JP2019127535A - ポリイミド前駆体溶液、成形体、及び、成形体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献2には、水性溶剤に樹脂粒子が分散された樹脂粒子分散液中で、有機アミン化合物の存在下、テトラカルボン酸二無水物とジアミン化合物とを重合してポリイミド前駆体を形成する樹脂粒子分散ポリイミド前駆体溶液の製造方法と、それを用いたポリイミドフィルムが記載されている。
特許文献4には、ポリイミド等の耐熱性樹脂、ポリオキシアルキレン樹脂を含有する加熱消滅性樹脂粒子、及び、溶媒を混合し、フィルム用樹脂組成物を調製する工程、フィルム用樹脂組成物を製膜する工程、及び、製膜されたフィルム用樹脂組成物を加熱する工程を有する多孔質樹脂フィルムの製造方法が記載されている。
特許文献6には、熱可塑性ポリイミドを発泡させた発泡体基板が記載されている。
特許文献8には、絶縁層が、ポリイミド等の合成樹脂を主成分とするマトリックスと、マトリックス中に分散する複数のフィラー及び複数の空孔とを有し、貯蔵弾性率が3.0GPa以上である絶縁電線が記載されている。
<3> 前記無機粒子が、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、及び酸化ベリリウムからなる群から選ばれる少なくとも1種である<2>に記載のポリイミド前駆体溶液。
式1 Vr1>εi−3.4
(ただし、前記Vr1は、樹脂粒子の体積(Vp)/無機粒子の体積(Vi)で表される値である。)
<6> 前記有機アミン化合物が、3級アミン化合物である<5>に記載のポリイミド前駆体溶液。
<7> 前記有機アミン化合物が、2−ジメチルアミノエタノール、2−ジエチルアミノエタノール、2−ジメチルアミノプロパノール、ピリジン、トリエチルアミン、ピコリン、N−メチルモルホリン、N−エチルモルホリン、1,2−ジメチルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾール、N−メチルピペリジン、及びN−エチルピペリジンからなる群から選択される少なくとも1種である<5>又は<6>に記載のポリイミド前駆体溶液。
<10> 前記ポリイミド樹脂以外の樹脂の含有量が、前記多孔質ポリイミドフィルムの全体に対して、0.005質量%以上1.0質量%以下である<8>又は<9>に記載の成形体。
式2 Vr2>εi−3.4
(ただし、前記Vr2は、空孔の体積(Vv)/無機フィラーの体積(Vi)で表される値である。)
<13> 前記有機アミン化合物が、3級アミン化合物である<12>に記載の成形体。
<14> 前記有機アミン化合物が、2−ジメチルアミノエタノール、2−ジエチルアミノエタノール、2−ジメチルアミノプロパノール、ピリジン、トリエチルアミン、ピコリン、N−メチルモルホリン、N−エチルモルホリン、1,2−ジメチルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾール、N−メチルピペリジン、及びN−エチルピペリジンからなる群から選択される少なくとも1種である<12>又は<13>に記載の成形体。
<15> 前記有機アミン化合物の含有量が、前記多孔質ポリイミドフィルムの全体に対し0.001質量%以上である<12>〜<14>のいずれか1項に記載の成形体。
<16> 前記有機アミン化合物の含有量が、前記多孔質ポリイミドフィルムの全体に対し0.005質量%以上1.0質量%以下である<15>に記載の成形体。
前記被膜を加熱して、前記ポリイミド前駆体をイミド化してポリイミドフィルムを形成する第2の工程であって、前記樹脂粒子を除去する処理を含む第2の工程と、
を有する<8>〜<16>のいずれか1項に記載の前記多孔質ポリイミドフィルムを備える成形体の製造方法。
<18> 前記樹脂粒子の除去が、加熱のみで行う<17>に記載の成形体の製造方法。
<4>に係る発明によれば、Vr1≦εi−3.4である場合に比べ、比誘電率の上昇を抑制し、熱伝導性が向上している多孔質ポリイミドフィルムを少なくとも1層有する成形体が得られるポリイミド前駆体溶液が提供される。
<5>、<6>、<7>に係る発明によれば、ポリイミド前駆体溶液が、ポリイミド前駆体、架橋構造の樹脂粒子、N−メチルピロリドン、及び無機粒子のみを含むポリイミド前駆体溶液である場合に比べ、比誘電率の上昇を抑制し、熱伝導性が向上している多孔質ポリイミドフィルムを少なくとも1層有する成形体が得られるポリイミド前駆体溶液が提供される。
