JP2021014490A - Base material with polymer thin film and method for producing the same - Google Patents

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Abstract

To provide a base material with a polymer thin film having excellent piezoelectric performance, and a method of producing the same.SOLUTION: The present invention provides a base material with a polymer thin film, wherein, on the base material, formed is a polymer thin film comprising multiple chain aromatic polymer molecules oriented in a predetermined direction. The chain aromatic polymer molecules are, for example, wholly aromatic polyester; asymmetric aromatic monomers are polymerized to form a chain; and the chain aromatic polymer molecules are oriented in a direction vertical to the base material.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、所定方向に配向したポリマー分子を含むポリマー薄膜付き基材及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a substrate with a polymer thin film containing polymer molecules oriented in a predetermined direction and a method for producing the same.

特定の材料に圧力を印加して歪みを生じさせると電圧を発生する圧電性を有する材料は、圧電性材料として知られている。圧電性材料としては、例えば、水晶等の絶縁体単結晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、チタン酸バリウム、又はPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)などの圧電セラミックス等が知られ、広く用いられている。これらの材料は、作製プロセスが高温であり、また剛性が高く種々の形状に成形するのが困難であるため、製造上において若干制限がある。圧電現象は、上記のような無機材料のみならず、有機材料たるポリマー材料でも発現する。そして、ポリマー材料は、無機材料にはない柔軟性、成形性等を有することから、従来の無機材料とは異なる用途への適用が可能である。しかも、ポリマーは無機材料と比較して低温での作製が可能である。 A piezoelectric material that generates a voltage when pressure is applied to a specific material to cause strain is known as a piezoelectric material. As the piezoelectric material, for example, an insulator single crystal such as quartz, lithium niobate, lithium tantalate, barium titanate, and piezoelectric ceramics such as PZT (lead zirconate titanate) are known and widely used. There is. These materials have some manufacturing limitations due to the high temperature of the fabrication process, the high rigidity, and the difficulty of forming into various shapes. The piezoelectric phenomenon occurs not only in the above-mentioned inorganic materials but also in polymer materials that are organic materials. Since the polymer material has flexibility, moldability, etc. that the inorganic material does not have, it can be applied to applications different from those of the conventional inorganic material. Moreover, the polymer can be produced at a lower temperature than the inorganic material.

圧電性を有するポリマー材料としては、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリ尿素等が知られている。このようなポリマー材料の圧電性は、例えばPZT等の無機材料には及ばない。そこで、圧電性に優れるポリマー材料の出現が期待される。圧電性を向上させるには、圧電性の指標である圧電定数を大きくすることが考えられる。そして、圧電定数は、電気的に活性な相の量によって決定されるため、そのような相の比率を高めれば圧電定数が高くなると考えられる。 As the polymer material having piezoelectricity, polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride, polyurea and the like are known. The piezoelectricity of such a polymer material is not as good as that of an inorganic material such as PZT. Therefore, the emergence of polymer materials with excellent piezoelectricity is expected. In order to improve the piezoelectricity, it is conceivable to increase the piezoelectric constant, which is an index of the piezoelectricity. Since the piezoelectric constant is determined by the amount of electrically active phases, it is considered that increasing the ratio of such phases increases the piezoelectric constant.

ところで、原料モノマーを用いて基材上にポリマー膜を形成する手法として蒸着重合が知られている(特許文献1〜3参照)。蒸着重合は、膜材料たるポリマーを用いて蒸着により直接的に膜形成をするのではなく、蒸着の際の加熱により基材上でモノマーを重合反応させることでポリマーの膜を形成する成膜法である。蒸着重合によるポリマー膜の成膜は、基材上にポリマーを直接的に成膜して得られるポリマー膜とは異なる構造を有するポリマー膜を形成することが可能とされる。 By the way, thin-film polymerization is known as a method for forming a polymer film on a base material using a raw material monomer (see Patent Documents 1 to 3). Vapor deposition polymerization is a film formation method in which a polymer film is formed by polymerizing a monomer on a substrate by heating during vapor deposition, instead of directly forming a film by vapor deposition using a polymer as a film material. Is. The film formation of the polymer film by vapor deposition polymerization makes it possible to form a polymer film having a structure different from that of the polymer film obtained by directly forming the polymer on the substrate.

特開平9−2778805号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 9-278805 特開2003−300273号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-300273 特開2006−182847号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-182847

蒸着重合により基材上にポリマー薄膜を形成するに際し、双極子モーメントをもつ非対称性のモノマーを用い、一定の方向に配向させて薄膜を形成することができれば、当該薄膜は全体として大きな双極子モーメントをもつようになり、圧電性が発現することが期待される。しかし、特許文献1〜3に記載の蒸着重合においては、モノマーを一定の方向に配向させることは考慮されておらず、上記のような圧電性が発現するポリマー薄膜を形成することは困難である。 When forming a polymer thin film on a substrate by thin-film polymerization, if an asymmetric monomer having a dipole moment can be used and the thin film can be oriented in a certain direction, the thin film as a whole has a large dipole moment. It is expected that the piezoelectricity will be exhibited. However, in the vapor deposition polymerization described in Patent Documents 1 to 3, it is not considered to orient the monomer in a certain direction, and it is difficult to form a polymer thin film exhibiting the above-mentioned piezoelectricity. ..

本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、その課題は、圧電性に優れるポリマー薄膜を有するポリマー薄膜付き基材、及びその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide a base material with a polymer thin film having a polymer thin film having excellent piezoelectricity, and a method for producing the same.

前記課題を解決する本発明の一態様は以下の通りである。
(1)基材上に、所定の方向に配向した多数の鎖状の芳香族ポリマー分子を含むポリマー薄膜が形成されたポリマー薄膜付き基材であって、
前記鎖状の芳香族ポリマー分子が、非対称な分子構造を有する非対称性芳香族モノマーが重合して鎖状をなす全芳香族ポリエステル及び/又は全芳香族ポリエステルアミドであり、下記条件1又は2を満たす、ポリマー薄膜付き基材。
(条件1)前記ポリマー薄膜に対して、透過法による赤外線分析で測定される波数1740cm−1での吸収ピークに対する波数1600cm−1における吸収ピークの比(A)と、前記ポリマー薄膜を構成する芳香族ポリマー分子と同じ芳香族ポリマー分子を無配向状態で含む試料をKBr錠剤法による赤外線分析で測定される波数1740cm−1での吸収ピークに対する波数1600cm−1における吸収ピークの比(B)との比の値(A/B)が0〜0.67である。
(条件2)前記ポリマー薄膜に対して、高感度反射法による赤外線分析で測定される波数1740cm−1での吸収ピークに対する波数1600cm−1における吸収ピークの比(A)と、前記ポリマー薄膜を構成する芳香族ポリマー分子と同じ芳香族ポリマー分子を無配向状態で含む試料をKBr錠剤法による赤外線分析で測定される波数1740cm−1での吸収ピークに対する波数1600cm−1における吸収ピークの比(B)との比の値(A/B)が2以上である。
One aspect of the present invention that solves the above problems is as follows.
(1) A substrate with a polymer thin film in which a polymer thin film containing a large number of chain-like aromatic polymer molecules oriented in a predetermined direction is formed on the substrate.
The chain-like aromatic polymer molecule is a total aromatic polyester and / or a total aromatic polyester amide in which an asymmetric aromatic monomer having an asymmetric molecular structure is polymerized to form a chain, and the following condition 1 or 2 is satisfied. Fill, substrate with polymer thin film.
(Condition 1) aromatic wherein the polymer thin film, and the ratio of the absorption peak at a wave number 1600 cm -1 for absorption peak at wave number 1740 cm -1 as measured by infrared analysis by transmission method (A), constituting the polymer film the ratio of the absorption peak at a wave number 1600 cm -1 the sample containing the same aromatic polymer molecule and family polymer molecules unoriented state for absorption peak at wave number 1740 cm -1 as measured by infrared analysis according to KBr tablet method (B) and the The ratio value (A / B) is 0 to 0.67.
Against (Condition 2) the polymer film, and the ratio of the absorption peak at a wave number 1600 cm -1 for absorption peak at wave number 1740 cm -1 as measured by infrared analysis by high sensitivity reflection method (A), constituting the polymer film Ratio of absorption peak at wave number 1600 cm -1 to absorption peak at wave number 1740 cm -1 measured by infrared analysis by KBr tablet method for a sample containing the same aromatic polymer molecule as the aromatic polymer molecule in an unoriented state (B) The value of the ratio (A / B) with and is 2 or more.

