JP2014167073A - エポキシ樹脂およびエポキシ樹脂組成物 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に係るエポキシ樹脂組成物の原料となるエポキシ樹脂は、下記一般式に係る分子構造を有する。
【化1】
(一般式中、Mは、少なくとも一つ以上のベンゼン環を含むメソゲン基である)
【選択図】なし
Description
下記一般式に係る分子構造を有するエポキシ樹脂であることを特徴としている。
また、上記エポキシ樹脂では、上記一般式における
また、本発明のエポキシ樹脂組成物は、上記エポキシ樹脂をモノマー単位として含むものである。
本発明に係るエポキシ樹脂は、4分岐構造を有するペンタエリトリチル基を中核とする構造を有しており、さらに、メソゲン骨格を含み、末端にエポキシ基構造を有している。具体的には、下記一般式に係る分子構造を有する。
上記Mで示されるメソゲン基とは、少なくとも一つ以上のベンゼン環を含んでおり、エポキシ樹脂に耐熱性を付与するものである。上記メソゲン基は、複数のベンゼン環を含有し、剛直な構造であることが好ましい。
一般式群に示された構造は、ベンゼン環構造を複数含み、好適に分子運動が抑制された剛直な構造を有するため、エポキシ樹脂にて得られるエポキシ樹脂組成物は高い耐熱性を有するものとなる。
本発明に係るエポキシ樹脂の製造方法は、所望のエポキシ樹脂が得られれば特に限定されるものではないが、一例として、(1)メソゲン基を含有するペンタエリトリチル化合物の合成工程、および、(2)ペンタエリトリチル化合物にエポキシ基を導入する工程を含む製造方法が挙げられる。
本発明に係るエポキシ樹脂組成物は、上記エポキシ樹脂をモノマー単位として含むものであり、具体的には、エポキシ樹脂を硬化剤にて硬化させて得られる。活性水素を有する硬化剤であれば、本発明の硬化剤として使用可能である。硬化剤としては、アミン系硬化剤、フェノール系硬化剤、酸無水物系硬化剤、ポリメルカプタン系硬化剤、ポリアミノアミド系硬化剤、イソシアネート系硬化剤、ブロックイソシアネート系硬化剤、カチオン系硬化剤、アニオン系硬化剤等が挙げられる。
得られたエポキシ樹脂組成物の物性は、高温特性に優れるため、半導体用チップの封止材料、特に200℃以上、250℃以下の高温であっても、パワー半導体用チップの封止材料として機能する。高温特性としては、ガラス転移点(Tg)、弾性率、および線膨張係数が挙げられる。
[FT-IRスペクトル測定]
合成した生成物の同定にはFT-IR測定を用いた。測定試料が粉末の場合は、瑪瑙の乳鉢で臭素化カリウム(MERCK株式会社製)と試料を十分に混合し、円盤状に加圧成型して作製した。
(Spectrum 100及びSpectrum One, PerkinElmer 社製)
測定範囲: 4000〜450cm-1
積算回数: 4回
分解能: 4cm-1
[1H-NMR測定]
合成した生成物の化学構造の同定には1H-NMR測定を用いた。
測定装置: 超伝導フーリエ変換型核磁気共鳴測定装置(JNM-EX400 日本電子データム株式会社製)
サンプル量: 1.0mg
測定溶媒: 重クロロホルム(CDCl3)、重ジメチルスルホキシド(DMSO)約5ml
内部標準: テトラメチルシラン(TMS)
磁場強度: 400MHz
積算回数: 64回
[GPC測定]
合成した生成物の分子量分布の測定にはGPC測定を用いた。
溶媒: テトラヒドロフラン(THF)
試料濃度: 0.05wt/vol%
測定温度: 40℃
流速: 1.00ml/min
カラム: LF-804
検出器: 示差屈折率計 (RID-10A, 島津製作所株式会社製)
[DSC測定(融点測定)]
合成した生成物の融点の測定にはDSC測定を用いた。アルミパンに粉末試料を入れ、加圧封入することで測定試料とした。
試料重量: 3.0mg
測定範囲: 25℃〜300℃
昇温速度: 5℃/min
[塩酸ピリジン法によるエポキシ当量の測定]