<10>に係る発明によれば、多孔質ポリイミドフィルムが、ポリイミド以外の樹脂粒子、及び有機アミン化合物のみ含む場合に比べ、ポリイミド樹脂以外の樹脂の含有量が、多孔質ポリイミドフィルムの全体に対して0.005質量%以上1.0質量%以下であっても、比誘電率の上昇を抑制し、熱伝導性が向上している多孔質ポリイミドフィルムを少なくとも1層有する成形体が提供される。
本実施形態に係るポリイミド前駆体溶液は、水を含む水性溶剤、前記水性溶剤に溶解しない樹脂粒子、無機粒子、及びポリイミド前駆体を含有する。
ここで、本明細書中において、「溶解しない」とは、25℃において、対象物質が対象液体に対して3質量%以下の範囲内で溶解することも含む。
本実施形態に係るポリイミド前駆体溶液の製造方法は、以下の方法が挙げられる。
まず、水性溶剤に、樹脂粒子が分散された樹脂粒子分散液を準備する。その後、前記樹脂粒子分散液中に、無機粒子を分散させた後、例えば、有機アミン化合物の存在下、テトラカルボン酸二無水物とジアミン化合物とを重合してポリイミド前駆体を形成する。以下、有機アミン化合物存在下で反応させる場合について説明する。
本実施形態のポリイミド前駆体溶液は、樹脂粒子分散液の作製からポリイミド前駆体溶液の作製まで、一つの系内(例えば、一つの容器内)で得られるため、ポリイミド前駆体溶液を製造する工程が簡略化される。また、樹脂粒子を乾燥、取出しを行うことなく取り扱えるため、乾燥時の凝集を防ぐことが可能となる。この点で、樹脂粒子、及び、無機粒子を水系溶剤中に予め分散させた粒子分散液中で、ポリイミド前駆体を形成することが好ましい。
樹脂粒子分散液準備工程は、水性溶剤に、樹脂粒子が分散している樹脂粒子分散液が得られるのであれば、その方法は特に限定されない。
例えば、ポリイミド前駆体溶液に溶解しない樹脂粒子、樹脂粒子分散液用の水性溶剤、をそれぞれ計量し、これらを混合、攪拌して得る方法が挙げられる。樹脂粒子と水性溶剤とを混合、攪拌する方法は特に制限されない。例えば、水性溶剤を攪拌しながら樹脂粒子を混合する方法などが挙げられる。また、樹脂粒子の分散性を高める点で、例えば、イオン性界面活性剤と非イオン性界面活性剤との少なくとも一方を混合してもよい。
無機粒子分散工程は、水性溶剤に、樹脂粒子が分散している樹脂粒子分散液中で、無機粒子が分散している分散液が得られる(すなわち、樹脂粒子及び無機粒子が分散している分散液が得られる)のであれば、その方法は特に限定されない。
次に、樹脂粒子及び無機粒子を分散させた分散液中で、例えば、有機アミン化合物の存在下、テトラカルボン酸二無水物とジアミン化合物とを重合して樹脂(ポリイミド前駆体)を生成してポリイミド前駆体溶液を得る。
この方法によれば、水性溶剤を適用するため、生産性も高く、ポリイミド前駆体溶液が1段階で製造される点で工程の簡略化の点で有利である。
水性溶剤は、樹脂粒子及び無機粒子分散液中で、テトラカルボン酸二無水物とジアミン化合物とを重合する際に、樹脂粒子及び無機粒子分散液の作製に用いた樹脂粒子及び無機粒子分散液中の水性溶剤をそのまま利用してもよい。また、テトラカルボン酸二無水物とジアミン化合物とを重合する際に、水性溶剤を重合に適するように調製してもよい。
上記水溶性の有機溶剤としては、後述の樹脂粒子が溶解しないものが好ましい。この理由は、例えば、水と水溶性の有機溶剤とを含む水性溶剤とした場合に、樹脂粒子分散液中で樹脂粒子を溶解していなくても、製膜の過程で樹脂粒子が溶解してしまう懸念があるためであるが、製膜の過程で樹脂粒子の溶解、膨潤が抑制できる範囲で使用してもよい。
樹脂粒子としては、水性溶剤に溶解せず、ポリイミド前駆体溶液に溶解しないものであれば、特に限定されないが、ポリイミド以外の樹脂からなる樹脂粒子である。例えば、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂等の重合性単量体を重縮合して得られた樹脂粒子、ビニル樹脂、オレフィン樹脂、フッ素樹脂等の重合性単量体をラジカル重合して得られた樹脂粒子が挙げられる。ラジカル重合して得られた樹脂粒子としては、(メタ)アクリル樹脂、(メタ)アクリル酸エステル樹脂、スチレン・(メタ)アクリル樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリエチレン樹脂の樹脂粒子等が挙げられる。
これらの中でも、樹脂粒子としては、(メタ)アクリル樹脂、(メタ)アクリル酸エステル樹脂、スチレン・(メタ)アクリル樹脂、及びポリスチレン樹脂からなる群から選択される少なくとも一つであることが好ましい。
なお、本実施形態において、「(メタ)アクリル」とは、「アクリル」および「メタクリル」のいずれをも含むことを意味するものである。
