JP2015096589A - ベンゾフラン誘導体組成物、ポリイミド前駆体組成物およびポリイミド樹脂の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)下記式(1)で表されるベンゾフラン誘導体と水性媒体とを含有するベンゾフラン誘導体組成物。
(2)下記式(1)で表されるベンゾフラン誘導体と、下記式(C)で表されるポリアミンと、水性媒体とを含有するポリイミド前駆体組成物。
(3)下記式(A)で表されるベンゾフラン化合物と、下記式(B)で表されるテトラカルボン酸と、水性媒体とを混合し、撹拌するベンゾフラン誘導体組成物製造工程、
前記ベンゾフラン誘導体組成物製造工程で得られたベンゾフラン誘導体と、下記式(C)で表されるポリアミンとを混合し、撹拌するポリイミド前駆体組成物製造工程、および
前記ポリイミド前駆体組成物製造工程で得られたポリイミド前駆体と水性媒体とを含有するポリイミド前駆体組成物を加熱処理して、硬化させるポリイミド樹脂製造工程
を備えるポリイミド樹脂の製造方法。
(4)上記(3)の製造方法によって得られるポリイミド樹脂。
以下、本発明について詳しく説明する。
ベンゾフラン誘導体組成物製造工程において、ベンゾフラン誘導体と水性媒体とを含有するベンゾフラン誘導体組成物が製造され、ポリイミド前駆体組成物製造工程において、ベンゾフラン誘導体組成物とポリアミンと水性媒体とを含有するポリイミド前駆体組成物が製造される。
ベンゾフラン誘導体組成物製造工程は、ベンゾフラン化合物と、テトラカルボン酸と、水性媒体とを混合し、撹拌してベンゾフラン誘導体の水性組成物(ベンゾフラン誘導体組成物)を製造する工程である。
ベンゾフラン誘導体組成物製造工程において使用されるベンゾフラン化合物は下記式(A)で表されるものであり、テトラカルボン酸は下記式(B)で表されるものである。
上記アミノ基と反応性を有する有機基としては、例えば、カルボキシ基、カルボン酸無水物基、カルボニル基、アルデヒド基、ハロゲノカルボニル基等が挙げられるがこれらに限定されない。また、上記カルボキシ基と反応性を有する有機基としては、例えば、アミノ基、ヒドロキシ基、カルボキシ基、ビニルオキシ基等が挙げられるがこれらに限定されない。
上記アミノ基と反応性を有する基としては、例えば、カルボキシ基、カルボン酸無水物基、カルボニル基、アルデヒド基、ハロゲノカルボニル基等が挙げられるがこれらに限定されない。
水性媒体は水を主成分とする媒体である。水は、イオン交換水、蒸留水、脱イオン蒸留水、RO水等を使用することができる。ここで、水を主成分とするとは、水を60質量%以上、好ましくは75質量%以上、より好ましくは90質量%以上含むことをいう。
水性媒体を使用することにより、環境負荷を低減することができる。
これらのアルコールまたはエーテルは、1種類を単独で、または2種類以上を組み合わせて使用することができる。
ベンゾフラン化合物と、テトラカルボン酸と、水性媒体とを混合し、撹拌することにより、ベンゾフラン誘導体の水性組成物を製造する。
この方法によれば、環境負荷の高い有機溶媒を使用する必要がなく、しかも水性媒体中でベンゾフラン化合物とテトラカルボン酸とが反応してベンゾフラン誘導体の水性組成物を得ることができるため、反応生成物であるベンゾフラン誘導体を回収して水性媒体中に混合する必要がなく、工程数を削減できる。
ベンゾフラン化合物のモル数は、通常、テトラカルボン酸のモル数に対し、0.5〜4倍のモル数とするのが好ましく、さらには、1〜2倍のモル数とするのが好ましい。
ベンゾフラン化合物と、テトラカルボン酸と、水性媒体とを混合する方法は特に限定されず、例えば、ベンゾフラン化合物と水性媒体とを含有する水性組成物と、テトラカルボン酸と水性媒体とを含有する水性組成物とを混合し、撹拌する方法、テトラカルボン酸と水性媒体とを含有する水性組成物にベンゾフラン化合物を添加し、撹拌する方法、ベンゾフラン化合物と水性媒体とを含有する水性組成物にテトラカルボン酸を添加し、撹拌する方法などが挙げられる。