合成したエポキシ樹脂のエポキシ当量の測定は塩酸ピリジン滴定法を用いた。塩酸2.53gをピリジン250mlで希釈し、0.1N塩酸ピリジン溶液を調製した。ブランクとして0.1N塩酸ピリジン水溶液25ml、イソプロピルアルコール25ml、蒸留水12.5ml及びフェノールフタレイン少量を加えたものを、25mlのビュレットを用いて0.1N水酸化ナトリウム水溶液で滴定した。4官能型テトラメソゲンエポキシ樹脂0.1g (8.77×10-5mol)、0.1N塩酸ピリジン水溶液25ml、イソプロピルアルコール25ml、水12.5mlを加えて、還流下で80℃30分加熱撹拌した。撹拌後、混合溶液にフェノールフタレイン少量を加え、エポキシ基を開環させた後に残存するHClを0.1N水酸化ナトリウム水溶液で滴定した。測定に用いた試薬を以下に示す。
・塩酸 (Mw = 36.5, 和光純薬工業株式会社製, 試薬特級, HCl 35.0〜37.0%)
・ピリジン (Mw = 79.1, b.p. 115℃, 和光純薬工業株式会社製, 試薬特級, 純度99.5%)
・イソプロピルアルコール(Mw = 60.1, 和光純薬工業株式会社製, 和光一級, 純度98.0%)
エポキシ当量の計算には次式を用いた。
W: 試料 (g)
B: ブランクの滴定に要したNaOH水溶液の量 (ml)
Si: 試料の滴定に要したNaOH水溶液の量 (ml)
N: NaOH水溶液の規定度 (mol / L)
[偏光顕微鏡 (POM) 観察]
合成した生成物の相転移及び相構造の確認には偏光顕微鏡を用いた。
ホットステージ (TPC-2000 ULVAC社製)
観察条件: 倍率200倍 (接眼レンズ10倍, 対物レンズ20倍)
観察温度範囲: 25℃〜220℃
昇温速度: 5℃/min
[貯蔵弾性率測定]
硬化物の熱的性質の検討のため貯蔵弾性率測定を行った。硬化物を40×4.0×0.35mm3に研磨したものを測定試料とした。
測定モード: 温度依存性
測定治具: 引っ張り
周波数: 10Hz
波形: 正弦波
変位振幅: 5μm
温度範囲: -150℃〜260℃
昇温速度: 2℃/min
[線膨張係数測定]
硬化物の熱的性質の検討のため線膨張係数測定を行った。硬化物(エポキシ樹脂組成物)を30×4.0×0.50mm3に研磨したものを測定試料とした。
測定治具 : 引っ張り
測定温度範囲: -100℃~250℃
昇温速度 : 5℃/min
荷重 : 50mN
平均膨張係数計算区間: 5℃
線膨張係数の算出には次式を用いた。
ΔL : 試料の伸び (μm)
L0 : 試料の長さ (mm)
ΔT : 温度量変化 (℃)
(上記Δは、デルタを示す)
[実施例1:エポキシ樹脂の合成]
(1)1段階目中間体 (アルデヒド末端化合物) の合成
<試薬>
・ペンタエリトリチルテトラブロミド (Mw = 387.74, m.p. 158〜160℃, solid, 純度98.0% 東京化成株式会社製)
・p-ヒドロキシベンズアルデヒド (Mw = 122.12, m.p. 116〜119℃, solid, 純度98%, 和光純薬工業株式会社製)
・K2CO3(Mw=138.21, solid, 純度99.5% 和光純薬工業株式会社製)
・蒸留水 (Mw = 18.02, liquid, 和光純薬工業株式会社製)
・DMF (Mw = 73.09, b.p. 153℃, liquid, 純度99.8% 和光純薬工業株式会社製)
<調製法>
500mlのセパラブルフラスコにペンタエリトリチルテトラブロミド8.00g(2.06×10-2mol)及び、ペンタエリトリチルテトラブロミドのブロモ基に対して当量のp-ヒドロキシベンズアルデヒド10.08g (8.24×10-2mol)、溶媒としてDMF (300ml) を加え、室温で完全に溶解させた。その後、ペンタエリトリチルテトラブロミドに対して6倍モルの炭酸カリウム17.08g(1.24×10-1mol)を加え、130℃のオイルバスで14時間、加熱撹拌を行った。撹拌終了後、炭酸カリウムを除去するため熱濾過を行った。得られた混合溶液に対し、貧溶媒である蒸留水を過剰量 (400ml) 加えて撹拌した後、冷蔵庫 (8℃) で1日冷却した。析出した白色固体を吸引濾過により取り出し、80℃で2時間減圧乾燥することで収量10.62g (1.92×10-2mol) 収率93%で1段階目中間体を得た。得られた1段階目中間体を図1(a)に示す。
<試薬>
・4-アミノフェノール (Mw = 109.13, m.p. 187℃, solid, 純度98%, 東京化成株式会社製)
