JP2011016926A - エポキシ化合物、エポキシ樹脂組成物及びその硬化物 - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱性、耐湿性、接着性、寸法安定性、機械的強度等に優れる硬化物を与え、積層、成形、注型、接着等の用途に有用なエポキシ化合物、エポキシ樹脂又はエポキシ樹脂組成物を提供する。
【解決手段】特定のトリフェノールとエピクロロヒドリンより得られるエポキシ化合物、およびエポキシ樹脂及び硬化剤を必須成分とするエポキシ樹脂組成物において、エポキシ樹脂成分としてこのエポキシ化合物て配合してなるエポキシ樹脂組成物、およびその硬化物である。
【選択図】なし

Description

本発明は、耐熱性、耐湿性、接着性、寸法安定性、機械的強度等に優れた硬化物を与えるエポキシ樹脂及びそれを用いたエポキシ樹脂組成物並びにその硬化物に関し、半導体封止材、回路基板、コーティング材料及び複合材料等に好適に使用されるものである。

近年、特に先端材料分野の進歩にともない、より高性能なベースレジンの開発が求められている。例えば、車載用半導体に代表される半導体封止の分野においては、高密度実装化に対応した寸法安定性、表面実装化に求められる半田リフロー性等に加えて、過酷な使用環境に対応するための高温信頼性の向上が要求されている。

しかしながら、従来から知られているエポキシ樹脂に、これらの要求を満足するものはない。例えば、周知のビスフェノール型エポキシ樹脂は、常温で液状であり、作業性に優れていることや、硬化剤、添加剤等との混合が容易であることから広く使用されているが、耐熱性、耐湿性の点で問題がある。また、耐熱性を改良したものとして、ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂が知られているが、耐湿性や耐衝撃性に問題がある。

そこで、特許文献１には耐湿性、耐衝撃性の向上を目的に、フェノールアラルキル樹脂のエポキシ化合物が提案されているが耐熱性の点で十分ではない。また、特許文献２には高耐熱性を目的に２価フェノールのアラルキル型エポキシ化合物が提案されているが耐湿性の点で十分でない。更に、特許文献３にナフトールアラルキル型エポキシ化合物が提案されているが、依然、耐熱性の点で十分ではない。また、耐熱性に優れたものとして、文献４にトリフェニルメタン型エポキシ樹脂が開示されているが、硬化物が脆い欠点がある。

特開昭６３−２３８１２２号公報 特開昭６４−７９２１５号公報 特開平３−９００７５号公報 特開平１−２５２６２４号公報

従って、本発明の目的は、耐熱性、耐湿性、接着性、寸法安定性、機械的強度等に優れ、積層、成形、注型、接着等の用途に有用なエポキシ樹脂、エポキシ樹脂組成物及びの硬化物を提供することにある。

すなわち、本発明は下記一般式（１）で表されるエポキシ化合物である。

（但し、一般式（１）において、Ａは上記式（ａ）で表される３価のトリフェニレン構造を示し、ｎは０〜１０の数、Ｇはグリシジル基を示す。式（ａ）において、Ｒ₁、Ｒ₂は水素原子又は炭素数１〜９の炭化水素基を示す。）

また本発明は、下記一般式（２）で表されるヒドロキシ化合物とエピクロロヒドリンを反応させることを特徴とするエポキシ化合物の製造方法である。

（但し、Ｒ₁、Ｒ₂は水素原子又は炭素数１〜９の炭化水素基を示す。）

更に本発明は、エポキシ樹脂及び硬化剤を含むエポキシ樹脂組成物において、エポキシ樹脂成分として上記エポキシ化合物を必須成分として配合してなるエポキシ樹脂組成物である。また更に、本発明は、前記エポキシ樹脂組成物を硬化してなる硬化物である。

本発明のエポキシ樹脂組成物又は硬化物は、耐熱性、耐湿性、接着性、寸法安定性、機械的強度等に優れた性質を有し、電気絶縁材料の用途に適する。そのため、本発明のエポキシ化合物を含むエポキシ樹脂組成物を硬化して得られる硬化物は、耐湿性、耐熱性、接着性、低誘電性、耐候性、透明性、寸法安定性、機械的強度等に優れ、半導体封止、積層板、コーティング材料及び複合材料等の用途に好適に使用することができる。