その他の単量体として、酢酸ビニルなどの単官能単量体、エチレングリコールジメタクリレート、ノナンジアクリレート、デカンジオールジアクリレートなどの二官能単量体、トリメチロールプロパントリアクリレート、トリメチロールプロパントリメタクリレート等の多官能単量体を併用してもよい。
また、ビニル樹脂は、これらの単量体を単独で用いた樹脂でもよいし、2種以上の単量体を用いた共重合体である樹脂であってもよい。
具体的には、例えば、p−スチレンスルホン酸、4−ビニルベンゼンスルホン酸等のスルホン酸基を有する単量体;4−ビニルジヒドロケイヒ酸、4−ビニルフェノール、4−ヒドロキシ−3−メトキシ−1−プロペニルベンゼン等のフェノール性水酸基を有する単量体;アクリル酸、クロトン酸、メタクリル酸、3−メチルクロトン酸、フマル酸、マレイン酸、2−メチルイソクロトン酸、2,4−ヘキサジエン二酸、2−ペンテン酸、ソルビン酸、シトラコン酸、2−ヘキセン酸、フマル酸モノエチル等のカルボキシ基を有する単量体;及びそれらの塩;が挙げられる。これら酸性基を有する単量体は、酸性基を有さない単量体と混合して重合してもよいし、酸性基を有さない単量体を重合、粒子化した後に、表面に酸性基を有する単量体を重合してもよい。また、これらの単量体は1種単独、又は2種以上を併用してもよい。
つまり、表面に酸性基を有する樹脂粒子は、アクリル酸、クロトン酸、メタクリル酸、3−メチルクロトン酸、フマル酸、マレイン酸、2−メチルイソクロトン酸、2,4−ヘキサジエン二酸、2−ペンテン酸、ソルビン酸、シトラコン酸、2−ヘキセン酸、フマル酸モノエチル等、及びそれらの塩からなる群から選ばれる少なくとも一つのカルボキシ基を有する単量体に由来する骨格を持つことが好ましい。
一方、酸性基を有さない単量体を乳化重合した後に、さらに酸性基を有する単量体を追加して、重合する場合、上記と同様の点で、酸性基を有する単量体の量は、単量体全体の0.01質量%以上10質量%以下が好ましく、0.05質量%以上7質量%以下がより好ましく、0.07質量%以上5質量%以下であることが特に好ましい。
なお、樹脂粒子の平均粒径は、レーザ回折式粒度分布測定装置(例えば、既述のコールターカウンターLS13、ベックマン・コールター社製)の測定によって得られた粒度分布を用い、分割された粒度範囲(チャンネル)に対し、体積について小粒径側から累積分布を引き、全粒子に対して累積50%となる粒径を体積平均粒径D50vとして測定される。
また、架橋されていない樹脂粒子としては、ポリメタクリル酸メチル(MB−シリーズ、積水化成品工業社製)、(メタ)アクリル酸エステル・スチレン共重合体(FS−シリーズ:日本ペイント社製)等が挙げられる。
無機粒子は、特に限定されるものではないが、熱伝導性を有する無機粒子であることがよい。これらの中でも、多孔質ポリイミドフィルムの比誘電率の上昇を抑制し、熱伝導性が向上しやすくなる点で、金属窒化物、金属炭化物、及び金属酸化物からなる群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。なお、熱伝導性を有する無機粒子は、熱伝導率が1W/(m・K)以上である無機粒子を意味する。
なお、無機粒子の体積平均粒径は、前述の樹脂粒子の体積平均粒径の測定方法と同様の方法で測定される。
無機粒子の比誘電率をεi、無機粒子及び樹脂粒子の体積比をVr1としたときに、比誘電率εiと、体積比Vr1との関係が、下記式1を満足することが好ましい。
式1 Vr1>εi−3.4
(ただし、Vr1は、樹脂粒子の体積(Vp)/無機粒子の体積(Vi)で表される値である。)
ポリイミド前駆体は、テトラカルボン酸二無水物とジアミン化合物とを重合して得られる。具体的には、ポリイミド前駆体一般式(I)で表される繰り返し単位を有する樹脂(ポリアミック酸)である。
一方、Bが表す2価の有機基としては、原料となるジアミン化合物から2つのアミノ基を除いたその残基である。
また、2種以上を組み合わせて併用する場合、芳香族テトラカルボン酸二無水物、又は脂肪族テトラカルボン酸を各々併用しても、芳香族テトラカルボン酸二無水物と脂肪族テトラカルボン酸二無水物とを組み合わせてもよい。
ポリイミド前駆体の数平均分子量を上記範囲とすると、ポリイミド前駆体の溶剤に対する溶解性の低下が抑制され、製膜性が確保され易くなる。
・カラム:東ソーTSKgelα−M(7.8mm I.D×30cm)
・溶離液:DMF(ジメチルホルムアミド)/30mMLiBr/60mMリン酸
・流速:0.6mL/min
・注入量:60μL
・検出器:RI(示差屈折率検出器)
