JP2017201027A - 2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテル類を用いた末端変性イミドオリゴマーとオキシジフタル酸類を用いた芳香族熱可塑性ポリイミドにより作製されたポリイミド樹脂組成物、およびワニス、および耐熱性や機械的特性に優れたポリイミド樹脂組成物成形体、およびプリプレグ、およびその繊維強化複合材料 - Google Patents
2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテル類を用いた末端変性イミドオリゴマーとオキシジフタル酸類を用いた芳香族熱可塑性ポリイミドにより作製されたポリイミド樹脂組成物、およびワニス、および耐熱性や機械的特性に優れたポリイミド樹脂組成物成形体、およびプリプレグ、およびその繊維強化複合材料 Download PDFInfo
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Landscapes
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Abstract
Description
すなわち本発明は、下記一般式(1)で表される末端変性イミドオリゴマーと、下記一般式(2)で表される、オキシジフタル酸類に由来するオキシビスフタルイミド骨格を有する芳香族熱可塑性ポリイミドと、を含むイミド樹脂組成物を提供する。
さらに、本発明は、前記のワニスを加熱硬化してなるイミド樹脂組成物成形体を提供する。また、本発明は、このイミド樹脂組成物成形体をさらに加熱することにより、末端変性イミドオリゴマー成分を高分子量化したイミド樹脂組成物成形体を提供する。
上記一般式(2)において、m’が1未満では、溶剤溶解性の低下や高温状態において優れた溶融流動性が発現されないおそれがある。
アミド酸オリゴマー合成工程では、上記した所定の芳香族ジアミン類を溶剤中に均一に溶解した溶液に、上記した所定の芳香族テトラカルボン酸類を加えて均一に溶解後、約5〜60℃の反応温度で1〜180分程度攪拌し、アミド酸オリゴマーを含む反応溶液を得る。
前記の反応において、全反応工程あるいは一部の反応工程を窒素ガス、アルゴンガスなどの不活性のガスの雰囲気あるいは真空中で行うことが好適である。
本発明のイミド樹脂組成物成形体は、有色透明であることが好ましい。また、本発明のイミド樹脂組成物成形体は、Tgが250℃以上であることが好ましく、引張破断伸びは10%以上であることが好ましい。尚、これらの測定は後述の方法による。
また、上記のようにして得られた本発明の繊維強化積層板は、Tgが250℃以上であることが好ましい。尚、この測定は後述の方法による。
(1)5%重量減少温度測定
熱重量分析装置(TGA、型式:SDT−2960型、TAインスツルメント社製)を用い、窒素気流下、5℃/分の昇温速度により測定した。
示差走査熱量計(DSC、型式:DSC−2010型、TAインスツルメント社製)を用い、窒素気流下、5℃/分の昇温速度により測定した。また、フィルム形状のものは、動的粘弾性測定装置(DMA、型式:RSA−II、Rheometric社製)を用い、昇温速度10℃/分、周波数1Hzにて測定を行い、貯蔵弾性率曲線が低下する前後における2つの接線の交点をガラス転移温度とした。繊維強化複合材料は、動的粘弾性測定装置(DMA、型式:DMA−Q−800型、TAインスツルメント社製)を用い、片持ち梁方式、0.1%のひずみ、1Hzの周波数、窒素気流下、3℃/分の昇温速度により測定した。貯蔵弾性率曲線が低下する前後における2つの接線の交点をガラス転移温度とした。
レオメーター(型式:AR2000型、TAインスツルメント社製)を用い、25mmパラレルプレートで4℃/分の昇温速度により測定した。
テンシロン万能材料試験機(商品名:TENSILON/UTM−II−20、(株)オリエンテック製)を用い、室温にて、引張速度3mm/分で行った。試験片形状は、長さ20mm、幅3mm、厚さ80〜120μmのフィルムとした。