ヒドロキシ化合物のＨ−ＮＭＲチャート エポキシ樹脂のＧＰＣチャート エポキシ樹脂のＨ−ＮＭＲチャート エポキシ樹脂の赤外吸収スペクトル

本発明のエポキシ化合物は、一般式（１）で表される。本発明のエポキシ化合物の製造方法は、一般式（２）で表されるヒドロキシ化合物とエピクロロヒドリンを反応させる。本発明の製造方法で得られるエポキシ化合物は、一般式（１）で表されるエポキシ化合物又はこれを主成分とするエポキシ化合物である。なお、一般式（１）で表されるエポキシ化合物において、ｎが異なる成分を含む場合をエポキシ樹脂ともいうが、本明細書でいうエポキシ化合物はこのようなエポキシ樹脂及びｎが０であるような単一のエポキシ化合物の両者を含む意味で使用される。

本発明のエポキシ化合物は、一般式（２）で表されるヒドロキシ化合物とエピクロロヒドリンを反応させることにより得られるが、エポキシ化合物の発明においては、製造方法はこれに限定されない。しかし、製造方法の発明を説明することによって、本発明のエポキシ化合物の理解が容易となるので、製造方法の発明から説明する。

一般式（２）で表されるヒドロキシ化合物において、Ｒ₁、Ｒ₂は水素原子又は炭素数１〜８の炭化水素基である。低粘度性の観点からは、水素原子またはメチル基が好ましく、耐湿性、難燃性、高接着性の観点からは、フェニル基、ベンジル基、スチリル基、インデニル基が好ましいが、取扱い性と硬化物物性のバランスからは、水素原子またはメチル基が最も好ましい。また、Ｍｅはメチル基である。そして、一般式（２）のＲ₁、Ｒ₂、Ｍｅは、一般式（１）のＲ₁、Ｒ₂、Ｍｅと同じ意味を有する。

このようなヒドロキシ化合物は、例えば、フェノール類とクロロアセトン（ClCH₂COCH₃）を反応させることにより得ることができる。フェノール類としては、具体的にはフェノール、２‐メチルフェノール、３‐メチルフェノール、４‐メチルフェノール、２，６‐ジメチルフェノール、エチルフェノール類、アリルフェノール類、ベンジルフェノール類、スチリルフェノール類等が挙げられる。これらのフェノール類は単独でもよいし、２種以上を併用してもよい。また、一般式（２）で表されるヒドロキシ化合物は、Ｒ₁、Ｒ₂が水素原子のヒドロキシ化合物とした後に、アルキル化剤等を用いて、炭化水素基を導入する方法により得ることができる。

本発明のエポキシ化合物は、一般式（１）で表されるエポキシ化合物であり、一般式（２）で表されるヒドロキシ化合物とエピクロロヒドリンと反応させることにより得ることができる。この反応は、通常のエポキシ化反応と同様に行うことができる。

例えば、一般式（２）で表されるヒドロキシ化合物を過剰のエピクロロヒドリンに溶解した後、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ金属水酸化物の存在下に、５０〜１５０℃、好ましくは、６０〜１２０℃の範囲で１〜１０時間反応させる方法が挙げられる。この際の、アルカリ金属水酸化物の使用量は、ヒドロキシ化合物中の水酸基１モルに対して、０．８〜２モル、好ましくは、０．９〜１．２モルの範囲である。また、エピクロロヒドリンはヒドロキシ化合物中の水酸基に対して過剰に用いられるが、通常、ヒドロキシ化合物中の水酸基１モルに対して、１．５〜２５モル、好ましくは、２〜１５モルの範囲である。反応終了後、過剰のエピクロロヒドリンを留去し、残留物をトルエン、メチルイソブチルケトン等の溶剤に溶解し、濾過し、水洗して無機塩を除去し、次いで溶剤を留去することにより目的のエポキシ樹脂を得ることができる。このエポキシ樹脂は一般式（１）で表されるエポキシ化合物を主成分とするが、当然のことながら生成したエポキシ化合物中のエポキシ基が出発原料であるヒドロキシ化合物中の水酸基と反応してエーテル結合を介してオリゴマー化したものも含まれる。

一般式（１）において、ｎは０〜１０の数であるが、平均のｎは数平均として、０〜１の範囲にあることが好ましく、より好ましくは０〜０．５であることがよい。また、ｎが０である単一のエポキシ化合物であることも好ましい。なお、一般式中のＡはｎが０である場合、３個のＯＧ基を有するので、一つのＡ中の３個のＯＧ基がエーテル結合を生成してオリゴマー化したものが少量生成する可能性があるが、それらが含まれても差し支えない。