有機アミン化合物は、ポリイミド前駆体(そのカルボキシ基)をアミン塩化して、その水性溶剤に対する溶解性を高めると共に、イミド化促進剤としても機能する化合物である。具体的には、有機アミン化合物は、分子量170以下のアミン化合物であることがよい。有機アミン化合物は、ポリイミド前駆体の原料となるジアミン化合物を除く化合物であることがよい。
なお、有機アミン化合物は、水溶性の化合物であることがよい。水溶性とは、25℃において、対象物質が水に対して1質量%以上溶解することを意味する。
これらの中でも、有機アミン化合物としては、2級アミン化合物、及び3級アミン化合物から選択される少なくとも一種(特に、3級アミン化合物)がよい。有機アミン化合物として、3級アミン化合物又は2級アミン化合物を適用すると(特に、3級アミン化合物)、ポリイミド前駆体の溶剤に対する溶解性が高まり易くなり、製膜性が向上し易くなり、また、ポリイミド前駆体溶液の保存安定性が向上し易くなる。
2級アミン化合物としては、例えば、ジメチルアミン、2−(メチルアミノ)エタノール、2−(エチルアミノ)エタノール、モルホリンなどが挙げられる。
3級アミン化合物としては、例えば、2−ジメチルアミノエタノール、2−ジエチルアミノエタノール、2−ジメチルアミノプロパノール、ピリジン、トリエチルアミン、ピコリン、N−メチルモルホリン、N−エチルモルホリン、1,2−ジメチルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾールなどが挙げられる。
ポリイミド前駆体溶液のポットライフ、フィルム膜厚均一性の観点で、3級アミン化合物が好ましい。この点で、2−ジメチルアミノエタノール、2−ジエチルアミノエタノール、2−ジメチルアミノプロパノール、ピリジン、トリエチルアミン、ピコリン、N−メチルモルホリン、N−エチルモルホリン、1,2−ジメチルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾール、N−メチルピペリジン、N−エチルピペリジンからなる群から選択される少なくとも1種であることがより好ましい。
有機アミン化合物の含有量を上記範囲とすると、ポリイミド前駆体の溶剤に対する溶解性が高まり易くなり、製膜性が向上し易くなる。また、ポリイミド前駆体溶液の保存安定性も向上し易くなる。
本実施形態に係る本実施形態のポリイミド前駆体溶液の製造方法において、ポリイミド前駆体溶液には、イミド化反応促進のための触媒や、製膜品質向上のためのレベリング材などを含んでもよい。
イミド化反応促進のための触媒には、酸無水物など脱水剤、フェノール誘導体、スルホン酸誘導体、安息香酸誘導体などの酸触媒などを使用してもよい。
樹脂粒子及び無機粒子含有ポリイミドフィルムは、本実施形態に係るポリイミド前駆体溶液を塗布して塗膜を形成した後、塗膜を加熱することで得られる。
なお、樹脂粒子及び無機粒子含有ポリイミドフィルムは、樹脂粒子及び無機粒子含み、イミド化が完了したポリイミドフィルムのみならず、樹脂粒子及び無機粒子含み、イミド化が完了する前の部分的にイミド化されたポリイミドフィルムも含む。
まず、上述の樹脂粒子を分散させたポリイミド前駆体溶液(樹脂粒子及び無機粒子分散ポリイミド前駆体溶液)を準備する。次に、樹脂粒子及び無機粒子分散ポリイミド前駆体溶液を基板上に塗布し、塗膜を形成する。
基板としては、例えば、樹脂製基板;ガラス製基板;セラミック製基板;金属基板;これらの材料が組み合わされた複合材料基板が挙げられる。なお、基板は、剥離処理が施された剥離層を備えていてもよい。
また、樹脂粒子及び無機粒子分散ポリイミド前駆体溶液を基板に塗布する方法としては、特に制限はなく、例えば、スプレー塗布、回転塗布法、ロール塗布法、バー塗布法、スリットダイ塗布法、インクジェット塗布法等の各種の方法が挙げられる。
次に、上記の塗膜形成工程で得られた塗膜に対して、乾燥処理を行う。この乾燥処理により、被膜(乾燥したイミド化前の被膜)を形成する。
乾燥処理の加熱条件は、例えば80℃以上200℃以下の温度で10分間以上60分間以下がよく、温度が高いほど加熱時間は短くてよい。加熱の際、熱風を当てることも有効である。加熱のときは、温度を段階的に上昇させてもよく、速度を変化させずに上昇させてもよい。
イミド化処理の加熱条件としては、例えば150℃以上450℃以下(好ましくは200℃以上430℃以下)で、20分間以上60分間以下加熱することで、イミド化反応が起こり、ポリイミドフィルムが形成される。加熱反応の際、加熱の最終温度に達する前に、温度を段階的、又は一定速度で徐々に上昇させて加熱することがよい。
