JP2014521824A - 硬化型樹脂組成物 - Google Patents

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Abstract

(a)少なくとも1種のエポキシ樹脂、及び(b)少なくとも1種の硬化剤を含む硬化型エポキシ樹脂組成物であって、少なくとも2種の異なる化学反応物を表す少なくとも2種の発熱ピークを有し、2つの発熱ピークの発熱ピーク差は、硬化型エポキシ樹脂組成物のBステージ化を可能にするのに十分である。
【選択図】なし

Description

本発明は、種々のプロセスにおける使用のための硬化型樹脂組成物に関する。更に具体的には、本発明は、例えば、プレプリグ及びラミネートの製造などのプロセスにおける使用のための、Bステージ化可能な硬化型エポキシ樹脂組成物に関する。
典型的には、プリントされた回路基板は、複数のプレプリグを種々の配置で重ねること、続いて、高温(例えば、170℃超)で加圧することによって調製される。プレプリグは通常は繊維強化ガラス上にコーティングされた部分硬化された硬化型樹脂からなる。「部分硬化された」硬化型樹脂は、当該分野では「Bステージ化した」樹脂として公知である。この部分的な効果又は「Bステージ化」は、環境温度(20℃〜30℃)を超えて熱硬化型樹脂のガラス遷移温度(Tg)を上昇し、それによって、このTgは、30℃〜100℃であり得、その結果、プレプリグは、くっつくことなく巻くことができる。最終的な硬化を達成するためにプレプリグが重ねられ、加圧され、加熱される場合、その樹脂は、最終硬化の前に層を強固にするために流れることができる(典型的には、最終硬化は、組成物のTgが、示差走査熱量測定によって測定した際に5℃を超えて変化しない時に生じる)。
樹脂をBステージ化する能力は、プリントされた回路基板を製造するプロセスに必須である。Bステージ化した樹脂とは、その樹脂の硬化型部分のうち、例えば、1モル%〜95モル%のいずれかでその硬化型部分の一部が反応されており、この樹脂の「ゲル点」には達していない樹脂である。(このゲル点とは、液体処方物樹脂が、可塑性の特性及び粘度の増大を示し始める点と規定される。)可塑性樹脂の「ゲル点」とは、無限ネットワークを形成する、硬化プロフィールに沿った点である。更に硬化が生じてもよいが、樹脂はもはや流れない。Bステージ化された樹脂は、その後の加工及びさらなる加熱の間に融解して流れることができる。この後者のプロセスの間は、「Cステージ化」又は「最終硬化」と呼ばれ、得られた熱硬化型樹脂は、「ゲル点」を超えて架橋され、もはや流動しなくなる。このCステージでは、例えば、この樹脂の硬化型部分のうち通常は90モル%より多くが反応している。
マルチステージプロセスにおけるプレプリグ生成のためのBステージ化硬化型樹脂の必要性が、依然として存在している。現在のBステージ化プロセスは、樹脂出発材料の一部の重合化反応を促進することと、この重合化反応を適切なBステージで停止することとを包含する。このプロセスに対する著しい欠点は、同じBステージ又は同じ程度の重合化に一貫して到達するための再現性がないことである。
例えば、航空宇宙産業及びスポーツ用品産業では、プレプリグは通常は炭素繊維でできており、この繊維に樹脂を含浸させるためにホットメルト技術を用いるプロセスが用いられる。プレプリグの厚みは、カレンダーローラーを用いることによって、厳密に制御される。このプロセスでは、溶媒は用いられない。この理由は、これらのプレプリグを用いてできた構造的な組成物は、典型的には<1%未満のように特定の空洞率を下回る必要があるからである。この方式で生成されたプレプリグは、プレプリグ化のプロセスの間に、硬化をほとんど受けない(反応性部分のうち30%未満)。このプレプリグの粘着性(tack)のレベルは、プレプリグ化温度及び貯蔵温度で出発処方物の粘度を制御することによって主に制御される。この種類のプレプリグの主な不利な点は、粘つくプレプリグが更に硬化を受けることを妨げるために、冷蔵又は極低温の容器中でプレプリグを輸送することが必要であるということである。継続した硬化によって、粘着性の消失が生じ、引き続くラミネート硬化の間の問題が生じる。更に、一旦、プレプリグを用いることが必要になれば、プレプリグは、環境温度まで温め戻さなければならず、これによってプロセスサイクルに対して追加の作業(及び費用)が加わる。これらのプレプリグは、特定の用途に関する設計の要件に依存して、特定の積み重ねの順序で積み重ねられ、次いで、プレプリグが、加熱及び加圧下で、オートクレーブ中で硬化される。従って、環境温度で貯蔵安定性である粘着性のプレプリグを形成するために用いられ得る樹脂組成物を得ることが有利である。通常は、貯蔵安定性の樹脂組成物は、環境温度での輸送を容易にするために、貯蔵の間に有意に架橋を続けることのないBステージ化可能材料を含む。
産業上の必要性を満足する処方物を得ようとする試みでは、二重硬化(dual−cure)処方物が先行技術において記載されており、これは、ラジカル付加及び縮合重合化のような2つの異なる種類の重合化の使用を包含する。この処方物は、2つの異なる刺激、例えば、熱エネルギー及び電磁放射線、例としては、紫外線、電子ビーム又はマイクロ波照射に曝す必要がある。この二重硬化処方物は通常は、UV源による、熱活性化硬化剤と、少なくとも1種のポリオレフィン不飽和モノマー例えば硬化型ポリアクリレートとの混合を必要とする。他の処方物としては、同じポリマー骨格に組み込まれた二重硬化処方物の必要な機能を有する成分が挙げられる。
例えば、Nairら、「Dual−Cure Propargyl Novolac−Epoxy Resins:Synthesis and Properties」、Polymers & Polymer Composites 2004,12,43〜53は、部分的にプロパルギル化されたオリゴマーのフェノールノボラック(oligomeric phenolic novolac)(PPN)樹脂とエポキシ樹脂との反応性の混合による二重硬化の熱硬化型樹脂を記載している。この樹脂の硬化は、135℃でのフェノール−エポキシ反応とともにClaisen再配列及び(235℃での)プロパルギルエーテル基の付加重合化を通じて生じる。
国際公開第2008/019149(A1)号は、それぞれ第1及び第2の硬化温度で硬化する、第1及び第2の硬化型材料を含む組成物を記載する。この第1の硬化型材料としては、特定の第1の温度(この温度では第2の硬化型材料は硬化し得ない)への加熱によって硬化し得るアルコール及び無水物が挙げられる。また、この場合、与えられるエネルギーの種類(熱及び電磁)及びエネルギーの量は異なってもよいし、異なっていなくてもよい。典型的には、第2の反応のための第2の温度範囲は、特定の組成物に対して有害であり得、このようなプロセスの適用を実行不可能にさせる、有意に高い温度範囲を要する。
米国特許出願公開第2010/0222461A1号は、エポキシ樹脂系及び二重硬化システム(1つ以上のヒドラジン系の硬化剤を含む1種以上の硬化剤と、1つ以上のアミン官能基を含む1種以上のアミン系の硬化剤とを含む)を含むポリマー組成物を記載している。このヒドラジン−アミン硬化系によって、ポリマー組成物は、上昇したレベルのゲル化又は硬化の程度を、アミン官能性硬化剤単独で達成できるよりも低温で達成できる。
本発明は、プレプリグ及びラミネートに有用な組成物を調製するための「更に実際的なアプローチ」を提供することが有利であり、これには、例えば、低い粘度(例えば、25℃で測定した場合、<10,000mPa)を有し、2段階(この2段階は実質的に異なる速度である)で進行する硬化機構を有する組成物を含む。この「デカップリング反応組成物」によって、加圧プロセスの間に構造安定性及び一貫性を維持しつつ、プレプリグプロセスのある程度の変動が可能になる。
一実施形態では、本発明は、Bステージ化可能な低粘度の硬化型エポキシ樹脂組成物であって、(a)少なくとも1種のエポキシ樹脂と、(b)少なくとも1種の硬化剤との混合物を含む硬化型エポキシ樹脂組成物に関し、この硬化型エポキシ樹脂組成物は、少なくとも2種の別個の化学反応に相当する少なくとも2種の発熱ピークを有し、この2つの発熱ピークの発熱ピーク差は、この硬化型エポキシ樹脂組成物のBステージ化を可能にするのに十分である。
別の実施形態では、本発明の組成物の成分(a)であるこの少なくとも1種のエポキシ樹脂は、(a1)少なくとも1種の第1のエポキシ樹脂、及び/又は(a2)この少なくとも第1のエポキシ樹脂とは異なる少なくとも第2のエポキシ樹脂を含んでもよい。