上記のような製造方法で得られるエポキシ化合物中の一般式（１）で表されるエポキシ化合物におけるｎが０のエポキシ化合物の含有率は、通常、５０ｗｔ％以上であるが、低粘度性の観点からは７０ｗｔ％以上、さらに好ましくは８０ｗｔ％以上である。また、１００ｗｔ％又はそれに近い含有率であることもよい。一般式（１）で表されるエポキシ化合物を単離する必要がある場合は公知の方法で単離するが、電気絶縁材料用のエポキシ樹脂組成物等に使用する場合等の用途には、上記のエポキシ化合物のままで使用してもよい。

本発明のエポキシ化合物は一般式（１）におけるｎが０である３官能性のエポキシ化合物を主たる成分とすれば、耐熱性、寸法安定性に優れた特徴を有するとともに、トリフェニレン構造を有することから、可撓性、耐湿性にも優れた性質を有し、硬化剤を配合して電気絶縁材料用のエポキシ樹脂組成物として好適に使用することができる。

本発明のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂及び硬化剤よりなり、エポキシ樹脂成分として一般式（１）で表されるエポキシ化合物を必須成分として配合したものである。また、上記製造方法で得られるエポキシ化合物をエポキシ樹脂成分として配合することもできる。

本発明のエポキシ樹脂組成物には、必須成分として使用される上記エポキシ化合物以外に、エポキシ樹脂成分として分子中にエポキシ基を２個以上有する他のエポキシ化合物（エポキシ樹脂）を併用してもよい。例を挙げれば、ビスフェノールＡ、ビスフェノールＦ、３，３’，５，５’−テトラメチル−４，４’−ジヒドロキシジフェニルメタン、４，４’−ジヒドロキシジフェニルスルホン、４，４’−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、フルオレンビスフェノール、２，２’−ビフェノール、レゾルシン、カテコール、ｔ‐ブチルカテコール、ｔ‐ブチルハイドロキノン、アリル化ビスフェノールＡ、アリル化ビスフェノールＦ、アリル化フェノールノボラック等の２価のフェノール類、あるいは、フェノールノボラック、ビスフェノールＡノボラック、ｏ‐クレゾールノボラック、ｍ‐クレゾールノボラック、ｐ‐クレゾールノボラック、キシレノールノボラック、ポリ‐ｐ‐ヒドロキシスチレン、トリス−（４−ヒドロキシフェニル）メタン、１，１，２，２−テトラキス（４−ヒドロキシフェニル）エタン、フルオログリシノール、ピロガロール、ｔ‐ブチルピロガロール、アリル化ピロガロール、ポリアリル化ピロガロール、１，２，４−ベンゼントリオール、２，３，４‐トリヒドロキシベンゾフェノン、フェノールアラルキル樹脂、ナフトールアラルキル樹脂、ジシクロペンタジエン系樹脂等の３価以上のフェノール類、または、テトラブロモビスフェノールＡ等のハロゲン化ビスフェノール類から誘導されるグリシジルエーテル化物等がある。これらのエポキシ樹脂は、１種または２種以上を用いることができる。

本発明のエポキシ樹脂組成物に必須成分として用いる一般式（１）で表されるエポキシ化合物の配合割合は、全エポキシ樹脂の５０ｗｔ％以上であり、好ましくは７０ｗｔ％以上、より好ましくは９０ｗｔ％以上である。これより少ないと硬化物とした際の耐熱性等の物性向上効果が小さい。

硬化剤としては、一般にエポキシ樹脂の硬化剤として知られているものはすべて使用できる。例えば、ジシアンジアミド、多価フェノール類、酸無水物類、芳香族及び脂肪族アミン類等がある。これらを具体的に例示すれば、次のようである。本発明の樹脂組成物には、これら硬化剤の１種又は２種以上を混合して用いることができる。