(2)前記非対称性芳香族モノマーが、下記構造式(I)〜(IV)で表される構造単位のうちのいずれかの構造を有するモノマーである、前記(1)に記載のポリマー薄膜付き基材。 (2) With the polymer thin film according to (1) above, the asymmetric aromatic monomer is a monomer having a structure of any of the structural units represented by the following structural formulas (I) to (IV). Base material.

Figure 2021014490
Figure 2021014490

(3)前記ポリマー薄膜の膜厚が30〜700nm以上である、前記(1)又は(2)に記載のポリマー薄膜付き基材。 (3) The substrate with a polymer thin film according to (1) or (2) above, wherein the polymer thin film has a film thickness of 30 to 700 nm or more.

(4)水酸基、カルボキシル基及びアミノ基のうちのいずれかと反応して結合を形成し得る官能基を有する表面処理剤を用い、前記官能基が露出するように基材の表面を前記表面処理剤により修飾する工程と、
前記表面処理剤の官能基と反応して結合を形成し得る、非対称な分子構造を有する非対称性芳香族モノマーを用い、気相重合により前記基材の表面にポリマー薄膜を形成する工程と、を含み、
前記気相重合中に、重合反応により生じる副生成物を反応系内から排出する工程を含む、ポリマー薄膜付き基材の製造方法。
(4) A surface treatment agent having a functional group capable of reacting with any one of a hydroxyl group, a carboxyl group and an amino group to form a bond is used, and the surface of the base material is exposed so that the functional group is exposed. And the process of modifying with
A step of forming a polymer thin film on the surface of the base material by vapor phase polymerization using an asymmetric aromatic monomer having an asymmetric molecular structure that can react with a functional group of the surface treatment agent to form a bond. Including
A method for producing a base material with a polymer thin film, which comprises a step of discharging by-products generated by the polymerization reaction from the reaction system during the vapor phase polymerization.

(5)前記副生成物を反応系内から排出する工程を所定時間毎に実行する、前記(4)に記載のポリマー薄膜付き基材の製造方法。 (5) The method for producing a base material with a polymer thin film according to (4) above, wherein the step of discharging the by-product from the reaction system is executed at predetermined time intervals.

(6)前記気相重合において、前記非対称性芳香族モノマーを、真空度1×10Paの環境下で、前記非対称性芳香族モノマーの沸点よりも150〜50℃低い温度で蒸発させ、前記基材の温度を、前記非対称性芳香族モノマーの沸点よりも100〜0℃低い温度に設定して気相重合を行う、前記(4)又は(5)に記載のポリマー薄膜付き基材の製造方法。 (6) In the gas phase polymerization, the asymmetric aromatic monomer is evaporated at a temperature 150 to 50 ° C. lower than the boiling point of the asymmetric aromatic monomer in an environment of a vacuum degree of 1 × 10 2 Pa, and the above. Production of the base material with a polymer thin film according to (4) or (5) above, wherein the temperature of the base material is set to a temperature 100 to 0 ° C. lower than the boiling point of the asymmetric aromatic monomer and gas phase polymerization is performed. Method.

(7)前記非対称性芳香族モノマーが、下記構造式(I)〜(IV)で表される構造単位のうちのいずれかの構造を有するモノマーである、前記(4)〜(6)のいずれかに記載のポリマー薄膜付き基材の製造方法。 (7) Any of the above (4) to (6), wherein the asymmetric aromatic monomer is a monomer having any of the structures of the structural units represented by the following structural formulas (I) to (IV). The method for producing a substrate with a polymer thin film according to the above.

Figure 2021014490
Figure 2021014490

(8)前記非対称性芳香族モノマーがアシル化されている、前記(7)に記載のポリマー薄膜付き基材の製造方法。 (8) The method for producing a substrate with a polymer thin film according to (7) above, wherein the asymmetric aromatic monomer is acylated.

本発明によれば、圧電性に優れるポリマー薄膜を有するポリマー薄膜付き基材、及びその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a base material with a polymer thin film having a polymer thin film having excellent piezoelectricity, and a method for producing the same.

本実施形態のポリマー薄膜付き基材を側方から見た状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state which the base material with a polymer thin film of this embodiment is seen from the side. 本実施形態において使用する蒸着重合装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the vapor deposition polymerization apparatus used in this embodiment.

<ポリマー薄膜付き基材>
本実施形態のポリマー薄膜付き基材は、基材上に、所定の方向に配向した多数の鎖状の芳香族ポリマー分子(以下、単に「ポリマー分子」とも呼ぶ。)を含むポリマー薄膜が形成されたポリマー薄膜付き基材である。そして、鎖状の芳香族ポリマー分子が、非対称な分子構造を有する非対称性芳香族モノマーが重合して鎖状をなす全芳香族ポリエステル及び/又は全芳香族ポリエステルアミドである。また、下記条件1又は2を満たす。
(条件1)ポリマー薄膜に対して、透過法による赤外線分析で測定される波数1740cm−1での吸収ピークに対する波数1600cm−1における吸収ピークの比(A)(以下、単に「吸収ピークの比(A)とも呼ぶ。」)と、ポリマー薄膜を構成する芳香族ポリマー分子と同じ芳香族ポリマー分子を無配向状態で含む試料をKBr錠剤法による赤外線分析で測定される波数1740cm−1での吸収ピークに対する波数1600cm−1における吸収ピークの比(B)(以下、単に「吸収ピークの比(B)とも呼ぶ。」)との比の値(A/B)が0〜0.67である。
(条件2)ポリマー薄膜に対して、高感度反射法による赤外線分析で測定される波数1740cm−1での吸収ピークに対する波数1600cm−1における吸収ピークの比(A)と、ポリマー薄膜を構成する芳香族ポリマー分子と同じ芳香族ポリマー分子を無配向状態で含む試料をKBr錠剤法による赤外線分析で測定される波数1740cm−1での吸収ピークに対する波数1600cm−1における吸収ピークの比(B)との比の値(A/B)が2以上である。
<Base material with polymer thin film>
In the base material with a polymer thin film of the present embodiment, a polymer thin film containing a large number of chain-like aromatic polymer molecules (hereinafter, also simply referred to as “polymer molecules”) oriented in a predetermined direction is formed on the base material. It is a base material with a polymer thin film. Then, the chain-shaped aromatic polymer molecule is a total aromatic polyester and / or a total aromatic polyester amide in which an asymmetric aromatic monomer having an asymmetric molecular structure is polymerized to form a chain. In addition, the following condition 1 or 2 is satisfied.
(Condition 1) Ratio of absorption peak at wave number 1600 cm -1 to absorption peak at wave number 1740 cm -1 measured by infrared analysis by transmission method with respect to polymer thin film (A) (hereinafter, simply "ratio of absorption peak (absorption peak ratio) It is also called A). ”), And the absorption peak at a wave number of 1740 cm- 1 measured by infrared analysis by the KBr tablet method for a sample containing the same aromatic polymer molecule as the aromatic polymer molecule constituting the polymer thin film in an unoriented state. The value (A / B) of the ratio (A / B) to the ratio (B) of the absorption peak at a wave number of 1600 cm- 1 to 1600 cm- 1 (hereinafter, also simply referred to as “the ratio of absorption peaks (B)”) is 0 to 0.67.
Against (Condition 2) polymer films, and the ratio of the absorption peak at a wave number 1600 cm -1 for absorption peak at wave number 1740 cm -1 as measured by infrared analysis by high sensitivity reflection method (A), aromatic constituting the polymer film the ratio of the absorption peak at a wave number 1600 cm -1 the sample containing the same aromatic polymer molecule and family polymer molecules unoriented state for absorption peak at wave number 1740 cm -1 as measured by infrared analysis according to KBr tablet method (B) and the The ratio value (A / B) is 2 or more.

