JP2014504652A - 可融性ポリイミド成形用コンパウンド及びその調製方法 - Google Patents

可融性ポリイミド成形用コンパウンド及びその調製方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、可融性ポリイミド成形用コンパウンドの調製方法を提供するものであり、該方法は次の各工程を含む:(工程1)ポリアミド酸溶液の調製:2,3,3’,4’−ODPAとオキシジアニリンとを等モル比で非プロトン性極性溶液に投入し、これら両物質を室温で3〜5時間反応させてポリアミド酸溶液を調製し;(工程2)化学イミド化:前記ポリアミド酸溶液100重量部に対し、脱水剤40〜160重量部、及び第3アミン系有機アルカリ触媒5〜50重量部を、非極性アレーン等のポリアミド沈殿剤と共に投入し、0.5〜2時間高速撹拌して化学イミド化を完了させ;濾過を経てポリアミド成形用粉末を調製する。s−ポリアミドに比べ、a−ポリアミドは成形温度を70℃下げることができ、220℃におけるa−ポリアミドの機械的性質はs−ポリアミドよりも優れ、且つa−ポリアミドは可溶性及び可融性を有する。

Description

本発明は、可融性ポリイミド成形用コンパウンド及びその調製方法に関し、特に2,3,3’,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸二無水物とオキシジアニリンとを反応させてa−ODPA(2,3,3’,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸二無水物)/3,4’−ODA(3,4’−アミノジフェニルエーテル)成形用粉末を調製する方法に関する。
ポリイミドは、その優れた耐高温性、耐低温性、耐溶剤性、耐放射線性、並びに顕著な機械的強度及び誘電特性ゆえに注目を集めており、航空宇宙、自動車、マイクロエレクトロニクス、パネル型ディスプレイ等、多くの高度先端技術分野で広く利用されている。1960年代にデュポン社がカプトン(Kapton)フィルム(「カプトン」はイー アイ デュポン ドゥ ヌムール アンド カンパニーの登録商標である。)を開発して以来、約50年が経過した。ピロメリット酸二無水物(PMDA)とODAとの線形重合で得られるこのポリイミドは優れた性能を有するが、成形が困難である。つまり、加工成形の難しさ、並びに製造コストの高さの2点がその速やかな発展の妨げとなっていた。ポリイミド材料の加工性を改良し、製造コストを下げる代表的な方法の一つとして、溶融プロセスで製造できる熱可塑性ポリイミドに関する研究開発が挙げられる。溶融プロセスで製造できる熱可塑性ポリイミドは、ポリイミドに関与する当業者らにとって開発目標の一つとなっている。
3,3’,4,4’−ODPAと4,4’−ODAとの重合反応はジメチルアセトアミド溶媒中で進行し、得られたイミドを粉末化することで可融性ポリイミド成形用粉末(s−ポリイミド)を得ることができる。該ポリマーの繰返しモノマー構造は下記の通り。

上記熱可塑性成形用コンパウンドはRatemYS−20の商品名で市販されており、1970年代に上海市合成樹脂研究所で優れた研究開発が行われていた。この樹脂は、その優れた機械的性質、電気的性質、耐高温性、耐低温性、耐摩耗性ゆえに−259〜220℃の温度範囲で使用でき、現在では高・低温用シール・ワッシャ、バルブ、ピストン・リング、自動給油軸受及び電気取付部品として用いられている。しかし、上記s−ポリイミドは成形しづらく、通常の成形は380℃で圧縮成形にて行われている。近年、省エネルギー、排気ガス低減並びに成形効率の見地から、成形温度を380℃から大幅に低下させ、射出成形や押出成形で成形可能とすることが望まれている。
21世紀に入ると、日本国宇部興産社と米航空宇宙局(NASA)が不均一ビフェニルテトラカルボン酸二無水物から成るポリイミド(PI)について盛んに研究を行い、該ポリマーが4,4’−ODAよりも高いガラス転移点(Tg)と優れた加工性を有することを見出した。中国長春応用化学研究所の丁孟賢(Ding Mengyang)の研究チームは、s−ODPAの異性体である2,3,3’,4’−ODPAと4,4’−ODAとの反応に関する予備的な研究を牽引した(Q. Li,X. Fang,Z. Wang,L. Gao,M.