更に別の実施形態では、本発明の組成物の成分(b)である少なくとも1種の硬化剤は、(b1)少なくとも1種の第1の硬化剤、及び/又は(b2)この第1の硬化剤とは異なる少なくとも第2の硬化剤を含んでもよい。
本発明は、本明細書の図面によって例示され得るが、それに限定されるものではない。
図1は、ジビニルベンゼンジオキシド(DVBDO)、ジエチレントリアミン(DETA)、及びジエチルトルエンジアミン(DETDA)の混合物で開始する、本発明の組成物の実施例の示差走査熱量測定(DSC)によるサーモグラムである。 図2は、110℃まで1時間予備加熱されたDVBDO、DETA、及びDETDAの混合物で出発する本発明の組成物の実施例のDSCによるサーモグラムである。 図3は、110℃まで1時間予備加熱され、210℃まで2時間加熱されたDVBDO、DETA、及びDETDAの混合物で出発する本発明の組成物の実施例のDSCによるサーモグラムである。 図4は、DEN438、DETA及びDETDAの混合物で開始する本発明の組成物の実施例のDSCによるサーモグラムである。 図5は、DVBDO、ビスフェノールA及びDETDAの混合物で開始する本発明の組成物の実施例のDSCによるサーモグラムである。 図Aは、DER383、DETA及びDETDAの混合物で開始する組成物の実施例のDSCによるサーモグラムである。 図6は、DVBDO、DETA及びDETDAの混合物で開始する本発明の組成物の実施例のBステージでの粘度のレオロジー曲線である。 図7は、図6のレオロジー曲線の一部であって、この曲線の最初の30分を示している。 図Bは、XZ92530、XZ92535及び2−フェニルイミダゾールの混合物で開始する組成物の実施例のBステージ化での粘度のレオロジー曲線の一部である。
「Aステージ」とは、本明細書の組成物の記述に関して、組成物が調製された場合、反応が起こらない最初の点を指す。
「Bステージ」とは、組成物の記述に関して、ある組成物の第1の反応が生じるか、又は例えば、エポキシド樹脂と少なくとも1種の硬化剤との間の第1の反応が完了する点を指す。
「Aステージ〜Bステージ」とは、本明細書の組成物の記述に関して、組成物のゲル化に達する前に硬化型組成物をプレプリグ化する、すなわち部分硬化することを指す。
「Bステージ化可能」とは、本明細書の組成物に記述に関して、Bステージ化できる組成物、すなわち、Bステージ組成物を形成するためのプレプリグ化又は部分的な硬化プロセスを通過され得る組成物を指す。
「Cステージ」とは、本明細書の組成物の記述に関して、組成物中の全ての反応が完全に到達した点を指す。例えば、この点では、硬化型組成物中に存在するエポキシドのほとんどが、消費される。
「Bステージ〜Cステージ」とは、本明細書の組成物の記述に関して、硬化型組成物を完全に硬化させ、これがゲル化、及び架橋された熱硬化型樹脂の形成をもたらすことを指す。
「二重硬化技術」又は「二重硬化組成物」とは、種々の温度で生じる2つの別個の硬化反応(又は「2つの別個の化学反応」)を含む組成物を指す。本発明では、温度の相違は、示差走査熱量計スキャンにおけるピークの発熱の間の相違によって特徴づけられる。例えば、本発明の組成物は、Bステージ化反応及びCステージ化反応を受けることが可能で、このBステージ化反応及びCステージ化反応は2つの別個の化学反応である。
本明細書における「熱的にデカップリングされた」とは、二重硬化組成物を2つの硬化反応のうちの1つだけが生じる温度まで加熱することによってBステージ化する能力を指す。
最も広義には、本発明は、硬化型(熱硬化型とも架橋性とも呼ばれる)樹脂組成物(系とも、混合物とも、処方物とも呼ばれる)を包含し、これは、(a)少なくとも1種のエポキシ樹脂(例えばこの少なくとも1種のエポキシ樹脂は、第1及び/又は第2のエポキシ樹脂を含んでもよい)と、(b)少なくとも1種の硬化剤(例えば、この少なくとも1種の硬化剤は、第1の及び/又は第2の硬化剤を含んでもよい)とを含む。
一般には、本発明の組成物は、(i)(a)2種以上のエポキシ樹脂、及び(b)少なくとも1種の硬化剤を含むか、又は(ii)(a)少なくとも1種のエポキシ樹脂、及び(b)2種以上の硬化剤を含む。例えば、一実施形態では、組成物は(a1)少なくとも第1のエポキシ、(a2)少なくとも第2のエポキシ、及び(b)少なくとも1種の硬化剤の成分を含んでもよく、別の実施形態では、この組成物は、(a)少なくとも1種のエポキシ、(b1)少なくとも第1の硬化剤、及び(b2)少なくとも第2の硬化剤の成分を含んでもよい。
更に、本発明は、DSCによって測定した場合、少なくとも2つの別個の化学反応に相当する少なくとも2つの別個の発熱ピークを示す、Bステージ化可能な低粘度エポキシ硬化型樹脂組成物であって、この2つの発熱性ピークの発熱ピーク差は、硬化型エポキシ樹脂組成物のBステージ化を可能にするのに十分であるエポキシ硬化型樹脂組成物に関する。言い換えれば、本発明は、DSCによって測定した、少なくとも2つの別個の発熱ピーク及び2つの発熱ピークの発熱ピーク差によって示される2つの異なる硬化機構を示す硬化型組成物を包含する。
2つの硬化の機序は本質的には、2つの異なる温度(第1の低い硬化温度(T)及び第2の高い硬化温度(T)で生じる2つの別個のエポキシ−硬化剤反応であり、この低い温度Tは高い温度Tと同じではなく、この高い温度Tは低い温度Tよりも高い。温度Tでの低温硬化反応によって、簡便な方法で安定なプレプリグ(Bステージ)を生成することが可能になるが、温度Tでの高温硬化反応は、熱硬化型樹脂ネットワークを生じる最終硬化に有用であり得る(Cステージ)。
この組成物によって示される2つの発熱ピークの発熱ピーク差は、例えば、一実施形態では、少なくとも20℃以上(≧)の発熱ピーク差によって分けられる発熱を含む場合がある、別の実施形態では少なくとも≧30℃、更に別の実施形態では(1分あたり10℃の加熱速度で測定した場合)、少なくとも40℃以上、この組成物は、Bステージ化可能組成物の処理温度で測定した場合、100,000mPa−s未満という最初の粘度を有する。
上述のように、本発明は、低い硬化温度Tを有する第1の組成物と、高い硬化温度Tを有する第2の組成物とを含む(T≠TかつT>T)、プレプリグ又はBステージ材料を生成できる硬化型組成物を提供する。「Bステージ化可能硬化型樹脂組成物」(又は「二重硬化処方物」)は、2つの別個の範囲の反応を示す(低温で生じる第1の反応及び高温で生じる第2の反応)。本発明では、この反応は、高温で最終硬化が生じることから独立して低温でBステージのプレプリグ化を行うことによって、「熱的にデカップリングされる」。この組成物を熱的にデカップリングする能力によって、プレプリグ製造の間トリーター中での長い作動時間のような、より広範囲の加工条件の使用を含めて、組成物の処理可能性の改善を生じる(ランニング時間は例えば、30分以上であってもよい)。
一実施形態では、2つの異なる硬化機序(低温反応及び高温反応)が起こる温度範囲は、一般には、25℃〜300℃(DSCによって測定した温度範囲)に及び得る。別の実施形態では、2つの反応が生じる発熱ピークの分離に関する範囲は、30℃〜150℃であってもよい。
一般には、Tは、10℃以上であり、一実施形態では、T未満である。別の実施形態では、Tは、0℃〜180℃、更に別の実施形態では10℃〜150℃、更に別の実施形態では20℃〜120℃の範囲であってもよい。
一般には、Tは、20℃より大きく、一実施形態では、300℃未満である。別の実施形態では、Tは、80℃〜300℃未満、更に別の実施形態では120℃〜250℃、更に別の実施形態では150℃〜200℃の範囲であってもよい。
2つの異なる温度で反応のデカップリングを示す本発明の二重硬化組成物は、DSCスキャンで示した場合Aステージで発熱の区画において肩部又は重複を示す二重硬化組成物を含んでもよい。発熱ピークのこの重複にかかわらず、反応は、高温で生じる最終硬化とは独立して低温でBステージプレプリグ化を行うことによって「熱的にデカップリングされる」。
本発明のBステージ化可能硬化型樹脂組成物は、2つの別個の異なる温度T及びTで生じる「熱的なデカップリング」の反応を介して組成物のBステージ化を可能にすることが有利である。また、このプレプリグは、Tで長期間保持後、樹脂がゲル化に到達することなく安定である(例えば、このプレプリグは、一実施形態では5分以上、別の実施形態では10分以上、更に別の実施形態では20分以上、更に別の実施形態では30分以上、安定なままであり得る)。本発明の組成物のこれらの有利な結果は、従来の処方物よりも改善されている。この理由は、従来の処方物は、R.B.Roller,Rheology of Curing Thermoset:A Review,Polymer Eng.& Sci.,1986,26(6),pp.432−440に記載されたように、数分内で低粘度の液体からゲルに変化し得るからである。従来の処方物は、硬化過程によく働き、はモノマーが、キャスティング及びポッティングなど、一工程で出来上がった部分に変換される。しかし、従来の処方物は、Bステージ化した中間体を要するプロセスには適切ではない。
