレニル基とエステル基を共に含有する新規なテトラカルボン酸類を原料としてジアミンと反応させて得られるフルオレニル基を含有するポリマー(7)ないし(8)(以下ポリイミド前駆体と称することがある)をさらにイミド化することにより誘導されるポリマー(9)ないし(10)(以下、ポリイミドと称することがある)が上記産業分野において有益な材料となることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち本発明の第一の要旨は、下記一般式(1)〜(3)のいずれかで表されるテトラカルボン酸類、に存する。
(式(1)〜(3)中、A1およびA2はそれぞれ独立に2価の基を示す。X1、X2
、X3、X4、X5及びX6はそれぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子、ニトリル基、ニト
ロ基、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基、アミノ基、又はアミド基を表す。)
第二の要旨は、 上記式(1)〜(3)中のA1およびA2がそれぞれ独立に少なくと
も1つの環状構造を含む構造であるテトラカルボン酸類に存する。
、X3、X4、X5及びX6はそれぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子、ニトリル基、ニト
ロ基、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基、アミノ基、又はアミド基を表す。)
第二の要旨は、 上記式(1)〜(3)中のA1およびA2がそれぞれ独立に少なくと
も1つの環状構造を含む構造であるテトラカルボン酸類に存する。
第三の要旨は、下記一般式(4)〜(6)のいずれかで表されるテトラカルボン酸類に存する。
(式(4)〜(6)中、X1、X2、X3、X4、X5及びX6は第一の要旨と同義である。Pnはフェニレン基上の置換基を表し、それぞれ独立にハロゲン原子、ニトリル基、ニトロ基、アミノ基、または炭素数10以下のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基を表す。nは置換基の数を表し1から4の整数である。)
第四の要旨は、上記一般式(1)〜(3)におけるA1およびA2が同一構造であるテトラカルボン酸類に存する。
第四の要旨は、上記一般式(1)〜(3)におけるA1およびA2が同一構造であるテトラカルボン酸類に存する。
第五の要旨は、一般式(7)で示される構造単位を少なくとも一部に含むことを特徴とするポリマーに存する。
(式(7)中、A1およびA2はそれぞれ独立に2価の基を示す。X1、X2、X3、X4、X5及びX6はそれぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子、ニトリル基、ニトロ基、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基、アミノ基、又はアミド基を表す。Bは2価の芳香族基または脂肪族基を表す。Rは水素原子、炭素数1から10のアルキル基またはシリル基を表す。式(7)中のシクロヘキサン環に結合したエステル基(−COOR)とアミド基(−CONH−B−)は便宜上上記一般式の配置として例示しているが、これらの基の置換位置は相互に交換していてもかまわない。)
第六の要旨は、一般式(8)で示される構造単位を少なくとも一部に含むことを特徴とするポリマーに存する。
第六の要旨は、一般式(8)で示される構造単位を少なくとも一部に含むことを特徴とするポリマーに存する。
(式(8)中、X1、X2、X3、X4、X5、X6、BおよびRは第五の要旨と同義である。Pnは請求項3と同義である。式(8)中のシクロヘキサン環に結合したエステル基(−COOR)とアミド基(−CONH−B−)は便宜上上記一般式の配置として例示しているが、これらの基の置換位置は相互に交換していてもかまわない。)
第七の要旨は、一般式(9)で表される構成単位を少なくとも一部に含むことを特徴とするポリマーに存する。
第七の要旨は、一般式(9)で表される構成単位を少なくとも一部に含むことを特徴とするポリマーに存する。
(式(9)中、A1およびA2はそれぞれ独立に2価の基を示す。X1、X2、X3、X4、X5及びX6はそれぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子、ニトリル基、ニトロ基、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基、アミノ基、又はアミド基を表す。Bは2価の芳香族基または脂肪族基を表す。)
第八の要旨は、一般式(10)で表される構成単位を少なくとも一部に含むことを特徴とするポリマーに存する。
第八の要旨は、一般式(10)で表される構成単位を少なくとも一部に含むことを特徴とするポリマーに存する。
(式(10)中、X1、X2、X3、X4、X5、X6、BおよびPnは第四の要旨と同義である。)
第九の要旨は、上記一般式(7)および(8)に記載のポリマーを加熱あるいは脱水試薬を用いて環化反応(イミド化)させることを特徴とする、上記一般式(9)および(10)のポリマーの製造方法に存する。
第九の要旨は、上記一般式(7)および(8)に記載のポリマーを加熱あるいは脱水試薬を用いて環化反応(イミド化)させることを特徴とする、上記一般式(9)および(10)のポリマーの製造方法に存する。
第十の要旨は、上記一般式(7)および(8)に記載のポリマーを経由することなしに、上記一般式(1)〜(6)に記載のテトラカルボン酸類とジアミンを溶媒中、高温下で一段階で重縮合反応することを特徴とする、上記一般式(9)および(10)に記載のポリマーの製造方法に存する。
第十一の要旨は、上記一般式(7)から(10)に記載のポリマーを含むことを特徴とする樹脂組成物に存する。
第十一の要旨は、上記一般式(7)から(10)に記載のポリマーを含むことを特徴とする樹脂組成物に存する。
第十二の要旨は、上記一般式(7)から(10)に記載のポリマーを含む樹脂組成物からなるフィルムに存する。
第十三の要旨は、上記一般式(7)から(10)に記載のポリマーを含む樹脂組成物からなる位相差フィルムに存する。
第十四の要旨は、上記一般式(7)から(10)に記載のポリマーを含む樹脂組成物からなる位相差フィルムを用いたディスプレイ用部材に存する。
第十三の要旨は、上記一般式(7)から(10)に記載のポリマーを含む樹脂組成物からなる位相差フィルムに存する。
第十四の要旨は、上記一般式(7)から(10)に記載のポリマーを含む樹脂組成物からなる位相差フィルムを用いたディスプレイ用部材に存する。
本発明によれば、高ガラス転移温度、高透明性、高い有機溶媒溶解性、低複屈折およびアルカリエッチング特性を併せ持つ樹脂、およびその原料を提供することができる。また本発明のポリイミドフィルムに対して一軸あるいは二軸延操作を施すことにより、負の複屈折を発現させることが可能であり、これを利用した光学フィルムを提供することもできる。
詳しくは、本発明に係る樹脂の原料であるテトラカルボン酸二無水物において、酸無水物基がシクロヘキサン環上に結合していることに由来して、該ポリイミドにおけるパイ電子共役および分子内・分子間電荷移動相互作用を抑制することで透明性を高め、且つ誘電率を低下する事が可能となる。また該ポリイミド中のエステル結合は、スルーホール形成等の微細加工が必要な場合、アルカリエッチングを可能にする。
本発明のテトラカルボン酸二無水物分子中のフルオレニル基は、立体的に嵩高い構造を有するためポリイミドの溶媒溶解性を飛躍的に高める。更に内部回転抑制効果により、ポリイミドのガラス転移を飛躍的に高めるのに寄与する。
このフルオレニル基はポリイミド主鎖に対して垂直方向に結合していることに由来して、ポリイミドフィルムが一軸または二軸延伸された場合、ポリイミド主鎖は延伸方向に配列し、フルオレニル基はそれと直角方向に配列することになり、分極率の低い脂環構造の主鎖に対して分極率の高いフルオレニル基が打ち勝つ結果、ポリイミドフィルムの面方向より厚み方向の屈折率が高くなり、負の複屈折を発現させることができ、光学フィルムへの適用が可能となる。
このフルオレニル基はポリイミド主鎖に対して垂直方向に結合していることに由来して、ポリイミドフィルムが一軸または二軸延伸された場合、ポリイミド主鎖は延伸方向に配列し、フルオレニル基はそれと直角方向に配列することになり、分極率の低い脂環構造の主鎖に対して分極率の高いフルオレニル基が打ち勝つ結果、ポリイミドフィルムの面方向より厚み方向の屈折率が高くなり、負の複屈折を発現させることができ、光学フィルムへの適用が可能となる。
ポリイミド前駆体の重合の際に用いるジアミン成分として脂環式ジアミンを選択した場合、通常、重合の初期に若干塩形成が起こるが、本発明のテトラカルボン酸二無水物を使用した場合、塩はそれほど強固ではなく、室温で長時間攪拌を続けることで徐々に塩が溶解し、透明・均一なポリイミド前駆体溶液を容易に得ることが可能である。脂肪族ジアミンを使用した際に起こる塩形成の強さは、モノマーの立体構造に依存する。モノマーの立体構造が嵩高い場合あるいは嵩高い置換基を有する場合は、立体障害効果により塩の架橋密度が低下し、重合溶媒に対する塩の溶解度が増加し、結果として室温での長時間の攪拌により徐々に溶解して、重合反応を進行させることが可能となる。本発明のテトラカルボン酸二無水物の分子中含まれる嵩高いフルオレニル基は塩形成を弱めるとういう合成上極めて有利に作用する効果がある。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明
は、本発明の実施態様の一例(代表例)であり、これらの内容に特定はされない。
なお、本発明でいう「テトラカルボン酸類」は、テトラカルボン酸とさらにそれから誘導される一酸無水物、二酸無水物を含むものとし、また「ジアミン類」はジアミン化合物を意味するものとする。
は、本発明の実施態様の一例(代表例)であり、これらの内容に特定はされない。
なお、本発明でいう「テトラカルボン酸類」は、テトラカルボン酸とさらにそれから誘導される一酸無水物、二酸無水物を含むものとし、また「ジアミン類」はジアミン化合物を意味するものとする。
<テトラカルボン酸類>
本発明のフルオレニル基およびエステル基を共に含有することに特徴をもつテトラカルボン酸類とは、下記式(1)〜(3)で表される化合物を総称する。すなわち下式(3)に示す両端に4つのカルボン酸があるもの、下式(2)に示す様に1組のカルボン酸が酸
無水物を形成しているもの、さらに下式(1)に示す様に2組のカルボン酸が共に酸無水物を形成しているもの、それぞれの化合物を総称するものである。
本発明のフルオレニル基およびエステル基を共に含有することに特徴をもつテトラカルボン酸類とは、下記式(1)〜(3)で表される化合物を総称する。すなわち下式(3)に示す両端に4つのカルボン酸があるもの、下式(2)に示す様に1組のカルボン酸が酸
無水物を形成しているもの、さらに下式(1)に示す様に2組のカルボン酸が共に酸無水物を形成しているもの、それぞれの化合物を総称するものである。
上記式(1)〜(3)中のA1およびA2の構造としては、フルオレニル基の9位とエステル基とに結合していれば良く、その他には特に構造上の制限はない。
具体的には、式(1)〜(3)中、A1およびA2はそれぞれ独立に任意の2価の基であればよい。本発明の化合物は、2つのシクロヘキサン環とそれをつなぐ2つのエステル基を有し、更に分子中央に嵩高いフルオレニル基を含有するというという構造が1つの特徴であり、この構造を有することにより、本発明のポリイミド樹脂とした時に高い、ガラス転移温度、高い透明性、高い靭性、高い溶媒溶解性、等の優れた物性を得ることができる。さらに、フルオレニル基が9位で置換して2つの酸二無水物の間に配置されていることから、ポリマーとした時にフルオレニル基が主鎖に対して垂直に固定されると言う構造上の特徴があり、これゆえフィルムとした時に光学的な位相差を補償する機能を持つことになる。つまり、A1およびA2の構造が任意の2価の基であっても、本化合物のこれらの物性に関しては大きくは影響を与えない傾向にある。従って、A1およびA2の構造は任意の2価の基であって、特にその構造は制限されない。
具体的には、式(1)〜(3)中、A1およびA2はそれぞれ独立に任意の2価の基であればよい。本発明の化合物は、2つのシクロヘキサン環とそれをつなぐ2つのエステル基を有し、更に分子中央に嵩高いフルオレニル基を含有するというという構造が1つの特徴であり、この構造を有することにより、本発明のポリイミド樹脂とした時に高い、ガラス転移温度、高い透明性、高い靭性、高い溶媒溶解性、等の優れた物性を得ることができる。さらに、フルオレニル基が9位で置換して2つの酸二無水物の間に配置されていることから、ポリマーとした時にフルオレニル基が主鎖に対して垂直に固定されると言う構造上の特徴があり、これゆえフィルムとした時に光学的な位相差を補償する機能を持つことになる。つまり、A1およびA2の構造が任意の2価の基であっても、本化合物のこれらの物性に関しては大きくは影響を与えない傾向にある。従って、A1およびA2の構造は任意の2価の基であって、特にその構造は制限されない。
この2価の基の中でも、好ましいものとしては、環状構造を有する基である。環状構造を有する構造とは、A1もしくはA2は各々独立に芳香族基を含むもの又は脂環構造を含むものをさす。A1もしくはA2に環状構造を用いることでポリマーとした時の物理的および化学的耐熱性が向上しうる。また、A1もしくはA2に脂環構造を含む場合には耐熱性を維持しつつ、UV領域の光吸収を低減させることができる、という特徴も得ることが
できる。
できる。
式(1)〜(3)中、X1、X2、X3、X4、X5及びX6はそれぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子、ニトリル基、ニトロ基、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基、アミノ基、又はアミド基を表す。好ましくは、X1、X2、X3、X4、X5及
びX6 がすべて水素原子であると、原料の入手が容易となるので好ましい。
上記式(1)〜(3)の構造のテトラカルボン酸類は、さらには、A1とA2がフェニレン基となった下記式(4)〜(6)で表される構造であることが好ましい。
びX6 がすべて水素原子であると、原料の入手が容易となるので好ましい。
上記式(1)〜(3)の構造のテトラカルボン酸類は、さらには、A1とA2がフェニレン基となった下記式(4)〜(6)で表される構造であることが好ましい。
式(4)〜(6)中、X1、X2、X3、X4、X5及びX6は第一の要旨と同義である。Pnはフェニレン基上の置換基を表し、それぞれ独立にハロゲン原子、ニトリル基、ニトロ基、アミノ基、または炭素数10以下のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基を表す。nは置換基の数を表し1から4の整数である。
この中でも、置換基Pはそれぞれ独立に炭素数10以下のアルキル基、アルコキシ基が好ましい。さらには、それぞれ独立にメチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、メトキシ基がより好ましい。
この中でも、置換基Pはそれぞれ独立に炭素数10以下のアルキル基、アルコキシ基が好ましい。さらには、それぞれ独立にメチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、メトキシ基がより好ましい。
さら上記式(4)〜(6)の構造のテトラカルボン酸類のフェニレン基の置換基Pnは、2つのフェニレン基で同一であると、原料の入手性が良くなおかつ樹脂とした時の性能が高いので好ましい。
本発明のテトラカルボン酸類の具体的な構造としては、上記一般式(1)〜(3)中のA1およびA2の具体的な構造として例を挙げると、芳香族基としてはいずれも2価の基であるフェニレン基、ナフチレン基、ビフェニレン基、ジフェニルエーテル基、ジフェニルスルホン基、メチレンジフェニル基、イソプロピリデンジフェニル基、3,3’,5,5’−テトラメチル−(1,1’−ビフェニル)基、4−(2−ヒドロキシエトキシ)フェニル基などが上げられ、脂環構造としては、シクロヘキシレン基、シクロヘキサンジメチレン基、デカヒドロナフチレン基、4−(2−ヒドロキシエトキシ)シクロヘキシル基等が挙げられる。さらにこれらの基同士が、あるいは他の基と連結基で複数結合された構造となっていてもかまわない。
本発明のテトラカルボン酸類の具体的な構造としては、上記一般式(1)〜(3)中のA1およびA2の具体的な構造として例を挙げると、芳香族基としてはいずれも2価の基であるフェニレン基、ナフチレン基、ビフェニレン基、ジフェニルエーテル基、ジフェニルスルホン基、メチレンジフェニル基、イソプロピリデンジフェニル基、3,3’,5,5’−テトラメチル−(1,1’−ビフェニル)基、4−(2−ヒドロキシエトキシ)フェニル基などが上げられ、脂環構造としては、シクロヘキシレン基、シクロヘキサンジメチレン基、デカヒドロナフチレン基、4−(2−ヒドロキシエトキシ)シクロヘキシル基等が挙げられる。さらにこれらの基同士が、あるいは他の基と連結基で複数結合された構造となっていてもかまわない。
ここで適用可能な連結基の具体的な例としては、メチレン基(−CH2−)、エーテル基(−O−)、エステル基(−C(O)O−)、ケト基(−C(O)−)、スルホニル基(−SO2−)、スルフィニル基(−SO−)、スルフェニル基(−S−)、などを挙げることができる。なお、上記した2価の環状構造を含む基に関しては、特にその置換位置は問わない。例えばフェニレン基であれば1,4−位で連結すると−A1−乃至−A2−の構造が直線となるため耐熱性が向上し、ガラス転移温度が向上することが期待され好ましい。一方、フェニレン基において1,3−位で連結した場合には、−A1−乃至−A2−構造が屈曲するため得られるポリイミドの溶媒に対する溶解性の向上が期待されるので好ましい。従って連結位置については、必要とされる物性に応じて適宜ふさわしい構造のA1およびA2を選択することが好ましい。
更に好ましい構造としては、A1ないしA2が芳香族基を含む基である。芳香族基が含有されるとポリイミド樹脂としたときの耐熱性および、寸法安定性が一層向上する上に屈折率の向上も達成される。芳香族基の具体的なものとしては、上記したものが適用可能であるが、中でもフェニレン基、ビフェニレン基、ジフェニルエーテル基、ジフェニルスルホン基、4−(2−ヒドロキシエトキシ)フェニル基、3,3’,5,5’−テトラメチル−(1,1’−ビフェニル)基等がより剛直な構造を持つ点で特に好ましい。さらには、フェニレン基、4−(2−ヒドロキシエトキシ)フェニレン基、3,3’,5,5’−テトラメチル−(1,1’−ビフェニル)基が原料の入手性、得られる樹脂の物性が良好な点で好ましい。さらには、フェニレン基の場合、1,4−フェニレン基が、ビフェニレン基の場合、4,4’−ビフェニレン基が、耐熱性が高いため特に好ましい。
原料の入手のしやすさおよび得られる樹脂の物性が良好であるという点で、A1およびA2として1,4−フェニレン基が特に好ましい。
1,4−フェニレン基上に置換基を含有するものも使用可能である。置換基として特に限定されないが、炭素数1〜6の分岐状または直鎖状アルキル基、あるいはアルコキシ基が挙げられる。原料の入手のしやすさ、製造法の簡便さおよび製造コストの観点から、メチル基またはエチル基が好ましい。1,4−フェニレン基上の置換基の数は1〜4であるが、原料の入手のしやすさ、製造法の簡便さおよび製造コストの観点から、置換基数は1つまたは2つが好ましい。
1,4−フェニレン基上に置換基を含有するものも使用可能である。置換基として特に限定されないが、炭素数1〜6の分岐状または直鎖状アルキル基、あるいはアルコキシ基が挙げられる。原料の入手のしやすさ、製造法の簡便さおよび製造コストの観点から、メチル基またはエチル基が好ましい。1,4−フェニレン基上の置換基の数は1〜4であるが、原料の入手のしやすさ、製造法の簡便さおよび製造コストの観点から、置換基数は1つまたは2つが好ましい。