混合および撹拌をする際の温度(反応温度)は、付加反応を行うことができる温度であれば特に限定されないが、5〜45℃が好ましく、20〜30℃がより好ましく、約25℃がさらに好ましい。
撹拌時間は、付加反応が十分に行われる時間であれば特に限定されないが、30分間〜6時間が好ましく、1時間〜3時間がより好ましく、約2時間がさらに好ましい。
ベンゾフラン誘導体組成物の製造の際の雰囲気は、特に限定されず、大気雰囲気、窒素雰囲気、不活性ガス雰囲気等の雰囲気を用いることができる。
また、ベンゾフラン誘導体組成物を製造するための形式は、連続式であってもよいし、バッチ式であってもよい。
ベンゾフラン化合物と、テトラカルボン酸と、水性媒体とを混合した混合液中には、さらに、ベンゾフラン化合物とテトラカルボン酸との反応を促進するための触媒を含有してもよい。
ベンゾフラン化合物とテトラカルボン酸との反応を促進するための触媒としては、例えば、ベンゾフラン化合物の五員環の二重結合とテトラカルボン酸のカルボキシ基との付加反応を促進するための触媒が挙げられる。このような触媒は、特に限定されないが、具体例としては、カルボン酸より酸性度の高い四塩化チタン、四塩化錫などのエノールの形成を促すものを挙げることができる。
触媒は、1種類を単独で、または2種類以上を組み合わせて使用することができる。
上述したベンゾフラン誘導体組成物の製造方法により、下記式(1)で表されるベンゾフラン誘導体と水性媒体とを含有するベンゾフラン誘導体組成物が製造される。
ベンゾフラン誘導体組成物は、式(1)で表されるベンゾフラン誘導体および水性媒体の他に、未反応のベンゾフラン化合物やテトラカルボン酸、テトラカルボン酸1分子に対してベンゾフラン化合物が2〜4分子付加したベンゾフラン誘導体などが含有されていてもよい。
ポリイミド前駆体組成物製造工程は、ベンゾフラン誘導体と、ポリアミンと、水性媒体とを混合し、撹拌してポリイミド前駆体の水性組成物(ポリイミド前駆体組成物)を製造する工程である。
ベンゾフラン誘導体は、ベンゾフラン誘導体組成物製造工程で合成されたものであり、水性媒体中で反応を行った場合には、水性組成物となっている。
水性媒体は、前述したものである。
ポリイミド前駆体組成物製造工程において使用されるポリアミンは下記式(C)で表されるものである。
上記カルボキシ基と反応性を有する基としては、例えば、アミノ基、ヒドロキシ基、カルボキシ基、ビニルオキシ基等が挙げられるが、これらに限定されない。
上記カルボキシ基と反応性を有する基としては、例えば、アミノ基、ヒドロキシ基、カルボキシ基、ビニルオキシ基等が挙げられるが、これらに限定されない。
〈ポリイミド前駆体組成物の製造方法〉
ベンゾフラン誘導体と、ポリアミンと、水性媒体とを混合し、撹拌することにより、ポリイミド前駆体の水性組成物を製造する。
この方法によれば、ベンゾフラン誘導体組成物の製造方法と同様に、環境負荷の高い有機溶媒を使用する必要がなく、しかも工程数を削減できる。
ベンゾフラン誘導体と、ポリアミンと、水性媒体とを混合する方法は特に限定されず、例えば、ベンゾフラン誘導体と水性媒体とを含有する水性組成物と、ポリアミンと水性媒体とを含有する水性組成物とを混合し、撹拌する方法、ベンゾフラン誘導体と水性媒体とを含有する水性組成物にポリアミンを添加し、撹拌する方法などが挙げられる。
混合および撹拌をする際の温度は、特に限定されないが、5〜45℃が好ましく、20〜30℃がより好ましく、約25℃がさらに好ましい。
撹拌時間は、特に限定されないが、30分間〜6時間が好ましく、1時間〜3時間がより好ましく、約2時間がさらに好ましい。
ポリイミド前駆体組成物の製造の際の雰囲気は、特に限定されず、大気雰囲気、窒素雰囲気、不活性ガス雰囲気等の雰囲気を用いることができる。