・ZnCl2 (Mw = 136.32, m.p. 283℃, solid, 純度98%, 和光純薬工業株式会社製)
・EtOH (ソルミックス, b.p. 78℃, liquid, 日本アルコール販売株式会社製)
<調製法>
500mlのセパラブルフラスコに1段階目中間体3.00g(5.42×10-3mol)、および上記中間体のアルデヒド基に対して当量の4-アミノフェノール2.37g(2.17×10-3mol)、溶媒としてエタノール (ソルミックス) 600mlを加え、溶解させた。その後、塩化亜鉛を3.00×10-3g (2.20×10-5mol) 加え、78℃のオイルバスで3時間還流撹拌を行った。撹拌終了後、得られた混合溶液を60℃で10分間エバポレーションすることで、溶媒であるエタノールを除去し、黄色固体を得た。得られた黄色固体を70℃で2時間減圧乾燥することで収量4.52g (4.93×10-3mol) 収率91%で2段階目中間体を得た。得られた2段階目中間体を図1(b)に示す。
<試薬>
・エピクロロヒドリン (Mw = 92.52, b.p. 118℃, liquid, 純度99%, 和光純薬工業株式会社製)
・テトラ-n-ブチルアンモニウムクロリド (Mw = 278, m.p. 83〜86℃, solid, 東京化成株式会社製)
・NaOH (Mw = 40.00, m.p. 318℃, solid, 純度97%, 和光純薬工業株式会社製)
・蒸留水 (Mw = 18.02, liquid, 和光純薬工業株式会社製)
・アセトン (Mw = 58.08, b.p. 57℃, liquid, 和光純薬工業株式会社製)
・DMSO (Mw = 78.14, b.p. 189℃, liquid, 和光純薬工業株式会社製)
<調製法>
500mlのセパラブルフラスコに2段階目中間体4.20g(4.58×10-3mol)及び、上記中間体のフェノール性水酸基1つに対して16倍当量のエピクロロヒドリン27.11g (2.93×10-1mol) 、溶媒としてDMSO (45ml) を加え、完全に溶解させた。その後、塩化 t-n-ブチルアンモニウムを4.0×10-3g (1.44×10-5mol)加え、80℃のオイルバスで1時間加熱撹拌を行った。更に撹拌を続けたまま、フェノール性水酸基1つに対して1.2倍当量の水酸化ナトリウム0.88g (2.20×10-2mol) を用いて調製した50wt%水酸化ナトリウム水溶液を30分かけて滴下し、80℃のオイルバスで3時間加熱撹拌を行った。この閉環操作を2回繰り返し、得られた混合液体を室温まで冷却した。その後、吸引濾過により生成したNaClを除去し、得られた濾液を冷蔵庫 (8℃) で1日冷却した。析出した白色固体を吸引濾過により取り出し、アセトン (100ml) を用いて洗浄した。白色固体を70℃で3時間減圧乾燥することで2.86g (2.51×10-3mol) 収率55%、総収率47%でエポキシ樹脂を得た。得られたエポキシ樹脂を図1(c)に示す。
エポキシ樹脂を合成する過程で2段階目中間体のヒドロキシル基がエポキシ化されていることを確認するため、2段階目中間体およびエポキシ樹脂のFT-IRスペクトルを図2に示す。両スペクトルを比較すると、反応前後において3600cm-1〜3200cm-1付近のヒドロキシル基のO-H間の伸縮振動に起因するピークが減少し、1030cm-1付近の芳香族脂肪族混合エーテルのC-O-C間の逆対称伸縮振動に起因するピークが増加したことが分かる。
次に、エポキシ樹脂の詳細な化学構造を確認するため1H-NMR測定を行った。図3は、エポキシ樹脂の1H-NMRの測定結果を示すグラフである。同図に示すように、8.5ppm付近にシッフ塩基、7.8ppm、7.2ppm、7.1ppm、7.0ppm付近にベンゼン環、4.5ppm付近にアルキル鎖、4.3ppm、3.8ppm、2.8ppm、2.7ppm付近にエポキシ基のプロトンに起因すると考えられるピークが観察された。また3.3ppm付近のエポキシ基のプロトンbに起因するピークと水のピークが重っている様子が観察された。このことからベンゼン環のプロトンgのプロトン比を基準とした結果、目的物から想定されるプロトン比及び化学シフト値にほぼ等しい値を示した。以上の結果から4官能型テトラメソゲンエポキシ樹脂が合成できたものと考えられる。