本実施形態のポリマー薄膜付き基材は、図1に示すように、基材12上に多数のポリマー分子14が基材12の垂直方向に配向してなり、多数のポリマー分子14がポリマー薄膜16を構成する。ポリマー分子14は非対称性芳香族モノマーが結合してなる鎖状をなしている。なお、図1は、ポリマー薄膜付き基材10の形態を模式的に示したものであり、実際の寸法比率とは対応していない。 In the base material with a polymer thin film of the present embodiment, as shown in FIG. 1, a large number of polymer molecules 14 are oriented in the direction perpendicular to the base material 12 on the base material 12, and a large number of polymer molecules 14 are formed on the polymer thin film 16. To configure. The polymer molecule 14 has a chain shape formed by binding asymmetric aromatic monomers. Note that FIG. 1 schematically shows the form of the base material 10 with a polymer thin film, and does not correspond to the actual dimensional ratio.

本実施形態のポリマー薄膜付き基材において、ポリマー薄膜は、所定の方向に配向した多数の鎖状のポリマー分子を含む。そして、基材が赤外線透過性を有する場合は条件1を満たし、基材が赤外線非透過性の場合は条件2を満たす。条件1及び2はいずれも、ポリマー薄膜を構成するポリマー分子が基材に対して概ね垂直方向に配向していることを示している。ここで、「基材に対して概ね垂直方向」とは、完全に90°の方向のみならず90±45°の方向をも含むものとする。なお、基材が赤外線透過性であるか、赤外線非透過性であるかは厳密なものではなく、赤外線分析の測定法が、透過法が適しているか、高感度反射法が適しているかにより区別される。 In the substrate with a polymer thin film of the present embodiment, the polymer thin film contains a large number of chain polymer molecules oriented in a predetermined direction. Then, when the base material has infrared transmission, condition 1 is satisfied, and when the base material is infrared non-transmissive, condition 2 is satisfied. Conditions 1 and 2 both indicate that the polymer molecules constituting the polymer thin film are oriented substantially perpendicular to the substrate. Here, the "generally perpendicular direction to the base material" includes not only the direction of 90 ° but also the direction of 90 ± 45 °. It should be noted that it is not strict whether the base material is infrared transmissive or infrared transmissive, and it is distinguished by whether the measurement method of infrared analysis is suitable for the transmission method or the high-sensitivity reflection method. Will be done.

条件1及び2における、吸収ピークの比(A)と吸収ピークの比(B)との比の値(A/B)について説明する。波数1600cm−1での吸収ピークは、ベンゼン環のC1−C4方向の骨格振動に対する吸収を示す。そして、ベンゼン環が基材に対して概ね垂直方向に配向していると、C1−C4方向における骨格振動は、上記吸収ピークの比(A)が、上記吸収ピークの比(B)よりも小さくなる。すなわち、上記吸収ピークの比(A)と上記吸収ピークの比(B)との比の値(A/B)が、条件1の場合は0〜0.67であり、条件2の場合は2以上であるとポリマー分子鎖が基材に対して概ね垂直方向に配向していることを示している。 The value (A / B) of the ratio of the absorption peak ratio (A) and the absorption peak ratio (B) under the conditions 1 and 2 will be described. The absorption peak at a wave number of 1600 cm -1 indicates the absorption of the benzene ring for skeletal vibration in the C1-C4 direction. When the benzene ring is oriented substantially perpendicular to the substrate, the skeletal vibration in the C1-C4 direction has a ratio (A) of the absorption peaks smaller than the ratio (B) of the absorption peaks. Become. That is, the value (A / B) of the ratio of the absorption peak ratio (A) to the absorption peak ratio (B) is 0 to 0.67 in the case of condition 1, and 2 in the case of condition 2. The above indicates that the polymer molecular chains are oriented substantially perpendicular to the substrate.

条件1及び2のそれぞれにおいて規定する比の値(A/B)の根拠について説明する。
透過法において、ポリマー分子鎖が基材の法線から角度θ傾いて配向している場合について空間的な積分によって詳細な解析を行う(藤森二郎 1992年 東京工業大学修士論文より)。ポリマー分子鎖が基材の法線から角度θ傾いて配向している場合の吸収ピークの比Aは、無配向状態の場合の吸収ピークの比Bの(2sin2θ)/(cos2θ+1)倍となる。この式が示す関数はθに対して単調増加であることから、θ=45°よりも小さい傾きで配向している場合に、上記比の値(A/B)の上限は2/3、すなわち約0.67となる。
同様に、高感度反射法の場合には、2cot2θ倍となり、この式が示す関数が単調減少であることから、θ=45°よりも小さい傾きで配向している場合に上記比の値(A/B)の下限は2となる。
なお、条件2において、ポリマー分子鎖が基材に対して垂直に配向している場合、すなわち、ポリマー分子鎖の基材の法線からの傾き角度θが0°の場合、ゼロ除算となるが、本実施形態においては、当該傾き角度θが0°の場合も含む。
The basis of the ratio value (A / B) specified in each of the conditions 1 and 2 will be described.
In the permeation method, a detailed analysis is performed by spatial integration when the polymer molecular chain is oriented at an angle θ tilted from the normal of the base material (from Jiro Fujimori's 1992 master's thesis at Tokyo Institute of Technology). The ratio A of the absorption peaks when the polymer molecular chain is oriented at an angle θ tilted from the normal of the base material is ( 2 sin 2 θ) / (cos 2 θ + 1) of the ratio B of the absorption peaks in the non-oriented state. Double. Since the function shown by this equation is monotonically increasing with respect to θ, the upper limit of the above ratio value (A / B) is 2/3, that is, when the orientation is performed with a slope smaller than θ = 45 °. It becomes about 0.67.
Similarly, in the case of the high-sensitivity reflection method, it is 2cot 2 θ times, and since the function shown by this equation is monotonically decreasing, the value of the above ratio is obtained when the orientation is inclined with a slope smaller than θ = 45 °. The lower limit of (A / B) is 2.
In condition 2, when the polymer molecular chain is oriented perpendicular to the base material, that is, when the inclination angle θ of the polymer molecular chain from the normal line of the base material is 0 °, division by zero is performed. In the present embodiment, the case where the inclination angle θ is 0 ° is also included.

本実施形態においては、上記の通り、ポリマー薄膜を構成する芳香族ポリマー分子と同じ芳香族ポリマー分子を無配向状態で含む試料を用いる。そして、その試料をKBr錠剤法による赤外線分析で測定して得られる、特定の波数における吸収スペクトルの比を判断の基準とする。ポリマー薄膜を構成するポリマー分子が4−ヒドロキシ安息香酸のホモポリマーの場合、4−ヒドロキシ安息香酸のホモポリマーを無配向状態で含む試料は、例えば、以下のようにして得られる。
撹拌機、還流カラム、モノマー投入口、窒素導入口、減圧/流出ラインを備えた重合容器に、以下の原料モノマー、脂肪酸金属塩触媒、アシル化剤を仕込み、窒素置換を開始する。
(原料)
4−ヒドロキシ安息香酸;172.5g(100mol%)
アシル化剤(無水酢酸);87g
重合容器に原料を仕込んだ後、反応系の温度を140℃に上げ、140℃で1時間反応させる。その後、更に325℃まで3.5時間かけて昇温し、そこから15分かけて10Torr(即ち1330Pa)まで減圧して、酢酸、過剰の無水酢酸、及びその他の低沸分を留出させながら溶融重合を行う。流出量が121mlとなった時点で、窒素を導入して減圧状態から常圧を経て加圧状態にして、重合容器の下部からポリマー(4−ヒドロキシ安息香酸のホモポリマー)を排出する。
In the present embodiment, as described above, a sample containing the same aromatic polymer molecules as the aromatic polymer molecules constituting the polymer thin film in an unoriented state is used. Then, the ratio of the absorption spectrum at a specific wave number obtained by measuring the sample by infrared analysis by the KBr tablet method is used as a criterion for judgment. When the polymer molecule constituting the polymer thin film is a homopolymer of 4-hydroxybenzoic acid, a sample containing the homopolymer of 4-hydroxybenzoic acid in an unoriented state can be obtained, for example, as follows.
The following raw material monomers, fatty acid metal salt catalyst, and acylating agent are charged in a polymerization vessel equipped with a stirrer, a reflux column, a monomer inlet, a nitrogen inlet, and a depressurization / outflow line, and nitrogen substitution is started.
(material)
4-Hydroxybenzoic acid; 172.5 g (100 mol%)
Acylating agent (acetic anhydride); 87 g
After charging the raw materials into the polymerization vessel, the temperature of the reaction system is raised to 140 ° C., and the reaction is carried out at 140 ° C. for 1 hour. Then, the temperature is further raised to 325 ° C. over 3.5 hours, and then the pressure is reduced to 10 Torr (that is, 1330 Pa) over 15 minutes while distilling acetic acid, excess acetic anhydride, and other low boiling points. Perform melt polymerization. When the outflow amount reaches 121 ml, nitrogen is introduced to change the pressure from the reduced pressure state to the pressurized state through normal pressure, and the polymer (homopolymer of 4-hydroxybenzoic acid) is discharged from the lower part of the polymerization vessel.