また、上記式(1)〜(3)中のX1、X2、X3、X4、X5及びX6はそれぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子、ニトリル基、ニトロ基、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基、アミノ基、又はアミド基を表す。アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基、アミノ基、アミド基の炭素数は、1〜10が好ましい。より具体的には、アルキル基の例としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基等が例示される。アルコキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシ基、i−プロポキシ基、n−ブトキシ基などがあげられる。また、ハロゲン原子の例としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子が上げられる。これらの例中でも上記式(1)〜(3)中のX1、X2、X3、X4、X5及びX6がそれぞれ独立に水素原子又はハロゲン原子であることが、原料の入手のしやすさの点で好ましい。この場合、ハロゲン原子の数、置換位置については特に限定されない。さらに好ましくは上記式(1)〜(3)中のX1、X2、X3、X4、X5及びX6がすべて水素原子の場合である。
A1およびA2とX1、X2、X3、X4、X5及びX6の組み合わせとして好ましい構造としては、A1およびA2がともに環状構造を有する基であり、X1、X2、X3、X4、X5及びX6がそれぞれ独立にハロゲン原子又は水素原子で構成されるものである。より好ましくはA1およびA2がともに環状構造を有する基でX1、X2、X3、X4、X5及び
X6がすべて水素原子で構成されるものである。さらに好ましくは、A1およびA2がと
もに1,4−フェニレン基でX1、X2、X3、X4、X5及びX6がすべて水素原子で構成されるものである。
X6がすべて水素原子で構成されるものである。さらに好ましくは、A1およびA2がと
もに1,4−フェニレン基でX1、X2、X3、X4、X5及びX6がすべて水素原子で構成されるものである。
<ポリマー>
本発明のポリマーとしては、ポリイミド前駆体である下記式(7)で表されるものと、ポリイミドとなった下記式(9)で表されるものの2つを指す。
本発明のポリマーとしては、ポリイミド前駆体である下記式(7)で表されるものと、ポリイミドとなった下記式(9)で表されるものの2つを指す。
上記式(7)および(9)における、A1およびA2はそれぞれ独立に2価の芳香族基及び/または脂肪族基を示す。X1、X2、X3、X4、X5及びX6はそれぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子、ニトリル基、ニトロ基、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基、アミノ基、又はアミド基を表す。Bは2価の芳香族基または脂肪族基を表す。Rは水素原子、炭素数1から10のアルキル基またはトリアルキルシリル基を表す。式(7)中のシクロヘキサン環に結合したエステル基(−COOR)とアミド基(−CONH−B−)は便宜上上記一般式の配置として例示しているが、これらの基の置換位置は相互に交換していてもかまわない。)式(7)および(9)におけるBは任意の2価の基であればよい。本発明のポリイミド前駆体(7)とポリイミド(9)は、2つのシクロヘキサン環とそれをつなぐ2つのエステル基、およびフルオレニル基を含有するという構造に特徴があり、この構造を有することにより高い透明性、高い靭性、高い溶媒溶解性などの優れた物性がもたらされる。さらに、フルオレニル基がその9位で結合して2つのエステルの間に配置されていることから、ポリマーとした時にフルオレニル基が主鎖に対して垂直に固定されると言う構造上の特徴があり、これゆえフィルムとした時に光学的な位相差を補償する機能を持つことになる。つまり、Bの構造が任意の2価の基であっても、本化合物のこれらの物性に関しては大きくは影響を与えない傾向にある。従って、Bの構造は2価の基であれば、特に制限されない。
この2価の基の中でも、Bの構造として好ましいものとしては、環状構造を有する基である。環状構造を有する構造とは、Bに芳香族基を含む構造および脂環構造を含む構造をさす。Bに環状構造があるとポリイミド樹脂とした時の物理的、化学的耐熱性が向上する。また、脂環構造を含む場合には耐熱性を維持しつつ、UV領域の光吸収を大幅に低減させることができる、という特徴も得ることができる。具体的な構造として例を挙げると、芳香族基としてはいずれも2価の基であるフェニレン基、ナフチレン基、ビフェニレン基、ジフェニルエーテル基、ジフェニルスルホン基、4,4’−(9−フルオレニリデン)ジフェニル基、メチレンジフェニル基、イソプロピリデンジフェニル基、3,3’−ジメチル−1,1’−ビフェニル基、3,3’,5,5’−テトラメチル−1,1’−ビフェニル基、2,2’−ビス(トリフルオロメチル)−1,1’−ビフェニル基などが上げられ、脂環構造としては、シクロヘキシレン基、シクロヘキサンジメチレン基、ジシクロヘキシルエーテル基、メチレンジシクロヘキシル基、デカヒドロナフチレン基等が挙げられる。さらにこれらの基同士が、あるいは他の基と連結基で複数結合された構造となっていてもかまわない。ここで適用可能な連結基の具体的な例としては、メチレン基(−CH2−)、エーテル基(−O−)、エステル基(−C(O)O−)、ケト基(−C(O)−)、スルホニル基(−SO2−)、スルフィニル基(−SO−)、スルフェニル基(−S−)、9,9−フルオレニリデン基などを挙げることができる。なお、上記した2価の環状構造を含む基に関しては、特にその連結位置は問わない。例えばフェニレン基であれば1,4−位で連結すると−B−の構造が直線となるため耐熱性が向上することが期待される。一方、フェニレン基において1,3−位で連結した場合には、−B−構造が折れ曲がった状態になり、溶媒に対する溶解性の向上が期待される。従って、置換位置については、必要とされる物性に応じて適宜ふさわしい構造のBを選択することが好ましい。
更に好ましい構造としては、Bが芳香族基を含む基である。芳香族基が含有されるとポリイミド樹脂としたときの耐熱性および、寸法安定性が一層向上する上に屈折率の向上も達成される。芳香族基の具体的なものとしては、上記したものが適用可能であるが、中でもフェニレン基、ビフェニレン基、ジフェニルエーテル基、ジフェニルスルホン基、4,4’−(9−フルオレニリデン)ジフェニル基、3,3’,5,5’−テトラメチル−1,1’−ビフェニル基等がより剛直な構造を持つ点で特に好ましい。
式(7)中、Rは水素原子、炭素数1から12のアルキル基またはシリル基を表す。アルキル基としては、例えばメチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、シリル基としては例えばトリメチルシリル基、トリエチルシリル基、ジメチル−t−ブチルシリル基、使用可能な例として挙げられる。中でも、脱離能が高いことからトリメチルシリル基、ジメチル−t−ブチルシリル基が好ましい。
A1およびA2とB、X1、X2、X3、X4、X5及びX6の組み合わせとして好ましい
構造としては、A1およびA2とBがそれぞれ環状構造を有する基であり、X1、X2、X3、X4、X5及びX6がそれぞれ独立にハロゲン原子もしくは水素原子で構成されるもの
である。より好ましくはA1およびA2とBがそれぞれ環状構造を有する構造でX1、X2、X3、X4、X5及びX6がすべて水素原子で構成されるものである。なお、この際のA1、A2およびBの構造は相互に同一であっても異なっていてもかまわない。さらに好ましくはA1およびA2が共に1,4−フェニレン基で、Bが環状構造を有する構造、X1、
X2、X3、X4、X5及びX6がすべて水素原子で構成されるものである。
構造としては、A1およびA2とBがそれぞれ環状構造を有する基であり、X1、X2、X3、X4、X5及びX6がそれぞれ独立にハロゲン原子もしくは水素原子で構成されるもの
である。より好ましくはA1およびA2とBがそれぞれ環状構造を有する構造でX1、X2、X3、X4、X5及びX6がすべて水素原子で構成されるものである。なお、この際のA1、A2およびBの構造は相互に同一であっても異なっていてもかまわない。さらに好ましくはA1およびA2が共に1,4−フェニレン基で、Bが環状構造を有する構造、X1、
X2、X3、X4、X5及びX6がすべて水素原子で構成されるものである。
<フィルム>
本発明のフィルムは、本発明のポリマー、すなわち本発明のポリイミド前駆体もしくは本発明のポリイミドを含む樹脂組成物をフィルム化して得られる物である。本発明のポリマーと他の樹脂を混合してフィルム化する場合、混合される樹脂としては、特にその制限はなく、本発明のポリマーと混合することができれば使用する事ができる。具体的には、その際に使用される樹脂は、他のポリイミドや、ポリエーテルイミド、他の組成のポリエステルイミド、ポリエーテルスルホン、トリアセチルセルロース、ポリカーボネート、ポリステル、ポリ(メタ)アクリレート、ポリシクロオレフィン、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリありレート等である。
フィルムの厚さは、通常下限が通常0.1μm、好ましくは1μm、さらに好ましくは5μm、上限は通常5mm、好ましくは3mm、さらに好ましくは1mmである。
本発明のフィルムは、本発明のポリマー、すなわち本発明のポリイミド前駆体もしくは本発明のポリイミドを含む樹脂組成物をフィルム化して得られる物である。本発明のポリマーと他の樹脂を混合してフィルム化する場合、混合される樹脂としては、特にその制限はなく、本発明のポリマーと混合することができれば使用する事ができる。具体的には、その際に使用される樹脂は、他のポリイミドや、ポリエーテルイミド、他の組成のポリエステルイミド、ポリエーテルスルホン、トリアセチルセルロース、ポリカーボネート、ポリステル、ポリ(メタ)アクリレート、ポリシクロオレフィン、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリありレート等である。
フィルムの厚さは、通常下限が通常0.1μm、好ましくは1μm、さらに好ましくは5μm、上限は通常5mm、好ましくは3mm、さらに好ましくは1mmである。
<位相差フィルム>
本発明のフィルムには、重合鎖に対してフルオレン環が垂直に固定されていることから各種ディスプレイ用の位相差フィルムに使用できる。このフィルムは、単にキャスト、押し出し成形、プレス成形されたものでも、一旦フィルムとした後にさらに1軸ないし2軸延伸されたものでも良い。
本発明のフィルムには、重合鎖に対してフルオレン環が垂直に固定されていることから各種ディスプレイ用の位相差フィルムに使用できる。このフィルムは、単にキャスト、押し出し成形、プレス成形されたものでも、一旦フィルムとした後にさらに1軸ないし2軸延伸されたものでも良い。
<ディスプレイ用部材>
本発明のディスプレイ部材は、本発明のポリマー、すなわち本発明のポリイミド前駆体もしくは本発明のポリイミドを含む樹脂組成物から得られる物である。具体的には、基板、配向膜、粘着剤、偏光板、位相差フィルム、カラーフィルター、樹脂ブラックマトリックス材料、視野角補償フィルムなどである。
本発明のディスプレイ部材は、本発明のポリマー、すなわち本発明のポリイミド前駆体もしくは本発明のポリイミドを含む樹脂組成物から得られる物である。具体的には、基板、配向膜、粘着剤、偏光板、位相差フィルム、カラーフィルター、樹脂ブラックマトリックス材料、視野角補償フィルムなどである。
<テトラカルボン類の製造方法>
本発明のエステル基およびフルオレニル基を共に含有するテトラカルボン酸類は、例えば芳香環が水素化されたトリメリット酸無水物(以下、核水素化トリメリット酸無水物 と称す)とジオールを原料として製造できる。下記に一例としてその製造方法を記載するが、本発明に於いては上記した構造のテトラカルボン酸類を製造できればよく、その製法は限定されない。
本発明のエステル基およびフルオレニル基を共に含有するテトラカルボン酸類は、例えば芳香環が水素化されたトリメリット酸無水物(以下、核水素化トリメリット酸無水物 と称す)とジオールを原料として製造できる。下記に一例としてその製造方法を記載するが、本発明に於いては上記した構造のテトラカルボン酸類を製造できればよく、その製法は限定されない。
核水素化トリメリット酸無水物の製造方法は、公知公用の方法を採用することができ、特に限定されない。シクロヘキサン環に置換基のある酸無水物(一般式(1)におけるX1、X2、X3、X4、X5及びX6がそれぞれ独立に水素原子と異なる置換基である場合)を製造する場合においては、あらかじめ置換基の入ったトリメリット酸無水物を原料として核水素化する方法や、核水素化されたトリメリット酸無水物に対して置換基を導入する方法など、特にその製造方法は限定されない。
製造方法の具体例としては、テトラカルボン酸類の原料となる核水素化トリメリット酸無水物は、トリメリット酸、又はトリメリット酸無水物を水素化する事で得ることができる。あるいは、トリメリット酸のエステルを核水素化し、その後エステル部分を加水分解、分子内脱水して酸無水物化する事でも製造する事ができる。具体的には、例えば米国特許出願公開第US5412108号明細書においてトリメリット酸無水物を核水素化する事で製造できることが開示されている。該米国出願公開明細書においては核水素化に使用可能な水素化触媒としてはRh金属がある特定の単体に担持されたRh触媒を用いている事が有利であるとされているが、この他にもPd,Ru,Ni,Ptなどの芳香核を水素化できる金属を使用した触媒であれば特に制限なく使用することができる。これら金属触媒は、担体に担持されていても、金属単独で使用することも可能であり、さらにはこれら金属に必要に応じて他の成分を添加して用いてもよい。
核水素化反応を行うと、通常、シクロヘキサン環上の3つの置換基については4種の立体異性体(光学異性体も含めれば8種)の混合物となる。これらの立体異性体については、このまま混合物のまま次の反応に使用しても良いし、再結晶化などの精製を行うことによって単一、もしくは特定の異性体の濃度を高めてから使用しても良い。また、特定の異性体を選択的に得る方法としては、例えば、米国特許出願公開第US5412108号明細書に記載の方法などを用いると3つの置換基がすべてシスに制御された生成物を主成分として得ることができる。この場合、すべてシスの異性体の純度は、通常90%以上、好ましくは95%以上、さらに好ましくは98%以上である。
核水素化反応後、水素化触媒の金属が一部溶出することがあるが、用途によっては溶出した金属を除去することが望ましい。溶出した金属は例えば、ゼータ電位フィルターやイオン交換樹脂などを通すことによって除去もしくは減少させることが可能である。こうして得られた水素化トリメリット酸中に含まれる金属量は、通常は1000ppm以下、好
ましくは100ppm以下、さらに好ましくは10ppm以下である。
ましくは100ppm以下、さらに好ましくは10ppm以下である。
トリメリット酸の核水素化反応後の生成物において一部又はすべての1,2−ジカルボン酸無水物環部分が開環した1,2−ジカルボン酸(上記式(2)又は(3))となった場合には、減圧下加熱処理をすることにより1,2−ジカルボン酸部分を酸無水物環に変換しても良い。
その際採用される温度は、下限が50℃以上、好ましくは120℃以上、上限が250℃以下、好ましくは200℃以下である。
その際採用される温度は、下限が50℃以上、好ましくは120℃以上、上限が250℃以下、好ましくは200℃以下である。
その際採用される減圧度は、下限の制限はなく、上限は0.1MPa、好ましくは0.05MPaである。
1,2−ジカルボン酸部分を酸無水物環に変換する方法としては、上記した減圧下に過熱する方法の他に有機酸の酸無水物と処理する方法も採用することができる。その際に使用される有機酸の酸無水物としては、無水酢酸、無水プロピオン酸、無水マレイン酸、無水フタル酸などが上げられるが、過剰に使用した際の除去の容易さから無水酢酸が好適に用いられる。
1,2−ジカルボン酸部分を酸無水物環に変換する方法としては、上記した減圧下に過熱する方法の他に有機酸の酸無水物と処理する方法も採用することができる。その際に使用される有機酸の酸無水物としては、無水酢酸、無水プロピオン酸、無水マレイン酸、無水フタル酸などが上げられるが、過剰に使用した際の除去の容易さから無水酢酸が好適に用いられる。
その際採用される温度は、下限が30℃、好ましくは50℃、上限が200℃、好ましくは150℃である。
このようにして得られる酸無水物環を持つ化合物の割合は、通常95モル%以上、好ま
しくは98モル%以上、さらに好ましくは99モル%以上である。
次に、こうして得られた核水素化トリメリット酸無水物とジオールからジエステルを合成する。その際のエステル化反応(2分子の核水素化トリメリット酸の4位のカルボキシル基とジオールとの反応)は、通常有機合成的なエステル化反応として知られた反応を任意に採用できる。例えば、カルボン酸とアルコールから直接脱水してエステル化する方法、ジシクロヘキシルカルボジイミド(DCCと略される)や、ジエチルアゾジカルボキシレート/トリフェニルホスフィンの組み合わせなどの脱水試薬を用いて脱水縮合させる方法、カルボン酸とカルボン酸のアルコールエステルからエステル交換反応させる方法、カルボン酸を酸ハライドに変換した後に塩基性物質の存在下にアルコールと反応させる方法、カルボン酸を酸無水物に変換した後に塩基性物質の存在下にアルコールと反応させる方法、テトラカルボン酸をエステル交換法により製造する方法(J. Polym. Sci. Part A, 4, 1531−1541(1966))などである。
このようにして得られる酸無水物環を持つ化合物の割合は、通常95モル%以上、好ま
しくは98モル%以上、さらに好ましくは99モル%以上である。
次に、こうして得られた核水素化トリメリット酸無水物とジオールからジエステルを合成する。その際のエステル化反応(2分子の核水素化トリメリット酸の4位のカルボキシル基とジオールとの反応)は、通常有機合成的なエステル化反応として知られた反応を任意に採用できる。例えば、カルボン酸とアルコールから直接脱水してエステル化する方法、ジシクロヘキシルカルボジイミド(DCCと略される)や、ジエチルアゾジカルボキシレート/トリフェニルホスフィンの組み合わせなどの脱水試薬を用いて脱水縮合させる方法、カルボン酸とカルボン酸のアルコールエステルからエステル交換反応させる方法、カルボン酸を酸ハライドに変換した後に塩基性物質の存在下にアルコールと反応させる方法、カルボン酸を酸無水物に変換した後に塩基性物質の存在下にアルコールと反応させる方法、テトラカルボン酸をエステル交換法により製造する方法(J. Polym. Sci. Part A, 4, 1531−1541(1966))などである。
上述の方法の中でも、直接脱水する方法とエステル交換法、酸ハライドに変換する方法が、経済性、反応性の点で好ましい。
以下には、一例として酸ハライドに変換する方法について具体的に記述するが、本発明のテトラカルボン酸類を製造する方法は特にこれに限定されない。また、酸ハライドとする場合の例として、核水素化トリメリット酸無水物を酸クロリド化しこれとジオールから核水素化トリメリット酸無水物のジエステルを製造する方法を取り上げて以下記述するが、酸クロリドの他に酸ブロミド、酸アイオダイドとする方法も全く同様に採用することができる。
以下には、一例として酸ハライドに変換する方法について具体的に記述するが、本発明のテトラカルボン酸類を製造する方法は特にこれに限定されない。また、酸ハライドとする場合の例として、核水素化トリメリット酸無水物を酸クロリド化しこれとジオールから核水素化トリメリット酸無水物のジエステルを製造する方法を取り上げて以下記述するが、酸クロリドの他に酸ブロミド、酸アイオダイドとする方法も全く同様に採用することができる。