Ding,J. Polymer Science,Part A: Polymer Chemistry, Vol.41,3249,(2003))。2,3,3’,4’−ODPAと4,4’−ODAとの重合で得られるポリイミドは、下記の構造を有する。:

日本の宇宙科学研究所(ISAS)の横田力男らの研究チーム(Yokota, Proceeding of Aircraft Symposium, Vol.41, No.3, 602−606(2003))、及びNASAグレン研究センターのKathy C. Chuangらの研究チーム(54th International SAMPE Symposium, May 18−21, Baltimore, MD(2009))は、3,3’,4,4’−ODPAに代えて2,3,3’,4’−ODPAを使用し、レジン・トランスファー・モールディング(RTM)用のポリイミド樹脂として利用できるポリイミド、またはフェニルエチニルフタル酸無水物の末端保護型の低分子量プレポリマーを合成した。上記の低分子量ポリマーの主な構造は下記の通り。
この他に、横田力男教授らは2,3,3’,4’−ODPAと4,4’−オキシジアニリンとからポリイミド薄膜も製造した。この薄膜は、その宇宙環境下での安定性と熱融解性からソーラー・セイルの薄膜材料に用いられる可能性がある。両者を区別するために、この種の構造を有するポリイミドをa型ポリイミド(以後、a−ポリイミドと記載)、3,3’,4,4’−ODPAを用いて調製されたポリイミドをs型ポリイミド(以後、s−ポリイミドと記載)と称される。
a−ポリイミド薄膜の主な性能は下記の通りである。a−ポリイミド薄膜のメチルピロリドンへの溶解度は20%より大きい。上記薄膜に対して375℃、20秒間の熱間プレスを行うと容易に融解し、45MGy及び100MGyの陽子線照射下での破断伸度はそれぞれ73%及び39%、1MGy及び20MGyの電子線照射下での破断伸度はそれぞれ63%及び76%、照射量150ESD下での破断伸度は71%である。上記薄膜は耐放射線性と加工性に優れることから、航空宇宙産業への応用が期待されている。しかしながら、この種の成形用粉末の適当な調製方法はこれまでに知られていない。
現状では、ポリイミド成形用粉末の一般的な調製方法として、化学イミド化と熱イミド化とがある。
しかし、成形用粉末の調製に熱イミド化を適用すると、樹脂の劣化、即ち粘度の大幅な低下が生じ、実際、ポリイミド樹脂の粘度低下は最大で、ポリアミド酸の一次粘度の50%未満にまで低下した。
化学イミド化とは、室温で、脱水剤と触媒とをポリアミド酸の溶液系に添加し、高速撹拌しながら所定時間反応させた後、樹脂を液相系から分離回収する。即ち、粘稠溶液系が固液系に変化した後、濾過により粉末を分離回収し、洗浄、乾燥を経て成形に適する粉末、つまり成型用粉末を調製する。上記方法は、生成するポリイミドが溶媒に不溶な系について好適である。勿論、上記粉末は脱水剤と触媒を添加した後に加温することにより調製することもできる。或いは、触媒を添加しないポリアミド酸の溶液系にアレーン系溶媒を添加し、その沸点の高さと容易に水と共沸する性質を利用して、アミン化に伴って生成する水を系外へ除去することができる。生成するポリイミドは、当初のポリアミン酸含有系の溶媒中には溶解しないので、同様に成形用粉末を分離回収することができる。しかしながら、a−ODPAとジフェニルエーテルジアミンとから合成されるポリイミドは元のポリアミン酸含有系に可溶なので、かかる従来法では調製することができない。ポリイミド溶液を最初に調製し、続いてこのポリイミド溶液を大量のポリイミドの貧溶媒中に分散させる方法も試みられているが、この方法では引火性・可燃性の溶媒を大量に用いる必要があり、生成する粉末の粒径が極めて大きく、調製された粉末が内部に沸点の高い溶媒を含み、この溶媒は蒸発除去することが難しい。また、この粉末は欠陥を生じやすく、得られる成形用粉末の色調は黒色で粒径のバラツキが大きく、凝集しやすく、成型品に気泡を生じやすい。