本実施形態において、ポリマー薄膜を構成するポリマー分子は、非対称性芳香族モノマーが重合して鎖状をなす全芳香族ポリエステル及び/又は全芳香族ポリエステルアミドである。そして、非対称性芳香族モノマーは、双極子モーメントをもち、それが多数結合して鎖状をなすと、ポリマー分子鎖に沿って大きな双極子モーメントをもつこととなる。その結果、ポリマー薄膜は、圧電性、焦電性及び強誘電性に優れる。また、熱伝導性にも優れることから、熱伝導性材料としても有用である。 In the present embodiment, the polymer molecule constituting the polymer thin film is a total aromatic polyester and / or a total aromatic polyester amide in which an asymmetric aromatic monomer is polymerized to form a chain. The asymmetric aromatic monomer has a dipole moment, and when a large number of them are bonded to form a chain, the asymmetric aromatic monomer has a large dipole moment along the polymer molecular chain. As a result, the polymer thin film is excellent in piezoelectricity, pyroelectricity and ferroelectricity. Moreover, since it is also excellent in thermal conductivity, it is also useful as a thermal conductive material.

[ポリマー薄膜]
ポリマー薄膜は、上記の通り、非対称な分子構造を有する非対称性芳香族モノマーが重合してなる鎖状のポリマー分子を多数含む。つまり、当該ポリマー分子は、基材に対して垂直方向に配向しており、上記の通り、ポリマー分子の分子鎖に沿って大きな双極子モーメントをもつ。ポリマー分子が大きな双極子モーメントをもつには、ポリマー分子内における結合の方向(エステル結合であれば、「−COO−」の向き)が一定であることが好ましい。
[Polymer thin film]
As described above, the polymer thin film contains a large number of chain polymer molecules formed by polymerizing asymmetric aromatic monomers having an asymmetric molecular structure. That is, the polymer molecule is oriented perpendicular to the substrate and has a large dipole moment along the molecular chain of the polymer molecule as described above. In order for the polymer molecule to have a large dipole moment, it is preferable that the direction of the bond in the polymer molecule (in the case of an ester bond, the direction of "-COO-") is constant.

ポリマー分子の由来となる非対称性芳香族モノマーは、芳香族基を有し、互いに反応して結合を生じ得る一対の官能基を有し、それぞれの官能基は180°反対方向を向いているため結合により鎖状となる。当該一対の官能基の組合せとしては、水酸基とカルボキシル基との組合せ、アミノ基とカルボキシル基との組合せが挙げられる。前者の組合せは芳香族ポリエステルとなり、後者の組合せは芳香族ポリアミドとなる。 Because the asymmetric aromatic monomer from which the polymer molecule is derived has an aromatic group, a pair of functional groups that can react with each other to form a bond, and each functional group faces 180 ° in opposite directions. It becomes a chain by binding. Examples of the combination of the pair of functional groups include a combination of a hydroxyl group and a carboxyl group and a combination of an amino group and a carboxyl group. The former combination is aromatic polyester and the latter combination is aromatic polyamide.

非対称性芳香族モノマーは、下記構造式(I)〜(IV)で表される構造単位のうちのいずれかの構造を有するモノマーであることが好ましい。 The asymmetric aromatic monomer is preferably a monomer having any of the structures represented by the following structural units (I) to (IV).

Figure 2021014490
Figure 2021014490

構造式(I)で表される構造単位を有するモノマーとしては、4−ヒドロキシ安息香酸(以下、「HBA」ともいう。)が挙げられる。
構造式(II)で表される構造単位を有するモノマーとしては、6−ヒドロキシ−2−ナフトエ酸(以下、「HNA」とも呼ぶ。)が挙げられる。
構造式(III)で表される構造単位を有するモノマーとしては、4−ヒドロキシ−4’−ビフェニルカルボン酸(以下、「HBCA」とも呼ぶ。)が挙げられる。
構造式(IV)で表される構造単位を有するモノマーとしては、N−アセチル−アミノ安息香酸が挙げられる。
なお、いずれも重合後に構造式(I)〜(IV)で表される構造単位となればよく、上記のように例示したモノマーに限定されることはない。例えば、上記例示のモノマーの水酸基又はアミノ基をアシル化したものを用いてもよい。
Examples of the monomer having a structural unit represented by the structural formula (I) include 4-hydroxybenzoic acid (hereinafter, also referred to as “HBA”).
Examples of the monomer having a structural unit represented by the structural formula (II) include 6-hydroxy-2-naphthoic acid (hereinafter, also referred to as “HNA”).
Examples of the monomer having a structural unit represented by the structural formula (III) include 4-hydroxy-4'-biphenylcarboxylic acid (hereinafter, also referred to as "HBCA").
Examples of the monomer having a structural unit represented by the structural formula (IV) include N-acetyl-aminobenzoic acid.
It should be noted that all of them may be structural units represented by the structural formulas (I) to (IV) after polymerization, and are not limited to the monomers exemplified above. For example, an acylated monomer having a hydroxyl group or an amino group may be used.

本実施形態において、ポリマー薄膜の膜厚としては、30〜700nmが好ましく、 100〜500nmがより好ましい。 In the present embodiment, the film thickness of the polymer thin film is preferably 30 to 700 nm, more preferably 100 to 500 nm.

[基材]
本実施形態において使用される基材としては、プロセス温度である200〜300℃に対して耐久性を有するものであれば制限はない。例えば、シリコン基板、アルミニウム基板、セラミック薄膜、ガラス基板等が挙げられる。基材の厚みとしては、特に限定されることなく適宜設定することができる。また、基材の形状としては、板状、シート状、箔状、等が挙げられ、立体的形状を有していてもよい。
[Base material]
The base material used in the present embodiment is not limited as long as it has durability against the process temperature of 200 to 300 ° C. For example, a silicon substrate, an aluminum substrate, a ceramic thin film, a glass substrate and the like can be mentioned. The thickness of the base material is not particularly limited and can be appropriately set. Further, examples of the shape of the base material include a plate shape, a sheet shape, a foil shape, and the like, and the base material may have a three-dimensional shape.

以上の本実施形態のポリマー薄膜付き基材は、圧電性、焦電性及び強誘電性、並びに熱伝導性に優れるため、圧電材料、焦電材料及び強誘電材料として好適に使用することができる。 Since the above-mentioned substrate with a polymer thin film of the present embodiment is excellent in piezoelectricity, pyroelectricity, ferroelectricity, and thermal conductivity, it can be suitably used as a piezoelectric material, a pyroelectric material, and a ferroelectric material. ..