この方法においては、まず核水素化トリメリット酸無水物クロリドを合成する。このものの合成法としては、カルボン酸から対応する酸クロリドを合成する通常の方法を用いることができる。具体的な例としては、塩化チオニルを用いる方法、オキザリルクロリドを用いる方法、三塩化リンを用いる方法、安息香酸クロリドなどの他の酸クロリドを使用する方法などがあげられる。中でも過剰に使用した塩素化試剤の留去のしやすさの点から塩化チオニルを用いるのが好ましい。
塩化チオニルを用いて核水素化トリメリット酸無水物クロリドを製造する方法としては
例えば、特開2004−203792号公報に開示された方法が知られている。
また、塩素化剤を用いて核水素化トリメリット酸無水物を塩素化する際、N,N−ジメチルホルムアミドやピリジン等の触媒を用いることもできるが、これらを用いなくても反応に大きな支障はない。触媒の存在により、得られた塩素化物がかえって著しく着色する場合があるので、ポリイミド膜の透明性を重視する用途の場合は生成物の着色に注意が必要で、その場合はこれら触媒を使用しないで製造するのが好ましい。
例えば、特開2004−203792号公報に開示された方法が知られている。
また、塩素化剤を用いて核水素化トリメリット酸無水物を塩素化する際、N,N−ジメチルホルムアミドやピリジン等の触媒を用いることもできるが、これらを用いなくても反応に大きな支障はない。触媒の存在により、得られた塩素化物がかえって著しく着色する場合があるので、ポリイミド膜の透明性を重視する用途の場合は生成物の着色に注意が必要で、その場合はこれら触媒を使用しないで製造するのが好ましい。
使用する塩素化試剤の量は、反応等量、もしくは過剰量が採用されるが、通常下限が1モル等量以上、好ましくは5モル等量以上、さらに好ましくは10モル等量以上である。一方、上限は特に制限はないものの、経済的な観点から100モル等量以下、好ましくは50モル等量以下の量が使用される。
反応は室温でも行えるが、通常過熱して行う。採用される温度は、下限が30℃、好ましくは50℃、上限は使用する塩素化試剤の還流温度である。
反応は室温でも行えるが、通常過熱して行う。採用される温度は、下限が30℃、好ましくは50℃、上限は使用する塩素化試剤の還流温度である。
反応後は、過剰に使用した塩素化試剤を除去する。除去の方法は特に制限されず、蒸留、抽出などが適用できる。蒸留により留去する場合には、より効率をあげるために塩素化試剤と共沸組成物を形成する溶媒を添加して留去してもよい。例えば、塩化チオニルを留去する場合には、ベンゼンやトルエンを添加して共沸留去させることができる。
得られた酸塩素化物はヘキサンやシクロヘキサン等の無極性溶媒を用いて再結晶することでより純度を高めることができるが、そのような精製操作を行わなくても通常十分高純度なものが得られるので、場合によってはそのまま次の反応工程に使用しても差し支えない。
得られた酸塩素化物はヘキサンやシクロヘキサン等の無極性溶媒を用いて再結晶することでより純度を高めることができるが、そのような精製操作を行わなくても通常十分高純度なものが得られるので、場合によってはそのまま次の反応工程に使用しても差し支えない。
また、核水素化トリメリット酸無水物クロリドを製造する方法としては、上記したトリメリット酸の水素化で得られた1,2,4−シクロヘキサントリカルボン酸の1,2−ジカルボン酸部分を一度酸無水物環としてから残りのカルボン酸を酸クロリド化する方法の他に、1,2,4−シクロヘキサントリカルボン酸に直接塩素化剤を作用させて、酸クロリド化と酸無水物化を同時に行うこともできる。その際は、上記した酸クロリド化の際の塩素化試剤の使用量を変える以外は上記した反応条件をそのまま適用できる。塩素化剤の使用量は、通常下限が2モル等量以上、好ましくは5モル等量以上、さらに好ましくは10モル等量以上である。一方、上限は特に制限はないものの、経済的な観点から100モル等量以下、好ましくは50モル等量以下の量が使用される。
核水素化トリメリット酸無水物、ないし1,2,4−シクロヘキサントリカルボン酸に塩素化剤を作用させて核水素化トリメリット酸無水物クロリドを製造する際に、溶媒を用いて実施してもよい。その際使用できる溶媒は、使用する塩素化剤および生成物である核水素化トリメリット酸無水物クロリドが溶解し、塩素化剤が反応しない溶媒であれば制限なく使用できる。使用可能な溶媒の例としては、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素溶媒、ヘキサン、ヘプタンなどの脂肪族炭化水素溶媒、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、モノエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテルなどのエーテル系溶媒、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンなどのケトン系溶媒、酢酸エチル、酢酸ブチル、ガンマブチロラクトンなどのエステル系溶媒、ジメチルホルムアミドやジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドンなどのアミド系溶媒、等があげられる。中でも、溶解性、安定性の点からトルエンや、ヘプタン、テトラヒドロフランが好ましい。これら溶媒は単独で用いてもかまわないし、任意の複数の溶媒を混合して使用してもかまわない。溶媒の使用量は、基質である核水素化トリメリット酸無水物、ないし1,2,4−シクロヘキサントリカルボン酸の重量濃度として、通常下限が5重量%、好ましくは10重量%、上限が50重量%、好ましくは40重量%である。
このようにして必要に応じて精製を行って得られる核水素化トリメリット酸無水物クロリドの純度は、通常90%以上、好ましくは95%以上、さらに好ましくは98%以上である。主な不純物としては、酸無水環が開環したトリカルボン酸の複数のカルボキシル基が酸クロリド化を受けて生成するジ酸クロリド体、トリ酸クロリド体(立体異性体を含む)、触媒としてジメチルホルムアミドを使用した場合はこの分解物や、核水素化トリメリット酸のジメチルアミド体などがあるが、これらの存在量は少ない方が好ましく、通常は、5重量%以下、さらに好ましくは3重量%以下、より好ましくは1重量%以下である。
次に本発明においては、このようにして得られた核水素化トリメリット酸無水物の酸クロリドを、フルオレニル基を含有するジオールと反応させてエステル化し、一般式(1)に示されるジエステルを含むテトラカルボン酸類を合成する。
フルオレニル基を含有するジオールと酸クロリドとの反応は、通常塩基性物質の存在下に行う。反応におけるこれら試剤の反応器への添加の方法には特に制限がなく任意の添加法が採用できる。例えば、ジオールと塩基性物質を溶媒に溶解し、これに溶媒に溶解した上記の核水素化トリメリット酸無水物クロリドをゆっくりと滴下する方法、あるいは、逆に必要に応じて溶媒に溶解した上記の核水素化トリメリット酸無水物クロリド中にジオールと塩基性物質の混合溶液を滴下する方法、核水素化トリメリット酸無水物クロリドとジオールの混合溶液の中へ塩基性物質を滴下する方法、さらには、ジオールの溶液の中に核水素化トリメリット酸無水物クロリドの溶液と塩基性物質の溶液を同時に滴下する、などが採用可能である。
フルオレニル基を含有するジオールと酸クロリドとの反応は、通常塩基性物質の存在下に行う。反応におけるこれら試剤の反応器への添加の方法には特に制限がなく任意の添加法が採用できる。例えば、ジオールと塩基性物質を溶媒に溶解し、これに溶媒に溶解した上記の核水素化トリメリット酸無水物クロリドをゆっくりと滴下する方法、あるいは、逆に必要に応じて溶媒に溶解した上記の核水素化トリメリット酸無水物クロリド中にジオールと塩基性物質の混合溶液を滴下する方法、核水素化トリメリット酸無水物クロリドとジオールの混合溶液の中へ塩基性物質を滴下する方法、さらには、ジオールの溶液の中に核水素化トリメリット酸無水物クロリドの溶液と塩基性物質の溶液を同時に滴下する、などが採用可能である。
塩基性物質存在下のジオールと酸クロリドの反応では、反応の進行とともに白色沈殿が生じる。生成した目的物はフルオレニル基を含有するため、反応溶媒に対する溶解性が高く、多くの場合沈殿として析出せず、反応溶媒に溶解したままである。従って白色沈殿は殆ど副生成物である塩酸塩である。この塩酸塩を濾過により容易に分離することができる。濾液を減圧下で留去し、真空乾燥することで、目的のテトラカルボン酸二無水物の粗生成物が高収率で得られる。さらに必要に応じて適当な溶媒で再結晶し、最後に高温で真空乾燥することにより、高純度のテトラカルボン酸二無水物が得られる。
本発明のフルオレニル基を含有するテトラカルボン酸無水物を合成する際に使用可能なジオールは、下記の一般式で表される化合物である。
A1およびA2の具体的な構造は、テトラカルボン酸類の項で示した通りである。
中でもポリイミドとした時の耐熱性や光学特性などの物性が優れることから、A1および/またはA2に芳香族環ないし脂環構造を有するものが好ましい。さらに具体的な構造としては、化合物(11)として、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(2−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−ヒドロキシフェ
ニル)フルオレン、9,9−ビス(4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)フルオレン、9
,9−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス[4
−(2−ヒドロキシエトキシ)フェニル]フルオレンなどのA1およびA2に芳香環が含
まれたもの、9,9−ビス(4−ヒドロキシシクロヘキシル)フルオレン、9,9−ビス[
4−(2−ヒドロキシエトキシ)シクロヘキシル]フルオレンなどの脂環構造が含まれた
もの、9,9−ビス(2−ヒドロキシエチル)フルオレンなどの脂肪鎖を含むものなどが例として挙げられる。
中でもポリイミドとした時の耐熱性や光学特性などの物性が優れることから、A1および/またはA2に芳香族環ないし脂環構造を有するものが好ましい。さらに具体的な構造としては、化合物(11)として、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(2−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−ヒドロキシフェ
ニル)フルオレン、9,9−ビス(4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)フルオレン、9
,9−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス[4
−(2−ヒドロキシエトキシ)フェニル]フルオレンなどのA1およびA2に芳香環が含
まれたもの、9,9−ビス(4−ヒドロキシシクロヘキシル)フルオレン、9,9−ビス[
4−(2−ヒドロキシエトキシ)シクロヘキシル]フルオレンなどの脂環構造が含まれた
もの、9,9−ビス(2−ヒドロキシエチル)フルオレンなどの脂肪鎖を含むものなどが例として挙げられる。
なお、これらのジオールの合成法は、例えば下記の様に例を挙げることができる。
A1=A2=1,4−フェニレン基のジオール(9,9’−ビス(4−ヒドロキシフ ェニル)フルオレン)の場合、特開平9−124530公報に記載の方法で製造することができる。
また、A1=A2=4−(2−ヒドロキシエトキシ)フェニル基のジオール(9,9−ビス(4−(2−ヒドロキシエトキシ)フェニル)フルオレン)の場合、特開平9−255609号公報に記載の方法で製造することができる。
A1=A2=1,4−フェニレン基のジオール(9,9’−ビス(4−ヒドロキシフ ェニル)フルオレン)の場合、特開平9−124530公報に記載の方法で製造することができる。
また、A1=A2=4−(2−ヒドロキシエトキシ)フェニル基のジオール(9,9−ビス(4−(2−ヒドロキシエトキシ)フェニル)フルオレン)の場合、特開平9−255609号公報に記載の方法で製造することができる。
A1=A2=エチレン基のジオール(9,9’−ビス(2−ヒドロキシエチル)フルオレン)の場合、J.C.S.Perkin Trans.22083(1998)に記載の方法で製造することができる。
これらフルオレニル基を含有するジオールの使用量は、核水素化トリメリット酸無水物クロリドに対して、通常上限は0.6等量、好ましくは、0.5等量である。これ以上用いるとジオールの1つのみしかエステル化されていないハーフエステルが多く生成するので好ましくない。また下限は、0.3等量、好ましくは0.45等量を用いることができる。これ以下になると核水素化トリメリット酸無水物クロリドが反応系内に残り、分離操作が必要となるため好ましくはない。通常、0.5等量使用される。
これらフルオレニル基を含有するジオールの使用量は、核水素化トリメリット酸無水物クロリドに対して、通常上限は0.6等量、好ましくは、0.5等量である。これ以上用いるとジオールの1つのみしかエステル化されていないハーフエステルが多く生成するので好ましくない。また下限は、0.3等量、好ましくは0.45等量を用いることができる。これ以下になると核水素化トリメリット酸無水物クロリドが反応系内に残り、分離操作が必要となるため好ましくはない。通常、0.5等量使用される。
核水素化トリメリット酸無水物クロリドとフルオレニル基含有ジオールを反応させて該フルオレニル基含有テトラカルボン酸無水物を合成する際に使用可能な溶媒としては、特に限定されないが、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン-ビス(2−メトキシエチル)エーテル等のエーテル溶媒、ピコリン、ピリジン等の芳
香族アミン溶媒、アセトン、メチルエチルケトン等のようなケトン系溶媒、トルエン、キシレン等の様な芳香族炭化水素溶媒、ジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン等のような含ハロゲン溶媒、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド等のようなアミド系溶媒、ヘキサメチルホスホルアミド等のような含リン溶媒、ジメチルスルホオキシド等のような含イオウ溶媒、γ-ブチロラクトン、酢酸エチル、酢酸ブチル等のようなエ
ステル系溶媒、1 ,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン等のような含窒素溶媒、フェ
ノール、o−クレゾール、m−クレゾール、p−クレゾール、o−クロロフェノール、m−クロロフェノール、p−クロロフェノール等の水酸基を有する芳香族系溶媒等が挙げられる。これらの溶媒は単独でも、2種類以上混合して用いてもよい。
香族アミン溶媒、アセトン、メチルエチルケトン等のようなケトン系溶媒、トルエン、キシレン等の様な芳香族炭化水素溶媒、ジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン等のような含ハロゲン溶媒、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド等のようなアミド系溶媒、ヘキサメチルホスホルアミド等のような含リン溶媒、ジメチルスルホオキシド等のような含イオウ溶媒、γ-ブチロラクトン、酢酸エチル、酢酸ブチル等のようなエ
ステル系溶媒、1 ,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン等のような含窒素溶媒、フェ
ノール、o−クレゾール、m−クレゾール、p−クレゾール、o−クロロフェノール、m−クロロフェノール、p−クロロフェノール等の水酸基を有する芳香族系溶媒等が挙げられる。これらの溶媒は単独でも、2種類以上混合して用いてもよい。
フルオレニル基含有テトラカルボン酸無水物を得る反応における溶質の濃度は、下限が5重量%、好ましくは10重量%、上限が50重量%、好ましくは40重量%で行われる。副反応の制御、沈殿の濾過工程を考慮すると10重量%以上40重量%以下の範囲で行われるのがより好ましい。
本発明に係るフルオレニル基含有テトラカルボン酸無水物の合成の際、採用される反応温度は下限が−10℃、好ましくは−5℃、より好ましくは0℃、上限は80℃、好ましくは50℃、より好ましくは20℃で行われる。反応温度が80℃よりも高いと一部副反応が起こり、収率が低下する恐れがあり、好ましくない。
本発明に係るフルオレニル基含有テトラカルボン酸無水物の合成の際、採用される反応温度は下限が−10℃、好ましくは−5℃、より好ましくは0℃、上限は80℃、好ましくは50℃、より好ましくは20℃で行われる。反応温度が80℃よりも高いと一部副反応が起こり、収率が低下する恐れがあり、好ましくない。
また、採用される反応時間は、通常下限が5分、好ましくは10分、上限は特に制限はないが通常は100時間、好ましくは24時間である。
反応は通常常圧で行われるが、必要に応じて加圧下、または減圧下でも実施することができる。通常反応雰囲気は、窒素下で行う。
反応容器は密閉型反応容器でも開放型反応容器でもよいが、反応系を不活性雰囲気に保
つため、開放型の場合には不活性ガスでシールできるものを用いる。
反応は通常常圧で行われるが、必要に応じて加圧下、または減圧下でも実施することができる。通常反応雰囲気は、窒素下で行う。
反応容器は密閉型反応容器でも開放型反応容器でもよいが、反応系を不活性雰囲気に保
つため、開放型の場合には不活性ガスでシールできるものを用いる。
塩基性物質は、反応の進行とともに発生する塩化水素を中和するために用いる。この際使用される塩基性物質の種類としては特に限定されないが、ピリジン、トリエチルアミン、N,N−ジメチルアニリン等の有機3級アミン類、炭酸カリウム、水酸化ナトリウム等の無機の塩基性物質を用いることができる。ピリジンや、トリエチルアミンは安価に入手できる点や液体で溶解性に富むため反応操作が容易になる、という点で好ましい。また、無機の塩基性物質は安価に入手できる点で好ましい。
使用される塩基性物質の量は、核水素化トリメリット酸無水物クロリドに対して通常下限が1.0モル倍、好ましくは1.5モル倍、さらに好ましくは2.0モル倍、上限は特に制限はないが過剰に使用しすぎると生成物に混入してきたり、精製負荷が大きくなったりするので通常は30モル倍、好ましくは20モル倍、さらに好ましくは10モル倍が採用される。塩基性物質の量が多すぎると、目的物の精製負荷が大きくなるので好ましくない。
<テトラカルボン酸類の精製方法>
例えば、核水素化トリメリット酸無水物クロリドとフルオレニル基含有ジオール反応により得られる反応生成物は、目的物と塩酸塩の混合物である。目的物は多くの場合溶媒に対する溶解性が高く、殆ど反応溶媒に溶解している。一方、塩酸塩は溶解性が低いため、沈殿として析出する。従って多くの場合、反応溶液を濾過して、塩酸塩を濾別するだけで、塩酸塩を容易に分離できるが、塩素成分を完全に除去する場合は目的物をクロロホルムや酢酸エチル等で抽出溶解し、分液ロートを用いて有機層を水洗する方法、ピリジンなどの塩酸塩のみ溶解してテトラカルボン酸類を溶解しない溶媒を添加して濾過する方法、等の採用が可能である。また、沈殿物を単に十分水洗するだけでも、塩酸塩を完全に除去することができるので有効である。塩酸塩の水洗による除去は洗浄液を1%硝酸銀水溶液による塩化銀の白色沈殿の生成の有無をもって分析することにより、容易に判断することができる。この時のテトラカボン酸類中に含まれる塩化物の
元素の残留量は、通常1重量%以下、好ましくは0.1重量%以下、さらに好ましくは0.05重量%以下である。