本実施形態に係る多孔質ポリイミドフィルムの製造方法は、本実施形態に係るポリイミド前駆体溶液を塗布して塗膜を形成した後、前記塗膜を乾燥して、前記ポリイミド前駆体前記樹脂粒子及び前記無機粒子を含む被膜を形成する第1の工程と、前記被膜を加熱して、前記ポリイミド前駆体をイミド化してポリイミドフィルムを形成する第2の工程であって、前記樹脂粒子を除去する処理を含む第2の工程と、を有する。
第1の工程は、まず、水性溶剤と樹脂粒子と無機粒子を含むポリイミド前駆体溶液(樹脂粒子及び無機粒子分散ポリイミド前駆体溶液)を準備する。次に、基板上に、樹脂粒子及び無機粒子分散ポリイミド前駆体溶液を塗布し、ポリイミド前駆体溶液と、前記樹脂粒子と、前記無機粒子とを含む塗膜を形成する。そして、基板上に形成された塗膜を乾燥して、ポリイミド前駆体、前記樹脂粒子、及び前記粒子を含む被膜を形成する。
第2の工程は、第1の工程で得られたポリイミド前駆体、樹脂粒子及び無機粒子を含む被膜を加熱して、ポリイミド前駆体をイミド化してポリイミドフィルムを形成する工程である。そして、第2の工程には、樹脂粒子を除去する処理を含んでいる。樹脂粒子を除去する処理を経て、多孔質ポリイミドフィルムが得られる。
なお、本実施形態において、ポリイミド前駆体をイミド化する過程とは、第1の工程で得られたポリイミド前駆体及び樹脂粒子を含む被膜を加熱して、イミド化を進行させ、イミド化が完了した後のポリイミドフィルムとなるよりも前の状態となる過程を示す。
ポリイミド膜中のポリイミド前駆体のイミド化率が10%未満であるとき(すなわち、ポリイミド膜が水に溶解できる状態)に樹脂粒子を露出させる処理を行う場合、上記のポリイミド膜中に埋没している樹脂粒子を露出させる処理としては、拭き取る処理、水に浸漬する処理等が挙げられる。
例えば、機械的に切削する場合には、ポリイミド膜に埋没している樹脂粒子の上部の領域(つまり、樹脂粒子の基板から離れた側の領域)に存在する樹脂粒子の一部分が、樹脂粒子の上部に存在しているポリイミド膜とともに切削され、切削された樹脂粒子がポリイミド膜の表面から露出される。
なお、ガス分離膜のように表面に開孔していないスキン層を持つことが好ましく、この場合には樹脂粒子を露出させる処理は行わないことがよい。
一部がイミド化したポリイミド前駆体は、例えば、下記一般式(I−1)、下記一般式(I−2)、及び下記一般式(I−3)で表される繰り返し単位を有する構造の前駆体が挙げられる。
・ポリイミド前駆体試料の作製
(i)測定対象となるポリイミド前駆体組成物を、シリコーンウェハー上に、膜厚1μm以上10μm以下の範囲で塗布して、塗膜試料を作製する。
(ii)塗膜試料をテトラヒドロフラン(THF)中に20分間浸漬させて、塗膜試料中の溶媒をテトラヒドロフラン(THF)に置換する。浸漬させる溶媒は、THFに限定されることなく、ポリイミド前駆体を溶解せず、ポリイミド前駆体組成物に含まれている溶媒成分と混和し得る溶媒より選択できる。具体的には、メタノール、エタノールなどのアルコール溶媒、ジオキサンなどのエーテル化合物が使用できる。
(iii)塗膜試料を、THF中より取り出し、塗膜試料表面に付着しているTHFにN2ガスを吹き付け、取り除く。10mmHg以下の減圧下、5℃以上25℃以下の範囲にて12時間以上処理して塗膜試料を乾燥させ、ポリイミド前駆体試料を作製する。
(iv)上記(i)と同様に、測定対象となるポリイミド前駆体組成物をシリコーンウェハー上に塗布して、塗膜試料を作製する。
(v)塗膜試料を380℃にて60分間加熱してイミド化反応を行い、100%イミド化標準試料を作製する。
(vi)フーリエ変換赤外分光光度計(堀場製作所製FT−730)を用いて、100%イミド化標準試料、ポリイミド前駆体試料の赤外吸光スペクトルを測定する。100%イミド化標準試料の1500cm−1付近の芳香環由来吸光ピーク(Ab’(1500cm−1))に対する、1780cm−1付近のイミド結合由来の吸光ピーク(Ab’(1780cm−1))の比I’(100)を求める。
(vii)同様にして、ポリイミド前駆体試料について測定を行い、1500cm−1付近の芳香環由来吸光ピーク(Ab(1500cm−1))に対する、1780cm−1付近のイミド結合由来の吸光ピーク(Ab(1780cm−1))の比I(x)を求める。
・式: ポリイミド前駆体のイミド化率=I(x)/I’(100)
・式: I’(100)=(Ab’(1780cm−1))/(Ab’(1500cm−1))
・式: I(x)=(Ab(1780cm−1))/(Ab(1500cm−1))