また、本実施形態のポリマー薄膜付き基材は、高熱伝導材料、耐熱性電子・光素子(高分子トランジスタ、光伝導、有機EL、電気光効果、非線形光学効果等)のように使用することができる。 Further, the substrate with a polymer thin film of the present embodiment can be used as a high thermal conductive material, a heat-resistant electron / optical element (polymer transistor, photoconductivity, organic EL, electric light effect, nonlinear optical effect, etc.). it can.

<ポリマー薄膜付き基材の製造方法>
以上のポリマー薄膜は、本実施形態のポリマー薄膜の製造方法により製造することができる。本実施形態のポリマー薄膜付き基材の製造方法は、水酸基、カルボキシル基及びアミノ基のうちのいずれかと反応して結合を形成し得る官能基を有する表面処理剤を用い、上記官能基が露出するように基材の表面を表面処理剤により修飾する工程(以下、「工程A」とも呼ぶ。)と、表面処理剤の官能基と反応して結合を形成し得る、非対称な分子構造を有する非対称性芳香族モノマーを用い、気相重合により基材の表面にポリマー薄膜を形成する工程(以下、「工程B」とも呼ぶ。)と、を含み、気相重合中に、重合反応により生じる副生成物を反応系内から排出する工程を含むことを特徴としている。
<Manufacturing method of base material with polymer thin film>
The above polymer thin film can be produced by the method for producing a polymer thin film of the present embodiment. In the method for producing a base material with a polymer thin film of the present embodiment, a surface treatment agent having a functional group capable of reacting with any one of a hydroxyl group, a carboxyl group and an amino group to form a bond is used, and the functional group is exposed. The step of modifying the surface of the base material with a surface treatment agent (hereinafter, also referred to as “step A”) and the asymmetry having an asymmetric molecular structure capable of reacting with the functional group of the surface treatment agent to form a bond. A step of forming a polymer thin film on the surface of a base material by vapor phase polymerization using an aromatic monomer (hereinafter, also referred to as “step B”) is included, and by-products generated by a polymerization reaction during gas phase polymerization are included. It is characterized by including a step of discharging a substance from the reaction system.

本実施形態のポリマー薄膜付き基材の製造方法においては、工程Aにおいて表面処理剤により基材の表面を修飾して、水酸基等と反応して結合を形成し得る官能基を露出させる。そして、工程Bにおいて、露出した官能基を起点とし、気相重合により非対称性芳香族モノマーを重合させる。そのため、表面処理剤の官能基から基材に対して垂直方向に多数の非対称芳香族モノマーが結合して鎖状のポリマー分子となり、当該鎖状のポリマー分子を多数含むポリマー薄膜が形成される。しかも、表面処理剤の官能基を起点として重合反応(重縮合反応)が進行するため、ポリマー分子内における結合の方向(エステル結合であれば、「−COO−」の向き)が一定となる。そして、いずれのポリマー分子も、表面処理剤の官能基を起点として重合反応が一律に進行するため、ポリマー薄膜におけるいずれのポリマー分子においても結合の方向が一定となる。その結果、双極子モーメントをもつ非対称性芳香族モノマーが、基材と垂直方向に多数結合して鎖状のポリマー分子となるため、基材と垂直方向において大きな双極子モーメントが生じる。ひいては、本実施形態のポリマー薄膜付き基材は圧電性、焦電性及び強誘電性に富み、圧電材料、焦電材料又は強誘電材料として有用である。
以下、各工程について説明する。
In the method for producing a base material with a polymer thin film of the present embodiment, the surface of the base material is modified with a surface treatment agent in step A to expose a functional group capable of reacting with a hydroxyl group or the like to form a bond. Then, in step B, the asymmetric aromatic monomer is polymerized by vapor phase polymerization starting from the exposed functional group. Therefore, a large number of asymmetric aromatic monomers are bonded from the functional group of the surface treatment agent in the direction perpendicular to the substrate to form a chain polymer molecule, and a polymer thin film containing a large number of the chain polymer molecules is formed. Moreover, since the polymerization reaction (polycondensation reaction) proceeds from the functional group of the surface treatment agent, the direction of the bond in the polymer molecule (in the case of an ester bond, the direction of "-COO-") becomes constant. Since the polymerization reaction of each polymer molecule proceeds uniformly starting from the functional group of the surface treatment agent, the bonding direction is constant for all the polymer molecules in the polymer thin film. As a result, a large number of asymmetric aromatic monomers having a dipole moment are bonded to the base material in the vertical direction to form a chain polymer molecule, so that a large dipole moment is generated in the direction perpendicular to the base material. As a result, the base material with a polymer thin film of the present embodiment is rich in piezoelectricity, pyroelectricity and ferroelectricity, and is useful as a piezoelectric material, a pyroelectric material or a ferroelectric material.
Hereinafter, each step will be described.

[工程A]
工程Aは、水酸基、カルボキシル基及びアミノ基のうちのいずれかと反応して結合を形成し得る官能基を有する表面処理剤を用い、官能基が外部に露出するように基材の表面を修飾する工程である。本工程において、まず、上記官能基を有する表面処理剤を準備する。そして、当該表面処理剤を、当該官能基が露出するように基材の表面に付与し、基材の表面を表面処理剤により修飾する。この状態では、基材の表面に上記官能基が露出した状態となり、工程Bにおいて、表面処理剤の官能基と反応して結合を形成し得る、非対称な分子構造を有する非対称性芳香族モノマーが結合可能な状態となる。
[Step A]
In step A, a surface treatment agent having a functional group capable of reacting with any one of a hydroxyl group, a carboxyl group and an amino group to form a bond is used, and the surface of the base material is modified so that the functional group is exposed to the outside. It is a process. In this step, first, a surface treatment agent having the above functional groups is prepared. Then, the surface treatment agent is applied to the surface of the base material so that the functional groups are exposed, and the surface of the base material is modified with the surface treatment agent. In this state, the functional groups are exposed on the surface of the base material, and in step B, an asymmetric aromatic monomer having an asymmetric molecular structure capable of reacting with the functional groups of the surface treatment agent to form a bond is produced. It will be in a state where it can be combined.

本実施形態において使用し得る基材は、上述した基材と同様である。当該基材の例示及び好ましい例は上述の内容と同様であるため、ここではその説明を省略する。 The base material that can be used in this embodiment is the same as the base material described above. Since the examples and preferable examples of the base material are the same as those described above, the description thereof will be omitted here.

本実施形態において使用し得る表面処理剤としては、水酸基、カルボキシル基及びアミノ基のうちのいずれかと反応して結合を形成し得る官能基を有するものであり、当該官能基としては、アミノ基、エポキシ基、イソシアネート基、ビニル基、スチリル基、メタクリル基アクリル基、ウレイド基、メルカプト基等が挙げられる。表面処理剤としては、具体的には、シランカップリング剤等が挙げられる。 The surface treatment agent that can be used in the present embodiment has a functional group that can react with any one of a hydroxyl group, a carboxyl group and an amino group to form a bond, and the functional group includes an amino group. Examples thereof include an epoxy group, an isocyanate group, a vinyl group, a styryl group, a methacryl group, an acrylic group, a ureido group, and a mercapto group. Specific examples of the surface treatment agent include a silane coupling agent and the like.

シランカップリング剤としては、例えば、3−(2−アミノエチルアミン)プロピルトリメトキシシラン、N−2−(アミノエチル)−3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N−2−(アミノエチル)−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−トリエトキシシリル−N−(1,3−ジメチル-ブチリデン)プロピルアミン、N−フェニル−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−(ビニルベンジル)−2−アミノエチル−3−アミノプロピルトリメトキシシランの塩酸塩、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、3−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−イソシアネートプロピルトリエトキシシラン、3−トリメトキシシリルプロピルコハク酸無水物等が挙げられる。 Examples of the silane coupling agent include 3- (2-aminoethylamine) propyltrimethoxysilane, N-2- (aminoethyl) -3-aminopropylmethyldimethoxysilane, and N-2- (aminoethyl) -3-. Aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, 3-triethoxysilyl-N- (1,3-dimethyl-butylidene) propylamine, N-phenyl-3-aminopropyl Trimethoxysilane, N- (vinylbenzyl) -2-aminoethyl-3-aminopropyltrimethoxysilane hydrochloride, 2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldimethoxy Silane, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldiethoxysilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, 3-mercaptopropylmethyldimethoxysilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 3 -Isocyanoxide triethoxysilane, 3-trimethoxysilylpropyl succinate anhydride and the like can be mentioned.