本発明は、化学イミド化の方法を改良することを目的とし、イミド化プロセスを室温で高速撹拌しながら行うことにより、粒径が細かく均一で、色調が暗くならず、成形が容易な、可溶性かつ可融性のa−ポリイミド成形用粉末を調製しようとするものである。
本発明は、可融性ポリイミド成形用コンパウンドの調製方法を提供することを目的とし、該方法は次の各工程を含む。
(工程1)ポリアミド酸溶液の調製:2,3,3’,4’−ODPAとオキシジアニリンとを等モル比で非プロトン性極性溶液に投入し、これら両物質を室温で3〜5時間反応させてポリアミド酸溶液を調製し;
(工程2)化学イミド化:前記ポリアミド酸溶液100重量部に対し、脱水剤40〜160重量部、及び第3アミン系有機アルカリ触媒5〜50重量部を、非極性アレーン等のポリアミド沈殿剤と共に投入し、0.5〜2時間高速撹拌して化学イミド化を完了させ;濾過を経てポリアミド成形用粉末を調製する。
前記可融性ポリイミド成形用粉末の調製方法において、前記工程1におけるオキシジアニリンは4,4’−ODAまたは3,4’−ODAまたは両者の混合物である。
前記可融性ポリイミド成形用粉末の調製方法において、上記非プロトン性極性溶媒はDMAC、DMF、N−メチルピロリドン、DMSO及びGBLから選択される1種以上であり、前記非プロトン性極性溶媒の使用量と、 2,3,3’,4’−ODPA及びODAの合計使用量との重量比は4〜10:1である。即ち、ポリアミド酸1gを合成するために非プロトン性極性溶媒4〜10gが必要である。
前記可融性ポリイミド成形用粉末の調製方法において、前記工程2で述べた上記非極性アレーンの使用量が前記工程1で述べた非プロトン性極性溶媒の使用量の10〜50重量%であり、上記非極性アレーンはトルエンまたはキシレンまたは両者の混合物である。
前記可融性ポリイミド成形用粉末の調製方法において、前記工程2で述べた脱水剤は無水酢酸、無水プロピオン酸、および両者の混合物から選択される。
前記可融性ポリイミド成形用粉末の調製方法において、前記工程2で述べた触媒はピリジン、3,5−ルチジン、3−メチルピリジン、4−メチルピリジン、トリメチルアミン、N−メチルモルホリン、トリエチルアミン及びイソキノリンから選択される1種以上である。
前記可融性ポリイミド成形用粉末の調製方法において、前記工程2は、
前記濾過の後にさらに前記ポリイミド粉末を洗浄、濾別、乾燥する工程を含む。
前記可融性ポリイミド成形用粉末の調製方法において、前記ポリイミド粉末は100メッシュの標準篩を通過でき、その分子量は数平均分子量で30000〜36000、重量平均分子量で50000〜70000、分子量分散度1.91〜2.00に調節され、好ましくは重量平均分子量を60000〜70000とされる。
前記可融性ポリイミド成形用粉末の調製方法において、前記工程2はさらに、生成したポリイミド粉末に220℃〜280℃の熱処理を施して成型用粉末のイミド化度を上昇させ、最終的に成形に使用できるポリイミド成形用粉末を調製する工程を含む。
本発明で提供されるポリイミド成形用粉末は、圧縮成形によりプラスチック試験片に加工することができ、その時の成形温度は280〜350℃、成形圧力は15〜70MPa、保持時間は被加工物の厚さにもよるが一般に3〜30分間である。
2,3,3’,4’−a−ODPAとODAとから構成されるポリイミドの非プロトン性極性溶媒中における溶解度は非常に大きいので、上記粉末は直接的には調製することができず、ゲルが生成してしまう。そこで本発明者らは、上記化学イミド化において上記非プロトン性極性溶媒にトルエン、またはキシレン、または両者の混合物を添加した。この混合溶媒はポリイミド酸を溶解することはできるが、該溶媒中のポリイミドの溶解度を大幅に低下させることができる。