また、ポリイミド前駆体組成物を製造するための形式は、連続式であってもよいし、バッチ式であってもよい。
本発明のポリイミド前駆体組成物は、上記式(1)で表されるベンゾフラン誘導体と上記式(C)で表されるポリアミンと水性媒体とを含有するものである。本発明のポリイミド前駆体組成物は、これらの混合物であってもよく、カルボキシラートとアンモニウムを対とした下記式(2)のような塩構造であってもよい。
ポリイミド前駆体組成物は、水中での組成物の安定性を補う目的で、少量の揮発性アミンを含有していてもよい。
このような揮発性アミンは、ベンゾフラン化合物とテトラカルボンカルボン酸との付加反応に使用されないカルボキシ基のモル数を越えない量とするのが望ましく、例えばアンモニア、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリブチルアミンなどが好ましい。
揮発性アミンは、1種類を単独で、または2種類以上を組み合わせて使用することができる。
ポリイミド前駆体組成物は、必要に応じてさらに補強材、充填剤、老化防止剤、酸化防止剤、光安定剤、スコーチ防止剤、他の架橋遅延剤、可塑剤、加工助剤、滑剤、粘着剤、潤滑剤、難燃剤、防黴剤、帯電防止剤、着色剤、界面活性剤などの添加剤を配合することができる。
さらに、ポリイミド前駆体組成物の特性を損なわない限り、他の高分子・エラストマーなどの樹脂成分を必要に応じて配合することもできる。
本発明のポリイミド前駆体組成物においては、前記各成分を、ロール混合、バンバリー混合、スクリュー混合、撹拌混合などの適宜の混合方法により配合することによって調製することができる。
ポリイミド前駆体組成物は、水性媒体に含まれるアルコール、エーテル等の有機溶媒、揮発性アミンに含まれる有機溶媒、および不可避的に混入する微量の有機溶媒を除き、有機溶媒を実質的に含有しない。このような有機溶媒としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、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−メチルカプロラクタム、アセトン、γ−ブチロラクトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等の環境負荷の高い有機溶媒が挙げられる。
本発明に係るポリイミド前駆体組成物の粘度は、塗工性を損なわない範囲内であれば特に限定されるものではないが、20℃における粘度は50mPa・s以上200Pa・s以下の範囲に、22℃における粘度は10mPa・s以上200Pa・s以下の範囲に調製することが、実用上好適である。
ポリイミド樹脂製造工程は、ポリイミド前駆体と水性媒体とを含有するポリイミド前駆体組成物を加熱処理して、硬化させ、ポリイミド樹脂を製造する工程である。
ポリイミド前駆体は、ポリイミド前駆体組成物製造工程で得られたものであり、水性媒体中で混合、撹拌を行った場合には、水性組成物となっている。
水性媒体は、前述したものである。ポリイミド前駆体組成物製造工程で製造したポリイミド前駆体組成物が含有する水性媒体であってもよい。
加熱処理により、ポリイミド前駆体組成物の乾燥、ベンゾフラン誘導体のカルボキシ基の脱保護(すなわち、ベンゾフラン誘導体からのベンゾフラン化合物の脱離)およびテトラカルボン酸とポリアミンのイミド化(ポリアミド酸生成と脱水閉環によるポリイミド生成)による硬化を行う。
加熱処理は、ポリイミド前駆体組成物の乾燥を行う段階と、ベンゾフラン誘導体のカルボキシ基の脱保護、およびテトラカルボン酸とポリアミンのイミド化(ポリアミド酸生成と脱水閉環によるポリイミド生成)による硬化を行う段階の2段階、またはポリイミド前駆体組成物の乾燥を行う段階と、ベンゾフラン誘導体のカルボキシ基の脱保護を行う段階と、テトラカルボン酸とポリアミンのイミド化(脱水閉環)による硬化を行う段階の3段階とすることが好ましい。