ウベローデ型粘度測定装置を用い、NMP中、30℃にて、種々の樹脂濃度溶液が上下の標線間を通過する時間を測定し、溶媒のみの場合で測定した落下時間とから各濃度における還元粘度を算出した。種々の樹脂溶液濃度に対して、それぞれの還元粘度をそのときの樹脂濃度で割った値をグラフにプロットし、最小二乗法によって作成した近似直線の外装における切片から算出した値を固有粘度値とした。
実体顕微鏡(オリンパス(株)製、SZ−PT型)を用い、室温にて18倍から110倍の拡大倍率にてフィルム表面および内部の観察を行った。
日本分光(株)製、FT/IR−230S型分光計を用いて、室温にて、400cm−1〜4000cm−1の測定範囲にて積算回数32回の条件にて赤外吸収スペクトル測定を行なった。
温度計、攪拌子、窒素導入管を備えた3つ口の2000mLセパラブルフラスコに、2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテル248.52g(0.90mol)、9,9−ビス(4−アミノフェニル)フルオレン34.84g(0.10mol)とN−メチル−2−ピロリドン700mLを加え、溶解後、1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸二無水物174.50g(0.8mol)とN−メチル−2−ピロリドン300mLを入れ、窒素気流下、室温で2.5時間、60℃で1.5時間、さらに室温で1時間重合反応させアミド酸オリゴマーを生成した。この反応溶液に4−(2−フェニルエチニル)無水フタル酸99.29g(0.4mol)を入れ、窒素気流下、室温で12時間反応させ末端変性し、続けて195℃で5時間攪拌しイミド結合させた。
実施例1で得られた末端変性イミドオリゴマー粉末(5.0g)と芳香族熱可塑性ポリイミド粉末(開発品名:YS−20A、上海合成樹脂研究所製)5.0gをNMP40g中で攪拌させることにより完全に溶解させたワニス(ワニス中に含まれる総イミド樹脂含有率は20wt%)を調製した。
なお、前記芳香族熱可塑性ポリイミド(YS−20A)は、3,4’−オキシジフタル酸無水物と4,4’−オキシジアニリンとの組み合わせからなる組成を有し、DSCより求めたTgは270℃、5%重量減少は529℃、固有粘度は0.47dL/gで与えられ、下記一般式(5)において、R’1および、R’2が4,4’−オキシジアニリン残基、R’3が3,4’−オキシジフタル酸無水物残基であり、m’およびn’は、m’≧1、n’=0の関係を満たしていた。
実施例2で作製したワニスの一部を水中に再沈殿した後に、吸引ろ過で回収し、水およびメタノールで洗浄後に、真空オーブン中にて240℃、3時間乾燥を行い、粉末状のイミド樹脂組成物を得た。得られた粉末状のイミド樹脂組成物のDSC測定よりTgは253℃に単一で観測され、また、430℃付近を頂点とする発熱ピークが観測された。最低溶融粘度は2800Pa・s(360℃)であった。
実施例3で得られた粉末状のイミド樹脂組成物の一部を表面平滑性に優れたポリイミドフィルム(商品名:UPILEX−75S、厚さ:75μm、サイズ:15cm角、宇部興産株式会社製)2枚の間に挿入し、370℃で1時間加圧し、冷却後に剥離することにより、赤褐色の透明であるフィルム状イミド樹脂組成物を得た。このフィルム状イミド樹脂組成物の一部を使用したIRスペクトル測定より、末端変性イミドオリゴマーの末端基PEPAに含まれる三重結合の伸縮振動に由来する2210cm−1付近の吸収が消失していたことから、本加圧加熱成形によってフィルム状イミド樹脂組成物中で末端変性イミドオリゴマー成分が熱付加反応により高分子量化していることが示された。DSC測定よりTgは296℃に単一で観測され、また、430℃付近を頂点とする発熱ピークが観測された。DMA測定ではTgは294℃に単一で観測され、5%重量減少温度は517℃に観測され、引張試験より求めた破断伸びは12%であった。顕微鏡観察の結果ではフィルム表面および内部には相構造が観測されず、均一に相溶されていた。