本発明の硬化型樹脂組成物は、1種以上のエポキシ樹脂を成分(a)として含んでもよい。エポキシ樹脂は、少なくとも1種の隣接エポキシ基を含む化合物である。このエポキシ樹脂は、少なくとも1種の隣接エポキシ基を含む化合物である。このエポキシ樹脂は、飽和又は不飽和の、脂肪族、脂環式、芳香族又は複素環式であってもよく、置換されていてもよい。エポキシ樹脂はまた、モノマーであってもポリマーであってもよい。本発明で有用なエポキシ樹脂は、当該分野で公知の任意のエポキシ樹脂から選択されてもよい。本発明で有用なエポキシ樹脂の広範な列挙は、Lee,H.及びNeville,K.,Handbook of epoxy Resins,McGraw−Hill Book Company,New York,1967,第2章,257〜307頁に見られる。
本発明の成分(a)について本明細書で開示される実施形態で用いられるエポキシ樹脂は、変化してもよく、従来の市販のエポキシ樹脂を挙げることができるが、これは、単独で用いられても、又は2つ以上の組み合わせで用いられてもよい。本明細書に開示される組成物についてエポキシ樹脂を選択するには、最終生成物の特性を考慮すべきであるだけでなく、この樹脂組成物の加工に影響し得る粘度及び他の特性も考慮しなければならない。
本発明に有用な当業者に公知の特に適切なエポキシ樹脂は、多官能アルコール、フェノール、脂環式カルボン酸、芳香族アミン、又はアミノフェノールとエピクロルヒドリンとの反応生成物に基づく。2〜3の非限定的な実施形態としては例えば、ビスフェノールAジクリシジルエーテル、ビスフェノールFジグリシジルエーテル、レゾルシノールジグリシジルエーテル及びパラ−アミノフェノールのトリグリシジルエーテルが挙げられる。当業者に公知の他の適切なエポキシ樹脂としては、エピクロルヒドリンとo−クレゾールとの反応生成物及びフェノールノボラックがそれぞれ挙げられる。2種以上のエポキシ樹脂の混合物を用いることも可能である。
別の実施形態では、エポキシ樹脂組成物の調製のための本発明において有用なエポキシ樹脂は、市販の生成物から選択されてもよい。例えば、Dow Chemical Companyから入手可能な、D.E.R.(登録商標)330、D.E.R.331、D.E.R.332、D.E.R.324、D.E.R.352、D.E.R.354、D.E.R.542、D.E.R.560、D.E.N.(登録商標)431、D.E.N.438、D.E.R.736、又はD.E.R.732が用いられてもよい。本発明の例示では、エポキシ樹脂成分(a)は、175〜185というエポキシド当量(epoxide equivalent weight)(EEW)、9500mPa−sという粘度、及び1.16g/ccという密度を有する液体エポキシ樹脂、D.E.R.383(ビスフェノールAのジグリシジルエーテル)であってもよい。
本発明の組成物における成分(a)として有用な他の適切なエポキシ樹脂は、例えば、米国特許第3,018,262号、同第7,163,973号、同第6,887,574号、同第6,632,893号、同第6,242,083号、同第7,037,958号、同第6,572,971号、同第6,153,719号、及び同第5,405,688号、PCT公開国際公開第2006/052727号、米国特許出願公開第20060293172号、同第20050171237号、同第2007/0221890号(A1)に開示される。
本発明の組成物における成分(a)として有用なエポキシ樹脂の別の実施形態は、1種のジビニルアレーンジオキシド、又は2種以上の異なるジビニルアレーンジオキシド類を含んでもよい。本発明において有用なジビニルアレーンジオキシドは、例えば、国際公開第/2010/077483に開示されるジビニルアレーンジオキシドを含んでもよい。例えば、本発明に有用なジビニルアレーンジオキシドは、ジビニルベンゼンジオキシド、ジビニルナフタレンジオキシド、ジビニルビフェニルジオキシド、ジビニルジフェニルエーテルジオキシド、及びそれらの混合物を含んでもよい。
本発明に用いられるエポキシ樹脂の濃度は一般には、無機の成分を除いて、エポキシ樹脂混合物及び他の構成成分の重量に対して、一実施形態では10重量パーセント(重量%)〜90重量%、別の実施形態では20重量%〜80重量%、更に別の実施形態では30重量%〜70重量%の範囲であり得る。
別の実施形態では、この組成物は、例えば、以下のような総硬化剤に対する総エポキシ樹脂の化学量論比、例えば、一般には、一実施形態では、2:1〜1:2(エポキシ:硬化剤)、別の実施形態では、1:8〜1:1.5、及び更に別の実施形態では、1.7:1.0〜1.0:1.2の範囲などを有してもよい。
一般には、本発明の組成物に用いられるエポキシ樹脂のうち少なくとも1種は、一実施形態では、1mPa−s〜100,000mPa−s、別の実施形態では、5mPa−s〜50,000mPa−s、更に別の実施形態では、10mPa−s〜10,000mPa−s、更に別の実施形態では、10mPa−s〜1,000mPa−sという粘度を、環境温度で有する。
別の実施形態では、本発明の組成物における成分(a)として用いられる少なくとも1種のエポキシ樹脂は、環境温度で反応物質及び反応性希釈液であるという二重の役割を有するエポキシ樹脂から選択されてもよい。
本発明の広範な範囲では、少なくとも1種の硬化剤を、本発明の組成物中で用い、一実施形態では、2種以上の硬化剤(硬化剤又は架橋剤)を、本発明の組成物中で用いる。例えば、少なくとも第1の硬化剤、成分(b1)、及び少なくとも第2の硬化剤、成分(b2)を、この組成物中で用いてもよい。第1の硬化剤及び第2の硬化剤の両方とも、エポキシ樹脂を硬化するために適切な当該分野で公知の任意の硬化剤であってもよく、ただし、この第1の硬化剤は、第2の硬化剤とは異なる。
本発明で用いられる選り抜きの硬化剤は、適用の要件に依存し得る。一般には、本発明で有用な第1の及び/又は第2の硬化剤は、例えば、限定するものではないが、ジシアノジアミド、置換グアニジン、フェノール性、アミノ、ベンゾオキサジン、無水物、アミドアミン、ポリアミド、ポリアミン、芳香族アミン、カルボジイミド、ポリエステル、ポリイソシアネート、ポリメルカプタン、尿素ホルムアルデヒド、及びメラミンホルムアルデヒド樹脂、ならびにそれらの混合物から選択され得る。
一実施形態では、少なくとも1種の硬化剤である成分(b)としては、1種以上の脂肪族アミン、例えば、エタノールアミン、エチレンジアミン、ジエチレントリアミン(DETA)、トリエチレンアミンテトラミン(TETA)、1−(o−トリル)−ビグアニド、ジシアンジアミド、アミン−末端ポリオール、芳香族アミン、例えば、メチレンジアニリン(MDA)、トルエンジアミン(TDA)、ジエチルトルエンジアミン(DETDA)、ジアミノジフェニルスルホン(DADS)、ポリフェノール、例えば、ビスフェノールA、ビスフェノールF、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−エタン、ヒドロキノン、レゾルシノール、カテコール、テトラブロモビスフェノールA、ノボラック(ノボラック)、例えば、フェノールノボラック、ビスフェノールAノボラック、ヒドロキノンノボラック、レゾルシノールノボラック、ナフトールノボラック、メルカプタン、例えば、メルカプタン−末端ポリスルフィドポリマー、カプキュア(Capcure)(Cognisの商標)硬化剤、無水物、例えば、フタル酸無水物、トリメリット酸無水物、ナジックメチル酸無水物、メチルテトラヒドロフタル酸無水物、メチルヘキサヒドロフタル酸無水物、ならびにそれらの混合物を挙げることができる。
一実施形態では、本発明の組成物としては、3成分の組成物、例えば、2種の異なるエポキシド及び1種の硬化剤を含む組成物が挙げられる。例えば、この組成物は、第1のエポキシ樹脂と第2のエポキシ樹脂とを含むエポキシ樹脂成分(a)を含んでもよく、この第1のエポキシ樹脂及び第2のエポキシ樹脂は各々別々かつ個々に、例えば、上記のエポキシ樹脂から選択される2種の異なるエポキシ樹脂、及び硬化剤成分(b)を含んでもよい。