ポリイミド前駆体組成物の乾燥を行う段階では、加熱温度は、通常80℃以上であり、80〜100℃が好ましい。加熱時間は数分〜1時間が好ましく、15分間〜45分間がより好ましい。乾燥を行うことにより、組成物の成形性を高めることができる。
ベンゾフラン誘導体のカルボキシ基の脱保護を行う段階では、加熱温度は、170℃以上200℃未満が好ましい。加熱時間は数分〜1時間が好ましく、15分間〜45分間がより好ましい。
ベンゾフラン誘導体のカルボキシ基の脱保護とテトラカルボン酸とポリアミンのイミド化(脱水閉環)による硬化とを行う段階、またはテトラカルボン酸とポリアミンのイミド化(脱水閉環)による硬化を行う段階では、200〜400℃が好ましい。加熱時間は数分〜数時間が好ましく、10〜50分間がより好ましい。
加熱方法としては、プレス加熱、蒸気加熱、オーブン加熱、熱風加熱などの適宜の方法を採用することができるが、通常、所定形状でプレス加熱して架橋させたのち、蒸気加熱、オーブン加熱、熱風加熱などにより後架橋される。
(1)ポリイミド前駆体組成物の製造
撹拌機を備えたセパラブルフラスコ(200mL;筒型)に、1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸(11.1g)および水(45.1g)を加え、25℃にて10分間撹拌混合した後、2,3−ベンゾフラン(4.9g)を加え、さらに25℃にて30分間撹拌混合し、ベンゾフラン誘導体の水分散液を得た。
得られたベンゾフラン誘導体の水分散液に、スチレンアクリル型ポリアミン(日本触媒社製,ポリメント(R)NK−200PM;不揮発残分 56質量%,アミン価 2.55mmol/g−solid,m=60)(71.6g)を加え、25℃にて2時間撹拌混合し、ポリイミド前駆体の水分散液(ポリイミド前駆体組成物)を得た。
得られたポリイミド前駆体組成物の製造直後の22℃における粘度を、E型粘度計(東機産業株式会社製,型番TV−22)を用いて測定した。
測定結果を表1の「初期粘度(22℃)」の欄に示す。
製造直後のポリイミド前駆体組成物(30.0g)をガラス瓶に採取し、直ちに25℃の恒温室内に静置した。静置した日から起算して1日後、3日後、および7日後に、22℃における粘度を測定するとともに、目視により外観を観察した。
粘度の測定結果を表2の「貯蔵安定試験(25℃)」の「粘度(22℃)」の欄に、外観の観察結果を表2の「貯蔵安定性試験(25℃)」の「外観(目視)」の欄に、それぞれ示す。
製造直後のポリイミド前駆体組成物をガラス瓶に採取し、直ちに25℃の恒温室内に静置した。静置した日から起算して1日後、3日後、および7日後のポリイミド前駆体組成物を使用して、以下の手順により硬化膜付きガラス基材を作製し、耐溶剤性試験を行った。
ガラス基材の一方の表面上に、ポリイミド前駆体組成物を、乾燥塗膜の厚みが40μmとなるように塗布した。塗布後、ホットプレートを用いて、90℃にて30分間の加熱処理を行った後、恒温乾燥炉を使用して、250℃にて30分間の加熱処理行い、ガラス基材の一方の表面上にポリイミド樹脂からなる硬化膜を形成した。
硬化膜の表面を、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)を含ませた布でラビングし、硬化膜の耐溶剤性を以下の評価基準に基づいて評価した。評価結果を表3の「耐溶剤性試験」の欄に示す。
(評価基準)
A:変化なし
B:硬化膜に膨潤や浸食が発生している
C:ガラス基材の少なくとも一部が剥き出しになっている、または塗工不良である
製造直後のポリイミド前駆体組成物をガラス瓶に採取し、直ちに25℃の恒温室内に静置した。静置した日から起算して1日後、3日後、および7日後のポリイミド前駆体組成物を使用して、以下の手順により硬化膜付きガラス基材を作製し、耐水性試験を行った。