実施例2で作製したワニスの一部を平板上ガラス支持体の上でコーターを用いて流延、塗工し、空気循環式オーブン内にて、250℃、30分乾燥を行った。その後、ガラス基板上の製膜フィルムを剥離して、充分な自己支持性を有しかつ柔軟な薄黄色の透明であるフィルム状イミド樹脂組成物を得た。フィルム状イミド樹脂組成物の膜厚は約50μmであり、DSC測定より求めたTgは253℃に単一で観測された。顕微鏡観察の結果ではフィルム表面および内部には相構造が観測されず、均一に相溶されていた。
実施例5で得られた作製したフィルム状イミド樹脂組成物を表面平滑性に優れたポリイミドフィルム(商品名:UPILEX−75S、宇部興産株式会社製)2枚の間に挿入し、370℃で1時間加圧し、冷却後に剥離することにより、充分な自己支持性を有しかつ柔軟な薄黄色の透明であるフィルム状イミド樹脂組成物を得た。このフィルム状イミド樹脂組成物の一部を使用したIRスペクトル測定より、末端変性イミドオリゴマーの末端基PEPAに含まれる三重結合の伸縮振動に由来する2210cm−1付近の吸収が消失していたことから、本加圧加熱成形によってフィルム状イミド樹脂組成物中で末端変性イミドオリゴマー成分が熱付加反応により高分子量化していることが示された。DSC測定よりTgは296℃に単一で観測され、DMA測定ではTgは294℃に単一で観測され、5%重量減少温度は517℃に観測され、引張試験より求めた破断伸びは8.5%であった。顕微鏡観察の結果ではフィルム表面および内部には相構造が観測されず、均一に相溶されていた。
実施例2で作製したワニスの一部をUPILEX−75Sフィルムの上でコーターを用いて流延、塗工し、空気循環式オーブン内にて、250℃、30分乾燥を行った。その後、連続して370℃、1時間、真空中で加熱を行った。その後、UPILEX−75Sフィルム上から剥離することにより、充分な自己支持性を有しかつ柔軟な赤褐色の透明であるフィルム状イミド樹脂組成物を得た。このフィルム状イミド樹脂組成物の一部を使用したIRスペクトル測定より、末端変性イミドオリゴマーの末端基PEPAに含まれる三重結合の伸縮振動に由来する2210cm−1付近の吸収が消失していたことから、本加圧加熱成形によってフィルム状イミド樹脂組成物中で末端変性イミドオリゴマー成分が熱付加反応により高分子量化していることが示された。DSC測定よりTgは296℃に単一で観測され、DMA測定ではTgは294℃に単一で観測され、5%重量減少温度は517℃に観測され、引張試験より求めた破断伸びは8.7%であった。顕微鏡観察の結果ではフィルム表面および内部には相構造が観測されず、均一に相溶されていた。
実施例2と同じ方法によって作製したイミド樹脂組成物のワニス400gの一部を、あらかじめアセトンにて脱サイジング処理した30cm×30cmの平織材(商品名:べスファイトIM−600 6K、繊維目付195g/m2、密度:1.80g/cm3、東邦テナックス(株)製)に含浸させた。これを乾燥機中、100℃で10分乾燥させてイミドプリプレグを得た。得られたプリプレグ中の樹脂含有割合は38wt%、溶媒含有量は17wt%であった。
30cm×30cmのステンレス板上に、剥離フィルムとしてポリイミドフィルムを置き、その上に実施例9で作製したプリプレグを12枚積層した。さらにポリイミドフィルムとステンレス板を重ね、ホットプレス上、真空条件下、昇温速度5℃/分で260℃まで加熱した。260℃で2時間加熱後、1.3MPaで昇温速度3℃/分で370℃まで昇温し、そのまま370℃で1時間加熱加圧させた。外観や超音波探傷試験、断面観察試験から判断して大きなボイドのない良好な積層板が得られた。得られた積層板のガラス転移温度は、296℃に観測され、繊維体積含有率(Vf)は0.6であり、樹脂含有量は35wt%であった。
実施例9で作製した2枚のポリイミド炭素複合材料の間に、実施例6で作製したフィルム状イミド樹脂組成物を挿入し、プレス機を用いて、280℃、30分、1MPaの条件で加熱、加圧した後に、370℃、1時間、加熱、加圧を行うことで、2枚のポリイミド炭素複合材料が強固に一体化した複合材料構造体を得た。