化学イミド化の進行に伴いイミド化度が上昇すると、ポリイミドの溶解度は低下するので、ポリイミドはその溶解度が或るレベルに低下した段階で自然に混合溶媒から分離する。上記非極性アレーン系溶媒はポリイミド酸のみならず、ポリイミドに対しても貧溶媒なので、イミド化プロセス中はポリイミド樹脂溶液系の見かけの粘度を低下させるが、一方で分離したポリイミドに対する該溶液系の溶解力を上昇させることもない。従って、上記ポリイミド成形用粉末は首尾良く分離し、洗浄及び濾過を経て、100メッシュの標準篩を通過する均一な微粉末を調製することができる。
本発明はまた、前記方法により調製される可融性ポリイミド成形用粉末を提供する。ここで、前記ODPAとしては3,4’−ODPAを選択できる。この場合の上記可融性ポリイミド成形用粉末はa−ODPA/3,4’−ODAとなり、成形温度は290℃、成形圧力は15MPa、ガラス転移温度(TG)は250℃、引張強度(MPa)は120MPa、引張弾性率(GPa)は2.5MPaである。a−ODPA/4,4’−ODA成形用粉末と比較して、ポリイミド成形用粉末a−ODPA/3,4’−ODAはより成形に使い易い。
一方、本発明で調製される可溶性・可融性ポリイミド成形用粉末(a−ODPA/4,4’−ODA)はDMF、DMAC、N−メチルピロリドン、DMSO及びGBLに溶解する。a−ODPA/4,4’−ODAポリイミドの分子量は数平均分子量(Mn)で30000〜36000、重量平均分子量で50000〜70000である。上記ポリイミド成形用粉末のガラス転移温度は277〜282℃であり、空気中での熱重量分析における5%重量減少温度は551℃、10%重量減少温度は567℃、引張強度(MPa)は129MPa、引張弾性率(GPa)は2.96GPa、圧縮強度は160MPa、圧縮弾性率は1.39GPa、曲げ強度は168MP、曲げ弾性率は3.22GPa、衝撃強度は250KJ/m又は94J/m、及び伸びは21%である。本発明のa−ポリイミドとs−ポリイミドの機械的性質を下記表1に示す。これらの結果より、s−ポリイミドと比べ、a−ポリイミドは高温性能が大幅に改良されていることが解る。

a−ODPAとODAとから合成されるポリイミドの溶解度と溶融性を上手く利用し、併せて、成形用粉末の調製において化学イミド化とポリイミド溶液を用いることの利点を活かすことにより、本発明によれば、その初期の段階で高極性の非プロトン性溶媒がポリイミド酸系の形成に用いられ、次に非極性溶媒が添加されて溶媒系の極性が変化し、その一方で、化学イミド化用の触媒が添加されて、可溶性・可融性ポリイミドが調製される。上記調製方法の工程は簡便で、反応条件が穏やかで、操作が簡単かつ安全で、反応効率が高く、従って工業大量生産に適し、生成する成形用粉末は細粒かつ均一で、色調は暗くなりにくく、しかも成形し易い。この他、上記方法により調整されるa−ポリイミド成形用粉末は既存のs−ポリイミド成形用粉末に比べて加工温度が低く、機械的性質に優れ、かつ220℃における機械的性質の維持率が高く、極めて広範な用途が見込まれる。
以下に具体的な実施形態をまとめ、本発明をさらに説明するが、本発明の権利保護範囲は以下の実施形態に記載される範囲に限定されない。
実施形態1
機械式震盪器、温度計及び窒素ガス導入管を備えた5000ml容の丸底4ツ口フラスコに、310g(1mol)の2,3,3’,4’−ODPA、200gの4,4’−ODA、及び2200mlのDMACを投入し、4時間反応させてポリイミド酸溶液を調製し、続いて1050gの無水酢酸、260gのトリエチルアミン、及び220gのトルエンを添加して1時間反応させることによりイミド化を完了させ、ポリイミド粉末を濾別し、続いて該粉末を1000mlのアセトンで3回洗浄し、濾過後、2時間乾燥させ、220〜280℃における2〜5時間の熱処理を経て426.6gのa−ポリイミド粉末を調製する。収率90%、数平均分子量(Mn)=33000、重量平均分子量(Mw)=65000。上記ポリイミドは、310℃/30MPaの条件で成形してプラスチック試験片とすることができる。このプラスチック試験片の性能指数を表2に示す。