別の実施形態では、本発明の組成物は、3成分の組成物、例えば、1種のエポキシド及び2種の異なる硬化剤を含む組成物を含んでもよい。例えば、この組成物は、エポキシ樹脂成分(a)、及び硬化剤成分(b)を含んでもよく、これは、第1の硬化剤と第2の硬化剤とを含み、この第1の硬化剤及び第2の硬化剤は各々が別々かつ個々に、上記の硬化剤から選択される、例えば2種の異なる硬化剤を含んでもよい。
更に別の実施形態では、本発明の組成物は、4成分の組成物、例えば、2種の異なるエポキシドと2種の異なる硬化剤を含む組成物を含んでもよい。例えば、この組成物は、第1のエポキシ樹脂と第2のエポキシ樹脂とを含んでおり、この第1のエポキシ樹脂及び第2のエポキシ樹脂が各々別々かつ独立して、上記のエポキシ樹脂から選択される例えば2種の異なるエポキシ樹脂を含んでもよい、エポキシ樹脂成分(a)、ならびに第1の硬化剤と第2の硬化剤とを含んでおり、この第1の硬化剤及び第2の硬化剤が各々別々かつ独立して、上記の硬化剤から選択される例えば2種の異なる硬化剤を含んでもよい、硬化剤成分(b)を含んでもよい。
少なくとも2種の硬化剤(第1の硬化剤及び第2の硬化剤)を用いる実施形態では、この第2の硬化剤に対する第1の硬化剤のモル比は、0.001〜1000であってもよい。2種の異なる硬化剤を含む(すなわち、第1の硬化剤は、第2の硬化剤と同じではない)本発明の硬化組成物では、組成物中で用いられる硬化剤のモル比は、一般には、組成物の成分の重量に対して、一実施形態では0.01重量%〜100重量%、別の実施形態では、100重量%〜0.01重量%の範囲であり得る。
少なくとも2種のエポキシ樹脂が用いられる実施形態(例えば、は、この組成物は、ジビニルアレーンジオキシドを、第1のエポキシ樹脂として、ビスフェノールAジグリシジルエーテル又はエポキシノボラックと組み合わせて、第2のエポキシ樹脂として含むなど)では、用いられる少なくとも1種のエポキシ樹脂の粘度は、環境温度で1mPa−s〜100,000mPa−s、別の実施形態では5mPa−s〜50,000mPa−s、更に別の実施形態では10mPa−s〜10,000mPa−s、及び更に別の実施形態では10mPa−s〜1,000mPa−sであり得る。
本発明の一実施形態では、この組成物は、必要に応じて1種以上の溶媒を含んでもよい。例えば、この組成物は、無機成分を除いて、エポキシ樹脂混合物及び他の構成成分の重量に対して、50重量%未満、別の実施形態では、40重量%未満、更に別の実施形態では30重量%未満、更に別の実施形態では20重量%未満、及び一つの他の実施形態では10重量%未満の少なくとも1種の溶媒又は溶媒の混合物を含んでもよい。別の実施形態では、この組成物は、必要に応じて、本質的に無溶媒であってもよい。
本発明において有用な適切な溶媒の非限定的な例としては、ケトン、アルコール、水、グリコールエーテル、芳香族炭化水素及びそれらの混合物を挙げてもよい。一実施形態では、本発明に用いられる溶媒としては、アセトン、メチルエーテルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン、メチルピロリジノン、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノメチルエーテル、メチルアミルケトン、メタノール、イソプロパノール、トルエン、キシレン、ジメチルホルムアミド(DMF)、それらの混合物を挙げることができる。単一の溶媒を用いてもよいし、又は別々の溶媒を組成物中の1つ以上の成分に用いてもよい。
別の実施形態では、エポキシ樹脂及び硬化剤用の溶媒としては、ケトン類、例えば、アセトン、メチルエチルケトン;及びエーテルアルコール、例えば、メチル、エチル、プロピル、又はエチレングリコールのブチルエーテル、ジエチレングリコール、プロピレングリコール又はジプロピレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、又は1−メトキシ−2−プロパノール及び各々の酢酸塩、ならびにそれらの混合物を挙げることができる。更に別の実施形態では、本発明の組成物中で用いられる溶媒としては、アルコール、ケトン、水、ジメチルホルムアミド(DMF)、グリコールエーテル、例えば、プロピレングリコールモノメチルエーテル又はエチレングリコールモノメチルエーテル、及びそれらの組み合わせを挙げることができる。
本発明の硬化型樹脂組成物は、硬化剤とのエポキシ樹脂化合物の反応を容易にする少なくとも1種の触媒を含んでもよい。本発明の組成物中の任意の成分として有用な触媒としては、当該分野で周知の触媒、例えば、アミン、ホスフィン、複素環式窒素、アンモニウム、ホスホニウム、アルソニウム、スルホニウム部分、及びそれらの任意の組み合わせを含む触媒化合物などが挙げられる。本発明の触媒のいくつかの非限定的な例としては、例えば、エチルトリフェニルホスホニウム;ベンジルトリメチルアンモニウムクロライド;米国特許第4,925,901号に記載の複素環式窒素含有触媒、イミダゾール;トリエチルアミン;及びそれらの任意の組み合わせが挙げられる。
本発明において有用な触媒の選択は、任意の特定の触媒に限定されず、エポキシ組成物に一般的に用いられる触媒が用いられてもよい。また、本発明の組成物に対する触媒の添加は、調製される組成物次第であり得る。例えば、触媒としては、三級アミン、イミダゾール、オルガノホスフィン、酸塩及びそれらの混合物が挙げられる。
一実施形態では、この触媒は、三級アミン、例えば、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、2−メチルイミダゾール、ベンジルジメチルアミン、それらの混合物を含んでもよい。
本発明において用いられる任意の触媒の濃度は、10重量%未満、及び一般には、一実施形態では、0.01重量%〜10重量%、別の実施形態では、0.1重量%〜5重量%、更に別の実施形態では、0.2重量%〜3重量%、及び更に別の実施形態では、0.5重量%〜2重量%であってもよい。触媒の濃度が低ければ、十分な触媒効果をもたらさず、結果として組成物の反応性は低すぎることになる。触媒が高濃度であれば、通常は、組成物の反応性は高すぎることになる。
一実施形態では、本発明の組成物は、通常は触媒を含む、しかし、本明細書の硬化型組成物が触媒を成分として含む場合、この触媒は、有機酸触媒、ルイス酸触媒、ポリマー支持の(ポリマービーズ)ルイス酸触媒、又はそれらの混合物であってもよい。
本発明において有用であり得る他の任意の成分は、当業者に公知の樹脂組成物で正常に用いられる成分である。例えば、この任意の成分は、塗布特性(例えば、表面張力調整剤又は流動助剤)、信頼性特性(例えば、接着促進剤)反応速度、反応の選択性及び/又は触媒寿命を向上するために組成物に添加され得る化合物を含んでもよい。例えば、本発明の組成物は、難燃剤、強化剤、シリカ充填剤又はそれらの混合物を含んでもよい。
添加物一式が、本発明の組成物に添加されてもよく、これには、例えば、他の樹脂、例えば、ジビニルアレーンジオキシドとは異なるエポキシ樹脂、成分(a)、希釈剤、安定化剤、充填剤、可塑剤、触媒不活性化剤及びそれらの混合物が挙げられる。
本発明の組成物において有用な他の添加物としては、例えば、ハロゲン含有又はハロゲンなしの難燃剤、消炎能力を改善する共力剤、例えば、水酸化マグネシウム、ホウ酸亜鉛、又はメタロセン;加工能力用の溶媒、例としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、DowanolPMA;接着促進剤、例えば、修飾オルガノシラン(エポキシド化、メタクリル、アミノ)、アセチルアセトネート、又はイオウ含有分子;保湿剤及び分散助剤、例えば、修飾オルガノシラン、Byk900シリーズ及びByk W−9010、修飾フルオロカーボン;排気添加物、例えば、Byk−A 530、Byk−A 525、Byk−A 555、Byk−A 560;表面改質剤、例えば、スリップ及び光沢の添加物(その多くはByk−Chemieから入手可能);反応性又は非反応性の熱可塑性樹脂、例えば、ポリフェニルスルホン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリビニリデンフルオライド、ポリエーテルイミド、ポリフタルイミド、ポリベンズイミダゾール、アクリル、フェノキシ、ウレタン;離型剤、例えば、ワックス;ポリマー特性を回線するための他の機能性添加物又は事前反応生成物、例えば、イソシアネート、イソシアヌレート、シアン酸エステル、アリル含有分子、又は他のエチレン不飽和化合物、及びアクリレート;ならびにそれらの混合物が挙げられる。
本発明で用いられる添加物の濃度は、一般には、一実施形態では、0重量%〜90重量%、別の実施形態では、0.01重量%〜80重量%、更に別の実施形態では、0.1重量%〜70重量%、更に別の実施形態では0.5重量%〜60重量%におよんでもよい。