実施例2と同じ方法によって作製したイミド樹脂組成物のワニス400gの一部を希釈し、あらかじめアセトンにて脱サイジング処理した30cm×30cmの平織材(商品名:べスファイトIM−600 6K、繊維目付195g/m2、密度:1.80g/cm3、東邦テナックス(株)製)に含浸させた。これを乾燥機中、250℃で30分乾燥させてイミドドライプリプレグを得た。得られたプリプレグ中の樹脂含有割合は35wt%であった。
30cm×30cmのステンレス板上に、剥離フィルムとしてポリイミドフィルムを置き、その上に実施例12で作製したプリプレグを12枚積層した。さらにポリイミドフィルムとステンレス板を重ね、ホットプレス上、真空条件下、昇温速度5℃/分で260℃まで加熱した。260℃で2時間加熱後、1.3MPaで昇温速度3℃/分で370℃まで昇温し、そのまま370℃で1時間加熱加圧させた。外観や超音波探傷試験、断面観察試験から判断して大きなボイドのない良好な積層板が得られた。得られた積層板のガラス転移温度は、296℃に観測され、繊維体積含有率(Vf)は0.6であり、樹脂含有量は33wt%であった。
実施例9で作製した2枚のポリイミド炭素複合材料の間に、実施例12で作製したドライプリプレグを挿入し、プレス機を用いて、280℃、30分、1MPaの条件で加熱、加圧した後に、370℃、1時間、加熱、加圧を行うことで、2枚のポリイミド炭素複合材料が強固に一体化した複合材料構造体を得た。
実施例1で得られた末端変性イミドオリゴマー粉末2.0gと芳香族熱可塑性ポリイミド粉末(YS−20A、DSCより求めたTgは270℃、5%重量減少は529℃、固有粘度は0.47dL/g)8.0gとをNMP40g中で攪拌させることにより完全に溶解させたワニス(ワニス中に含まれる総イミド樹脂含有率は20wt%)を調製した。
実施例2で作製したワニスの一部を水中に再沈殿した後に、吸引ろ過で回収し、水およびメタノールで洗浄後に、真空オーブン中にて240℃、3時間乾燥を行い、粉末状のイミド樹脂組成物を得た。DSC測定よりTgは240℃に単一で観測され、また、430℃付近を頂点とする発熱ピークが観測された。
実施例15で得られた粉末状のイミド樹脂組成物の一部を表面平滑性に優れたポリイミドフィルム(宇部興産株式会社製、商品名:UPILEX−75S、厚さ:75μm、サイズ:15cm角)2枚の間に挿入し、370℃で1時間加圧し、冷却後に剥離することにより、十分な自己支持性を有しかつ柔軟な赤褐色の透明であるフィルム状イミド樹脂組成物を得た。このフィルム状イミド樹脂組成物の一部を使用したIRスペクトル測定より、末端変性イミドオリゴマーの末端基PEPAに含まれる三重結合の伸縮振動に由来する2210cm−1付近の吸収が消失していたことから、本加圧加熱成形によってフィルム状イミド樹脂組成物中で末端変性イミドオリゴマー成分が熱付加反応により高分子量化していることが示された。DSC測定よりTgは280℃に単一で観測され、また、430℃付近を頂点とする発熱ピークが観測された。DMA測定ではTgは277℃に単一で観測され、5%重量減少温度は535℃に観測され、引張試験より求めた破断伸びは11.3%であった。顕微鏡観察の結果ではフィルム表面および内部には相構造が観測されず、均一に相溶されていた。
実施例14で作製したワニスの一部を平板上ガラス支持体の上でコーターを用いて流延、塗工し、空気循環式オーブン内にて、250℃、30分乾燥を行った。その後、ガラス基板上の製膜フィルムを剥離して、充分な自己支持性を有しかつ柔軟な薄黄色の透明であるフィルム状イミド樹脂組成物を得た。フィルム状イミド樹脂組成物の膜厚は約50μmであり、DSC測定よりTgは240℃に単一で観測され、また、430℃付近を頂点とする発熱ピークが観測された。DMA測定ではTgは231℃に単一で観測された。顕微鏡観察の結果ではフィルム表面および内部には相構造が観測されず、均一に相溶されていた。