以下、多孔質ポリイミドフィルムについて説明する。
なお、多孔質ポリイミドフィルムに含有する有機アミン化合物の量は、例えば、前述の多孔質ポリイミドフィルムの製造工程の第1工程における有機アミン化合物の使用量、第2工程における加熱温度の温度などによって制御し得る。
多孔質ポリイミドフィルムに含有するポリイミド樹脂以外の樹脂の存在状態は、特に限定されない。例えば、多孔質ポリイミドフィルムの内部、多孔質ポリイミドフィルムの表面(多孔質ポリイミドフィルムの空孔の表面を含む)の少なくとも一方に存在していればよい。
多孔質ポリイミドフィルム中の有機アミン化合物及びポリイミド以外の樹脂の存在、並びにそれらの含有量は、例えば、熱分解ガスクロマトグラフ質量分析(GC−MS)によって検出される成分を、分析および定量することで測定することができる。具体的には、以下のように測定する。
多孔質ポリイミドフィルム中の含有成分を、落下型の熱分解装置(フロンティアラボ社製:PY−2020D)を設置したガスクロマトグラフ質量分析計(島津社製GCMS QP−2010)により分析する。
有機アミン化合物は、多孔質ポリイミドフィルムの0.40mgを精確に秤量し、熱分解温度400℃で測定する。
ポリイミド以外の樹脂の成分については、多孔質ポリイミドフィルム0.20mgを精確に秤量し、熱分解温度600℃で測定する。ポリイミド以外の樹脂については、熱分解温度400℃と熱分解温度600℃のクロマトグラムを比較し、例えば、ポリスチレンの解重合によるスチレンモノマーが熱分解温度400℃よりも熱分解温度600℃で多く検出されることでポリマー由来であることを確認できる。
熱分解装置:フロンティアラボ社製:PY−2020D
ガスクロマトグラフ質量分析計:島津社製GCMS QP−2010
熱分解温度:400℃、600℃
ガスクロマト導入温度:280℃
Inject方法:スプリット比1:50
カラム:フロンティアラボ社製:Ultra ALLOY−5,0.25μm、0.25μm ID、30m
ガスクロマト温度プログラム:40℃→20℃/min→280℃・10min保持
マスレンジ:EI、m/z=29−600(ポリイミド樹脂以外の樹脂の含有量)
球状の空孔を備える。空孔は、空孔どうしが互いに連結されて連なった形状、及び空孔どうしが個々に独立した形状のいずれでもよいが、空孔どうしが個々に独立した形状であることがよい。空孔径の平均値は、0.05μm以上2.5μm以下であることがよく、0.1μm以上2.0μm以下であることが好ましく、0.15μm以上1.5μm以下であることがより好ましい。空孔径は、ポリイミド前駆体溶液に含有させる粒子径によって制御し得る。
式2 Vr2>εi−3.4
(ただし、Vr2は、空孔の体積(Vv)/無機フィラーの体積(Vi)で表される値である。)
多孔質ポリイミドフィルムが適用される用途としては、具体的には、例えば、リチウム電池等の電池セパレータ;電解コンデンサー用のセパレータ;燃料電池等の電解質膜;電池電極材;気体又は液体の分離膜;低誘電率材料;ろ過膜などが挙げられる。また、多孔質ポリイミドフィルムを少なくとも1層有する成形体として適用することができる。具体的には、プリント配線基板(フレキシブルプリント配線基板等);高周波用・高電圧用電線などが挙げられる。
本実施形態に係る成形体は、前述の多孔質ポリイミドフィルムを少なくとも1層有する成形体である。多孔質ポリイミドフィルムを少なくとも1層有していれば、成形体は、多孔質ポリイミドフィルムの単層構造であってもよく、2層以上の多孔質ポリイミドフィルムを有する多層構造であってもよい。多孔質ポリイミドフィルムの層は、目的に応じた層構造とすればよい。
−樹脂粒子分散液(1)の調製−
スチレン1000部、界面活性剤Dowfax2A1(47%溶液、ダウ・ケミカル社製)25.0部、イオン交換水576部を混合し、ディゾルバーにより、1,500回転で30分間攪拌、乳化を行い、モノマー乳化液を作製した。続いて、Dowfax2A1(47%溶液、ダウ・ケミカル社製)1.10部、イオン交換水1270部を反応容器に投入した。窒素気流下、75℃に加熱した後、モノマー乳化液のうち75部を添加した後に、過硫酸アンモニウム15部をイオン交換水98部に溶解させた重合開始剤溶液を10分かけて滴下した。滴下後50分間反応させた後に、残りのモノマー乳化液を220分かけて滴下し、さらに50分間反応させた。次いで、マレイン酸5.0部、イオン交換水10部混合した液を5分かけて滴下し、150分反応した後、冷却して固形分濃度を34.0%の表面に酸性基を有するスチレン樹脂粒子分散液(1)を得た。この樹脂粒子は、平均粒径は0.40μmで、比重は1.05であった。