一実施形態では、本発明の硬化型組成物が、他の添加物を成分として含む場合、この添加物は、例えば、難燃性をもたらす難燃剤及び充填剤;強化剤;少なくとも1種の補強材、例えば、ガラス繊維又は炭素繊維;充填剤、例えば、滑石、炭酸カルシウム、シリカ又はアルミナ;熱伝導材及び/又は導電性剤、例えば、銀、グラファイト、カーボンナノチューブ、又は窒化ホウ素;ならびにそれらの混合物であってもよい。難燃剤が組成物中で用いられる場合、熱硬化型樹脂は、一実施形態では、UL94 V−2ランク、別の実施形態では、UL94ランク、及び更に別の実施形態では、UL94 V−0ランクによって特徴付けられる高レベルの難燃剤を示し得る。
一実施形態では、組成物は、反応の必要なデカップリングを伴う第2の硬化剤と第2のエポキシドとの反応の活性化エネルギーを下げる潜在性触媒を含んでもよい。「活性化エネルギー」とは、反応を開始するのに必要な最小量のエネルギーである。
別の実施形態では、本発明の組成物は、この組成物は、環境温度で粘着性のプレプリグを提供し得、次には、組成物が、上昇した温度でラミネートに硬化される時まで環境温度で安定に保管できるように、適切な化合物で調製されてもよい。
好ましい実施形態では、本発明の組成物は、プレプリグ及び/又はラミネートを形成するために少なくとも1種の強化材料を含む。増強材料としては、例えば、ガラス繊維、炭素繊維又はそれらの混合物を挙げることができる。
ラミネートを調製するプロセスでは、本発明によって生成される1つ以上のプレプリグを積み重ねた後に、プレプリグのスタックを熱加圧することによってラミネートを形成する。
一般的に、本発明のエポキシ樹脂を調製するプロセスは、例えば、(i)(a)2種以上のエポキシ樹脂、及び(b)少なくとも1種の硬化剤を混合又は調合するか、又は(ii)(a)少なくとも1種のエポキシ樹脂、及び(b)2種以上の硬化剤を混合又は調合することを含む。例えば、一実施形態において、組成物は、(a1)少なくとも第1のエポキシ、(a2)少なくとも第2のエポキシ、及び(b)少なくとも1種の硬化剤を含み得る、別の実施形態において、組成物は、(a)少なくとも1種のエポキシ、(b1)少なくとも第1の硬化剤、及び(b2)少なくとも第2の硬化剤を含み得る。
本発明の組成物を調整する際、例えば、溶媒、硬化触媒、及び/又は必要とされる他の成分などの、種々の選択的化合物が組成物に加えられてもよい。例えば、本発明の硬化型エポキシ樹脂組成物の調製は、真空又は真空なしで、Ross PD Mixer(Charles Ross)で、ジビニルベンゼンジオキシド、硬化剤、充填剤、触媒、及び場合により任意の他の所望の添加剤を調合することにより、達成される。上述の選択的な配合組成物の添加剤のいずれか、例えば、追加のエポキシ樹脂をまた、混合中又は混合前に組成物に加えて、組成物を形成してもよい。
エポキシ樹脂組成物の全成分は、典型的には、プリプレグ及びラミネート適用のための所望のバランスの特性を有する有効なエポキシ樹脂組成物の調製を可能にする温度で、混合され、分散される。例えば、本発明において用いられる混合温度は、一般的には、Bステージ化温度以下であり得る。一実施形態において、混合温度は、Bステージ化温度より少なくとも10℃低く、別の実施形態においてBステージ化温度より20℃低くてもよい。更に別の一実施形態において、全成分の混合中の温度は、一般的には、20℃〜100℃であり、更に別の一実施形態において25℃〜90℃であり得る。混合温度が低いほど、樹脂と硬化剤成分の反応を最小にして、組成物のポットライフを最大にする。
少なくとも2種の硬化剤が組成物内に用いられる一実施形態において、成分は、周囲温度で混合される。例えば、組成物が溶媒を含まず、固体の第1の硬化剤が用いられるとき、固形化合物はまず、用いられるエポキシに硬化温度未満で溶解され、次に、溶液は周囲温度まで冷却されてもよい。この実施形態において、周囲温度で反応を開始し得る第2の硬化剤は、溶解された第1の硬化剤を含有する溶液に加えられてもよい。
一般的に、本発明の硬化型組成物は、有利には低粘度を有する。本発明の硬化型組成物に関して「低粘度」は、組成物が、一実施形態では、Bステージ化可能な組成物の処理条件下で100,000mPa・s未満、別の実施形態では、Bステージ化可能な組成物の処理条件下で50,000mPa・s未満の粘度を有することを意味する。例えば、本発明の硬化型組成の粘度は、一般的には、一実施形態では、10mPa・s〜100,000mPa・s未満、別の実施形態では、100mPa・s〜50,000mPa・s未満、更に別の一実施形態では、100mPa・s〜10,000mPa・s、なお更に別の一実施形態では、100mPa・s〜5,000mPa・s未満、なお1つの他の実施形態では、100mPa・s〜2,000mPa・s未満、なお1つの他の実施形態では、100mPa・s〜1,000mPa・s未満の範囲であり得、粘度は、Bステージ化可能な組成物の処理条件下、例えば、周囲温度で測定される。
本発明のBステージ化可能な硬化型樹脂組成物は、一般的に、熱硬化を介して処理される。例えば、硬化型組成物の硬化は、組成物を第1の硬化剤で部分硬化するのに十分な、予め決められた温度、及び予め決められた時間、行われ、Bステージ化された物質が生成される。例えば、組成物を部分硬化する温度は、一般的に、一実施形態では、0℃〜180℃、別の実施形態では、10℃〜150℃、更に別の一実施形態では、20℃〜120℃であり得、部分的な硬化時間は、一実施形態では、1分〜約24時間、別の実施形態では、2分〜2時間、更に別の一実施形態では、3分〜1時間から選択され得る。組成物の第1の部分的硬化後、Bステージ化された物質が形成される。
一実施形態において、Bステージ化された物質は、本発明の組成物を部分硬化することにより生成され、樹脂組成物の硬化型部分(例えば、エポキシ官能基)は使い果たされる(すなわち、反応する)。例えば、一般的には、一実施形態では、樹脂の硬化型部分の1mol%〜95mol%が反応し、別の実施形態では、樹脂の硬化型部分の10mol%〜80mol%が反応し、更に別の一実施形態では、樹脂の硬化型部分の20mol%〜70mol%が反応する。
1つの好ましい実施形態において、Bステージ化された物質は、本発明の組成物から、硬化型エポキシ樹脂組成物を部分硬化することにより、調製される。例えば、組成物のBステージ化は、硬化型エポキシ樹脂組成物のエポキシ官能基の10%〜80%が、使い果たされるように、組成物を部分硬化することを含む。
熱硬化可能な組成物の継続した硬化は、組成物を第2の硬化剤で完全に硬化するのに十分な、予め決められた温度、及び予め決められた時間、行われ得る。例えば、組成物の第2の硬化工程の温度は、一般的に、一実施形態では、80℃〜300℃、別の実施形態では、120℃〜250℃、更に別の一実施形態では、150℃〜200℃であり得、完全な硬化時間は、一実施形態では、1分〜24時間、別の実施形態では、2分〜6時間、更に別の一実施形態では、5分〜2時間から選択され得る。
Cステージで、本発明の樹脂組成物は、一般的には、一実施形態において、樹脂組成物の硬化型部分の70mol%より多くが反応し、別の実施形態において、硬化型部分の80mol%より多くが反応し、樹脂の硬化型部分の90mol%より多くが反応する。
本発明の組成物の一実施形態の説明として、DVBDOは、本発明のエポキシ樹脂として用いられ得る。DVBDOは、本発明の組成物において唯一の樹脂として用いられて、最終組成物においてエポキシマトリックスが形成され得るか、又はDVBDO樹脂は、第2のエポキシ樹脂、例えば、任意の上述の通常のエポキシ樹脂、例えば、ビスフェノールAのジグリシジルエーテル又はエポキシノボラクと組み合わせて用いられて、最終組成物が調製され得る。例えば、エポキシ樹脂は、追加の希釈剤として用いられ得る。DVBDOの使用により、硬化型組成物及び最終硬化生成物に、通常のグリシジルエーテル、グリシジルエステル、又はグリシジルアミンエポキシ樹脂を超える改良された特性を付与する。未硬化状態の低粘度のDVBDOの固有の組み合わせ、及び固いDVBDO分子構造に起因する硬化後の高Tg、及び架橋結合密度の増加により、調合剤が、新規組成物ストラテジーを適用することが可能となる。
更に別の一実施形態において、DVBDO及び少なくとも2種の異なる硬化剤の組成物は、Bステージ化可能であり、2種の異なる硬化剤のそれぞれが、アミン官能基を含有し、発熱ピーク差(DSCにより、加熱速度10℃/分で測定される)は、一実施形態では10℃以上、別の実施形態では20℃以上、更に別の一実施形態では30℃以上、更に別の一実施形態では60℃以上であってよくる。