実施例17で作製したフィルム状イミド樹脂組成物を表面平滑性に優れたポリイミドフィルム(宇部興産株式会社製、商品名:UPILEX−75S)2枚の間に挿入し、370℃で1時間加圧し、冷却後に剥離することにより、充分な自己支持性を有しかつ柔軟な赤褐色の透明であるフィルム状イミド樹脂組成物を得た。このフィルム状イミド樹脂組成物の一部を使用したIRスペクトル測定より、末端変性イミドオリゴマーの末端基PEPAに含まれる三重結合の伸縮振動に由来する2210cm−1付近の吸収が消失していたことから、本加圧加熱成形によってフィルム状イミド樹脂組成物中で末端変性イミドオリゴマー成分が熱付加反応により高分子量化していることが示された。DSC測定よりTgは280℃に単一で観測され、DMA測定ではTgは277℃に単一で観測され、5%重量減少温度は535℃に観測され、引張試験より求めた破断伸びは11.5%であった。顕微鏡観察の結果ではフィルム表面および内部には相構造が観測されず、均一に相溶されていた。
温度計、攪拌子、窒素導入管を備えた3つ口の100mLフラスコに、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル2.0024g(10mmol)とN−メチル−2−ピロリドン9.3mLを加え、溶解後、1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸二無水物1.7450g(8mmol)を入れ、窒素気流下、室温で2.5時間、60℃で1.5時間、さらに室温で1時間重合反応させアミド酸オリゴマーを生成した。この反応溶液に4−(2−フェニルエチニル)無水フタル酸0.9929g(4mmol)を入れ、窒素気流下、室温で12時間反応させ末端変性し、続けて195℃で5時間攪拌しイミド結合させた。イミド化反応中にイミドオリゴマーの析出が見られた。
冷却後、反応液を900mLのイオン交換水に投入し、析出した粉末を濾別した。80mLのメタノールで30分洗浄し、濾別して得られた粉末を130℃で1日間減圧乾燥し、生成物を得た。
得られた末端変性イミドオリゴマーは、下記一般式(6)において、R1およびR2が4,4’−オキシジアニリン残基であり、平均としてm=4、n=0である。
実施例1で得られた末端変性イミドオリゴマー粉末(5.0g)と上海合成樹脂研究所より入手した芳香族熱可塑性ポリイミド粉末(開発品名:YS−20、4,4’−オキシジフタル酸無水物と4,4‘−オキシジアニリンとの組み合わせからなる組成を有し、DSCより求めたTgは250℃、5%重量減少は529℃、固有粘度は0.6dL/gで与えられ、下記一般式(7)において、R’1およびR’2が4,4’−オキシジアニリン残基であり、R’3が4,4’−オキシジフタル酸無水物残基であり、m’およびn’は、m’≧1、n’=0の関係を満たす)5.0gをNMP40g中で加熱攪拌させたが、完全に溶解されなかった。
温度計、攪拌子、窒素導入管を備えた3つ口の100mLフラスコに、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル4.0048g(20mmol)とNMP70mLを加え、溶解後、4,4’−オキシジフタル酸無水物6.2044g(20mmol)を加えて窒素気流下、室温で6時間重合反応させ、沈殿物の無いポリアミド酸オリゴマーの溶液(溶液中のポリアミド酸の重量含有率:12.5wt%)を作製した。
実施例19で作製したフィルム状イミド樹脂組成物をオーブン中で、真空下、300℃で30分、 350℃で30分、 370℃で30分ずつ連続的に熱処理を行い、充分な自己支持性を有しかつ柔軟なフィルム状イミド樹脂組成物を得た。このフィルム状イミド樹脂組成物の一部を使用したIRスペクトル測定より、末端変性イミドオリゴマーの末端基PEPAに含まれる三重結合の伸縮振動に由来する2210cm−1付近の吸収が消失していたことから、本熱処理によってフィルム状イミド樹脂組成物中で末端変性イミドオリゴマー成分が熱付加反応により高分子量化していることが示された。DSC測定よりTgは310℃に単一で観測され、DMA測定ではTgは305℃に単一で観測され、5%重量減少温度は535℃に観測され、引張試験より求めた破断伸びは10%であった。