ガラス転移温度:277℃
空気中での熱重量分析による5%重量減少温度:551℃
空気中での熱重量分析による10%重量減少温度:567℃
比較例1
機械式震盪器、温度計及び窒素ガス導入管を備えた5000ml容の丸底4ツ口フラスコに、310g(1mol)の2,3,3’,4’−ODPA、200gの4,4’−ODA、及び2200mlのDMACを投入し、4時間反応させてポリイミド酸溶液を調製し、続いて1000gの無水酢酸、130gのトリエチルアミン、及び500gのトルエンを添加して1時間反応させることによりイミド化を完了させ、ポリイミド粉末を濾別し、続いて該粉末を1000mlのアセトンで3回洗浄し、濾過後、2時間乾燥させ、220〜280℃における2〜5時間の熱処理を経て445.56gのs−ポリイミド粉末を調製する。収率93%、数平均分子量(Mn)=33000、重量平均分子量(Mw)=65000。上記ポリイミドは、380℃/30MPaの条件で成形してプラスチック試験片とすることができる。このプラスチック試験片の性能指数を表3に示す。
ガラス転移温度:267℃
前記表2及び表3に示すように、調製したa−ポリイミドの220℃における機械的性質、及び220℃における機械的性質の維持率は、比較例1のs−ポリイミドよりも良好である。a−ポリイミドの成形温度は70℃低下させることができる。
実施形態2
脱水剤である無水酢酸の添加量を2570gとし、トリエチルアミンの添加量を700gとし、キシレンの添加量を230gとし、イミド化の反応時間を1.5時間とし、アセトンを用いて3回洗浄を行う以外は、実施形態1に記載したと同じ操作及び手順にしたがってポリイミド酸を調製する。ポリイミドの分子量は、Mn=36000及びMw=70000。その他の性能指数は、実施形態1に示したと同じである。
実施形態3
ポリイミド酸の反応時間を5時間とし、無水酢酸の添加量を3600gとし、トリエチルアミンの添加量を260gとし、キシレンの添加量を1400gとし、イミド化の反応時間を2時間とし、アセトン800gと水200gとの混合液を用いて3回洗浄を行う以外は、実施形態1に記載したと同じ操作及び手順にしたがってポリイミド酸を調製する。ポリイミドの分子量は、Mn=30000及びMw=52000。その他の性能指数は、実施形態1に示したと同じである。
実施形態4
4,4’−ODAに代えて3,4’−ODAを用いる他は、実施形態1と同様である。a−ODPAと3,4’−ODAとから調製されるポリイミドの分子量は、Mn=31000、Mw=50000、一般構造式は下記の通り。

式中、nは60〜80の整数である。
性能指数は下記の通り。
a−ODPA/3,4’−ODA
成形圧力:290℃/15MPa
ガラス転移温度(Tg):250(℃)
引張強度(MPa):120MPa
引張弾性率(GPa):2.5MPa
実施形態5
脱水剤である無水酢酸の使用量を1050g、トリエチルアミンの使用量を320g、ピリジンの使用量を260g、キシレンの使用量を260gとし、イミド化反応時間を1時間とし、アセトンを用いて3回洗浄を行う以外は、実施形態1に記載したと同じ操作及び手順にしたがってポリイミド酸を合成する。ポリイミドの分子量はMn=32000及びMw=60000、その他の性能指数は実施形態1で述べたと同様である。
実施形態6