なお1つの他の実施形態において、組成物は、DVBDO及び少なくとも2種の異なる硬化剤を含んでもよく、硬化剤の1種は、アミン官能基を含有し、他の硬化剤は、フェノール官能基を含有し、ピークの発熱ピーク差は、DSCにより、加熱速度10℃/分で測定されたとき、一実施形態では10℃以上、別の実施形態では20℃以上、更に別の一実施形態では30℃以上、更に別の一実施形態では少なくとも40℃以上であってよくる。本発明の一実施形態では、硬化型樹脂組成物が2つの異なる発熱を発揮するように、少なくとも1種の硬化剤は、少なくとも第1の硬化剤、及び第1の硬化剤と異なる少なくとも第2の硬化剤を含み、硬化型樹脂組成物は、2種の異なる温度−低い硬化温度Tを含む第1の温度で生じる1つの硬化メカニズム又は反応、及び高い硬化温度Tを含む第2の温度で生じる別の硬化メカニズム(TはTと同じではなく、TはTより高い)で生じる少なくとも2種の異なる硬化メカニズムを受ける。この実施形態では、2つの異なる発熱は、硬化型樹脂組成物が、少なくとも1回、第1の低温でBステージ化されるのを可能にするのに十分である。加えて、第1及び第2の硬化剤は、DSCにより、加熱速度10℃/分で測定される、一実施形態では、少なくとも10℃より高いか等しく()、別の実施形態では20℃以上、更に別の一実施形態では30℃以上により区別される発熱ピーク差を有する。一般的に、硬化型樹脂組成物は、25℃で測定されたとき、一実施形態では初期粘度10,000mPa・s未満、別の実施形態では初期粘度5,000mPa・s未満、更に別の一実施形態では初期粘度2,000mPa・s未満、更に別の一実施形態では初期粘度1,000mPa・s未満を有する。
示差走査熱量測定により、加熱速度10℃/分で測定されたときの、本発明の組成物の発熱ピーク差は、一実施形態では、少なくとも30℃より高いか又は等しく、別の実施形態では40℃より高いか又は等しい。差走査熱量測定により、加熱速度10℃/分で測定されたときの、本発明の組成物の発熱ピーク差は、一実施形態では20℃〜180℃、別の実施形態では30℃〜150℃、更に別の一実施形態では80℃〜100℃である。
1つの好ましい実施形態において、本発明の組成物から生成されたBステージ化された物質のTgは、少なくとも30℃であってよく、本発明の組成物から生成されたCステージ化された物質のTgは、少なくとも50℃であってよくる。
図1〜3に関して、組成物のBステージになる組成物のA−ステージ、及びCステージになる組成物のBステージで始まる本発明の組成物のステージのグラフを示す。図1は、DSCを介したA−ステージでの組成物の特徴を示す。図1は、A−ステージで、2つの異なる範囲の反応が組成物に存在することを示す。Bステージで、スペクトルは、A−ステージからBステージへの反応中に低温反応の完了を介した反応物のデカップリングを示す。Cステージは、熱硬化型ネットワークの形成を示す。
再度図1〜3に関して、DSCを介した、本発明のステージの特徴付けである本発明の組成物のグラフを示す。第1のサーモグラムを、速度10℃/分で30℃から275℃に加熱し、エポキシ(DVBDO)の2種の硬化剤DETA及びDETDAとの混合物(これは、A−ステージにおける典型的な混合物を表す)上で行った。サーモグラムは、異なる温度での2つの発熱、T=111℃でのピークを有する低温発熱、及びT=196℃でのピークを有する高温発熱を示す。2番目のサーモグラムは、類似の温度スキャンであるが、典型的なBステージ物質を表すため試料を110℃で60分間予め加熱した。高温(190℃)での1つの発熱ピークのみを観察する。3番目のサーモグラムを、完全に硬化した試料(典型的には、Cステージ物質を表す)で、試料を210℃で120分間加熱後に行った。このスキャンにおいて、発熱を観察しなかった。
図1に関して、DVBDO、DETA、及びDETDAの混合物で出発する、本発明の組成物の例のDSCを介したサーモグラムを示す。サーモグラムにおいて、混合物を、速度10℃/分で、30℃から275℃に加熱する。サーモグラムは、異なる温度、T=111℃でのピークを有する低温発熱、及びT=196℃でのピークを有する高温発熱での2つの発熱を示す。
図2に関して、110℃まで1時間予め加熱したDVBDO、DETA、及びDETDAの混合物(典型的には、Bステージ物質を表す)で出発する、本発明の組成物の例のDSCを介したサーモグラムを示す。高温(190℃)での1つの発熱ピークのみを観察する。
図3に関して、110℃まで1時間加熱したDVBDO、DETA、及びDETDAの混合物(典型的には、Cステージ物質を表す)で出発する、本発明の組成物の例のDSCを介したサーモグラムを示す。このスキャンにおいて、発熱を観察しなかった。
図4に関して、DEN438、DETA、及びDETDAの混合物で出発する、本発明の組成物のDSCを介したサーモグラムを示す。サーモグラムにおいて、混合物を、速度10℃/分で、−25℃から295℃まで加熱する。サーモグラムは、異なる温度、T=103℃でのピークを有する低温発熱、及びT=192℃でのピークを有する高温発熱での2つの発熱を示す。
図5に関して、DVBDO、ビスフェノールA及びDETDAの混合物で出発する、本発明の組成物の例のDSCを介したサーモグラムを示す。サーモグラムにおいて、混合物を、速度10℃/分で−5℃から295℃まで加熱する。サーモグラムは、異なる温度、T=131℃でのピークを有する低温発熱、及びT=227℃でのピークを有する高温発熱での2つの発熱を示す。
図Aに関して、DER383、DETA、及びDETDAの混合物で出発する、本発明の組成物の例のDSCを介したサーモグラムを示す。サーモグラムにおいて、混合物を、速度10℃/分で−15℃から270℃まで加熱した。サーモグラムは、発熱の所望の著しい分配を示さなかった。事実、ピークは重複し、1つの発熱のみを示す。
図6に関して、DVBDO、DETA、及びDETDAの混合物で出発する、本発明の組成物の例のBステージ化での粘度のレオロジー曲線を示す。図6は、DVBDO、DETA、及びDETDAを含有する組成物について、時間関数としての粘度変化を示す。試験パラメーターは、30℃/分で、25℃から110℃まで試料を徐々に上げ、110℃で、30分間等温で保持し、5℃/分で25℃まで等温時間15分で冷却し、続いて、組成物が172℃でゲル状になるまで、5℃/分で徐々に上げる、からなる。
図Bに関して、XZ92530、XZ92535、及び2−フェニルイミダゾールの混合物で出発する、試料のBステージ化での粘度のレオロジー曲線を示す。図Bは、XZ92530、XZ92535、及び2−フェニルイミダゾールを含有する組成物について、粘度変化を時間関数として示す。試験パラメーターは、30℃/分で、25℃から160℃まで試料を徐々に上げ、次に、160℃で3分後、組成物がゲル状になるまで、等温での保持する、からなる。
本発明の熱硬化型生成物(すなわち、本発明の組成物から作られた架橋結合した生成物)は、通常のエポキシ硬化樹脂を超える幾つかの改良された特性を示す。例えば、本発明の硬化生成物(すなわち、Cステージ化された物質)は、一般的に、一実施形態では、50℃〜300℃、別の実施形態では、100℃〜250℃、更に別の一実施形態では、120℃〜230℃、更に別の一実施形態では、140℃〜200℃、1つの他の実施形態では、160℃〜180℃のガラス転移温度(Tg)を有し得る。Tgは、示差走査熱量計を用いて、10℃/分でスキャンすることにより、測定され得る。Tgは、二次転移の変曲点により決定される。
本発明の硬化型組成物は、通常の硬化型エポキシ樹脂が用いられる、熱硬化型組成物において、用いられ得る。本発明の組成物が用いられ得る、適用のある種の非限定的な例は、例えば、プリプレグ、電気的ラミネート、樹脂被覆銅、樹脂被覆フィルム、合成物、フィルム、アンダーフィル(キャピラリーアンダーフィル)、コーティング、鋳物、土木材料、接着剤、又はエラストーマを含む。例えば、組成物は、航空宇宙、インフラ、スポーツ用品、車、トラック、ボート及び船を含む運搬用車両、液体及びガス容器用の合成物において用いられ得る。別の例において、本発明の硬化型組成物を用いて調製されるプリプレグはまた、周囲条件下での保管期限が必要とされる現場修理(例えば、軍用車両)に適している。