例えば、核水素化トリメリット酸無水物クロリドとフルオレニル基含有ジオール反応により得られる反応生成物は、目的物と塩酸塩の混合物である。目的物は多くの場合溶媒に対する溶解性が高く、殆ど反応溶媒に溶解している。一方、塩酸塩は溶解性が低いため、沈殿として析出する。従って多くの場合、反応溶液を濾過して、塩酸塩を濾別するだけで、塩酸塩を容易に分離できるが、塩素成分を完全に除去する場合は目的物をクロロホルムや酢酸エチル等で抽出溶解し、分液ロートを用いて有機層を水洗する方法、ピリジンなどの塩酸塩のみ溶解してテトラカルボン酸類を溶解しない溶媒を添加して濾過する方法、等の採用が可能である。また、沈殿物を単に十分水洗するだけでも、塩酸塩を完全に除去することができるので有効である。塩酸塩の水洗による除去は洗浄液を1%硝酸銀水溶液による塩化銀の白色沈殿の生成の有無をもって分析することにより、容易に判断することができる。この時のテトラカボン酸類中に含まれる塩化物の
元素の残留量は、通常1重量%以下、好ましくは0.1重量%以下、さらに好ましくは0.05重量%以下である。
水洗操作の際、フルオレニル基含有テトラカルボン酸無水物は一部加水分解を受けて、テトラカルボン酸ないしジカルボン酸に変化するが、これらは減圧下加熱処理をすることにより、一部加水分解して生成したテトラカルボン酸類を容易にテトラカルボン酸二無水物に戻すことができる。
その際採用される温度は、下限が50℃、好ましくは100℃、上限が250℃、好ましくは150℃である。
その際採用される温度は、下限が50℃、好ましくは100℃、上限が250℃、好ましくは150℃である。
その際採用される減圧度は、下限の制限はなく、上限は0.1MPa、好ましくは0.05MPaである。
その際採用される加熱時間は、通常下限が5分、好ましくは10分、上限は特に制限はないが通常は100時間、好ましくは50時間である。
また、加水分解によりテトラカルボン酸となった場合の再閉環の方法としては、上記した減圧下に過熱する方法の他に有機酸の酸無水物と処理する方法も採用することができる。その際に使用される有機酸の酸無水物としては、無水酢酸、無水プロピオン酸、無水マレイン酸、無水フタル酸などが上げられるが、過剰に使用した際の除去の容易さから無水酢酸が好適に用いられる。
その際採用される加熱時間は、通常下限が5分、好ましくは10分、上限は特に制限はないが通常は100時間、好ましくは50時間である。
また、加水分解によりテトラカルボン酸となった場合の再閉環の方法としては、上記した減圧下に過熱する方法の他に有機酸の酸無水物と処理する方法も採用することができる。その際に使用される有機酸の酸無水物としては、無水酢酸、無水プロピオン酸、無水マレイン酸、無水フタル酸などが上げられるが、過剰に使用した際の除去の容易さから無水酢酸が好適に用いられる。
有機酸の酸無水物との採用処理時間は、通常下限が5分、好ましくは10分、上限は特に制限はないが通常は100時間、好ましくは24時間である。
その際、採用される処理温度は下限が0℃、好ましくは20℃、より好ましくは50℃、上限は250℃、好ましくは200℃、より好ましくは150℃で行われる。
その際、必要に応じて溶媒を使用してもかまわない。その際、使用される溶媒には特に限定はないが、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素溶媒、ヘキサン、ヘプタンなどの脂肪族炭化水素溶媒、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、モノエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテルなどのエーテル系溶媒、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンなどのケトン系溶媒、酢酸エチル、酢酸ブチル、ガンマブチロラクトンなどのエステル系溶媒、ジメチルホルムアミドやジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドンなどのアミド系溶媒、酢酸、蟻酸、プロピオン酸などのカルボン酸溶媒などが好適に用いられる。これら溶媒は単独で用いてもかまわないし、任意の複数の溶媒を混合して使用してもかまわない。
その際、採用される処理温度は下限が0℃、好ましくは20℃、より好ましくは50℃、上限は250℃、好ましくは200℃、より好ましくは150℃で行われる。
その際、必要に応じて溶媒を使用してもかまわない。その際、使用される溶媒には特に限定はないが、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素溶媒、ヘキサン、ヘプタンなどの脂肪族炭化水素溶媒、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、モノエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテルなどのエーテル系溶媒、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンなどのケトン系溶媒、酢酸エチル、酢酸ブチル、ガンマブチロラクトンなどのエステル系溶媒、ジメチルホルムアミドやジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドンなどのアミド系溶媒、酢酸、蟻酸、プロピオン酸などのカルボン酸溶媒などが好適に用いられる。これら溶媒は単独で用いてもかまわないし、任意の複数の溶媒を混合して使用してもかまわない。
こうして得られた本発明のフルオレニル基含有テトラカルボン酸二無水物をさらに精製することも可能である。その場合の精製方法としては、再結晶、昇華、洗浄、活性炭処理、カラムクロマトグラフィーなど任意に行うことができる。またこれら精製法を繰り返しても、組み合わせて実施することも可能である。
こうして得られる本発明のフルオレニル基含有テトラカルボン酸二無水物の純度は例えば示差屈折系検出器付液体高速クロマトグラフィ−などの分析で得られるピークの面積比として、通常95%以上、好ましくは97%以上、さらに好ましくは99%以上である。
こうして得られる本発明のフルオレニル基含有テトラカルボン酸二無水物の純度は例えば示差屈折系検出器付液体高速クロマトグラフィ−などの分析で得られるピークの面積比として、通常95%以上、好ましくは97%以上、さらに好ましくは99%以上である。
不純物として含まれてくるものとしては、ジオールの片方のみがエステル化されたモノエステル体、精製時に閉環剤として無水酢酸などの酸無水物を使用した場合にはこの閉環剤などがある。これらの不純物は、酸無水物構造を1つ分子内に含有していることから、これらのものは、ジアミンと重合する際に重合停止剤として機能するためなるべくテトラカルボン酸無水物から除去しておく必要がある。フルオレニル基含有テトラカルボン酸二無水物中に含まれる無水酢酸などの酸無水物の含量は、好ましくは5モル%以下、さらに好ましくは3モル%以下、さらに好ましくは1モル%以下である。これ以上存在すると、ジアミンとの重合の際に重合度が上がらなくなる可能性がでてくる。
また、上記した水素化トリメリット酸とジオールのエステル化による本発明のテトラカルボン酸無水物の合成収率は精製後で通常10モル%以上、好ましくは20モル%以上、さらに好ましくは30モル%以上、より好ましくは50モル%以上である。
また、上記した水素化トリメリット酸とジオールのエステル化による本発明のテトラカルボン酸無水物の合成収率は精製後で通常10モル%以上、好ましくは20モル%以上、さらに好ましくは30モル%以上、より好ましくは50モル%以上である。
<テトラカルボン酸類の保存方法>
テトラカルボン酸類、特にテトラカルボン酸二無水物(上記一般式(1))の保存は、加水分解による酸無水物環の開環を防ぐために高湿を避けた低温下で保存することが望ましい。具体的には、シール性の良い容器で冷蔵庫にて保管すれば長期間の保存に耐える。また、テトラカルボン酸無水物に関しては吸湿を防ぐために精製後すぐに次の重合反応に使用してもかまわない。その際の保存期間は、通常100時間以内、さらに好ましくは50時間以内、さらに好ましくは24時間以内である。
酸無水物ではないテトラカルボン酸(上記一般式(3))は、特に湿度を管理する必要もなく、室温で長期間保存することができる。
テトラカルボン酸類、特にテトラカルボン酸二無水物(上記一般式(1))の保存は、加水分解による酸無水物環の開環を防ぐために高湿を避けた低温下で保存することが望ましい。具体的には、シール性の良い容器で冷蔵庫にて保管すれば長期間の保存に耐える。また、テトラカルボン酸無水物に関しては吸湿を防ぐために精製後すぐに次の重合反応に使用してもかまわない。その際の保存期間は、通常100時間以内、さらに好ましくは50時間以内、さらに好ましくは24時間以内である。
酸無水物ではないテトラカルボン酸(上記一般式(3))は、特に湿度を管理する必要もなく、室温で長期間保存することができる。
<ポリイミド前駆体の製造方法>
本発明のポリイミド前駆体を製造する方法は特に限定されず、公知の方法を適用することができる。通常、重合溶媒中で実質的に等モルのジアミン類と本発明のテトラカルボン酸二無水物又はそのテトラカルボン酸類を反応させることで、本発明のポリイミド前駆体を容易に製造することができる。この際テトラカルボン酸類として上記式(1)で表される酸二無水物を用いることが好ましい。
本発明のポリイミド前駆体を製造する方法は特に限定されず、公知の方法を適用することができる。通常、重合溶媒中で実質的に等モルのジアミン類と本発明のテトラカルボン酸二無水物又はそのテトラカルボン酸類を反応させることで、本発明のポリイミド前駆体を容易に製造することができる。この際テトラカルボン酸類として上記式(1)で表される酸二無水物を用いることが好ましい。
本発明の脂環式ポリエステルイミド前駆体を製造する際に用いられるモノマーとして、
通常下式(1)で表されるテトラカルボン酸二無水物が使用されるが、その他に下記式(12)〜(14)で表されるテトラカルボン酸類を用いる事もできる。
通常下式(1)で表されるテトラカルボン酸二無水物が使用されるが、その他に下記式(12)〜(14)で表されるテトラカルボン酸類を用いる事もできる。
式(12)〜(14)中、Rは炭素数1〜12のアルキル基であり、Xは水酸基又はハロゲン原子(フッ素、塩素、臭素、ヨウ素のいずれか)である。またA1およびA2の構造としては、2箇所で上記構造を形成するようにカルボキシ基と結合していればよく特に構造上の制限はない。具体的には、式(12)〜(14)中、A1およびA2は任意の2価の基であればよく、好ましくは、芳香族基又は脂肪族基を含む2価の基である。さらにA1およびA2は、メチレン基(−CH2−)、エーテル基(−O−)、エステル基(−C(O)O−)、ケト基(−C(O)−)、スルホニル基(−SO2−)、スルフィニル基(−SO−)、スルフェニル基(−S−)、9,9−フルオレニリデン基などの官能基により芳香族基及び/又は脂肪族基が複数結合された構造であってもよい。これらの中でもA1およびA2は、少なくとも1つの芳香族もしくは脂肪族の環状構造を含む構造であると、樹脂としたときの耐熱性があがるのでより好ましい。更に好ましくは、それぞれ2価のフェニレン基、ナフチレン基、シクロヘキシレン基、ビフェニレン基、ジフェニルエーテル基、ジフェニルスルホン基、メチレンジフェニル基、イソプロピリデンジフェニル基、4,4’−(9−フルオレニリデン)ジフェニル基、ジシクロヘキシルエーテル基、直鎖脂肪族基等が挙げられ、これらの中でもフェニレン基、ビフェニレン基、ビフェニルエーテル基、ビフェニルスルホン基等が剛直な構造を持つ点で特に好ましい。
また、上記式(12)〜(14)中のX1、X2、X3、X4、X5及びX6はそれぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子、ニトリル基、ニトロ基、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基、アミノ基、又はアミド基を表す。アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基、アミノ基、アミド基の炭素数は、1〜10が好ましい。より具体的には、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基等が例示される。アルコキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシ基、i−プロポキシ基、n−ブトキシ基などがあげられる。この中でも水素原子、ハロゲン原子が原料入手のし易さの点で好ましい。
A1およびA2とX1、X2、X3、X4、X5及びX6の組み合わせとして好ましい構造
としては、A1およびA2が環状構造を有する基であり、X1、X2、X3、X4、X5及びX6がそれぞれ独立にハロゲン原子もしくは水素原子で構成されるものである。より好ま
しくはA1、A2が環状構造を有する基でX1、X2、X3、X4、X5及びX6がすべて水
素原子で構成されるものである。さらに好ましくはA1およびA2がともに1,4−フェ
ニレン基でX1、X2、X3、X4、X5及びX6がすべて水素原子で構成されるものである。
としては、A1およびA2が環状構造を有する基であり、X1、X2、X3、X4、X5及びX6がそれぞれ独立にハロゲン原子もしくは水素原子で構成されるものである。より好ま
しくはA1、A2が環状構造を有する基でX1、X2、X3、X4、X5及びX6がすべて水
素原子で構成されるものである。さらに好ましくはA1およびA2がともに1,4−フェ
ニレン基でX1、X2、X3、X4、X5及びX6がすべて水素原子で構成されるものである。
式(12)〜(14)の化合物は、式(1)の化合物とあらかじめ脱水されたアルコール類を反応させて酸無水物環を開環することにより、ジカルボン酸ジアルキルエステルとして合成することができる(X=OH)。この際、生成物は通常、式(12)〜(14)で表される化合物の混合物として得られる。さらに、酸無水物環が開いて生成したカルボン酸部位を塩化チオニル等の塩素化剤で塩素化すると酸塩化物を合成することができる(X=Cl)。本発明のポリイミド前駆体の重合には、これらの化合物(12)から(14)の混合物を用いることができるが、それぞれ単離された化合物を用いても差し支えない。また混合物の使用は、イミド化後の物性には影響を与えない。
本発明に係るポリイミド前駆体を製造するために使用されるジアミンとしては、先駆体製造の際の重合反応性、ポリイミドの要求特性を著しく損なわない範囲で自由に選択可能である。具体的に使用可能なジアミン類としては例えば、芳香族ジアミンでは、3,5−ジアミノベンゾトリフルオリド、2,5−ジアミノベンゾトリフルオリド、3,3’−ビストリフルオロメチルー4,4’−ジアミノビフェニル、3,3’−ビストリフルオロメチルー5,5’−ジアミノビフェニル、ビス(トリフルオロメチル)−4,4’−ジアミノジフェニル、ビス(フッ素化アルキル)−4,4’−ジアミノジフェニル、ジクロロー4,4’−ジアミノジフェニル、ジブロモー4,4’−ジアミノジフェニル、ビス (フツ素化アルコキシ)−4,4’−ジアミノジフェニル、ジフェニルー,4’−ジアミノジフェニル、4,4’ビス(4−アミノテトラフルオロフェノキシ)テトラフルオロベンゼン、4,4’−ビス(4−アミノテトラフルオロフェキシ)オクタフルオロビフェニル、4,4’−ビナフチルアミン、o−、m−、p−フェニレンジアミン、2,4−ジアミノトルエン、2,5−ジアミノトルエン、2,4−ジアミノキシレン、2,4−ジアミノジュレン、ジメチル−4,4’−ジアミノジフェニル、ジアルキル−4,4’−ジアミノジフェニル、ジメトキシ−4,4’−ジアミノジフェニル、ジエトキシ−4,4’−ジアミノジフェニル、4,4’−ジアミノジフェニルメタン、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、3,4’−ジアミノジフェニルエーテル、4,4’−ジアミノジフエニルスルフォン、3,3’−ジアミノジフエニルスルフォン、4,4’−ジアミノベンゾフェノン、3,3’−ジアミノベンゾフェノン、1,3−ビス (3−アミノフエノキシ)ベンゼン、1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、1,4−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、4,4’−ビス (4−アミノフェノキシ)ビフェニル、ビス(4(3−アミノフェノキシ)フェニル)スルフォン、ビス(4−(4−アミノフェノキシ)フェニル)スルフォン、2,2−ビス(4−(4−アミノフェノキシ)フェニル)プロパン、2,2−ビス(4−(4−アミノフェノキシ)フェニル)へキサフルオロプロパン、2,2−ビス(4−(3−アミノフェノキジ)フェニル)プロパン、2,2−ビス(4−(3−アミノフェノキシ)フェニル)へキサフルオロプロパン、2,2−ビス(4−(4−アミノー2−トリフルオロメチルフェノキシ)フェニル)へキサフルオロプロパン、2,2−ビス(4−(3−アミノ−5−トリフルオロメチルフェノキシ)フェニル)へキサフルオロプロパン、2,2−ビス(4−アミノフェニル)ヘキサフルオロプロパン、2,2−ビス(3−アミノフェニル)へキサフルオロプロパン、2,2−ビス(3−アミノ−4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、2,2一ビス(3−アミノ−4−メチルフェニル)へキサフルオロプロパン、4,4’−ビス(4−アミノフェノキシ)オクタフルオロビフェニル、4,4’−ジアミノベンズアニリド、9,9’−ビス(4−アミノフェニル)フルオレン等が例示でき、これらを2種以上併用することもできる。
脂肪族ジアミンとしては例えば、4,4’−メチレンビス(シクロヘキシルアミン)、イソホロンジアミン、トランス−1,4−ジアミノシクロヘキサン、シス−1,4−ジアミノシクロヘキサン、1,4−シクロヘキサンビス(メチルアミン)、2,5−ビス(アミノメチル)ビシクロ〔2.2.1〕ヘプタン、2,6−ビス(アミノメチル)ビシクロ〔2.2.1〕ヘプタン、3,8−ビス(アミノメチル)トリシクロ〔5.2.1.0〕デカン、1,3−ジアミノアダマンタン、2,2−ビス(4−アミノシクロヘキシル)プロパン、2,2−ビス(4−アミノシクロヘキシル)ヘキサフルオロプロパン、1,3−プロパンジアミン、1,4−テトラメチレンジアミン、1,5−ペンタメチレンジアミン、1,6−ヘキサメチレンジアミン、1,7−ヘプタメチレンジアミン、1,8−オクタメチレンジアミン、1,9−ノナメチレンジアミン等が挙げられる。またこれらを2種類以上併用することもできる。
さらには、1,3−ビス(3−アミノプロピル)−1,1,3,3−テトラメチルジシロキサンなどのシロキサン基含有のジアミンも使用することができる。
これらジアミンの中でも芳香族ジアミンとしては、o−、m−、p−フェニレンジアミンなどの単核のフェニレンジアミン化合物、4,4’−ジアミノジフェニル、4,4’−ジアミノジフエニルスルフォン、4,4’−ジアミノジフェニルメタン、4,4’−ジアミノジフェニルエーテルなどのジアミノジフェニル化合物、9,9’−ビス(4−アミノフェニル)フルオレンが好ましく、中でも入手の容易性や得られる樹脂の物性が良好なことから、p−フェニレンジアミン、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、4,4’−ジアミノジフェニル、9,9’−ビス(4−アミノフェニル)フルオレンがより好ましい。9,9’−ビス(4−アミノフェニル)フルオレンを用いたときは、得られるポリイミドフィルムとしたときの位相差フィルムとしての性能が高くなるのでより好ましい。
これらジアミンの中でも芳香族ジアミンとしては、o−、m−、p−フェニレンジアミンなどの単核のフェニレンジアミン化合物、4,4’−ジアミノジフェニル、4,4’−ジアミノジフエニルスルフォン、4,4’−ジアミノジフェニルメタン、4,4’−ジアミノジフェニルエーテルなどのジアミノジフェニル化合物、9,9’−ビス(4−アミノフェニル)フルオレンが好ましく、中でも入手の容易性や得られる樹脂の物性が良好なことから、p−フェニレンジアミン、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、4,4’−ジアミノジフェニル、9,9’−ビス(4−アミノフェニル)フルオレンがより好ましい。9,9’−ビス(4−アミノフェニル)フルオレンを用いたときは、得られるポリイミドフィルムとしたときの位相差フィルムとしての性能が高くなるのでより好ましい。