ガラス基材の一方の表面上に、ポリイミド前駆体組成物を、乾燥塗膜の厚みが40μmとなるように塗布した。塗布後、ホットプレートを用いて、90℃にて30分間の加熱処理を行った後、恒温乾燥炉を使用して、250℃にて30分間の加熱処理行い、ガラス基材の一方の表面上にポリイミド樹脂からなる硬化膜を形成した。
硬化膜を形成したガラス基材を90℃の熱水に浸して10分間放置した後、硬化膜を目視にて観察し、硬化膜の耐水性を以下の評価基準に基づいて評価した。評価結果を表3の「耐水性試験」の欄に示す。
(評価基準)
A:変化なし
B:硬化膜に白化または膨潤が発生している
C:ガラス基材の少なくとも一部が剥き出しになっている、または塗工不良である
(1)ポリイミド前駆体組成物の製造
攪拌機を備えたセパラブルフラスコ(200mL;筒型)に、1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸(11.1g)および水(44.5g)を加え、25℃にて10分間撹拌混合した後、3−メチルベンゾフラン(5.5g)を加え、さらに25℃にて30分間撹拌混合し、ベンゾフラン誘導体の水分散液を得た。
得られたベンゾフラン誘導体の水分散液に、スチレンアクリル型ポリアミン(日本触媒社製,ポリメント(R)NK−200PM;不揮発残分 56質量%,アミン価 2.55mmol/g−solid,m=60)(71.6g)を加え、25℃にて2時間撹拌混合し、ポリイミド前駆体の水分散液(ポリイミド前駆体組成物)を得た。
(2)粘度測定、貯蔵安定性試験、耐溶剤性試験、耐水性試験
実施例1と同様にして、粘度測定、貯蔵安定性試験、耐溶剤性試験、および耐水性試験を行った。結果を表1、表2および表3に示す。
(1)ポリイミド前駆体組成物の製造
撹拌機を備えたセパラブルフラスコ(200mL;筒型)に、1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸(11.1g)および水(50.0g)を加え、25℃にて10分間撹拌混合した後、スチレンアクリル型ポリアミン(日本触媒社製,ポリメント(R)NK−200PM;不揮発残分 56質量%,アミン価 2.55mmol/g−solid,m=60)(71.6g)を加え、25℃にて2時間撹拌混合し、ポリイミド前駆体の水分散液(ポリイミド前駆体組成物)を得た。
得られたポリイミド前駆体組成物は流動性を失っていたため、粘度測定、貯蔵安定性試験、耐溶剤性試験、および耐水性試験のいずれも行わなかった。
(1)ポリイミド前駆体組成物の製造
撹拌機を備えたセパラブルフラスコ(200mL;筒型)に、1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸(11.1g)および水(45.9g)を加え、25℃にて10分間撹拌混合した後、ブチルビニルエーテル(4.1g)を加え、さらに25℃にて30分間撹拌混合し、ブチルビニルエーテル誘導体の水分散液を得た。
得られたブチルビニルエーテル誘導体の水分散液に、スチレンアクリル型ポリアミン(日本触媒社製,ポリメント(R)NK−200PM;不揮発残分 56質量%,アミン価 2.55mmol/g−solid,m=60)(71.6g)を加え、25℃にて2時間撹拌混合し、ポリイミド前駆体の水分散液(ポリイミド前駆体組成物)を得た。
得られたポリイミド前駆体組成物を用いて、実施例1と同様にして粘度測定および貯蔵安定性試験を行った。ただし、貯蔵安定性試験の恒温室内静置後7日目に、ポリイミド前駆体組成物がゲル化したため、粘度測定を行うことができなかった。
得られたポリイミド前駆体組成物の製造直後の粘度の測定結果を表1の「初期粘度(22℃)」の欄に、貯蔵安定試験における粘度の測定結果を表2の「貯蔵安定性試験(25℃)」の「粘度(22℃)」の欄に、外観の観察結果を表2の「貯蔵安定性試験(25℃)」の「外観(目視)」の欄に、それぞれ示す。