温度計、攪拌子、窒素導入管を備えた3つ口の100mLフラスコに、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル2.0024g(10mmol)とN−メチル−2−ピロリドン16.2mlを加え、溶解後、1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸二無水物2.1813g(10mmol)を入れ、窒素気流下、室温で2.5時間、60℃で1.5時間、さらに室温で1時間重合反応させ、沈殿物の無いポリアミド酸オリゴマーの溶液(溶液中のポリアミド酸の重量含有率:20.0wt%)を作製した。
Claims (18)
- 下記一般式(1)で表される末端変性イミドオリゴマーおよび下記一般式(2)で表わされ、オキシビスフタルイミド骨格を有する芳香族熱可塑性ポリイミドのどちらかまたは両方の前駆体を、アミド酸基を含む状態で有機溶剤に溶解させることを特徴とするワニスの製造方法。
- 前記末端変性イミドオリゴマーが、一般式(1)におけるm個のR5とn個のR6のうち、一部が1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸類の4価残基を表し、残部が3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸類の4価残基を表す化合物である請求項1に記載のワニスの製造方法。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の製造方法で得られたワニス中に含まれる有機溶剤を除去することを特徴とする粉末状イミド樹脂組成物の製造方法。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の製造方法で得られたワニスを支持体上に塗工し、前記ワニスに含まれる有機溶剤を除去することを特徴とする、フィルム状の形態を有するイミド樹脂組成物成形体の製造方法。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の製造方法で得られたワニスを加熱硬化することを特徴とするイミド樹脂組成物成形体の製造方法。
- 請求項6に記載の製造方法で得られた粉末状イミド樹脂組成物を溶融させた状態でさらに加熱することにより、末端変性イミドオリゴマー成分を高分子量化することを特徴とするイミド樹脂組成物成形体の製造方法。
- 請求項7に記載の製造方法で得られたフィルム状の形態を有するイミド樹脂組成物成形体を溶融させた状態でさらに加熱することにより、末端変性イミドオリゴマー成分を高分子量化することを特徴とするイミド樹脂組成物成形体の製造方法。
- 前記イミド樹脂組成物成形体が有色透明のイミド樹脂組成物成形体である請求項7〜10のいずれか1項に記載のイミド樹脂組成物成形体の製造方法。
- 前記イミド樹脂組成物成形体のガラス転移温度(Tg)が250℃以上である請求項7〜11のいずれか1項に記載のイミド樹脂組成物成形体の製造方法。
- 前記イミド樹脂組成物成形体の引張破断伸びが10%以上である、請求項7〜12のいずれか1項に記載のイミド樹脂組成物成形体の製造方法。
- 請求項7に記載の製造方法で得られたフィルム状の形態を有するイミド樹脂組成物成形体を繊維強化複合材料同士の間または繊維強化複合材料と異種材料との間に挿入し、加熱溶融して一体化することを特徴とする繊維強化複合材料構造体の製造方法。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の製造方法で得られたワニスを繊維に含浸させて、乾燥させることを特徴とするイミドプリプレグの製造方法。
- 請求項15に記載の製造方法で得られたイミドプリプレグを繊維強化複合材料同士の間または繊維強化複合材料と異種材料との間に挿入し、加熱溶融して一体化することを特徴とする繊維強化複合材料構造体の製造方法。
- 請求項15に記載の製造方法で得られたイミドプリプレグを複数積層し、加熱硬化することを特徴とする繊維強化複合材料の製造方法。
- 前記繊維強化複合材料のガラス転移温度(Tg)が250℃以上である請求項17に記載の繊維強化複合材料の製造方法。
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