脂肪族ジアミンとしては、4,4’−メチレンビス(シクロヘキシルアミン)、トランス−1,4−ジアミノシクロヘキサン、イソホロンジアミンなどの脂環式ジアミンが環構造を有し入手も容易なのでより好ましく、さらには、トランス−1,4−ジアミノシクロヘキサンが得られる樹脂の物性が良好なことからより好ましい。
これらジアミンを用いる前に精製を行っても良い。精製方法としては、再結晶、昇華、活性炭処理、蒸留など任意に行うことができる。またこれら精製法を繰り返しても、組み合わせて実施することも可能である。
これらジアミンを用いる前に精製を行っても良い。精製方法としては、再結晶、昇華、活性炭処理、蒸留など任意に行うことができる。またこれら精製法を繰り返しても、組み合わせて実施することも可能である。
これらジアミンは、重合反応性が高まるので高純度であることが好ましい、通常使用されるジアミンの純度は、95%以上、好ましくは、97%以上、さらに好ましくは99%以上である。
ポリイミド前駆体は式(1)のテトラカルボン酸二無水物と実質的に等モルのジアミンより重合することができる。より具体的には、以下の方法により得ることができる。
ポリイミド前駆体は式(1)のテトラカルボン酸二無水物と実質的に等モルのジアミンより重合することができる。より具体的には、以下の方法により得ることができる。
反応はジアミンと式(1)のテトラカルボン酸二無水物を溶媒の存在下に混合して行う。
この際、使用するテトラカルボン酸二無水物とジアミンの比率は、モル比で1:0.8〜1.2であることが好ましい。通常の重縮合反応と同様にこのモル比が1:1に近いほど得られるポリアミド酸の分子量は大きくなる。
この際、使用するテトラカルボン酸二無水物とジアミンの比率は、モル比で1:0.8〜1.2であることが好ましい。通常の重縮合反応と同様にこのモル比が1:1に近いほど得られるポリアミド酸の分子量は大きくなる。
これらジアミンと酸無水物の反応器への仕込みの方法は任意に選択することができる。例えば、ジアミンを溶媒に溶解しておき、これに式(1)のテトラカルボン酸二無水物粉末を徐々に添加する方法、逆に、テトラカルボン酸二無水物の溶液にジアミンを徐々に添加する方法、さらには、ジアミンとテトラカルボン酸二無水物粉末をあらかじめ溶媒を仕
込んだ反応器に同時に添加する方法などが採用可能である。中でもジアミンを溶媒に溶解しておきテトラカルボン酸二無水物粉末を徐々に添加する方法ポリイミド前駆体の重合度が上がりやすいため有利に採用される。
込んだ反応器に同時に添加する方法などが採用可能である。中でもジアミンを溶媒に溶解しておきテトラカルボン酸二無水物粉末を徐々に添加する方法ポリイミド前駆体の重合度が上がりやすいため有利に採用される。
反応温度は、あまり低すぎると試剤の溶解性が低下することと十分な反応速度が得られないこと、高すぎると反応の進行をコントロールしにくくなることから好ましくない。下限が−20℃、好ましくは−10℃、さらに好ましくは0℃、上限が150℃、好ましくは100℃、さらに好ましくは60℃が採用される。
反応時間は特に制限なく採用できるが十分な試剤の変換率を達成するためには、下限が10分、好ましくは30分、さらに好ましくは1時間、上限は特に制限はないが反応が終了すれば必要以上に反応時間を延ばす必要はない。例えば、100時間、好ましくは50時間、さらに好ましくは30時間が採用される。
反応時間は特に制限なく採用できるが十分な試剤の変換率を達成するためには、下限が10分、好ましくは30分、さらに好ましくは1時間、上限は特に制限はないが反応が終了すれば必要以上に反応時間を延ばす必要はない。例えば、100時間、好ましくは50時間、さらに好ましくは30時間が採用される。
重合反応は、溶媒を用いて行う。この際使用される溶媒としては、原料モノマーであるジアミンと本発明のテトラカルボン酸が溶媒と反応せず、且つこれら原料が溶解する溶媒であれば問題はなく、特にその構造は限定されない。具体的に例示するならば、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン等のアミド溶媒、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、δ−バレロラクトン、γ−カプロラクトン、ε−カプロラクトン、α−メチル−γ−ブチロラクトン等の環状エステル溶媒、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等のカーボネート溶媒、カプロラクタム等のラクタム溶媒、ジオキサンなどのエーテル系溶媒、トリエチレングリコール等のグリコール系溶媒、m−クレゾール、p−クレゾール、3−クロロフェノ−ル、4−クロロフェノ−ル、4−メトキシフェノール、2,6−ジメチルフェノール等のフェノール系溶媒、アセトフェノン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、スルホラン、ジメチルスルホキシド、テトラメチルウレアなどが好ましく採用される.さらに、その他の一般的な有機溶剤、即ちフエノ−ル、o−クレゾール、酢酸ブチル、酢酸エチル、酢酸イソブチル、プロピレングリコールメチルアセテート、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、2−メチルセロソルブアセテート、エチルセロソルブアセテート、ブチルセロソルブアセテート、テトラヒドロフラン、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、ジブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、メチルイソブチルケトン、ジイソブチルケトン、シクロへキサノン、メチルエチルケトン、アセトン、ブタノール、エタノール、キシレン、トルエン、クロルベンゼン、ターペン、ミネラルスピリット、石油ナフサ系溶媒なども添加して使用できる。中でも原料の溶解性が高いことからN,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、γ−ブチロラクトン等の非プロトン性溶媒が好ましい。
溶媒の使用量は、原料であるテトラカルボン酸二無水物とジアミンの総量の重量濃度が以下の範囲に入るような量の溶媒が使用するのが好ましい。芳香族ジアミンを使用する重合系では、モノマー成分総量の濃度は下限が5重量%、好ましくは10重量%、上限が50重量%、好ましくは30重量%、脂肪族ジアミンを使用する重合系ではモノマー濃度は下限が5重量%、好ましくは7重量%、上限が30重量%、好ましくは20重量%の範囲である。このモノマー濃度範囲で重合を行うことにより均一で高重合度のポリイミド前駆体溶液を得ることができる。目的とするポリイミドに膜靭性を付与するためには、ポリイミド前駆体の重合度はできるだけ高いことが好ましい。
芳香族ジアミン系において、上記モノマー濃度範囲よりも低濃度で重合を行うと、ポリイミド前駆体の重合度が十分高くならず、最終的に得られるポリイミド膜が脆弱になる恐れがあり、上記濃度範囲より高濃度で重合を行うとモノマーが十分溶解しない場合や反応溶液が不均一になりゲル化する場合があり好ましくない。一方脂肪族ジアミン系では、上記濃度範囲より低濃度で重合すると、重合度低下の恐れがあり、より高濃度では強固な塩
が形成され塩が完全に溶解するまでに長い重合反応時間を必要とし、生産性の低下を招く恐れがある。
が形成され塩が完全に溶解するまでに長い重合反応時間を必要とし、生産性の低下を招く恐れがある。
必要に応じて前駆体の製造の際に無機塩類を触媒として用いても良い。この際に用いられる無機塩類としては、たとえばLiCl、NaCl、LiBrなどのハロゲン化アルカリ金属塩、CaCl2などのハロゲン化アルカリ土類金属、ZnCl2などのハロゲン化金属類が挙げられる。これらのうち、LiCl、CaCl2、ZnCl2などの金属の塩化物が特に好ましい。
反応は、進行中攪拌しながら行うのが好ましい。
反応は、進行中攪拌しながら行うのが好ましい。
こうして得られる本発明のポリイミド前駆体の重量平均分子量は、下限が5000、好ましくは10000、上限は500000、好ましくは300000である。分子量は例えば、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)などで測定できる。
また、得られるポリイミド前駆体の対数粘度は、特に限定されるものではないが、好ましい固有粘度または対数粘度としては、下限が0.1dL/g、好ましくは0.3dL/gである。一方、上限は、ワニスのハンドリングの観点から10.0dL/gであり、好ましく5.0dL/gであり固有粘度または対数粘度は、例えばオストワルド粘度計などを用いて測定することができる。
また、得られるポリイミド前駆体の対数粘度は、特に限定されるものではないが、好ましい固有粘度または対数粘度としては、下限が0.1dL/g、好ましくは0.3dL/gである。一方、上限は、ワニスのハンドリングの観点から10.0dL/gであり、好ましく5.0dL/gであり固有粘度または対数粘度は、例えばオストワルド粘度計などを用いて測定することができる。
該ポリイミド前駆体の溶液をガラスフィルターなどを用いてろ過することにより含まれる異物粒子を取り除くことが可能である。異物粒子を取り除くことは特に樹脂を光学用途に利用する場合においては重要なことであり、本発明で得られるポリイミド前駆体の異物量は通常、投影面積円相当径が5〜20μmである不溶性微粒体は、前駆体1g当り5000個以下であり、好ましくは3000個以下、さらに好ましくは1000個以下である。異物の数は例えば、顕微鏡の画像上で不溶性微粒体の大きさと個数を計測する顕微鏡法によりカウントすることができる。具体的にはたとえばキーエンス社製XV−1000などの粒径画像処理装置などを利用すれば容易に計測できる。
また、本発明のポリイミド前駆体の合成は、対応するテトラカルボン酸のジアルキルエステルの二酸ハロゲン化物とジアミンより公知の方法に従って低温溶液重縮合させることによっても可能である(例えば、High Performance Polymers,10,11(1998)などに記載の方法)。具体的には、溶媒の存在下にジアミンと式(12)から(14)で表されるテトラカルボン酸誘導体(Xはハロゲン原子)を反応させることで行う。
これらジアミンと式(12)から(14)で表されるテトラカルボン酸誘導体の反応器への仕込みの方法は任意に選択することができる。例えば、ジアミンを溶媒に溶解しておき、これにテトラカルボン酸誘導体を徐々に添加する方法、逆に、テトラカルボン酸誘導体の溶液にジアミンを徐々に添加する方法、さらには、ジアミンとテトラカルボン酸誘導体をあらかじめ溶媒を仕込んだ反応器にそれぞれ同時に添加する方法などが採用可能である。中でもジアミンを溶媒に溶解しておきテトラカルボン酸誘導体を徐々に添加する方法では重合度が上がりやすく、また反応制御の容易性から有利に採用される。
反応温度は、あまり低すぎると試剤の溶解性が低下することと十分な反応速度が得られないこと、高すぎると反応の進行をコントロールしにくくなることから好ましくない。下限が−20℃、好ましくは−10℃、さらに好ましくは0℃、上限が150℃、好ましくは100℃、さらに好ましくは80℃が採用される。
反応時間は特に制限なく採用できるが、下限が10分、好ましくは30分、さらに好ましくは1時間、上限は特に制限はないが、150時間、好ましくは100時間、さらに好ましくは50時間が採用される。
反応時間は特に制限なく採用できるが、下限が10分、好ましくは30分、さらに好ましくは1時間、上限は特に制限はないが、150時間、好ましくは100時間、さらに好ましくは50時間が採用される。
この重合反応は、溶媒を用いて行う。この際使用される溶媒としては、上記したジアミンとテトラカルボン酸二無水物の反応で使用される溶媒を用いる事ができる。
溶媒の使用量は、原料である式(12)から(14)で表されるテトラカルボン酸誘導体とジアミンの総量の重量濃度が以下の範囲に入るような量の溶媒が使用されるのが好ましい。濃度の下限が1重量%、好ましくは3重量%、さらに好ましくは5重量%、上限は特に制限はないものの、ワニスのハンドリングやテトラカルボン酸二無水物の溶解性の観点から、50重量%、好ましくは40重量%、さらに好ましくは30重量%が採用される。
溶媒の使用量は、原料である式(12)から(14)で表されるテトラカルボン酸誘導体とジアミンの総量の重量濃度が以下の範囲に入るような量の溶媒が使用されるのが好ましい。濃度の下限が1重量%、好ましくは3重量%、さらに好ましくは5重量%、上限は特に制限はないものの、ワニスのハンドリングやテトラカルボン酸二無水物の溶解性の観点から、50重量%、好ましくは40重量%、さらに好ましくは30重量%が採用される。
反応の際には、塩基性物質を使用してもよい。本発明において使用可能な塩基性物質は、3級のアミンや無機の塩基性物質である。具体的には、ピリジンなどの芳香族3級アミン、トリエチルアミン、N−メチルピペリジン等の脂肪族3級アミンや、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、燐酸のナトリウム塩やナトリウム水素塩等の無機の塩基性物質が使用可能である。中でも、入手の容易性や操作性からピリジンやトリエチルアミンが好ましい。これら塩基性物質は、あらかじめ反応の際に使用する溶媒に溶解して添加しておくことが好ましい。塩基性物質の使用量は、式(12)から(14)で表されるテトラカルボン酸誘導体中に含まれる酸の量により任意に変えて使用することができる。もちろん、テトラカルボン酸誘導体中に反応により発生する酸が全くないならば塩基性物質を使用しないことも可能である。酸が発生する場合の塩基性物質の使用量は、重合に使用するテトラカルボン酸誘導体のモル数に対して、下限が2倍モル、好ましくは3倍モル、上限が、10倍モル、好ましくは5倍モルである。
反応は、進行中攪拌しながら行うのが好ましい。
このジアミンと式(12)から(14)で表されるテトラカルボン酸誘導体との重合反応は界面重縮合法でも行うことが可能である。界面重縮合法においては、使用する溶媒に特徴がある。即ち、ジアミンは、3級アミン等の塩基性物質を溶解した水溶液に溶解する。一方、式(12)から(14)で表されるテトラカルボン酸誘導体(Xが塩素原子の場合)は、水に溶解しない無極性有機溶媒に溶解する。この際使用される無極性溶媒としては、トルエンやキシレンなどの芳香族系溶媒や、シクロヘキサンやヘキサン、ヘプタン等の脂肪族系炭化水素溶媒が用いられる。
このジアミンと式(12)から(14)で表されるテトラカルボン酸誘導体との重合反応は界面重縮合法でも行うことが可能である。界面重縮合法においては、使用する溶媒に特徴がある。即ち、ジアミンは、3級アミン等の塩基性物質を溶解した水溶液に溶解する。一方、式(12)から(14)で表されるテトラカルボン酸誘導体(Xが塩素原子の場合)は、水に溶解しない無極性有機溶媒に溶解する。この際使用される無極性溶媒としては、トルエンやキシレンなどの芳香族系溶媒や、シクロヘキサンやヘキサン、ヘプタン等の脂肪族系炭化水素溶媒が用いられる。
界面重縮合法におい重合反応を行う場合には、これら2つの溶液を混合し、激しく撹拌することでポリイミド前駆体を得ることが可能である。この際ジアミンとテトラカルボン酸誘導体の仕込量は等モルでなくても支障はない。
さらに本発明のポリイミド前駆体は、式(12)から(14)で表されるテトラカルボン酸誘導体(Xが水酸基の場合)と等モルのジアミンを用いて、縮合剤の存在下に製造することができる。例えば、縮合剤としてジアミンと等モルの亜リン酸トリフェニルを用い、ピリジンの存在下に直接重縮合することも可能である。また、他の縮合剤としてN,N−ジシクロヘキシルカルボジイミドを用いても同様に直接重縮合可能である。
さらに本発明のポリイミド前駆体は、式(12)から(14)で表されるテトラカルボン酸誘導体(Xが水酸基の場合)と等モルのジアミンを用いて、縮合剤の存在下に製造することができる。例えば、縮合剤としてジアミンと等モルの亜リン酸トリフェニルを用い、ピリジンの存在下に直接重縮合することも可能である。また、他の縮合剤としてN,N−ジシクロヘキシルカルボジイミドを用いても同様に直接重縮合可能である。
また、本発明のポリイミド前駆体の製造は、公知の方法(高分子討論会予稿集,49,1917(2000))に従ってジアミンのジシリル化物と式(1)のテトラカルボン酸二無水物あるいは式(12)から(14)のテトラカルボン酸誘導体(Xが塩素原子の場合)を上記と同様に低温溶液重縮合することによっても可能である。
本発明のポリイミドを得る際には、本発明のテトラカルボン酸類に加えて他の酸二無水物又はテトラカルボン酸類を混合し、共重合させても良い。その際使用することができる酸二無水物は特に限定はされないが、例えばピロメリット酸などの1つのベンゼン環を有する芳香族酸二無水物、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(BPDA)、2,3’,3,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(a-BPDA)、
3,3’’,4,4’-ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物(DSDA)、3,
3’,4,4’-ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物(BTDA)、2,2’,3,3’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’−オキシジフタル酸無水物(ODPA)、ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)エ−テル二酸無水物(a−ODPA)、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)エ−テル二酸無水物、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)メタン二酸無水物、2,2’−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)プロパン二無水物(BDCP)、2,2’−ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)プロパン二無水物、2,2’−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン二無水物(BDCF)、2,2’−ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン二無水物等の2つのベンゼン環を有する芳香族酸二無水物、2,3,6,7−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、1,2,5,6−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物等のナフタレン骨格を有する芳香族酸二無水物、2,3,6,7−アントラセンテトラカルボン酸二無水物、1,2,5,6−アントラセンテトラカルボン酸二無水物などのアントラセン骨格を有する芳香族酸二無水物が例として挙げられる。
本発明のポリイミドを得る際には、本発明のテトラカルボン酸類に加えて他の酸二無水物又はテトラカルボン酸類を混合し、共重合させても良い。その際使用することができる酸二無水物は特に限定はされないが、例えばピロメリット酸などの1つのベンゼン環を有する芳香族酸二無水物、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(BPDA)、2,3’,3,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(a-BPDA)、