一実施形態において、プリプレグ、電気的ラミネート、及び合成物は、添加剤、例えば、充填剤、染料、顔料、接着促進剤、湿潤剤、流れ補助剤、抗光沢又は光沢添加剤、強化剤、難燃剤、及びその混合物を含んでもよく、合成物組成物を作成するために用いられることができ、順に、硬化した合成物品目を製造するために用いられてもよい。別の実施形態において、アンダーフィルは、添加剤、例えば、充填剤、顔料、接着促進剤、湿潤剤、強化剤、及びその混合物を含んでもよく、アンダーフィル組成物を作成するために用いられてもよく、順に、硬化したアンダーフィル品目を製造するために用いられる。
実施例
以下の実施例は、更に、本発明を詳細に説明するが、その範囲を制限すると解釈されるべきではない。
以下の実施例において用いられる種々の用語及び定義は、本明細書において以下に説明される。
「DVBDO」は、ジビニルベンゼンジオキシドを表し、「DETA」は、ジエチレントリアミンを表し、「DETDA」は、ジエチルトルエンジアミンを表し、「2−PI」は、2−フェニルイミダゾールを表し、「FR−4」は、Flame Retardant Class 4を表す。
「XZ92530」は、リン部分を含有するポリグリシジルエーテル樹脂の溶液であり、The Dow Chemical Companyから市販されており、「XZ92535」は、多機能のフェノールノボラック硬化剤の溶液であり、The Dow Chemical Companyから市販されている。
以下の標準的分析機器及び方法を、実施例において用いる。
分析
示差走査熱量測定(DSC)を、TA機器DSC Q200、DSC Q2000、DSC 2920の機器を使用し、以下のプロセスを用いて行う。
DSCを、特定の加熱能力を決定するためASTM E 1269標準的試験方法を用いて、及び示差走査熱量測定によるガラス転移温度の割当のためASTM E 1356標準的試験方法を用いて行う。TA Instrument DSC Q2000で試料を実行する。
試料約10mgを、硬化プラークから切り出すか、又は液体試料の場合、一定分量の試料を取り出し、密封したアルミニウム受け皿に充填する。受け皿を、TA Instruments Q2000 DSC上の自動試料採取器に充填する。試料を−20℃まで冷却し、10℃/分で200℃まで徐々に上げ、再び−10℃で平衡にし、次に、第2の時間、速度10℃/分で250℃に徐々に上げる。
最小融解粘度データ及び動的機械分析(DMA)試験を、TA Instrument ARES Rheometerを用いて行い試料粘度を、平行プレート固定具を用いて、TA Instruments ARES Rheometer上で試験する。40mmの上部及び50mmの底のプレートを、レオメータ上に導入して、試料を試験する。試験パラメーターの1つの例は、試料を5℃/分で周囲温度から80℃まで徐々に上げ、5℃/分で25℃まで等温時間15分で徐々に上げ、続いて第3に、5℃/分で、組成物がゲル状になるまで乾燥器制御及び付属の液体窒素供給を用いて徐々に上げる、からなる。ギャップを1.000mmにセットし、歪み100%及び頻度1ヘルツで全試料を実行した。
実施例1
DVBDO、DETA、及びDETDAを含有する溶媒フリーの2重の硬化組成物を調製した。この実施例1において、異なる温度で生じる2つの別々の反応は、(1)低温を適用した際に生じる、DVBDOとDETAとの間の反応、及び(2)高温で生じる、DVBDOとDETDAとの間の反応である。
Figure 2014521824
一般的な調製法
DETA、DETDA、及びDVBDOを含有する組成物を、以下の手法に従い調製した。全ての材料は、周囲温度(20℃〜30℃)で完全に可溶性であったので、均質な混合物を得るために、組成物の加熱は必要なかった。DETDA1.47g(33mmol)をまず加え、次に、DVBDO3.35g(41mmol)をガラスバイアルに加えることにより、組成物総量5gを4mLのガラスバイアルにおいて調製した。得られた混合物を撹拌して、完全に混合した。次に、DETA0.17g(8mmol)を、ガラスバイアル中の混合物に加え、得られた混合物を撹拌して、粘度0.1Pa・sを有する低粘度組成物を得た。
一般的な硬化法
上で調製した低粘度組成物をBステージ化するために、低粘度組成物2gを、アルミニウム直径2インチ(5センチメーター(cm))の使い捨ての受け皿に置いた。組成物試料2gを、乾燥器において110℃で1時間、Bステージ化した。
次に、得られたBステージ化物質を、160℃、30分間、200℃、40分間、210℃、40分間の硬化スケジュールを使用して完全に硬化した。
組成物試料の特徴付け
この実施例1のプロセスの各ステージを、DSCにより特徴付けした。A−ステージ物質のDSCスキャン(周囲温度で全成分混合した後、正確に測定した)は、各硬化剤のDVBDOとの反応のデカップリングに対応する反応熱の著しい分配を示した。DETAとDVBDOの反応に対応する111℃で最大の発熱ピークを見出した。DETDAのDVBDOとの反応に対応する196℃での第2の発熱ピークも見出した。
反応のデカップリングを確認するために、組成物を、乾燥器中、110℃で1時間置き、AからBステージを行った。組成物をBステージ化した後に得られたDSCスキャンは、DETAとDVBDOとの反応が完了したこと(第1のピークの完全な消失により証明した)を示した。他方、第2のピークがなお存在し、Bステージ化物質における未反応のDETDA及びDVBDOの存在を支持するスペクトルにおいてほぼ変化しなかった。
次に、上で調製したBステージ化物質を、乾燥器中、160℃、200℃、及び210℃の硬化スケジュールで硬化して、BステージからCステージを行った。得られたCステージ熱硬化型のDSCスキャンを得て、完全に硬化した熱硬化型の高Tgを、DMTA分析により決定した。Cステージ熱硬化型のTgは225℃であることを見出した。
実施例1の組成物を、図1、図2、及び図3において特徴付ける。図1は、DSCを介した、本発明のステージの特徴のグラフを示す。図1に示す第1のサーモグラムを、速度10℃/分で、30℃から275℃まで加熱した、実施例1の組成物(A−ステージにおける典型的な混合物を表す)上で行った。サーモグラムは、異なる温度での2つの発熱、T=111℃でのピークを有する低温発熱、及びT=196℃でのピークを有する高温発熱を示す。図2に示す第2のサーモグラムは、同様の温度上昇スキャンであるが、典型的なBステージ物質を表すために、試料を110℃で60分間予め加熱した。高温(190℃)で1つの発熱ピークのみを観察する。図3に示す第3のサーモグラムを、試料を210℃で120分間加熱後、完全に硬化した試料(典型的には、Cステージ物質を表している)で行った。このDSCスキャン上で、発熱を観察しなかった。
実施例2
以下は、「手書き」技術ラミネートについての組成物80gの調製の詳細な記載である。まず、DVBDO40g(0.50mol)を55℃まで温め、粉末ビスフェノールA28g(0.25mol)を、複数分割で40分かけて加えた。ビスフェノールAを加えている間、温度を95℃まで徐々に上げて、フェノール系硬化剤をエポキシド中に溶解するのを助けた。反応混合物を、機械的撹拌器を用いてしっかり撹拌して、均質な混合物を得た。次に、得られた混合物を周囲温度まで冷却し、DETDA11g(0.25mol)を混合物に加えた。
組成物を、ブラシを用いて、12インチかける12インチ(30cm×30cm)のガラス布シートにアプライした。組成物を、乾燥器中、80℃で60分間、Bステージ化した。次に、プリプレグ化したガラスシートを互いに重ね、25℃で8psi(800Ibs/1インチ四方)、続いて、160℃まで1分当たり5℃の加熱上昇速度のサイクルに従いプレスした。160℃で、圧力を20psi(2,000Ibs)まで増大する。加熱速度を、160℃から最大200℃まで1分当たり20℃まで増大する。樹脂の完全な硬化を達成するまで、圧力を200℃で維持した。
この実施例2の組成物を、図5において特徴付けする。図5は、DSCを介した、本発明のステージの特徴のグラフを示す。図5に示すサーモグラムを、速度10℃/分で−5℃から295℃まで加熱した、実施例2の組成物(A−ステージにおける典型的な混合物を表す)上で行った。サーモグラムは、異なる温度での2つの発熱、T=131℃でのピークを有する低温発熱、及びT=227℃でのピークを有する高温発熱を示す。
実施例A
この実施例Aで用いたエポキシ樹脂は、DER 383(液体エポキシ樹脂)であった。選択したアミン硬化剤は、DETA及びDETDAであった。この実施例Aにおいて従った実験の調製法は、本発明の実施例1に記載の通りである。溶媒を含まない組成物を、比1:1のDER 383エポキシとアミン硬化剤を用いて調製した。DER 383 1.7g(9.4mmol)を、周囲温度でDETDA0.21g(4.7mmol)、続いて、DETA0.097g(4.7mmol)と混合した。