樹脂粒子分散液(1):樹脂粒子の固形分換算で20g(水:約38g含有)に、イオン交換水:200gを添加し、樹脂粒子の固形分濃度を7.7%に調整した。p−フェニレンジアミン(分子量108.14):9.59g(88.7ミリモル)と、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(分子量294.22):25.58g(86.9ミリモル)とを添加し、20℃で10分間攪拌して分散させた。ついで、N−メチルモルホリン(有機アミン化合物):25.0g(247.3ミリモル)、N−メチルピロリドン:15g、水30gを混合した溶液をゆっくりと添加し、反応温度60℃に保持しながら、24時間攪拌して溶解、反応を行い、樹脂粒子分散ポリイミド前駆体溶液(PAA−1)を得た(樹脂粒子/ポリイミド前駆体=20/39.1(質量比))。得られたPAA−1を水で希釈し、粒度分布を測定したところ、樹脂粒子分散液(1)と同様に平均粒径は0.40μmの単一のピークを持ち、良好な分散状態であった。
N−メチルピロリドン(NMP):250g、p−フェニレンジアミン(分子量108.14):9.59g(88.7ミリモル)と、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(分子量294.22):25.58g(86.9ミリモル)とを20℃で10分間攪拌して分散させた。ついで、反応温度60℃に保持しながら、24時間攪拌して溶解、反応を行い、ポリイミド前駆体溶液(PAA−2)を作製した。
樹脂粒子分散ポリイミド前駆体溶液(PAA−1)20部に、窒化ホウ素(昭和電工社製、UHP−1K、体積平均粒子径8μm、比重2.27、比誘電率3.9)0.3部を加えて十分に混合した後、あわとり練太郎(シンキー社製、AR−100)にてさらに混合、脱泡処理を行ったのち、電解銅箔(古河電気工業社製、F2−WS:厚み:18μm)の粗化面上に塗布した。80℃で10分乾燥した後、400℃まで30℃/分で昇温し、400℃で30分保持した。室温まで冷却した後、膜厚30μmの多孔質ポリイミドフィルムを得た。そして、十分に乾燥したのち、下記に示す手順で、熱伝導率を測定した。また、得られた多孔質ポリイミドフィルムに金電極を蒸着し、誘電率を測定した。さらに、この積層体の剥離試験を行った。
表1にしたがって、無機粒子の種類と量を変更した以外は、実施例1と同様にしてフィルムを作製し、評価を行った。
ポリイミド前駆体NMP溶液(PAA−2)20.9部、平均粒径1μmの架橋ポリメタクリル酸メチル(SSX−101:積水化成品(株)製)1.3部、窒化ホウ素(昭和電工社製、UHP−1K、平均粒子径8μm、比重2.27、比誘電率3.9)0.3部を加え、あわとり練太郎(シンキー社製、AR−100)にて混合、脱泡処理を行ったのち、ガラス板上に塗布した。室温まで冷却した後、水に浸漬してフィルムを剥離し、実施例1と同様に評価した。その結果、樹脂粒子の溶解により空孔の形成がほとんど見られなかった。
ポリイミド前駆体溶液(PAA−2)をガラス板上に塗布し、乾燥後400℃まで20分かけて昇温し、1時間保持し、30μmのフィルムを得た。得られたフィルムの比重と誘電率を測定したところ、比重1.42、誘電率3.2であった。
比誘電率は、空洞共振器接動法により、周波数1GHzにおける複素誘電率を測定し、その実数部(εr′)を比誘電率とした。
誘電正接(tanδ)は、実数部(εr′)と虚数部(εr″)の比(εr″/εr′)から求めた。
測定機器は、円筒空洞共振機(アジレント・テクノロジー社製「ネットワークアナライザ N5230C」、関東電子応用開発社製「空洞共振器1GHz」)によって、短冊状の試験片(2mm幅×70mm長)を用いて測定した。
得られた多孔質ポリイミドフィルムを30mm角に切り出し、熱伝導率測定機(株式会社アイフェイズ製のai−Phase Mobile)を用いて測定した。
前述の金電極が蒸着された多孔質ポリイミドフィルムの積層体の表面及び裏面に、メンディングテープ(スリーエム社製)を貼り、両面を引き剥がす方向(表面及び裏面に貼り付けたメンディングテープが90°になる方向)に剥離を行い、多孔質ポリイミドフィルムと金電極との剥がれの有無を試験し、以下に示す評価基準にしたがって評価した。
−評価基準−
A:剥がれ無し
B:一部に剥がれが発生
C:全面が剥がれる
Claims (18)
- 水を含む水性溶剤、前記水性溶剤に溶解しない樹脂粒子、無機粒子、及びポリイミド前駆体を含有するポリイミド前駆体溶液。