3,3’’,4,4’-ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物(DSDA)、3,
3’,4,4’-ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物(BTDA)、2,2’,3,3’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’−オキシジフタル酸無水物(ODPA)、ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)エ−テル二酸無水物(a−ODPA)、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)エ−テル二酸無水物、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)メタン二酸無水物、2,2’−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)プロパン二無水物(BDCP)、2,2’−ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)プロパン二無水物、2,2’−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン二無水物(BDCF)、2,2’−ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン二無水物等の2つのベンゼン環を有する芳香族酸二無水物、2,3,6,7−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、1,2,5,6−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物等のナフタレン骨格を有する芳香族酸二無水物、2,3,6,7−アントラセンテトラカルボン酸二無水物、1,2,5,6−アントラセンテトラカルボン酸二無水物などのアントラセン骨格を有する芳香族酸二無水物が例として挙げられる。
一方、加えて使用できる脂環式の酸無水物の例としては、1,2,3,4−ブタンテトラカルボン酸二無水物やエチレンテトラカルボン酸二無水物などの鎖状の脂肪族テトラカルボン酸二無水物や、1,2,3,4−シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1,3−ジメチル−1,2,3,4−シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1,2,4,5−シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物、1,2,3,4−シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物、1,2,4,5-シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物、ビシク
ロ[2.2.2]オクタ−7−エン−2,3,5,6−テトラカルボン酸二無水物、ジシクロヘキシル−3,4,3‘,4’−テトラカルボン酸二無水物(BPDA水添物)、2,3,5−トリカルボキシシクロペンチル酢酸二無水物、3,4−ジカルボキシ−1,2,3,4−テトラヒドロ−1−ナフタレンコハク酸二無水物、ビシクロ[3,3,0]オクタン−2,4,6,8−テトラカルボン酸二無水物などの脂環構造を有するテトラカルボン酸の二無水物などを挙げることができる。
ロ[2.2.2]オクタ−7−エン−2,3,5,6−テトラカルボン酸二無水物、ジシクロヘキシル−3,4,3‘,4’−テトラカルボン酸二無水物(BPDA水添物)、2,3,5−トリカルボキシシクロペンチル酢酸二無水物、3,4−ジカルボキシ−1,2,3,4−テトラヒドロ−1−ナフタレンコハク酸二無水物、ビシクロ[3,3,0]オクタン−2,4,6,8−テトラカルボン酸二無水物などの脂環構造を有するテトラカルボン酸の二無水物などを挙げることができる。
これら酸二無水物と本発明のテトラカルボン酸類との使用割合は得ようとする樹脂の物性により任意に設定可能であるが、本発明のテトラカルボン酸類の使用量が5モル%以上が好ましく、さらに10モル%以上使用することがより好ましい。
必要に応じて溶液状態のポリイミド前駆体を単離することもできる。例えば、ポリイミド前駆体の溶液を、水や、メタノール、アセトン等の貧溶媒に加えることによりポリイミド前駆体を沈澱させ、ろ過などにより得られた固体から溶媒を乾燥などにより除去すれば、ポリイミド前駆体を粉末として単離できる。なお、必要に応じてこの粉末を上記した反応溶媒などに溶解させれば再び溶液とすることもでき、この操作を繰り返すことにより本発明のポリイミド前駆体を精製することもできる。
必要に応じて溶液状態のポリイミド前駆体を単離することもできる。例えば、ポリイミド前駆体の溶液を、水や、メタノール、アセトン等の貧溶媒に加えることによりポリイミド前駆体を沈澱させ、ろ過などにより得られた固体から溶媒を乾燥などにより除去すれば、ポリイミド前駆体を粉末として単離できる。なお、必要に応じてこの粉末を上記した反応溶媒などに溶解させれば再び溶液とすることもでき、この操作を繰り返すことにより本発明のポリイミド前駆体を精製することもできる。
<ポリイミドの製造方法>
本発明のポリイミドを合成する方法は、(i)ポリイミド前駆体から得る方法、および(ii)ポリイミド前駆体を介さずに得る方法が挙げられる。そして、(i)ポリイミド前駆体から得る方法としては、加熱イミド化法および化学イミド化法がある。ただし、本発明のポリイミドの製造方法は、以下に記載される製法に特に制限されることはない。
本発明のポリイミドを合成する方法は、(i)ポリイミド前駆体から得る方法、および(ii)ポリイミド前駆体を介さずに得る方法が挙げられる。そして、(i)ポリイミド前駆体から得る方法としては、加熱イミド化法および化学イミド化法がある。ただし、本発明のポリイミドの製造方法は、以下に記載される製法に特に制限されることはない。
(i)ポリイミド前駆体から得る方法
本発明のポリイミドは、上記の方法で得られたポリイミド前駆体を環化イミド化反応させることで製造することができる。
この際ポリイミドの製造可能な形態は、フィルム、粉末、成型体および溶液である。
ポリイミドのフィルムは、例えば以下の様にして製造を行うことができる。まず、該ポリイミド前駆体の重合溶液(ワニス)をガラス、銅、アルミニウム、シリコン、石英板、
ステンレス板、カプトンフィルム等の基板上に流延して塗布する。塗布の方法としては、前述のようにして得られたポリイミド溶液を、上記した基板上に滴下し高さを固定した支持体などの上をなぞり溶液を伸ばすことにより均一な高さに塗布することができる。この際、ドクターブレードなどの機器を使用して行ってもかまわない。またこの他の塗布方法としては、スピンコート法、印刷法、インクジェット法など、溶液を所定の厚みで塗布できる手法であれば制限なく採用できる。
本発明のポリイミドは、上記の方法で得られたポリイミド前駆体を環化イミド化反応させることで製造することができる。
この際ポリイミドの製造可能な形態は、フィルム、粉末、成型体および溶液である。
ポリイミドのフィルムは、例えば以下の様にして製造を行うことができる。まず、該ポリイミド前駆体の重合溶液(ワニス)をガラス、銅、アルミニウム、シリコン、石英板、
ステンレス板、カプトンフィルム等の基板上に流延して塗布する。塗布の方法としては、前述のようにして得られたポリイミド溶液を、上記した基板上に滴下し高さを固定した支持体などの上をなぞり溶液を伸ばすことにより均一な高さに塗布することができる。この際、ドクターブレードなどの機器を使用して行ってもかまわない。またこの他の塗布方法としては、スピンコート法、印刷法、インクジェット法など、溶液を所定の厚みで塗布できる手法であれば制限なく採用できる。
ポリイミド前駆体を基板上に塗布する際には溶媒を用いるが、塗布に適した粘度に調整する。その際の粘度は、下限が、1ポアズ、好ましくは5ポアズで、上限は、100ポアズ、好ましくは80ポアズである。
こうして塗布された塗膜には、溶媒が含まれているので、次に乾燥する。その際に採用される乾燥の温度は、通常下限が40℃、好ましくは50℃、さらに好ましくは、60℃である。一方、上限は、200℃、好ましくは150℃、さらに好ましくは100℃である。
こうして塗布された塗膜には、溶媒が含まれているので、次に乾燥する。その際に採用される乾燥の温度は、通常下限が40℃、好ましくは50℃、さらに好ましくは、60℃である。一方、上限は、200℃、好ましくは150℃、さらに好ましくは100℃である。
乾燥の時間は、溶媒がある程度除去されるならば特に制限なく採用できるが、下限が10 分、好ましくは30分、さらに好ましくは1時間、上限は特に制限はないが、50時間、好ましくは30時間、さらに好ましくは10時間が採用される。
乾燥は減圧下に行っても良い。その際に採用される減圧度は、通常0.05MPa以下、好ましくは0.01MPa以下、さらに好ましくは0.001MPa以下である。
乾燥は減圧下に行っても良い。その際に採用される減圧度は、通常0.05MPa以下、好ましくは0.01MPa以下、さらに好ましくは0.001MPa以下である。
通常、乾燥後の溶媒の残存量は、50重量%以下、好ましくは40重量%以下、さらに好ましくは30重量%以下である。
こうして得られた乾燥されたポリイミド前駆体フィルムを基板上で真空中、窒素等の不活性ガス中、あるいは空気中高温度加熱してイミド化する。この方法を加熱イミド化と言う。
こうして得られた乾燥されたポリイミド前駆体フィルムを基板上で真空中、窒素等の不活性ガス中、あるいは空気中高温度加熱してイミド化する。この方法を加熱イミド化と言う。
この時採用される温度は、下限が180℃、好ましくは200℃、さらに好ましくは250℃である。一方、上限は500℃、好ましくは400℃、さらに好ましくは350℃で加熱する。加熱温度は180℃以下であると環化イミド化反応の環化反応が不完全であったりするため好ましくなく、また高すぎると生成したポリイミドフィルムが着色したりする可能性があるため好ましくない。またイミド化は真空中あるいは不活性ガス中で行うことが望ましいが、イミド化反応の温度が高すぎなければ空気中で行っても差し支えはない。加熱イミド化を減圧下に行う場合に採用される減圧度は、通常0.05MPa以下、好ましくは0.01MPa以下、さらに好ましくは0.001MPa以下である。
加熱時間は環化イミド化が十分に進行する時間が採用されるが、通常、下限が5分、好ましくは10分、さらに好ましくは20分、上限は特に制限はないが、20時間、好ましくは10時間、さらに好ましくは5時間が採用される。
また、ポリイミド前駆体のフィルムを、脱水試薬を含有する溶液に浸漬することによって化学イミド化反応を行うことも可能である。この反応は、好ましくは3級アミン存在下で反応を行うことが好ましい。
この時使用できる3級アミンは、ピリジンなどの芳香族3級アミン、トリエチルアミン、N−メチルピペリジン等の脂肪族3級アミンがあげられる。この中でもピリジン、およびトリエチルアミンが入手の容易性、良好な反応性が得られる点で好ましい。
また、ポリイミド前駆体のフィルムを、脱水試薬を含有する溶液に浸漬することによって化学イミド化反応を行うことも可能である。この反応は、好ましくは3級アミン存在下で反応を行うことが好ましい。
この時使用できる3級アミンは、ピリジンなどの芳香族3級アミン、トリエチルアミン、N−メチルピペリジン等の脂肪族3級アミンがあげられる。この中でもピリジン、およびトリエチルアミンが入手の容易性、良好な反応性が得られる点で好ましい。
使用する3級アミンの使用量は、通常下限がアミド酸基の0.1モル倍、好ましくは0.5モル倍、さらに好ましくは1.0モル倍以上、下限は通常30モル倍、好ましくは20モル倍、さらに好ましくは10モル倍である。
また、使用可能な脱水試薬としては、無水酢酸、無水プロピオン酸、トリフルオロメタ
ンスルホン酸無水物等の酸無水物、N,N−ジシクロヘキシルカルボジイミド等のカルボジイミド類、があげられ、この中でも無水酢酸、トリフルオロメタンスルホン酸無水物、N,N−ジシクロヘキシルカルボジイミド等のカルボジイミド類が好ましく、さらには、無水酢酸が入手の容易性、経済性の点でより好ましい。
また、使用可能な脱水試薬としては、無水酢酸、無水プロピオン酸、トリフルオロメタ
ンスルホン酸無水物等の酸無水物、N,N−ジシクロヘキシルカルボジイミド等のカルボジイミド類、があげられ、この中でも無水酢酸、トリフルオロメタンスルホン酸無水物、N,N−ジシクロヘキシルカルボジイミド等のカルボジイミド類が好ましく、さらには、無水酢酸が入手の容易性、経済性の点でより好ましい。
その際、使用される脱水試薬の量はポリイミド前駆体に含まれるアミド酸のモル数に対して通常下限が1.0モル倍、好ましくは2.0モル倍、さらに好ましくは4.0モル倍であり、上限は特に制限はないが、通常は50モル倍、好ましくは30モル倍、さらに好ましくは20モル倍である。これらの脱水環化試薬によるイミド化反応は常温で行っても良いし、反応の進行が遅い場合には加熱して使用しても良い。
このように環化イミド化反応では、加熱や脱水試薬を用いることが好ましいが、加熱と脱水試薬を併用して反応を行う事もできる。
また加熱イミド化の別な形態として、ポリイミド前駆体の重合溶液をそのままあるいは同一の溶媒で適度に希釈した後溶液中で加熱することでも本発明のポリイミドの溶液(ワニス)を容易に製造することもできる。
また加熱イミド化の別な形態として、ポリイミド前駆体の重合溶液をそのままあるいは同一の溶媒で適度に希釈した後溶液中で加熱することでも本発明のポリイミドの溶液(ワニス)を容易に製造することもできる。
加熱イミド化する際の溶液の濃度には特に制限はないが、通常下限がポリイミド前駆体の重量%で1重量%、好ましくは5重量%、さらに好ましくは10重量%であり、上限は50重量%、好ましくは40重量%、さらに好ましくは30重量%である。
この際の加熱温度は、下限が100℃、好ましくは120℃、さらに好ましくは、150℃である。一方、上限は目的物の着色が起こらない温度であれば自由に設定可能であるが、250℃、好ましくは220℃、さらに好ましくは200℃で加熱する。この際、環化イミド化反応の副生成物である水等を共沸留去するために、トルエンやキシレン等の共沸溶媒を添加し、これら溶媒とともに生成する水を留去しながら反応を行っても差し支えない。
この際の加熱温度は、下限が100℃、好ましくは120℃、さらに好ましくは、150℃である。一方、上限は目的物の着色が起こらない温度であれば自由に設定可能であるが、250℃、好ましくは220℃、さらに好ましくは200℃で加熱する。この際、環化イミド化反応の副生成物である水等を共沸留去するために、トルエンやキシレン等の共沸溶媒を添加し、これら溶媒とともに生成する水を留去しながら反応を行っても差し支えない。
環化イミド化反応の触媒として塩基性物質を添加して反応を行ってもよい。本発明において使用可能な塩基触媒の例としては、ピリジン、γ―ピコリン、ピラジン等の芳香族系アミン類をあげることができる。
一方、ポリイミド前駆体の溶液中に脱水試薬を添加することにより化学イミド化を行うことができる。反応は通常、脱水試薬と塩基性物質の存在下に行う。化学イミド化において使用可能な脱水剤としては、無水酢酸、やトリフルオロ無水酢酸などの低級カルボン酸の酸無水物や、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸などの芳香族ジカルボン酸の無水物、N,N−ジシクロヘキシルカルボジイミドなどのアルキルカルボジイミドなどである。その際、使用される脱水試薬の量はポリイミド前駆体に含まれるアミド酸のモル数に対して通常下限が1.0モル倍、好ましくは2.0モル倍、さらに好ましくは4.0モル倍であり、上限は特に制限はないが、通常は50モル倍、好ましくは30モル倍、さらに好ましくは20モル倍である。脱水試薬が少なすぎると反応の進行が遅くなり、多すぎると目的物中に残存してしまう、という問題を生ずる。
一方、ポリイミド前駆体の溶液中に脱水試薬を添加することにより化学イミド化を行うことができる。反応は通常、脱水試薬と塩基性物質の存在下に行う。化学イミド化において使用可能な脱水剤としては、無水酢酸、やトリフルオロ無水酢酸などの低級カルボン酸の酸無水物や、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸などの芳香族ジカルボン酸の無水物、N,N−ジシクロヘキシルカルボジイミドなどのアルキルカルボジイミドなどである。その際、使用される脱水試薬の量はポリイミド前駆体に含まれるアミド酸のモル数に対して通常下限が1.0モル倍、好ましくは2.0モル倍、さらに好ましくは4.0モル倍であり、上限は特に制限はないが、通常は50モル倍、好ましくは30モル倍、さらに好ましくは20モル倍である。脱水試薬が少なすぎると反応の進行が遅くなり、多すぎると目的物中に残存してしまう、という問題を生ずる。
一方、使用可能な塩基性物質の種類としては特に限定されないが、ピリジン、トリエチルアミン、トリブチルアミン、N,N−ジメチルアニリン、ジメチルアミノピリジン等の有機3級アミン類、炭酸カリウム、水酸化ナトリウム等の無機の塩基性物質を用いることができる。中でもピリジンや、トリエチルアミンは安価に入手できる点や液体で溶解性に富むため反応操作が容易になる、という点で好ましい。
使用する塩基性物質の使用量は、通常下限がアミド酸基の0.1モル倍、好ましくは0.5モル倍、さらに好ましくは1.0モル倍以上、下限は通常30モル倍、好ましくは20モル倍、さらに好ましくは10モル倍である。塩基性物質が少なすぎると反応の進行が遅くなり、多すぎると目的物中に残存してしまう、という問題を生ずる。反応溶媒としては前述したポリイミド前駆体合成時に用いる溶媒を使用することができる。
採用される反応温度は下限が−10℃、好ましくは−5℃、より好ましくは0℃、上限は80℃、好ましくは60℃、より好ましくは40℃で行われる。反応時間は、通常下限が5分、好ましくは10分、上限は特に制限はないが通常は100時間、好ましくは24時間である。 反応は通常、常圧で行われるが、必要に応じて加圧下、または減圧下でも実施することができる。
通常反応雰囲気は、窒素下で行う。このイミド化反応によるイミド化率は、触媒量と反応温度、反応時間を調節することにより制御することができる。
上記の方法により得られるポリイミドを溶液とし、あるいは反応で得られる溶液に、ベンゾイルクロリドや無水酢酸とピリジンのような試薬を加えて末端アミノ基をアミド基として保護することもできる。こうすると、ポリイミドの着色が防がれ、安定性も向上するので好ましい。
上記の方法により得られるポリイミドを溶液とし、あるいは反応で得られる溶液に、ベンゾイルクロリドや無水酢酸とピリジンのような試薬を加えて末端アミノ基をアミド基として保護することもできる。こうすると、ポリイミドの着色が防がれ、安定性も向上するので好ましい。
上記の様にして脱水試薬と塩基性物質存在下にイミド化する方法においては、ポリイミドの異性体であるポリイソミドが混合することがある。ポリイソミドの混合割合は、通常90%以下であり、好ましくは80%以下である。なおこのポリイソミドが混合したポリイミドは、粉末とした後、あるいは再度溶媒に溶かして基盤などにコーティングしてフィルムとした後に加熱することにより混合したポリイソミドをポリイミドへ異性化させることができる。この際の温度は、下限が100℃、好ましくは200℃、 さらに好ましく
は300℃が採用可能である。一方上限は、500℃、好ましくは400℃、さらに好ましくは350℃で採用可能である。また、その際の反応時間は、通常下限が5分、好ましくは10分、上限は特に制限はないが通常は100時間、好ましくは24時間である。
は300℃が採用可能である。一方上限は、500℃、好ましくは400℃、さらに好ましくは350℃で採用可能である。また、その際の反応時間は、通常下限が5分、好ましくは10分、上限は特に制限はないが通常は100時間、好ましくは24時間である。
(ii)ポリイミド前駆体を介さずに得る方法