工程Aにおいて、表面処理剤により基材の表面を修飾する手法としては特に制限はなく、例えば、表面処理剤を含む溶液に基材を浸漬することにより行ってもよいし、基材の表面に表面処理剤を含む溶液を塗布することによって行ってもよい。浸漬又は塗布の時間、及びそのときの温度条件等は適宜設定することができる。なお、基材の表面に表面処理剤を含む溶液を塗布の場合、塗布後にリンスすることが好ましい。 In step A, the method of modifying the surface of the base material with the surface treatment agent is not particularly limited, and for example, the base material may be immersed in a solution containing the surface treatment agent, or may be applied to the surface of the base material. This may be done by applying a solution containing a surface treatment agent. The immersion or coating time, the temperature conditions at that time, and the like can be appropriately set. When a solution containing a surface treatment agent is applied to the surface of the base material, it is preferable to rinse after application.

また、使用する表面処理剤は、基材上において単位面積当たりの量が1×10−6〜1×10−3g/cmとなるように使用することが好ましい。 Further, the surface treatment agent to be used is preferably used so that the amount per unit area on the base material is 1 × 10 -6 to 1 × 10 -3 g / cm 2 .

基材を表面処理剤により修飾処理する前に、超音波洗浄、UVオゾン洗浄等により基材の表面を洗浄することが好ましい。 Before the base material is modified with the surface treatment agent, it is preferable to clean the surface of the base material by ultrasonic cleaning, UV ozone cleaning or the like.

[工程B]
工程Bは、表面処理剤の官能基と反応して結合を形成し得る、非対称な分子構造を有する非対称性芳香族モノマーを用い、気相重合により基材の表面にポリマー薄膜を形成する工程である。本工程において、非対称性芳香族モノマーは、互いに反応することができる一対の官能基を有するとともに、そのうちのいずれかの官能基は表面処理剤の水酸基等と反応して結合し得る官能基である。そして、気相重合により、まず非対称性芳香族モノマーは表面処理剤の官能基と反応して結合し、当該官能基と結合した非対称性芳香族モノマーは、その後、別の非対称性芳香族モノマーと結合し、このような結合を繰り返すことにより、つまり重合することにより、多数の非対称性芳香族モノマーが結合して鎖状となる。また、表面処理剤の官能基は基材と垂直方向に配向することで、表面処理剤の官能基と結合する非対称性芳香族モノマーも基材と垂直方向に配向することとなる。つまり、蒸着重合により形成される鎖状のポリマー分子は基材と垂直方向に配向する。しかも、上記の通り、ポリマー薄膜におけるいずれのポリマー分子においても結合の方向が一定となる。
[Step B]
Step B is a step of forming a polymer thin film on the surface of a base material by vapor phase polymerization using an asymmetric aromatic monomer having an asymmetric molecular structure that can react with a functional group of a surface treatment agent to form a bond. is there. In this step, the asymmetric aromatic monomer has a pair of functional groups capable of reacting with each other, and one of the functional groups is a functional group capable of reacting with a hydroxyl group of a surface treatment agent or the like to be bonded. .. Then, by vapor phase polymerization, the asymmetric aromatic monomer first reacts with the functional group of the surface treatment agent and is bonded, and the asymmetric aromatic monomer bonded to the functional group is then combined with another asymmetric aromatic monomer. By binding and repeating such bonding, that is, by polymerizing, a large number of asymmetric aromatic monomers are bonded to form a chain. Further, since the functional group of the surface treatment agent is oriented in the direction perpendicular to the base material, the asymmetric aromatic monomer bonded to the functional group of the surface treatment agent is also oriented in the direction perpendicular to the base material. That is, the chain polymer molecules formed by the vapor deposition polymerization are oriented in the direction perpendicular to the substrate. Moreover, as described above, the bonding direction is constant for any polymer molecule in the polymer thin film.

工程Bで用いる非対称性芳香族モノマーは、上述の通り、芳香族基を含み、非対称な分子構造を有する。また、互いに反応し得る一対の官能基を有し、そのうちの1つは表面処理剤の官能基と反応して結合を形成し得る。さらに、互いに反応し得る一対の官能基は、180°反対方向を向いている。その他、当該非対称性芳香族モノマーの例示及び好ましい例は上述の内容と同様であるため、ここではその説明を省略する。
なお、構造式(I)〜(IV)で表される構造単位を有するモノマーとしては、反応が穏やかになることから、アシル化したものを用いることが好ましい。
As described above, the asymmetric aromatic monomer used in step B contains an aromatic group and has an asymmetric molecular structure. It also has a pair of functional groups that can react with each other, one of which can react with the functional groups of the surface treatment agent to form a bond. In addition, the pair of functional groups capable of reacting with each other are oriented 180 ° opposite. Other examples and preferable examples of the asymmetric aromatic monomer are the same as those described above, and thus the description thereof will be omitted here.
As the monomer having the structural unit represented by the structural formulas (I) to (IV), it is preferable to use an acylated monomer because the reaction becomes gentle.

ここで、気相重合に用いる装置の一例として蒸着重合装置について図2を参照して説明する。図2に示す蒸着重合装置20は、真空チャンバー22と、真空装置に接続される不図示の配管と、外部に連通する配管24とを備える。配管24にはバルブ26を備え、バルブ26の開閉により真空チャンバー22内が開空間と閉空間とに切り換え可能となっている。真空チャンバー22内には、原料モノマーを収容する原料モノマー容器28と、ポリマー薄膜を形成するターゲットとなる基材30とが設けられる。原料モノマー容器28及び基材30にはヒーターが設けられており、それぞれ別々に加熱される。
以上の構成の蒸着重合装置20において、気相重合(蒸着重合)するに際し、まず真空装置を稼働させ、真空チャンバー22内を真空に保つ。次いで、原料モノマーが収容された原料モノマー容器28を、原料モノマーの沸点以上の温度となるように加熱して原料モノマーを蒸発(又は昇華)させる。併せて、基材を、原料モノマーが重合反応を起こす温度以上の温度に加熱する。そのような状態において、蒸発した原料モノマーは、基材表面において、表面処理剤の官能基を起点として重合反応が進行し鎖状のポリマー分子が形成される。
Here, as an example of the apparatus used for gas phase polymerization, the vapor deposition polymerization apparatus will be described with reference to FIG. The thin-film polymerization apparatus 20 shown in FIG. 2 includes a vacuum chamber 22, a pipe (not shown) connected to the vacuum apparatus, and a pipe 24 communicating with the outside. The pipe 24 is provided with a valve 26, and the inside of the vacuum chamber 22 can be switched between an open space and a closed space by opening and closing the valve 26. In the vacuum chamber 22, a raw material monomer container 28 for accommodating the raw material monomer and a base material 30 as a target for forming a polymer thin film are provided. A heater is provided in the raw material monomer container 28 and the base material 30, and each is heated separately.
In the vapor deposition polymerization apparatus 20 having the above configuration, when vapor phase polymerization (deposited polymerization) is performed, the vacuum apparatus is first operated to keep the inside of the vacuum chamber 22 in a vacuum. Next, the raw material monomer container 28 containing the raw material monomer is heated to a temperature equal to or higher than the boiling point of the raw material monomer to evaporate (or sublimate) the raw material monomer. At the same time, the base material is heated to a temperature equal to or higher than the temperature at which the raw material monomer causes a polymerization reaction. In such a state, the evaporated raw material monomer undergoes a polymerization reaction on the surface of the base material starting from the functional group of the surface treatment agent to form a chain polymer molecule.