多価フェノール類としては、例えば、ビスフェノールＡ、ビスフェノールＦ、ビスフェノールＳ、フルオレンビスフェノール、４，４’-ビフェノール、２，２’‐ビフェノール、ハイドロキノン、レゾルシン、ナフタレンジオール等の２価のフェノール類、あるいは、トリス‐（４−ヒドロキシフェニル）メタン、１，１，２，２‐テトラキス（４‐ヒドロキシフェニル）エタン、フェノールノボラック、ｏ−クレゾールノボラック、ナフトールノボラック、ポリビニルフェノール等に代表される３価以上のフェノール類、更にはフェノール類、ナフトール類又は、ビスフェノールＡ、ビスフェノールＦ、ビスフェノールＳ、フルオレンビスフェノール、４，４’‐ビフェノール、２，２’‐ビフェノール、ハイドロキノン、レゾルシン、ナフタレンジオール等の２価のフェノール類のホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、ベンズアルデヒド、ｐ−ヒドロキシベンズアルデヒド、ｐ−キシリレングリコール等の縮合剤により合成される多価フェノール性化合物等がある。また、一般式（２）で表されるヒドロキシ化合物も使用できる。

酸無水物としては、無水フタル酸、テトラヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、メチル無水ハイミック酸、無水ナジック酸、無水トリメリット酸等がある。

アミン類としては、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プロパン、４，４’‐ジアミノジフェニルスルホン、ｍ‐フェニレンジアミン、ｐ‐キシリレンジアミン等の芳香族アミン類、エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン等の脂肪族アミン類がある。

また、本発明のエポキシ樹脂組成物中には、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテル、ポリウレタン、石油樹脂、インデンクマロン樹脂、フェノキシ樹脂、等のオリゴマー又は高分子化合物を適宜配合してもよいし、無機充填剤、顔料、難然剤、揺変性付与剤、カップリング剤、流動性向上剤等の各種添加剤を配合してもよい。

無機充填剤としては、例えば、球状あるいは、破砕状の溶融シリカ、結晶シリカ等のシリカ粉末、アルミナ粉末、ガラス粉末、又はマイカ、タルク、炭酸カルシウム、アルミナ、水和アルミナ、等が挙げられ、顔料としては、有機系又は、無機系の体質顔料、鱗片状顔料等がある。揺変性付与剤としては、シリコン系、ヒマシ油系、脂肪族アマイドワックス、酸化ポリエチレンワックス、有機ベントナイト系等を挙げることができる。また、カルナバワックス、ＯＰワックス等の離型剤、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン等のカップリング剤、カーボンブラック等の着色剤、三酸化アンチモン等の難燃助剤、シリコンオイル等の低応力化剤、ステアリン酸カルシウム等の滑剤等を配合してもよい。

更に必要に応じて、公知の硬化促進剤を用いることができる。例を挙げれば、アミン類、イミダゾール類、有機ホスフィン類、ルイス酸等がある。添加量としては、通常、エポキシ樹脂１００重量部に対して、０．２〜１０重量部の範囲である。

本発明の硬化物は、上記エポキシ樹脂組成物を注型、圧縮成形、トランスファー成形等の方法により、成形加工し得ることができる。硬化物を生成する際の温度は、通常、１２０〜２２０℃の範囲である。

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。

参考例
２０００ｍｌの４口フラスコにフェノール７５０ｇ、クロロアセトン７３．８ｇをイソプロパノール４００ｍＬに溶解させた後、濃硫酸８ｇを加えて、窒素気流下、攪拌しながら４０℃にて１２時間反応させた。反応後、生成物を大量の水に投入し、析出した結晶物をろ過により回収した。得られた結晶物をトルエンにて再結晶を行い、白色結晶１１２．５ｇを得た。ＧＰＣ測定における純度は９５．８％、融点は２５７．３℃であった。Ｈ−ＮＭＲ（図１）およびＦＤＭＳ測定により生成物が１，２，２−トリス（４−ヒドロキシフェニル）プロパンであることを確認した。

ここで、融点とは昇温速度１０℃／分でＤＳＣ測定を行った際の吸熱ピーク温度である。また、ＧＰＣ測定は、装置；日本ウォーターズ（株）製、５１５Ａ型、カラム；ＴＳＫ−ＧＥＬ２０００×３本およびＴＳＫ−ＧＥＬ４０００×１本（いずれも東ソー（株）製）、溶媒；テトラヒドロフラン、流量；１ ｍｌ／ｍｉｎ、温度；３８℃、検出器；ＲＩの条件に従った。