ポリイミド前駆体を介さずに得る方法としては、上記式(1)〜(3)のいずれかで表されるテトラカルボン酸類を原料としてジアミン類と反応させて直接環化イミド化反応を行い、本発明のポリイミドを製造することも可能である。
この方法は、中間体であるポリイミド前駆体を途中単離せずに、直接環化イミド化まで行う方法であるが、その際の反応条件としては、上述したポリイミド前駆体からポリイミドを製造する加熱イミド化の条件を適宜採用することができる。
ポリイミド前駆体を介さずに得る方法としては、上記式(1)〜(3)のいずれかで表されるテトラカルボン酸類を原料としてジアミン類と反応させて直接環化イミド化反応を行い、本発明のポリイミドを製造することも可能である。
この方法は、中間体であるポリイミド前駆体を途中単離せずに、直接環化イミド化まで行う方法であるが、その際の反応条件としては、上述したポリイミド前駆体からポリイミドを製造する加熱イミド化の条件を適宜採用することができる。
<ポリイミドの形態の変換方法>
上記のようにして得られる本発明のポリイミドは通常の芳香族系のポリイミドと異なり特定の溶媒に対しては高い溶解性を示す。従って、本発明のポリイミドをこの溶解溶媒に溶解して溶液(ワニス)とすると、これから種々形態を変えたポリイミドを容易に製造できる。例えば、この溶液を大量の貧溶媒中に滴下・濾過するとポリイミドを粉末として単離することができる。この際に使用可能な貧溶媒としては特に限定されないが、水、メタノール、アセトン、ヘキサン、ブチルセルソルブ、ヘプタン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、エタノール、トルエン、ベンゼンなどを挙げることができる。貧溶媒に投入して沈殿させた特定重合体は濾過して回収した後、常圧あるいは減圧下で、常温あるいは加熱乾燥して粉末とすることが出来る。また、粉末としたポリイミドを、有機溶媒に再溶解させ、再沈殿回収する操作を2〜10回繰り返すと、ポリイミド中の不純物を少なくすることができる。この際の貧溶媒として例えばアルコール類、ケトン類、炭化水素など3種類以上の貧溶媒を用いると、より一層精製の効率が上がるので好ましい。
上記のようにして得られる本発明のポリイミドは通常の芳香族系のポリイミドと異なり特定の溶媒に対しては高い溶解性を示す。従って、本発明のポリイミドをこの溶解溶媒に溶解して溶液(ワニス)とすると、これから種々形態を変えたポリイミドを容易に製造できる。例えば、この溶液を大量の貧溶媒中に滴下・濾過するとポリイミドを粉末として単離することができる。この際に使用可能な貧溶媒としては特に限定されないが、水、メタノール、アセトン、ヘキサン、ブチルセルソルブ、ヘプタン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、エタノール、トルエン、ベンゼンなどを挙げることができる。貧溶媒に投入して沈殿させた特定重合体は濾過して回収した後、常圧あるいは減圧下で、常温あるいは加熱乾燥して粉末とすることが出来る。また、粉末としたポリイミドを、有機溶媒に再溶解させ、再沈殿回収する操作を2〜10回繰り返すと、ポリイミド中の不純物を少なくすることができる。この際の貧溶媒として例えばアルコール類、ケトン類、炭化水素など3種類以上の貧溶媒を用いると、より一層精製の効率が上がるので好ましい。
こうして得られた粉末のポリイミドは、再び溶媒に溶解させることで溶液(ワニス)とすることができる。
その際に使用可能な溶媒としては、ポリイミド前駆体を合成する際に用いた溶媒が使用できる。
さらにこれに加え、塗膜均一性向上を目的として、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、エチルカルビトール、ブチルカルビトール、エチルカルビトールアセテート、エチレングリコール、1−メトキシ−2−プロパノール、1−エトキシ−2−プロパノール、1−ブトキシ−2−プロパノール、1−フェノキシ−2−プロパノール、プロピレングリコールモノアセテート、プロピレングリコールジアセテート、プロピレングリコール−1−モノメチルエーテル−2−アセテート、プロピレングリコール−1−モノエチルエーテル−2−アセテート、ジプロピレングリコール、2−(2−エトキシプロポキシ)プロパノール、乳酸メチルエステル、乳酸エチルエステル、乳酸n−プロピルエステル、乳酸n−ブチルエステル、乳酸イソアミルエステルなどの低表面張力を有する溶媒も用いることができる。これら溶媒は1種類でも複数種類を混合して用いても良い。
その際に使用可能な溶媒としては、ポリイミド前駆体を合成する際に用いた溶媒が使用できる。
さらにこれに加え、塗膜均一性向上を目的として、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、エチルカルビトール、ブチルカルビトール、エチルカルビトールアセテート、エチレングリコール、1−メトキシ−2−プロパノール、1−エトキシ−2−プロパノール、1−ブトキシ−2−プロパノール、1−フェノキシ−2−プロパノール、プロピレングリコールモノアセテート、プロピレングリコールジアセテート、プロピレングリコール−1−モノメチルエーテル−2−アセテート、プロピレングリコール−1−モノエチルエーテル−2−アセテート、ジプロピレングリコール、2−(2−エトキシプロポキシ)プロパノール、乳酸メチルエステル、乳酸エチルエステル、乳酸n−プロピルエステル、乳酸n−ブチルエステル、乳酸イソアミルエステルなどの低表面張力を有する溶媒も用いることができる。これら溶媒は1種類でも複数種類を混合して用いても良い。
また、これら塗膜均一性向上を目的とした溶媒の混合量としては、好ましくは全溶媒中の10〜80重量%、より好ましくは20〜60重量%である。また、この時のポリイミドの濃度は、下限が通常1重量%、好ましくは5重量%、さらに好ましくは10重量%、上限は通常80重量%、好ましくは60重量%、さらに好ましくは50重量%である。このようにして得られたポリイミド溶液(ワニス)は、各種材料のコーティング材として製膜用、皮膜用として使用することができる。
また、このポリイミドの溶液をろ過することにより含まれる異物粒子を取り除くことが可能である。異物粒子を取り除くことは光学用途においては重要なことであり、本発明で得られるポリイミドの異物量は通常、投影面積円相当径が5〜20μmである不溶性微粒体は、前駆体1g当り5000個以下であり、好ましくは3000個以下、さらに好ましくは1000個以下である。測定の方法は上記した通りである。
本発明のポリイミド粉末を加熱圧縮することで所望の形のポリイミドの成型体とすることができる。その際に加熱する温度は、下限が150℃、好ましくは200℃、さらに好ましくは250℃で行うことができ、一方、上限は450℃、好ましくは400℃、さらに好ましくは350℃で加熱する。また、一旦単離したポリイミド粉末を例えば、重合の際に使用した溶媒に再溶解するとポリイミドワニスに戻すこともできる。
さらにこのポリイミドワニスを、基板上に塗布して乾燥するとポリイミドフィルムを形成することができる。塗布を行うその方法に特に制限はないが、例えばポリイミド溶液を石英板、ステンレス板、カプトンフィルムなどの光学用基板に滴下し高さを固定した支持体上をなぞり溶液を伸ばすことにより均一な高さに塗布することができる。この際、ドクターブレードなどの機器を使用して行ってもかまわない。
またこの他の塗布方法としては、スプレー法、ディップコート法、スピンコート法、印刷法、インクジェット法などが挙げられるが、生産性の面から工業的には転写印刷法が広く用いられており、本発明の液晶配向処理剤においても好適に用いられる。
このようにして塗布されたポリイミドはまだ多量の溶媒を含んでいる。そこで、加熱して溶媒を除去する。その際の温度は、通常下限が70℃、好ましくは100℃、さらに好ましくは150℃であり、上限は通常350℃、好ましくは300℃さらに好ましくは250℃である。加熱は、段階的に昇温しても良いし連続的に昇温してもかまわない。これらの工程の雰囲気は、減圧下もしくは不活性雰囲気中でおこなってもよい。
このようにして塗布されたポリイミドはまだ多量の溶媒を含んでいる。そこで、加熱して溶媒を除去する。その際の温度は、通常下限が70℃、好ましくは100℃、さらに好ましくは150℃であり、上限は通常350℃、好ましくは300℃さらに好ましくは250℃である。加熱は、段階的に昇温しても良いし連続的に昇温してもかまわない。これらの工程の雰囲気は、減圧下もしくは不活性雰囲気中でおこなってもよい。
減圧下に行う場合に採用される減圧度は、通常0.05MPa以下、好ましくは0.01MPa以下、さらに好ましくは0.001MPa以下である。
これらのフィルムは必要に応じてウェットエッチング、ドライエッチング、レーザーア
ブレーションなどの方法によりパターニングされ所定の形に形成され光部品とすることもできる。このようにして得られる本発明のポリイミドを用いたフィルム、光部品等の光学用素子は、複屈折も小さく無色透明であるために、厚膜であってもそれらの物性は極めて良好である。
これらのフィルムは必要に応じてウェットエッチング、ドライエッチング、レーザーア
ブレーションなどの方法によりパターニングされ所定の形に形成され光部品とすることもできる。このようにして得られる本発明のポリイミドを用いたフィルム、光部品等の光学用素子は、複屈折も小さく無色透明であるために、厚膜であってもそれらの物性は極めて良好である。
ポリイミドのフィルムを形成する際の厚みは、塗布する溶液の厚みを変えることにより制御することができ、通常下限が通常0.1μm、好ましくは1μm、さらに好ましくは5μm、上限は通常1000μm、好ましくは700μm、さらに好ましくは500μmである。
さらに、本発明のポリイミドは、溶媒溶解性に優れるため、その溶液からシートや、繊維などその形態は用途に応じて自由に加工することができる。また、フィルは単層ばかりでなく多層として使用することも可能である。
さらに、本発明のポリイミドは、溶媒溶解性に優れるため、その溶液からシートや、繊維などその形態は用途に応じて自由に加工することができる。また、フィルは単層ばかりでなく多層として使用することも可能である。
本発明のポリイミドおよびその前駆体中に、必要に応じて酸化安定剤、フイラー、シランカップリング剤、感光剤、光重合開始剤および増感剤等の添加物を加えることができる。また、強度向上、耐熱性の増強、吸水性の低下、など樹脂に要求される物性を達成するために、本発明のポリイミドに他の樹脂を混合することも可能である。
その際に使用される樹脂は、本発明のポリイミドと均一に混合することができれば問題なく、特に制限はされないが、例えばポリイミドや、ポリエーテルイミド、他の組成のポリエステルイミド、ポリエーテルスルホン、トリアセチルセルロース、ポリカーボネート、ポリステル、ポリ(メタ)アクリレート、ポリシクロオレフィンなどの光学用透明性樹脂などを混合して用いてもかまわない。
その際に使用される樹脂は、本発明のポリイミドと均一に混合することができれば問題なく、特に制限はされないが、例えばポリイミドや、ポリエーテルイミド、他の組成のポリエステルイミド、ポリエーテルスルホン、トリアセチルセルロース、ポリカーボネート、ポリステル、ポリ(メタ)アクリレート、ポリシクロオレフィンなどの光学用透明性樹脂などを混合して用いてもかまわない。
<ポリイミドの物性>
本発明のポリイミドのガラス転移温度Tg(℃)は、通常下限が150℃、好ましくは200℃、さらに好ましくは250℃であり、上限は通常500℃、好ましくは450℃、さらに好ましくは400℃の範囲内であり、高い耐熱性を有する。
また耐熱性を表す別の指標としての5%重量減少温度は、不活性ガス雰囲気では通常350℃以上、好ましくは400℃以上、さらに好ましくは420℃以上、空気雰囲気では、通常、350℃以上、好ましくは380℃以上、さらに好ましくは400℃以上である。
本発明のポリイミドのガラス転移温度Tg(℃)は、通常下限が150℃、好ましくは200℃、さらに好ましくは250℃であり、上限は通常500℃、好ましくは450℃、さらに好ましくは400℃の範囲内であり、高い耐熱性を有する。
また耐熱性を表す別の指標としての5%重量減少温度は、不活性ガス雰囲気では通常350℃以上、好ましくは400℃以上、さらに好ましくは420℃以上、空気雰囲気では、通常、350℃以上、好ましくは380℃以上、さらに好ましくは400℃以上である。
さらに本発明のポリイミドは、透明性が高いという特徴を持つ。厚さ30μmのポリイミドフィルムにして測定した紫外線・可視光吸収スペクトルのグラフにおいて、250〜800nmの波長の範囲内における平均透過率が、通常は50%以上、好ましくは60%以上、さらに好ましくは70%以上であることを特徴とする。また、400nmの単色光の透過率は、通常、40%以上、好ましくは60%以上、さらに好ましくは70%以上である。また、カットオフ波長は通常350nm以下、好ましくは330nm以下、さらに好ましくは310nm以下である。カットオフ波長の下限は通常220nm以上、好ましくは250nm以上である。
本発明のポリイミドは、光学的等方性に優れており複屈折が小さいという特徴を持つ。通常複屈折は、0.05以下、好ましくは0.01以下、さらに好ましくは0.005以下となる。
本発明のポリイミドの鉛筆硬度(JIS−K5400)は、通常B〜7Hの範囲内であり、好ましくはH〜4Hの範囲内である。
本発明のポリイミドの鉛筆硬度(JIS−K5400)は、通常B〜7Hの範囲内であり、好ましくはH〜4Hの範囲内である。
本発明のポリイミドの屈折率は、上限が通常1.75、好ましくは1.70、さらに好ましくは0.68、下限が1.50、好ましくは1.53、さらに好ましくは1.55である。なお、樹脂中にフッ素原子を導入すると屈折率が低下することはよく知られている
が、本発明のポリイミドにもフッ素原子を導入すると誘電率は下がり、その場合通常上限が1.65、好ましくは1.63、さらに好ましくは1.60であり、下限は1.45、好ましくは1.48、さらに好ましくは1.50である。
が、本発明のポリイミドにもフッ素原子を導入すると誘電率は下がり、その場合通常上限が1.65、好ましくは1.63、さらに好ましくは1.60であり、下限は1.45、好ましくは1.48、さらに好ましくは1.50である。
本発明のポリイミドの1MHzにおける誘電率は通常4.0以下であり、好ましくは、3.8以下である。さらに好ましくは、3.5以下である。また、樹脂中にフッ素原子を導入すると誘電率が低下することはよく知られているが、本発明のポリイミドにもフッ素原子を導入すると誘電率は下がり、その場合通常3.5以下、好ましくは3.3以下、さらに好ましくは3.1以下となる。さらに、1〜20GHzの範囲において誘電正接についても周波数依存性が低く、0.005〜0.020の範囲でほぼ一定の値を示すという特徴も有しており、極めて優れた高周波特性を持つ。
ポリイミド中に含まれる異物粒子の量は通常、投影面積円相当径が5〜20μmである不溶性微粒体は、ポリイミド樹脂1g当り5000個以下であり、好ましくは3000個以下、さらに好ましくは1000個以下である。
本発明のポリイミドの25℃の水に24時間浸漬した際の吸水率は、通常5重量%以下、好ましくは3重量%以下、さらに好ましくは2重量%以下である。
本発明のポリイミドの25℃の水に24時間浸漬した際の吸水率は、通常5重量%以下、好ましくは3重量%以下、さらに好ましくは2重量%以下である。
本発明のポリイミドの線熱膨張率は、通常100ppm/K以下、好ましくは50ppm/K以下、さらに好ましくは30ppm/Kである。
本発明のポリイミドは、特定の溶剤に対して高い溶解性を示す。特に上記したポリイミド前駆体を合成する際に用いた溶媒にはよく溶解し、容易に溶液とすることができる。
本発明のポリイミドは、上記したフィルムとした時、しなやかで折り曲げることができ、元に戻した時には平らなフィルムに戻るという高い復元性がある特徴を持つ。通常、本発明のポリイミドのフィルムは180°の折り曲げを行っても割れてしまわないものも製造可能である。
本発明のポリイミドは、特定の溶剤に対して高い溶解性を示す。特に上記したポリイミド前駆体を合成する際に用いた溶媒にはよく溶解し、容易に溶液とすることができる。
本発明のポリイミドは、上記したフィルムとした時、しなやかで折り曲げることができ、元に戻した時には平らなフィルムに戻るという高い復元性がある特徴を持つ。通常、本発明のポリイミドのフィルムは180°の折り曲げを行っても割れてしまわないものも製造可能である。
本発明のポリイミドをフィルムとした時の、引っ張り強度は、通常、10MPa以上、好ましくは30MPa以上、さらに好ましくは50MPa以上である。
本発明のポリイミドをフィルムとした時の、引っ張り弾性率は、通常、0.1GPa以上、好ましくは0.5GPa以上、さらに好ましくは1.0GPa以上である。
本発明のポリイミドをフィルムとした時の、引っ張り伸びは、通常下限が0.1%、好ましくは0.5%、さらに好ましくは1.0%、上限は、通常100%以下、好ましくは50%以下、さらに好ましくは30%以下である。
本発明のポリイミドをフィルムとした時の、引っ張り弾性率は、通常、0.1GPa以上、好ましくは0.5GPa以上、さらに好ましくは1.0GPa以上である。
本発明のポリイミドをフィルムとした時の、引っ張り伸びは、通常下限が0.1%、好ましくは0.5%、さらに好ましくは1.0%、上限は、通常100%以下、好ましくは50%以下、さらに好ましくは30%以下である。
<用途>
本発明のポリイミドは、高ガラス転移温度、低複屈折性、無色透明性、低誘電性を同時に満たすものでありこれらの優れたバランスのとれた特性を生かして、半導体分野、光学材料分野、光通信分野、表示装置分野、電気電子機器分野、輸送機器分野、航空宇宙分野などにおける素材として使用できる。例えば、光学材料分野としては、レンズ、回析格子などの精密光部品、ホログラム、CD、MD、DVD、光ディスク等のディスク基板、光学用接着剤、表示装置用途としては、LCD用基板、偏光板用支持フィルム、透明樹脂シート、位相差フィルム、光拡散フィルム、プリズムシート、LCD用接着剤、LCD用スペーサ、LCD用電極基板、カラーフィルター用透明保護膜、カラーフィルター、透明保護膜等、LCD以外の表示材料用途としてはプロジェクター用のスクリーン、プラズマディスプレイ用の基板やフィルム、光学フィルター、有機EL用コーティング材料等、光通信分野や光学素子分野では、光ファイバー、光導波路、光分岐器、光合波器、光スイッチング素子、光変調器、光フィルター、波長分割器、光増幅器、光減衰器、光波長変換器、電気電子機器分野では、絶縁テープ、各種積層板、フレキシブルプリント回路基板、多層プリント回路基板用接着フィルム、プリント回路基板用カバーフィルム、半導体集積回路素子の表面保護膜、電線用被覆剤、などや、フラッシュメモリー、CCD、PD、LD等の光半導体の封止材、半導体分野ではバッファーコート膜、パッシベーション膜、層間絶縁膜等、感光性ポリマーのベースポリマー半導体コーティング剤、アンダーフィル剤、航空宇宙分野では、ソーラーセル、熱制御システム等の特別な航空宇宙用コンポーネントコーティング材等、この他本剤の特性を生かして、太陽電池の被覆材やベースフィルム基材、接着剤、その他のコーティング材料用などが挙げられる。