- 前記無機粒子が、金属窒化物、金属炭化物、及び金属酸化物からなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項1に記載のポリイミド前駆体溶液。
- 前記無機粒子が、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、及び酸化ベリリウムからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項2に記載のポリイミド前駆体溶液。
- 前記無機粒子の比誘電率をεi、前記無機粒子及び前記樹脂粒子の体積比をVr1としたときに、前記比誘電率εiと、前記体積比Vr1との関係が、下記式1を満足する請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のポリイミド前駆体溶液。
式1 Vr1>εi−3.4
(ただし、前記Vr1は、樹脂粒子の体積(Vp)/無機粒子の体積(Vi)で表される値である。) - さらに有機アミン化合物を含む請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のポリイミド前駆体溶液。
- 前記有機アミン化合物が、3級アミン化合物である請求項5に記載のポリイミド前駆体溶液。
- 前記有機アミン化合物が、2−ジメチルアミノエタノール、2−ジエチルアミノエタノール、2−ジメチルアミノプロパノール、ピリジン、トリエチルアミン、ピコリン、N−メチルモルホリン、N−エチルモルホリン、1,2−ジメチルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾール、N−メチルピペリジン、及びN−エチルピペリジンからなる群から選択される少なくとも1種である請求項5又は請求項6に記載のポリイミド前駆体溶液。
- ポリイミド樹脂以外の樹脂、及び無機粒子を含有する多孔質ポリイミドフィルムを少なくとも1層有する成形体。
- 前記ポリイミド樹脂以外の樹脂が、非架橋構造の樹脂である請求項8に記載の成形体。
- 前記ポリイミド樹脂以外の樹脂の含有量が、前記多孔質ポリイミドフィルムの全体に対して、0.005質量%以上1.0質量%以下である請求項8又は請求項9に記載の成形体。
- 前記多孔質ポリイミドフィルムは、前記無機粒子の比誘電率をεi、前記無機粒子及び空孔の体積比をVr2としたときに、前記比誘電率εiと、前記体積比Vr2との関係が、下記式2を満足する請求項8〜請求項10のいずれか1項に記載の成形体。
式2 Vr2>εi−3.4
(ただし、前記Vr2は、空孔の体積(Vv)/無機フィラーの体積(Vi)で表される値である。) - 前記多孔質ポリイミドフィルムが、さらに有機アミン化合物を含む請求項8〜請求項11のいずれか1項に記載の成形体。
- 前記有機アミン化合物が、3級アミン化合物である請求項12に記載の成形体。
- 前記有機アミン化合物が、2−ジメチルアミノエタノール、2−ジエチルアミノエタノール、2−ジメチルアミノプロパノール、ピリジン、トリエチルアミン、ピコリン、N−メチルモルホリン、N−エチルモルホリン、1,2−ジメチルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾール、N−メチルピペリジン、及びN−エチルピペリジンからなる群から選択される少なくとも1種である請求項12又は請求項13に記載の成形体。
- 前記有機アミン化合物の含有量が、前記多孔質ポリイミドフィルムの全体に対し0.001質量%以上である請求項12〜請求項14のいずれか1項に記載の成形体。
- 前記有機アミン化合物の含有量が、前記多孔質ポリイミドフィルムの全体に対し0.005質量%以上1.0質量%以下である請求項15に記載の成形体。
- 請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載のポリイミド前駆体溶液を塗布して塗膜を形成した後、前記塗膜を乾燥して、前記ポリイミド前駆体、前記樹脂粒子及び前記無機粒子を含む被膜を形成する第1の工程と、
前記被膜を加熱して、前記ポリイミド前駆体をイミド化してポリイミドフィルムを形成する第2の工程であって、前記樹脂粒子を除去する処理を含む第2の工程と、
を有する請求項8〜16のいずれか1項に記載の前記多孔質ポリイミドフィルムを備える成形体の製造方法。 - 前記樹脂粒子の除去が、加熱のみで行う請求項17に記載の成形体の製造方法。
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