実施例Aを図Aで特徴付ける。図Aは、DSCを介した、本発明のステージの特徴のグラフを示す。図Aに示すサーモグラムを、速度10℃/分で−15℃から270℃まで加熱した、実施例Aの組成物(A−ステージにおける典型的な混合物を表す)上で行った。サーモグラムは、所望の著しい分配の発熱を示さない。代わりに、図Aは、ピークが重複し、1つの発熱のみを得ることを示す。
実施例3
この実施例3において、1種のエポキシ樹脂及び2種のアミン硬化剤を含む組成物を調べた。用いたエポキシ樹脂は、D.E.R.383であり、用いた2種の硬化剤は、第1の硬化剤としてDETA、及び第2の硬化剤として1−(o−トリル)−ビグアニドであった。モル比1:1のエポキシと硬化剤を用いた。硬化剤DETAと1−(o−トリル)−ビグアニドのモル比は、それぞれ1:3であった。1−(o−トリル)−ビグアニド0.06g(4mmol)を、DER 383 0.91g(5mmol)中、75℃で40分かけて溶解した。混合物温度を周囲温度まで冷却し、DETA0.03g(1mmol)を、混合物に加えた。得られた組成物を徹底的に混合した。
実施例4
この実施例4の組成物を、1つのエポキシ樹脂DEN 438、及び2種の異なる硬化剤DETA及びDETDAを用いて調製した。DEN 438 1.39g(7.40mmol)を70〜80℃まで温め、DETDA0.26g(5.91mmol)と合わせた。混合物が均質になるまで、混合物をしっかり混合した。得られた混合物を周囲温度まで冷却し、DETA0.031g(1.48mmol)を加えた。
実施例4の組成物を、図4において特徴付ける。図4は、DSCを介した、本発明のステージの特徴のグラフを示す。図4のサーモグラムを、速度10℃/分で−25℃から295℃まで加熱した、実施例4の組成物(A−ステージにおける典型的な混合物を表す)上で行った。サーモグラムは、異なる温度の2つの発熱、T=103℃でのピークを有する低温発熱、及びT=192℃のピークを有する高温発熱を示す。
実施例5
この実施例5の組成物を、1種のエポキシ樹脂DER 354(ビスフェノールFベースのエポキシ樹脂)、及び2種の異なる硬化剤DETA及びDETDAを用いて調製した。組成物を周囲温度で混合し、調製した。DER 354 0.50g(2.99mmol)を、DETDA0.11g(2.40mmol)と周囲温度で混合した。得られた混合物を、均質になるまで混合し、続いて、周囲温度でDETA0.012g(0.60mmol)を加えた。
実施例6
この実施例6の組成物を、シクロ脂肪族エポキシ樹脂(Unoxol Diolのジグリシジルエーテル)、及び2種の異なる硬化剤DETA及びDETDAを用いて調製した。組成物を周囲温度で混合した。Unoxol Diol DGE0.50g(3.9mmol)を、周囲温度でDETDA0.14g(3.11mmol)と混合した。混合物が均質になるまで、混合物を混合した。次に、DETA0.016g(0.78mmol)を混合物に加え、得られた混合物を、徹底的に混合した。
実施例B
この実施例Bにおいて、FR−4ラミネート産生について、典型的な組成物を調べた。溶媒含有組成物はXZ92530で構成され、樹脂溶液をフェノール系ノボラック硬化剤溶液XZ92535で硬化した。この組成物は、促進剤2−PIを含有する。XZ92530:XZ92535:2−PIの比は、77.1:22.9:0.4であった。組成物の調製に用いた物質の実際の量は、XZ92530 314.9g、XZ92535 128.7g、及び2−PI6.31gであった。
この種の溶媒含有組成物のための典型的な処理条件は、177℃で3分間のBステージ化を含む。
比較として、DVBDO、DETA、及びDETDAを含有する、本発明の実施例1に記載の溶媒を含まない組成物を、110℃で30分間、Bステージ化した。実施例1及び実施例A由来の組成物を、ARESレオメータで試験して、粘度の増加を、時間関数として、各組成物のBステージ化温度で評価した。
溶媒を含有する組成物及び溶媒を含まない組成物のための処理条件は異なるが、両方の試料のBステージ化温度での粘度を、ARESレオメータで、次の方法を用いて試験した。
DVBDO、DETA、及びDETDAを含有する組成物について、試験パラメーターは、試料を、30℃/分で周囲温度から110℃まで徐々に上げ、110℃で30分間等温にし、5℃/分で25℃まで等温時間15分で冷却し、続いて、組成物が172℃でゲル状になるまで、5℃/分で徐々に上げることから構成されていた(図6)。
XZ92530、XZ92535及び2−PIを含有する組成物について、試験パラメーターは、試料を、30℃/分で周囲温度から160℃まで徐々に上げ、160℃で3分後、組成物がゲル状になるまで、160℃で等温にする、からなっていた(図B)。
DVBDO、DETA、及びDETDAについて、及びXZ92530、XZ92535、及び2−PIについて、Bステージ化温度での時間関数としての粘度変化の結果も、表Iに要約する。
Figure 2014521824
表Iに従い、XZ92530、XZ92535、2−PIを含有する組成物(実施例B)を、160℃でBステージ化する際、組成物は、粘度が多大に増加し、160℃でたった3分後に素早くゲルになる(図B)。他方、DVBDO、DETA、及びDETDAを含有する溶媒を含まない組成物(実施例1)を、最大30分間、110℃でBステージ化した。実施例1の組成物は、110℃で30分間等温後、ゲル化しない(図6)。

Claims (15)

  1. (a)少なくとも1種のエポキシ樹脂、及び(b)少なくとも1種の硬化剤を含む硬化型エポキシ樹脂組成物であって、前記硬化型エポキシ樹脂組成物は少なくとも2種の異なる化学反応物を表す少なくとも2種の発熱ピークを有し、2つの発熱ピークの発熱ピーク差は、硬化型エポキシ樹脂組成物のBステージ化を可能にするのに十分である、硬化型エポキシ樹脂組成物。
  2. 少なくとも1種のエポキシ樹脂(a)が、(a1)少なくとも第1のエポキシ樹脂、及び(a2)第1のエポキシ樹脂と異なる少なくとも第2のエポキシ樹脂を含む、請求項1記載の組成物。
  3. 少なくとも1種の硬化剤(b)が、(b1)少なくとも第1の硬化剤、及び(b2)少なくとも、第1の硬化剤と異なる第2の硬化剤を含む、請求項1記載の組成物。
  4. 第1の硬化剤の第2の硬化剤に対するモル比が、0.001〜1,000である、請求項3記載の組成物。
  5. 示差走査熱量測定により、加熱速度10℃/分で測定したときの発熱ピーク差が、少なくとも20℃以上である、請求項1記載の組成物。
  6. 第1及び第2の硬化剤それぞれが、反応性アミン水素を含有し、組成物が、示差走査熱量測定により、加熱速度10℃/分で測定したときの、少なくとも20℃以上の発熱ピーク差を含有する、請求項3記載の組成物。
  7. 第1の硬化剤が、反応性アミン水素を含有し、及び第2の硬化剤が、反応性フェノール水素を含有し、組成物が、示差走査熱量測定により、加熱速度10℃/分で測定したときの、少なくとも20℃以上の発熱ピーク差を含有する、請求項3記載の組成物。
  8. 組成物が、Bステージ化可能な組成物の処理条件下で、50,000mPa・s未満の粘度を有する、請求項1記載の組成物。
  9. 第1のエポキシ樹脂及び第2のエポキシ樹脂それぞれが、別々かつ個々に、ジビニルアレーンジオキシド、ポリグリシジルエーテル、又はその組み合わせを含み得る、請求項2記載の組成物。
  10. 第1及び第2の硬化剤それぞれが、別々かつ個別に、脂肪族アミン、芳香族アミン、シクロ脂肪族アミン、カルボジイミド、尿素、グアニジン、フェノール、脂肪族アルコール、メルカプタン、無水物、及びその混合物を含み得る、請求項3記載の組成物。
  11. 組成物が、Bステージ化反応、及びCステージ化反応を受ける能力があり、Bステージ化反応及びCステージ化反応が、2つの異なる化学反応である、請求項1記載の組成物。
  12. Bステージ化が第1の温度Tで生じ、Cステージ化が第2の温度Tで生じ、TがTと異なり、TがTより高い温度である、請求項10記載の組成物。
  13. が20℃以上であり、Tが、20℃より高いが、300℃未満である、請求項12記載の組成物。
  14. (i)強化用繊維を請求項1記載の組成物でコーティングする段階と、段階(i)(i)の強化用繊維をコーティングする組成物を部分硬化して、プリプレグを形成することと、を含むプロセス。
  15. (iii)段階(ii)のプリプレグを完全に硬化して、ラミネートを形成する段階を含む、請求項14記載のプロセス。
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