本発明のポリイミドは、高ガラス転移温度、低複屈折性、無色透明性、低誘電性を同時に満たすものでありこれらの優れたバランスのとれた特性を生かして、半導体分野、光学材料分野、光通信分野、表示装置分野、電気電子機器分野、輸送機器分野、航空宇宙分野などにおける素材として使用できる。例えば、光学材料分野としては、レンズ、回析格子などの精密光部品、ホログラム、CD、MD、DVD、光ディスク等のディスク基板、光学用接着剤、表示装置用途としては、LCD用基板、偏光板用支持フィルム、透明樹脂シート、位相差フィルム、光拡散フィルム、プリズムシート、LCD用接着剤、LCD用スペーサ、LCD用電極基板、カラーフィルター用透明保護膜、カラーフィルター、透明保護膜等、LCD以外の表示材料用途としてはプロジェクター用のスクリーン、プラズマディスプレイ用の基板やフィルム、光学フィルター、有機EL用コーティング材料等、光通信分野や光学素子分野では、光ファイバー、光導波路、光分岐器、光合波器、光スイッチング素子、光変調器、光フィルター、波長分割器、光増幅器、光減衰器、光波長変換器、電気電子機器分野では、絶縁テープ、各種積層板、フレキシブルプリント回路基板、多層プリント回路基板用接着フィルム、プリント回路基板用カバーフィルム、半導体集積回路素子の表面保護膜、電線用被覆剤、などや、フラッシュメモリー、CCD、PD、LD等の光半導体の封止材、半導体分野ではバッファーコート膜、パッシベーション膜、層間絶縁膜等、感光性ポリマーのベースポリマー半導体コーティング剤、アンダーフィル剤、航空宇宙分野では、ソーラーセル、熱制御システム等の特別な航空宇宙用コンポーネントコーティング材等、この他本剤の特性を生かして、太陽電池の被覆材やベースフィルム基材、接着剤、その他のコーティング材料用などが挙げられる。
中でも、本発明のポリイミドは、溶媒に可溶で塗布により低温でフィルム化でき、また光学的に透明で光透過率が高く複屈折が極めて小さいという他の光学用樹脂にはない特性バランスを有することから液晶ディスプレイ用の各種部材として使用することに適している。例えば、基板、配向膜、粘着剤、偏光板、位相差フィルム、カラーフィルター、樹脂ブラックマトリックス材料、視野角補償フィルムなどの液晶ディスプレイ用部材を作成する際の原料樹脂として利用することが可能である。特に、各種ディスプレイ用の位相差フィルム用途に適している。これは、本発明のポリイミドにフルオレニル基が含まれており、且つこのフルオレニル基がポリマーの主鎖に対して垂直、ないしそれに近い角度で固定されていることから、位相差フィルムとした時に光補償機能が高く、特に優れた性能を示すので好ましい。
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限りこれら実施例に限定されるものではない。
1)モノマーの物性値の測定
<赤外吸収スペクトル>
フーリエ変換赤外分光光度計を用い、KBr法にて生成物の赤外吸収スペクトルを測定した。
1)モノマーの物性値の測定
<赤外吸収スペクトル>
フーリエ変換赤外分光光度計を用い、KBr法にて生成物の赤外吸収スペクトルを測定した。
<プロトンNMRスペクトル>
生成物を重水素化ジメチルスルホキシドに溶解し、プロトンの共鳴周波数400MHz
NMR分光計を用いてプロトンNMRスペクトルを測定した。
<融点>
示差走査熱量分析装置(DSC)にて、窒素雰囲気中、昇温速度2℃/分での昇温過程における融解の吸熱ピークより融点を求めた。
生成物を重水素化ジメチルスルホキシドに溶解し、プロトンの共鳴周波数400MHz
NMR分光計を用いてプロトンNMRスペクトルを測定した。
<融点>
示差走査熱量分析装置(DSC)にて、窒素雰囲気中、昇温速度2℃/分での昇温過程における融解の吸熱ピークより融点を求めた。
2)重合物の物性値の測定
<赤外吸収スペクトル>
フーリエ変換赤外分光光度計(日本分光社製FT−IR5300)を用い、透過法にてポリイミド前駆体およびポリイミド薄膜の赤外吸収スペクトルを測定した。
<固有粘度>
0.5重量%のポリイミド前駆体溶液を、オストワルド粘度計を用いて30℃で測定した。
<赤外吸収スペクトル>
フーリエ変換赤外分光光度計(日本分光社製FT−IR5300)を用い、透過法にてポリイミド前駆体およびポリイミド薄膜の赤外吸収スペクトルを測定した。
<固有粘度>
0.5重量%のポリイミド前駆体溶液を、オストワルド粘度計を用いて30℃で測定した。
<ガラス転移温度:Tg>
ブルカーエイエックス社製熱機械分析装置(TMA4000)を用いて動的粘弾性測定により、周波数0.1Hz、昇温速度5℃/分における損失ピークからポリイミド膜のガラス転移温度を求めた。 または、エスアイアイ・ナノテクノロジー社製示差走査熱量分
析計(DSC6220)を用いて10℃/分で昇温しそのベースラインシフトから求めた。
ブルカーエイエックス社製熱機械分析装置(TMA4000)を用いて動的粘弾性測定により、周波数0.1Hz、昇温速度5℃/分における損失ピークからポリイミド膜のガラス転移温度を求めた。 または、エスアイアイ・ナノテクノロジー社製示差走査熱量分
析計(DSC6220)を用いて10℃/分で昇温しそのベースラインシフトから求めた。
<5%重量減少温度:Td 5>
ブルカーエイエックス社製熱重量分析装置(TG−DTA2000)を用いて、窒素中
または空気中、昇温速度10℃/分での昇温過程において、ポリイミド膜の初期重量が5%減少した時の温度を測定した。これらの値が高いほど、熱安定性が高いことを表す。
<カットオフ波長(透明性)>
日本分光社製紫外可視分光光度計(V−520)を用いて、200nmから900nmの可視・紫外線透過率を測定した。透過率が0.5%以下となる波長(カットオフ波長)を透明性の指標とした。カットオフ波長が短い程、ポリイミド膜の透明性が良好であることを意味する。
ブルカーエイエックス社製熱重量分析装置(TG−DTA2000)を用いて、窒素中
または空気中、昇温速度10℃/分での昇温過程において、ポリイミド膜の初期重量が5%減少した時の温度を測定した。これらの値が高いほど、熱安定性が高いことを表す。
<カットオフ波長(透明性)>
日本分光社製紫外可視分光光度計(V−520)を用いて、200nmから900nmの可視・紫外線透過率を測定した。透過率が0.5%以下となる波長(カットオフ波長)を透明性の指標とした。カットオフ波長が短い程、ポリイミド膜の透明性が良好であることを意味する。
<光透過率(透明性)>
日本分光社製紫外可視分光光度計(V−520)を用いて、400nmにおける光透過率を測定した。透過率が高い程、ポリイミド膜の透明性が良好であることを意味する。
<複屈折>
アタゴ社製アッベ屈折計(アッベ4T)を用いて、ポリイミド膜に平行な方向(nin)と垂直な方向(nout)の屈折率をアッベ屈折計(ナトリウムランプ使用、波長589nm)で測定し、これらの屈折率の差から複屈折(Δn=nin−nout)を求めた。
日本分光社製紫外可視分光光度計(V−520)を用いて、400nmにおける光透過率を測定した。透過率が高い程、ポリイミド膜の透明性が良好であることを意味する。
<複屈折>
アタゴ社製アッベ屈折計(アッベ4T)を用いて、ポリイミド膜に平行な方向(nin)と垂直な方向(nout)の屈折率をアッベ屈折計(ナトリウムランプ使用、波長589nm)で測定し、これらの屈折率の差から複屈折(Δn=nin−nout)を求めた。
<誘電率>
アタゴ社製アッベ屈折計(アッベ4T)を用いて、ポリイミド膜の平均屈折率〔nav=(2nin+nout)/3〕に基づいて、次式により1MHzにおけるポリイミド膜の誘電率(ε)を算出した。ε=1.1×nav 2
<吸水率>
50℃で24時間真空乾燥したポリイミド膜(膜厚20〜30μm)を25℃の水に24時間浸漬した後、余分の水分を拭き取り、重量増加分から吸水率(%)を求めた。
アタゴ社製アッベ屈折計(アッベ4T)を用いて、ポリイミド膜の平均屈折率〔nav=(2nin+nout)/3〕に基づいて、次式により1MHzにおけるポリイミド膜の誘電率(ε)を算出した。ε=1.1×nav 2
<吸水率>
50℃で24時間真空乾燥したポリイミド膜(膜厚20〜30μm)を25℃の水に24時間浸漬した後、余分の水分を拭き取り、重量増加分から吸水率(%)を求めた。
<線熱膨張係数:CTE>
ブルカーエイエックス社製熱機械分析装置(TMA4000)を用いて、熱機械分析により、荷重0.5g/膜厚1μm、昇温速度5℃/分における試験片の伸びより、100〜200℃の範囲での平均値としてポリイミド膜の線熱膨張係数を求めた。
<弾性率、破断伸び>
東洋ボールドウィン社製引張試験機(テンシロンUTM−2)を用いて、ポリイミド膜の試験片(3mm×30mm)について引張試験(延伸速度:8mm/分)を実施し、応力―歪曲線の初期の勾配から弾性率を、膜が破断した時の伸び率から破断伸び(%)を求めた。破断伸びが高いほど膜の靭性が高いことを意味する。
ブルカーエイエックス社製熱機械分析装置(TMA4000)を用いて、熱機械分析により、荷重0.5g/膜厚1μm、昇温速度5℃/分における試験片の伸びより、100〜200℃の範囲での平均値としてポリイミド膜の線熱膨張係数を求めた。
<弾性率、破断伸び>
東洋ボールドウィン社製引張試験機(テンシロンUTM−2)を用いて、ポリイミド膜の試験片(3mm×30mm)について引張試験(延伸速度:8mm/分)を実施し、応力―歪曲線の初期の勾配から弾性率を、膜が破断した時の伸び率から破断伸び(%)を求めた。破断伸びが高いほど膜の靭性が高いことを意味する。
<エステル基とフルオレニル基を共に含有するテトラカルボン酸二無水物の合成>
[実施例1]
[実施例1]
エステル基とフルオレニル基を共に含有するテトラカルボン酸二無水物は以下のように合成した。反応容器中で核水素化トリメリット酸無水物クロリド4.33g(20mmol)に無水テトラヒドロフラン14.6mLを加えて溶解させ、セプタムキャップでシールした。また別な反応容器に、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン(以下BPFLと称する)3.51g(10mmol)およびピリジン3.24mL(40mmol)を無水テトラヒドロフラン11.8mLに溶解し、セプタムキャップでシールした。氷浴中で0℃に保持した核水素化トリメリット酸無水物クロリド溶液へ、上記BPFL溶液をシリンジにて1時間かけて滴下し、更に24時間撹拌した。生成したピリジン塩酸塩を濾別後、濾液をエバポレータで溶媒留去し、生成物を120℃で12時間真空乾燥して、89%の収率で薄黄色粉末を得た。これを更に無水酢酸で再結晶し、白色粉末を得た。この化合物は示差走査熱量分析により、吸熱ピーク(融点209.5℃)を示し、赤外吸収スペクトルおよび1H−NMRスペクトルより、得られた生成物は目的とするテトラカルボン酸二無水物であることが確認された。得られたエステル基とフルオレニル基を共に含有するテトラカルボン酸二無水物の構造を下記に示す。
<ポリイミド前駆体の重合、イミド化およびポリイミドの膜物性評価>
[実施例2]
[実施例2]
よく乾燥した攪拌機付密閉反応容器中にp−フェニレンジアミン5mmolをN,N−ジメチルアセトアミドに溶解し、この溶液に実施例1で製造したテトラカルボン酸二無水物粉末5mmolを徐々に加え室温で48時間撹拌して、透明で粘稠なポリエステルイミド前駆体溶液を得た。重合は溶質濃度30重量%で行った。このポリエステルイミド前駆体溶液は室温および−20℃で一ヶ月間放置しても沈澱、ゲル化は全く起こらず、極めて高い溶液貯蔵安定を示した。N,N−ジメチルアセトアミド中、30℃で測定した脂環式ポリエステルイミド前駆体の固有粘度は0.517dL/gであった。このポリエステルイミド前駆体溶液に無水酢酸/ピリジン混合溶液(体積比:7/3)を添加し、室温で24時間攪拌して化学イミド化を行った。この溶液をガラス基板に塗布し、60℃、2時間で乾燥した後、200℃で1時間、更に320℃で1時間、真空中で熱処理して膜厚約20μmの透明なポリエステルイミドフィルムを得た。このフィルムは180°折り曲げ試験により破断せず、可撓性を示した。表1に膜物性を示す。ガラス転移温度は304℃であり、高い耐熱性を示した。更にカットオフ波長が316nm、400nmでの透過率が77.0%と、極めて高い透明性を示した。またこのフィルムは、複屈折Δn=0.0001と極めて小さい値を示し光学材料に適していることがわかった。誘電率は2.90と比較的低い値であった。5%重量減少温度は窒素中で419℃、空気中で391℃、線熱膨張係数は67.5ppm/Kであった。また、このポリイミドはジメチルアセトアミドへの溶解試験において、極めて良く溶解することが判明した。
実施例2で得られたポリイミドの構造を下記式(16)に示す。
ジアミン成分としてp−フェニレンジアミンの代わりに4,4’−オキシジアニリンを用いた以外は、実施例2に記載した方法に従って、ポリエステルイミド前駆体を重合、製膜、イミド化し、ポリエステルイミドフィルムの膜物性を評価した。表1に膜物性を示す。実施例2のポリエステルイミドと同様に、高いガラス転移温度、高い透明性および十分な膜靭性を示した。また、このポリイミドはジメチルアセトアミドへの溶解試験において、極めて良く溶解することが判明した。
実施例3で得られたポリイミドの構造を下記式(17)に示す。
ジアミン成分としてp−フェニレンジアミンの代わりに4,4’−メチレンビス(シク
ロヘキシルアミン)を用いた以外は、実施例2に記載した方法に従って、ポリエステルイ
ミド前駆体を重合、製膜、イミド化し、ポリエステルイミドフィルムの膜物性を評価した。表1に膜物性を示す。実施例2および3のポリエステルイミドと同様に、高いガラス転移温度、高い透明性、低い誘電率および十分な膜靭性を示した。また、このポリイミドはジメチルアセトアミドへの溶解試験において、極めて良く溶解することが判明した。
ロヘキシルアミン)を用いた以外は、実施例2に記載した方法に従って、ポリエステルイ
ミド前駆体を重合、製膜、イミド化し、ポリエステルイミドフィルムの膜物性を評価した。表1に膜物性を示す。実施例2および3のポリエステルイミドと同様に、高いガラス転移温度、高い透明性、低い誘電率および十分な膜靭性を示した。また、このポリイミドはジメチルアセトアミドへの溶解試験において、極めて良く溶解することが判明した。
実施例4で得られたポリイミドの構造を下記式(18)に示す。
(比較例1)
よく乾燥した攪拌機付密閉反応容器中に、p−フェニレンジアミン1.08g(10mmol)を入れ、N,N−ジメチルアセトアミド15mLに溶解した後、この溶液にハイドロキノンとトリメリット酸無水物から合成された芳香族酸二無水物粉末4.58g(10mmol)を徐々に加えた。溶液粘度が急激に増加したため、適宜溶媒で希釈して一時間後に52mLを加え希釈した。更に室温で24時間撹拌し、透明、均一で粘稠な芳香族ポリイミド前駆体溶液を得た。N,N−ジメチルアセトアミド中、30℃、0.5重量%の濃度でオストワルド粘度計にて測定した芳香族ポリイミド前駆体の固有粘度は5.19dL/gであった。この芳香族ポリイミド前駆体溶液をガラス基板に塗布し、60℃、2時間で乾燥して得た芳香族ポリイミド前駆体膜を基板上、減圧下250℃で2時間熱イミド化を行った後、残留応力を除去するために基板から剥がして更に350℃で1時間、熱処理を行い、膜厚20μmの芳香族ポリイミド膜を得た。この芳香族ポリイミド膜は如何なる有機溶媒に対しても全く溶解性を示さなかった。このもののガラス転移温は450℃まで未検出であったが、UVカットオフ波長は369nm、400nmでの透過率22%と、実施例1に記載のポリイミドと比較すると透明性が著しく低かった。これはモノマーとして芳香族テトラカルボン酸二無水物を用いたため、UV領域の吸収が大きいことが原因である。この樹脂の複屈折は、Δn=0.219と極めて大きく光学材料に全く適していないことがわかった。誘電率は3.22と比較的高い値であった。なお、比較例2で得られたポリイミドの構造を下記式(19)に示す。
よく乾燥した攪拌機付密閉反応容器中に、p−フェニレンジアミン1.08g(10mmol)を入れ、N,N−ジメチルアセトアミド15mLに溶解した後、この溶液にハイドロキノンとトリメリット酸無水物から合成された芳香族酸二無水物粉末4.58g(10mmol)を徐々に加えた。溶液粘度が急激に増加したため、適宜溶媒で希釈して一時間後に52mLを加え希釈した。更に室温で24時間撹拌し、透明、均一で粘稠な芳香族ポリイミド前駆体溶液を得た。N,N−ジメチルアセトアミド中、30℃、0.5重量%の濃度でオストワルド粘度計にて測定した芳香族ポリイミド前駆体の固有粘度は5.19dL/gであった。この芳香族ポリイミド前駆体溶液をガラス基板に塗布し、60℃、2時間で乾燥して得た芳香族ポリイミド前駆体膜を基板上、減圧下250℃で2時間熱イミド化を行った後、残留応力を除去するために基板から剥がして更に350℃で1時間、熱処理を行い、膜厚20μmの芳香族ポリイミド膜を得た。この芳香族ポリイミド膜は如何なる有機溶媒に対しても全く溶解性を示さなかった。このもののガラス転移温は450℃まで未検出であったが、UVカットオフ波長は369nm、400nmでの透過率22%と、実施例1に記載のポリイミドと比較すると透明性が著しく低かった。これはモノマーとして芳香族テトラカルボン酸二無水物を用いたため、UV領域の吸収が大きいことが原因である。この樹脂の複屈折は、Δn=0.219と極めて大きく光学材料に全く適していないことがわかった。誘電率は3.22と比較的高い値であった。なお、比較例2で得られたポリイミドの構造を下記式(19)に示す。
(比較例2)
よく乾燥した攪拌機付密閉反応容器中にp−フェニレンジアミン1.08g(10mmol)をN,N−ジメチルアセトアミド19.3gに溶解し、この溶液にヒドロキノンと水素化トリメリット酸クロリドから合成したテトラカルボン酸二無水物粉末4.70g(10mmol)を徐々に加え室温で22時間撹拌して、透明で粘稠ポリイミド前駆体溶液を得た。重合は溶質濃度30重量%から開始し、途中溶媒を添加しながら反応し、最終的に17重量%まで希釈した。N,N−ジメチルアセトアミド中、30℃で測定したポリイミド前駆体の固有粘度は1.34dL/gであり、極めて高重合体であった。このポリイミド前駆体溶液をガラス基板に塗布し、60℃、2時間で乾燥してポリイミド前駆体膜を得た。この前駆体膜を基板上、減圧下320℃で1時間熱処理してイミド化を行い、ポリイミド膜を得た。残留歪を除去するために、基板から膜を剥がして更にガラス転移温度直下の253℃で1時間熱処理し、膜厚30μmの透明なフィルムを得た。このもののガラス転移温度は253℃であり、UVカットオフ波長は、312nm、400nmでの透過率72.1%であった。比較例1で得られたポリイミドの構造を、下記式(20)に示す。
よく乾燥した攪拌機付密閉反応容器中にp−フェニレンジアミン1.08g(10mmol)をN,N−ジメチルアセトアミド19.3gに溶解し、この溶液にヒドロキノンと水素化トリメリット酸クロリドから合成したテトラカルボン酸二無水物粉末4.70g(10mmol)を徐々に加え室温で22時間撹拌して、透明で粘稠ポリイミド前駆体溶液を得た。重合は溶質濃度30重量%から開始し、途中溶媒を添加しながら反応し、最終的に17重量%まで希釈した。N,N−ジメチルアセトアミド中、30℃で測定したポリイミド前駆体の固有粘度は1.34dL/gであり、極めて高重合体であった。このポリイミド前駆体溶液をガラス基板に塗布し、60℃、2時間で乾燥してポリイミド前駆体膜を得た。この前駆体膜を基板上、減圧下320℃で1時間熱処理してイミド化を行い、ポリイミド膜を得た。残留歪を除去するために、基板から膜を剥がして更にガラス転移温度直下の253℃で1時間熱処理し、膜厚30μmの透明なフィルムを得た。このもののガラス転移温度は253℃であり、UVカットオフ波長は、312nm、400nmでの透過率72.1%であった。比較例1で得られたポリイミドの構造を、下記式(20)に示す。
Claims (14)
- 上記式(1)〜(3)中のA1およびA2がそれぞれ独立に少なくとも1つの環状構造を含む構造であることを特徴とする請求項1に記載のテトラカルボン酸類。
- A1およびA2が同一の構造であることを特徴とする請求項1〜3いずれか1項に記載のテトラカルボン酸類。
- 請求項5または請求項6に記載のポリマーを加熱あるいは脱水試薬を用いて環化反応(イミド化)させることを特徴とする、請求項7乃至8に記載のポリマーの製造方法。
- 請求項5または請求項6に記載のポリマーを経由することなしに、請求項1から3に記載のテトラカルボン酸類とジアミンを溶媒中、高温下で一段階で重縮合反応することを特徴とする、請求項7乃至8に記載のポリマーの製造方法。
- 請求項5から8に記載のポリマーを含むことを特徴とする樹脂組成物。
- 請求項11に記載の樹脂組成物からなるフィルム。
- 位相差フィルムである請求項12に記載のフィルム。
- 請求項13に記載のフィルムを用いたディスプレイ用部材。
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