本実施形態において、気相重合における真空チャンバー内の圧力は、10−0.1〜10−3Paとすることが好ましい。
また、温度条件としては、原料モノマーが基材に到達するまでに損失するエネルギーを最小限とするため、系全体を高温とし、かつ、原料モノマーの重合反応の活性化エネルギーを下回らないように基材を高温とすることが好ましい。このような非対称性芳香族モノマーの蒸発温度及び基材の加熱温度については後述する。
In the present embodiment, the pressure in the vacuum chamber in the gas phase polymerization is preferably 10 −0.1 to 10 −3 Pa.
In addition, as the temperature condition, in order to minimize the energy lost until the raw material monomer reaches the base material, the temperature of the entire system is kept high and the energy is not lower than the activation energy of the polymerization reaction of the raw material monomer. It is preferable to heat the material to a high temperature. The evaporation temperature of such an asymmetric aromatic monomer and the heating temperature of the base material will be described later.

本実施形態においては、気相重合中に、重合反応により生じる副生成物を反応系内から排出する工程を含む。非対称性芳香族モノマーが、例えば、HBAをアシル化(アセチル化)したものである場合、蒸着重合の進行に伴い、副生成物として酢酸が生じる。酢酸の比率が多くなると生成物が加水分解するなど重合反応に影響が及ぶ。さらに、反応系において副生成物濃度が増大するため平衡状態となり重合反応が停止する。そのため、重合容器を排気しつつ、副生成物を排出する必要がある。そこで、本実施形態においては、重合反応によって生じる副生成物を反応系から排出する工程を設けている。その結果、副生成物の重合反応への影響が低減し、重合反応が進行しポリマー分子の分子鎖が長くなる。なお、図2に示す蒸着重合装置においては、バルブ26を開状態とすることにより副生成物の排出をすることができる。 The present embodiment includes a step of discharging by-products generated by the polymerization reaction from the reaction system during the vapor phase polymerization. When the asymmetric aromatic monomer is, for example, an acylated (acetylated) HBA, acetic acid is produced as a by-product as the vapor deposition polymerization proceeds. When the ratio of acetic acid is increased, the product is hydrolyzed and the polymerization reaction is affected. Further, since the concentration of by-products increases in the reaction system, an equilibrium state is reached and the polymerization reaction is stopped. Therefore, it is necessary to discharge the by-products while exhausting the polymerization vessel. Therefore, in the present embodiment, a step of discharging the by-product generated by the polymerization reaction from the reaction system is provided. As a result, the influence of the by-product on the polymerization reaction is reduced, the polymerization reaction proceeds, and the molecular chain of the polymer molecule becomes long. In the vapor deposition polymerization apparatus shown in FIG. 2, by-products can be discharged by opening the valve 26.

鎖状のポリマー分子をより長く成長させるには、排出工程を所定時間毎に実行することが好ましい。例えば、真空中で0.1〜3時間重合反応を実行した後、1〜60分間排出工程を設けることが好ましい。そして、そのような重合反応及び排出工程のサイクルを1〜100回繰り返すことが好ましい。 In order to grow the chain polymer molecule longer, it is preferable to carry out the discharge step at predetermined time intervals. For example, it is preferable to carry out the polymerization reaction for 0.1 to 3 hours in vacuum and then provide a discharge step for 1 to 60 minutes. Then, it is preferable to repeat the cycle of such a polymerization reaction and a discharge step 1 to 100 times.

気相重合において、非対称性芳香族モノマーを、真空度1×10Paの環境下で、非対称性芳香族モノマーの沸点よりも150〜50℃低い温度で蒸発させ、基材の温度を、非対称性芳香族モノマーの沸点よりも100〜0℃低い温度に設定することが好ましい。非対称性芳香族モノマーの蒸発温度と、基材の温度とをこのように設定することで、非対称性芳香族モノマーが基材に向けて飛散し、基材表面に到達するとその瞬間に重合反応が起きるようになる。ひいては、重合反応が好適に進行し、ポリマー膜を効率良く形成することができる。 In gas phase polymerization, the asymmetric aromatic monomer is evaporated at a temperature 150 to 50 ° C. lower than the boiling point of the asymmetric aromatic monomer in an environment of a vacuum degree of 1 × 10 2 Pa to make the temperature of the substrate asymmetric. It is preferable to set the temperature 100 to 0 ° C. lower than the boiling point of the aromatic monomer. By setting the evaporation temperature of the asymmetric aromatic monomer and the temperature of the base material in this way, the asymmetric aromatic monomer scatters toward the base material, and when it reaches the surface of the base material, the polymerization reaction occurs at that moment. I will get up. As a result, the polymerization reaction proceeds favorably, and the polymer film can be efficiently formed.

以下に、実施例により本実施形態をさらに具体的に説明するが、本実施形態は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present embodiment will be described in more detail with reference to Examples, but the present embodiment is not limited to the following Examples.

[実施例1]
まず、基材としてアルミニウム蒸着ガラス基板(厚み:1.5mm)を用い、アセトン、エタノールの順に浸漬しそれぞれ超音波洗浄を各10分間行った。さらに、UVオゾン洗浄を10分間行った。次いで、表面処理剤として3質量%の3−(2−アミノエチルアミノ)プロピルトリメトキシシランを加えたエタノールに1日浸漬して、基材の表面を表面処理剤により修飾した。
[Example 1]
First, an aluminum-deposited glass substrate (thickness: 1.5 mm) was used as a base material, and acetone and ethanol were immersed in this order, and ultrasonic cleaning was performed for 10 minutes each. Further, UV ozone washing was performed for 10 minutes. Then, the surface of the substrate was modified with the surface treatment agent by immersing it in ethanol containing 3% by mass of 3- (2-aminoethylamino) propyltrimethoxysilane as a surface treatment agent for 1 day.

蒸着重合装置の原料モノマー容器に、非対称性芳香族モノマーとして4−アセトキシ安息香酸を投入した。併せて、上記のように表面処理剤による修飾を施した基材を所定位置に載置した。この状態で、原料モノマー容器の温度が180℃、基材の温度が240℃となるようにそれぞれ加熱しつつ、1.2×10Paの真空とすることにより蒸着重合を行った。また、1時間経過後、3分間排気を行い、副生成物を系内から除去した。このような1時間毎の排気3回繰り返した。
以上のようにして、基材に対して80nmのポリマー薄膜を形成し、ポリマー薄膜付き基材を得た。
4-Acetoxybenzoic acid was charged as an asymmetric aromatic monomer into the raw material monomer container of the vapor deposition polymerization apparatus. At the same time, the base material modified with the surface treatment agent as described above was placed in a predetermined position. In this state, vapor deposition polymerization was carried out by creating a vacuum of 1.2 × 10 3 Pa while heating the raw material monomer container to 180 ° C. and the base material temperature to 240 ° C., respectively. After 1 hour, exhaust was performed for 3 minutes to remove by-products from the system. Such exhaust every hour was repeated 3 times.
As described above, a polymer thin film having a thickness of 80 nm was formed on the base material to obtain a base material with the polymer thin film.

得られたポリマー薄膜付き基材に対して、高感度反射法による赤外線分析を行った。赤外線分光装置には、日本分光(株)製、FT−IR spectrometer FTIR−6100を使用し、積算回数128回、分解能4.0cm−1にて測定した。そして、高感度反射法による赤外線分析で測定される波数1740cm−1での吸収ピークに対する波数1600cm−1における吸収ピークの比(A)を求めた。
また、ポリマー薄膜を構成する芳香族ポリマー分子と同じ芳香族ポリマー分子を無配向状態で含む試料としては、4−ヒドロキシ安息香酸のホモポリマーを無配向状態で含む試料を用いた。そして、その試料に対して、KBr錠剤法による赤外線分析を行い、波数1740cm−1での吸収ピークに対する波数1600cm−1における吸収ピークの比(B)を求めた。
得られた各吸収ピークの比より、比の値(A/B)を求めたところ3.2であった。本実施例では高感度反射法による赤外線分析を行っており、条件2を満たすことから、形成されたポリマー分子は、基材に対して垂直に配向していることを示している。
The obtained substrate with a polymer thin film was subjected to infrared analysis by a high-sensitivity reflection method. An FT-IR spectrometer FTIR-6100 manufactured by JASCO Corporation was used as an infrared spectroscope, and the measurement was performed 128 times with a resolution of 4.0 cm- 1 . Then, to determine the ratio of the absorption peak at a wave number 1600 cm -1 for absorption peak at wave number 1740 cm -1 as measured by infrared analysis by high sensitivity reflection method (A).
As a sample containing the same aromatic polymer molecule as the aromatic polymer molecule constituting the polymer thin film in an unoriented state, a sample containing a homopolymer of 4-hydroxybenzoic acid in an unoriented state was used. Then, with respect to the sample, perform infrared analysis by KBr tablet method was determined the ratio of the absorption peak at a wave number 1600 cm -1 for absorption peak at a wavenumber 1740cm -1 (B).
The ratio value (A / B) was determined from the ratio of the obtained absorption peaks and found to be 3.2. In the present embodiment, infrared analysis is performed by the high-sensitivity reflection method, and since condition 2 is satisfied, it is shown that the formed polymer molecules are oriented perpendicularly to the substrate.