1H-NMR (DMSO) : 8.5 (s, 1H, CH), 7.8 (d, 2H, aromatic), 7.2〜7.0 (m, 6H, aromatic), 4.5 (s, 2H, CH2), 4.3〜3.8 (m, 2H, CH2), 2.8〜2.7 (m, 2H, CH2)
さらに、エポキシ樹脂の純度を確認するためGPC測定を行った。図4に示すように、溶出量19.8ml付近にシャープなピーク、18.1ml〜19.2ml付近にブロードなピークがそれぞれ観察された。先の1H-NMRの測定結果(図3)から、溶出量19.8ml付近のピークは4官能型テトラメソゲンエポキシ樹脂の単量体に起因するものと考えられる。また、溶出量18.1ml〜19.2ml付近のピークは単量体よりも高分子量側に観察されたため、多量体が生成しているものと考えられる。溶出量19.8ml付近の単量体に起因すると考えられるピークの面積の割合は92%と算出され、高い純度で4官能型テトラメソゲンエポキシ樹脂が得られたと考えられる。
(1)エポキシ樹脂の硬化
<試薬>
・4官能型テトラメソゲンエポキシ樹脂 (Mw = 1253, m.p. 172℃, solid)
・4,4’-ジアミノジフェニルメタン (DDM, Mw = 198.27, m.p. 91℃, solid, 純度98.0% 東京化成株式会社製)
実施例1で得た4官能型テトラメソゲンエポキシ樹脂3.00×10-1g (2.39×10-4mol) および、上記エポキシ樹脂のエポキシ基に対して化学当量のDDM4.73×10-2g (2.39×10-4mol) を予め瑪瑙乳鉢で充分に混合した。それを3.3×0.6×1.5cm3のアルミカップに入れ、170℃に設定したホットプレート上、減圧下で3分間加熱し、完全に溶解させた。その後、170℃の恒温槽で30分間加熱硬化した。
実施例1で得たエポキシ樹脂組成物(4官能型テトラメソゲンエポキシ樹脂/DDM系硬化物)におけるエポキシ基の反応率を確認するため、図6に硬化前後のFT-IR測定の結果を示す。図6に示すように、硬化前後で1620cm-1付近のC=N結合に起因するピーク、1600cm-1及び1510cm-1付近のベンゼン環に起因するピークにほとんど変化がないのに対し、3440〜3360cm-1及び780cm-1の芳香族第一級アミンに起因するピーク、910cm-1付近のエポキシ基に起因するピークには大きな減少が観察された。さらに硬化後では、3600〜3200cm-1付近のヒドロキシル基に起因するピークの増大が観察された。これらのことから、アミノ基とエポキシ基とが反応し、硬化反応が進行することでヒドロキシル基が生成したものと考えられる。また、1510cm-1付近のベンゼン環に起因するピークを内部標準とし、エポキシ基の反応率を算出したところ91%となり、硬化反応はほぼ完了しているものと考えられる。
エポキシ樹脂組成物の高温特性について検討するため、貯蔵弾性率測定を行った。結果を図8に示す。比較のため、本発明の4官能型テトラメソゲンエポキシ樹脂組成物(図8にはエポキシ樹脂を示している)の他、PETG/CBMA(硬化剤:1,3−ビスアミノメチルシクロヘキサン)、およびDGETP−Me/DDM(硬化剤:4,4’-ジアミノジフェニルメタン)のエポキシ樹脂組成物の測定結果を併記する。PETGは、4官能型であるが、メソゲン基を含有しないエポキシ樹脂であり、DGETP−Meは、メソゲン基を含むが、2官能型のエポキシ基である。すなわち、本発明のエポキシ樹脂ように、(1)4官能型であり、(2)メソゲン基を含むとの2つの要件を満たしていない。
Claims (5)
- 下記一般式に係る分子構造を有するエポキシ樹脂。
- 上記一般式における
- 請求項1または2に記載のエポキシ樹脂をモノマー単位として含むエポキシ樹脂組成物。
- 無機充填剤を含むことを特徴とする請求項3に記載のエポキシ樹脂組成物。
- 繊維を含むことを特徴とする請求項3または4に記載のエポキシ樹脂組成物。
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