脱水剤である無水酢酸の使用量2570g、トリエチルアミンの使用量を350g、ピリジンの使用量を350g、キシレンの使用量を250gとし、イミド化反応時間を1.5時間とし、アセトンを用いて3回洗浄を行う以外は、実施形態1に記載したと同じ操作及び手順にしたがってポリイミド酸を合成する。ポリイミドの分子量はMn=31000及びMw=55000、その他の性能指数は実施形態1で述べたと同様である。
以上、本発明を前記の最良の実施形態にもとづいて説明したが、以上の記載が本発明を限定するものと理解されるべきではない。本明細書の内容を読んだ当業者にとって、本発明の様々な変形や置き換えは自明である。したがって、本発明の範囲は専ら添付の特許請求の範囲により規定されるものである。

Claims (10)

  1. 次の各工程を含む、可融性ポリイミド成形用粉末の調製方法:
    (工程1)ポリアミド酸溶液の調製:2,3,3’,4’−ODPAとオキシジアニリンとを等モル比で非プロトン性極性溶液に投入し、これら両物質を室温で3〜5時間反応させてポリアミド酸溶液を調製する;及び
    (工程2)化学イミド化:前記ポリアミド酸溶液100重量部に対し、脱水剤40〜160重量部、及び第3アミン系有機アルカリ触媒5〜50重量部を、非極性アレーン等のポリアミド沈殿剤と共に投入し、0.5〜2時間高速撹拌して化学イミド化を完了させ;濾過を経てポリアミド成形用粉末を調製する。
  2. 前記工程1におけるODAは4,4’−ODAまたは3,4’−ODAまたは両者の混合物である、請求項1に記載の可融性ポリアミド成形用粉末の調製方法。
  3. 上記非プロトン性極性溶媒はDMAC、DMF、N−メチルピロリドン、DMSO及びGBLから選択される1種以上であり、前記非プロトン性極性溶媒の使用量と、2,3,3’,4’−ODPA及びODAの合計使用量との重量比は4〜10:1、即ち、ポリアミド酸1gを合成するために非プロトン性極性溶媒4〜10gを必要とする、請求項1または2に記載の可融性ポリイミド成形用粉末の調製方法。
  4. 前記工程2で述べた上記非極性アレーンの使用量が前記工程1で述べた非プロトン性極性溶媒の使用量の10〜50重量%であり、上記非極性アレーンはトルエンまたはキシレンまたは両者の混合物である、請求項3に記載の可融性ポリイミド成形用粉末の調製方法。
  5. 前記工程2で述べた脱水剤は、無水酢酸、無水プロピオン酸、および両者の混合物から選択される、請求項4に記載の可融性ポリイミド成形用粉末の調製方法。
  6. 前記工程2で述べた触媒はピリジン、3,5−ルチジン、3−メチルピリジン、トリメチルアミン、N−メチルモルホリン、トリエチルアミン及びイソキノリンから選択される1種以上である、請求項1,2,4または5に記載の可融性ポリイミド成形用粉末の調製方法。
  7. 前記工程2は、 前記濾過の後にさらに前記ポリイミド粉末を洗浄、濾別、乾燥する工程を含む、請求項1,2,4または5に記載の前記可融性ポリイミド成形用粉末の調製方法。
  8. 前記ポリイミド粉末は100メッシュの標準篩を通過でき、その分子量は数平均分子量で30000〜36000、重量平均分子量で50000〜70000に調節される、請求項1に記載の前記可融性ポリイミド成形用粉末の調製方法。
  9. 前記工程2はさらに、生成したポリイミド粉末に220℃〜280℃の熱処理を施し、最終的に成形に使用できるポリイミド成形用粉末を調製する工程を含む、請求項1,2,4,5または8に記載の可融性ポリイミド成形用粉末の調製方法。
  10. 前記ODAは3,4’−ODAであり、ポリアミドの構造式が下記の通りである、請求項1,5または8に記載の可融性ポリアミド成形用粉末の調製方法:

    式中、nは60〜80の整数である。
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