実施例１
参考例で得たヒドロキシ化合物８０ｇをエピクロロヒドリン１１８０ｇに溶解し、減圧下（約１２０ｍｍＨｇ）、６０℃にて４８．８％水酸化ナトリウム水溶液５３．７ｇを４時間かけて滴下した。この間、生成する水はエピクロロヒドリンとの共沸により系外に除き、溜出したエピクロロヒドリンは系内に戻した。滴下終了後、更に１時間反応を継続した。その後、エピクロロヒドリンを留去し、メチルイソブチルケトン３５０ｍＬに溶解した後、ろ過により生成した塩を除いた。イオン交換水にて水洗を行った後、メチルイソブチルケトンを留去し、エポキシ樹脂Ａ１１５ｇを得た。エポキシ当量は１７５であり、ＩＣＩコーンプレート法に基づく１５０℃での溶融粘度は０．０５２Ｐａ・ｓ、加水分解性塩素は６２０ｐｐｍであった。なお、ここで加水分解性塩素は、樹脂試料０.５gを１，４−ジオキサン３０mlに溶解させたものを１Ｎ？ＫＯＨ／メタノール溶液５mlで３０分間煮沸還流したものを用い、硝酸銀溶液で電位差滴定を行うことにより求めた。

得られたエポキシ樹脂ＡのＧＰＣチャートを図２に示す。ＧＰＣ測定結果から、一般式（１）においてｎが０であるエポキシ化合物の含有率は８２ｗｔ％、一般式（２）のヒドロキシ化合物がエポキシ基の開環により生成したヒドロキシエーテル基を介して二量化したもの（ｎ＝１）が８ｗｔ％、その他１０ｗｔ％であった。また、重クロロホルム中で測定したＨ−ＮＭＲチャートおよび赤外吸収スペクトルの測定結果をそれぞれ図３および図４に示すが、いずれも一般式（１）に対応したエポキシ化合物の生成を支持している。

実施例２及び比較例１
エポキシ樹脂として、実施例１で合成したエポキシ樹脂（エポキシ樹脂Ａ）、トリス−（４−ヒドロキシフェニル）メタン型エポキシ樹脂（エポキシ樹脂Ｂ：エポキシ当量 １７０、軟化点 ５９℃）、ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂（エポキシ樹脂Ｃ：日本化薬製、ＥＯＣＮ−１０２０、エポキシ当量 ２００、軟化点 ５４℃）を用い、硬化剤としてフェノ−ルノボラック（硬化剤：群栄化学製、ＰＳＭ−４２６１；ＯＨ当量１０３、軟化点 ８０℃）、硬化促進剤としてトリフェニルホスフィンを用い、表１に示す配合でミキシングロールにて８０℃で溶融混合しエポキシ樹脂組成物を得た。なお、表中の数値は配合における重量部を示す。このエポキシ樹脂組成物を用いて１５０℃にて成形し、１４０℃にて３時間ポストキュアを行い、硬化物試験片を得た後、各種物性測定に供した。結果を表１に示す。

ガラス転移点および線膨張係数は、セイコーインスツルメンツ（株）製ＴＭＡ１２０Ｃ型熱機械測定装置により、昇温速度１０℃／分の条件で求めた。破壊靱性は、３点曲げ法により測定した。吸水率は、直径５０ｍｍ、厚さ３ｍｍの試験片を用い、ポストキュア後１３３℃、３ａｔｍの条件で９６時間吸湿させた時の重量変化率とした。

Claims (4)

1. 下記一般式（１）で表されるエポキシ化合物。
   

   

   （但し、Ａは式（ａ）で表される３価のトリフェニレン構造を示し、Ｒ₁、Ｒ₂は水素原子又は炭素数１〜９の炭化水素基を示し、ｎは０〜１０の数、Ｇはグリシジル基を示す。）
2. 下記一般式（２）、
   

   

   （但し、Ｒ₁、Ｒ₂は水素原子又は炭素数１〜９の炭化水素基を示す。）で表されるヒドロキシ化合物とエピクロロヒドリンを反応させることを特徴とするエポキシ化合物の製造方法。
3. エポキシ樹脂及び硬化剤を含むエポキシ樹脂組成物において、エポキシ樹脂として請求項１に記載のエポキシ化合物を必須成分として配合してなるエポキシ樹脂組成物。
4. 請求項３に記載のエポキシ樹脂組成物を硬化してなる硬化物。

Images