得られたポリイミド前駆体組成物を用いて、実施例1と同様にして耐溶剤性試験および耐水性試験を行った。
耐溶剤性の評価結果を表3の「耐溶剤性試験」の欄に、耐水性の評価結果を表3の「耐水性試験」の欄に、それぞれ示す。
(1)ポリイミド前駆体組成物の製造
攪拌機を備えたセパラブルフラスコ(200mL;筒型)に、1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸(11.1g)およびN−メチル−2−ピロリドン(50.0g)を加え、25℃にて10分間撹拌混合した後、スチレンアクリル型ポリアミン(日本触媒社製,ポリメント(R)NK−200PM;不揮発残分 56質量%,アミン価 2.55mmol/g−solid,m=60)(71.6g)を加え、25℃にて2時間撹拌混合し、ポリイミド前駆体の溶液(ポリイミド前駆体組成物)を得た。
(2)粘度測定、貯蔵安定性試験、耐溶剤性試験、耐水性試験
実施例1と同様にして、粘度測定、貯蔵安定性試験、耐溶剤性試験、および耐水性試験を行った。
得られたポリイミド前駆体組成物は、調合1日目には溶液状態を示したが、3日目以降では結晶が析出したため、塗膜の試験は実施しなかった。結果を表1、表2、表3に示す。
比較例2の、ベンゾフラン化合物ではなく、ビニルエーテル化合物を付加したポリイミド前駆体を含むポリイミド前駆体組成物も低粘度で塗工性に優れている。
比較例3の、ポリイミド前駆体の水分散液ではなく、N−メチル−2−ピロリドン溶液としたポリイミド前駆体組成物は、初期粘度は低く塗工性に優れている。しかし、環境負荷が高く、また、コスト的にも不利である。
一方、比較例2の、ベンゾフラン化合物ではなく、ビニルエーテル化合物を付加したポリイミド前駆体を含むポリイミド前駆体組成物は、初期粘度が低く塗工性に優れるものの、製造後期間を経過すると、外観が変化するとともに、粘度が上昇し、塗工性が損なわれる。
また、比較例3の、ポリイミド前駆体の水分散液ではなく、N−メチル−2−ピロリドン溶液としたポリイミド前駆体組成物は、初期粘度が低く塗工性に優れるものの、3日後には結晶が析出してしまい、使用に耐えなくなる。
一方、比較例2の、ベンゾフラン化合物ではなく、ビニルエーテル化合物を付加したポリイミド前駆体を含むポリイミド前駆体組成物は、製造後期間を経過すると、加熱処理して得られたポリイミド樹脂は、耐溶剤性および耐水性が劣るようになる。
また、比較例3の、ポリイミド前駆体の水分散液ではなく、N−メチル−2−ピロリドン溶液としたポリイミド前駆体組成物は、調製3日後には結晶が析出してしまい、使用に耐えなくなるが、調製1日後の組成物を加熱処理して得られたポリイミド樹脂は、耐溶剤性および耐水性に優れる。
Claims (4)
- 下記式(1)で表されるベンゾフラン誘導体と水性媒体とを含有するベンゾフラン誘導体組成物。
- 下記式(1)で表されるベンゾフラン誘導体と、下記式(C)で表されるポリアミンと、水性媒体とを含有するポリイミド前駆体組成物。
- 下記式(A)で表されるベンゾフラン化合物と、下記式(B)で表されるテトラカルボン酸と、水性媒体とを混合し、撹拌するベンゾフラン誘導体組成物製造工程、
前記ベンゾフラン誘導体組成物製造工程で得られたベンゾフラン誘導体と、下記式(C)で表されるポリアミンと、水性媒体とを混合し、撹拌するポリイミド前駆体組成物製造工程、および
前記ポリイミド前駆体製造工程で得られたポリイミド前駆体と水性媒体とを含有するポリイミド前駆体組成物を加熱処理して、硬化させるポリイミド樹脂製造工程
を備えるポリイミド樹脂の製造方法。
- 請求項3に記載の製造方法によって得られるポリイミド樹脂。
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