[実施例2]
蒸着重合において、1時間毎の排気を行わなかったこと以外は実施例1と同様にして、基材に対して5nmのポリマー薄膜が形成されたポリマー薄膜付き基材を得た。また、得られたポリマー薄膜付き基材に対して高感度反射法による赤外線分析を行い、実施例1と同様にして比の値(A/B)を求めたところ3.2であった。すなわち、実施例1と同様に条件2を満たすことから、形成されたポリマー分子が、基材に対して垂直に配向していることを示している。
[Example 2]
In the vapor deposition polymerization, a substrate with a polymer thin film was obtained in the same manner as in Example 1 except that the exhaust was not performed every hour, and a polymer thin film having a thickness of 5 nm was formed on the substrate. Further, the obtained substrate with a polymer thin film was subjected to infrared analysis by a high-sensitivity reflection method, and the ratio value (A / B) was obtained in the same manner as in Example 1 and found to be 3.2. That is, since the condition 2 is satisfied as in Example 1, it is shown that the formed polymer molecules are oriented perpendicularly to the base material.

[実施例3]
非対称性芳香族モノマーを4−ヒドロキシ安息香酸に代えたこと、及び基材としてシリコン基板(厚み:1mm)を用いたこと以外は実施例1と同様にして、基材に対して45nmのポリマー薄膜が形成されたポリマー薄膜付き基材を得た。また、得られたポリマー薄膜付き基材に対して透過法による赤外線分析を行い、実施例1と同様にして比の値(A/B)を求めたところ0.5であった。本実施例では透過法による赤外線分析を行っており、条件1を満たすことから、形成されたポリマー分子が、基材に対して垂直に配向していることを示している。
[Example 3]
A polymer thin film having a diameter of 45 nm with respect to the base material in the same manner as in Example 1 except that the asymmetric aromatic monomer was replaced with 4-hydroxybenzoic acid and a silicon substrate (thickness: 1 mm) was used as the base material. A substrate with a polymer thin film was obtained. Further, the obtained substrate with a polymer thin film was subjected to infrared analysis by a transmission method, and the ratio value (A / B) was determined in the same manner as in Example 1 and found to be 0.5. In the present embodiment, infrared analysis is performed by the transmission method, and since condition 1 is satisfied, it is shown that the formed polymer molecules are oriented perpendicularly to the substrate.

[比較例1]
非対称性芳香族モノマーを4−ヒドロキシ安息香酸に代えたこと、及び表面処理剤による修飾をしていない基材を用いたこと以外は実施例1と同様にして、基材に対して100nmのポリマー薄膜が形成されたポリマー薄膜付き基材を得た。また、得られたポリマー薄膜付き基材に対して高感度反射法による赤外線分析を行い、実施例1と同様にして比の値(A/B)を求めたところ1.0であった。すなわち、条件2を満たさないことから、ポリマー分子は垂直に配向しなかったと考えられる。
[Comparative Example 1]
A polymer having a diameter of 100 nm with respect to the base material in the same manner as in Example 1 except that the asymmetric aromatic monomer was replaced with 4-hydroxybenzoic acid and a base material not modified with a surface treatment agent was used. A substrate with a polymer thin film on which a thin film was formed was obtained. Further, the obtained substrate with a polymer thin film was subjected to infrared analysis by a high-sensitivity reflection method, and the ratio value (A / B) was determined in the same manner as in Example 1 and found to be 1.0. That is, since the condition 2 is not satisfied, it is considered that the polymer molecules were not vertically oriented.

以上の実施例1〜3及び比較例1について、下記表1にまとめて示す。表1において、1時間毎に3分間の排気を行った場合を「あり」として示した。また、ポリマー分子が基材に対して垂直に配向した場合を「○」とし、垂直に配向しなかった場合を「×」として示した。 The above Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 are summarized in Table 1 below. In Table 1, the case where the exhaust was performed for 3 minutes every hour was shown as “Yes”. Further, the case where the polymer molecule was oriented perpendicularly to the substrate was indicated by “◯”, and the case where the polymer molecule was not oriented vertically was indicated by “x”.

Figure 2021014490
Figure 2021014490

表1より、実施例1〜3においては、ポリマー分子が垂直に配向したポリマー薄膜が得られたことが分かる。これに対して、表面処理剤による修飾をしていない基材を用いた比較例1は、ポリマー分子が垂直に配向しなかった。なお、実施例2は、垂直配向はしているものの、排気を行っていないため十分な長さの鎖状のポリマー分子が形成されず、ポリマー薄膜が他の実施例と比較して薄かった。 From Table 1, it can be seen that in Examples 1 to 3, polymer thin films in which the polymer molecules were vertically oriented were obtained. On the other hand, in Comparative Example 1 using the base material not modified with the surface treatment agent, the polymer molecules were not vertically oriented. In Example 2, although the polymer was vertically oriented, the polymer molecules having a sufficient length were not formed because the exhaust was not performed, and the polymer thin film was thinner than in the other examples.

10 ポリマー薄膜付き基材
12 基材
14 ポリマー分子
16 ポリマー薄膜
20 蒸着重合装置
22 真空チャンバー
28 原料モノマー容器
30 基材
10 Base material with polymer thin film 12 Base material 14 Polymer molecule 16 Polymer thin film 20 Vapor deposition polymerization equipment 22 Vacuum chamber 28 Raw material monomer container 30 Base material

Claims (8)

基材上に、所定の方向に配向した多数の鎖状の芳香族ポリマー分子を含むポリマー薄膜が形成されたポリマー薄膜付き基材であって、
前記鎖状の芳香族ポリマー分子が、非対称な分子構造を有する非対称性芳香族モノマーが重合して鎖状をなす全芳香族ポリエステル及び/又は全芳香族ポリエステルアミドであり、下記条件1又は2を満たす、ポリマー薄膜付き基材。
(条件1)前記ポリマー薄膜に対して、透過法による赤外線分析で測定される波数1740cm−1での吸収ピークに対する波数1600cm−1における吸収ピークの比(A)と、前記ポリマー薄膜を構成する芳香族ポリマー分子と同じ芳香族ポリマー分子を無配向状態で含む試料をKBr錠剤法による赤外線分析で測定される波数1740cm−1での吸収ピークに対する波数1600cm−1における吸収ピークの比(B)との比の値(A/B)が0〜0.67である。
(条件2)前記ポリマー薄膜に対して、高感度反射法による赤外線分析で測定される波数1740cm−1での吸収ピークに対する波数1600cm−1における吸収ピークの比(A)と、前記ポリマー薄膜を構成する芳香族ポリマー分子と同じ芳香族ポリマー分子を無配向状態で含む試料をKBr錠剤法による赤外線分析で測定される波数1740cm−1での吸収ピークに対する波数1600cm−1における吸収ピークの比(B)との比の値(A/B)が2以上である。
A substrate with a polymer thin film in which a polymer thin film containing a large number of chain-like aromatic polymer molecules oriented in a predetermined direction is formed on the substrate.
The chain-like aromatic polymer molecule is a total aromatic polyester and / or a total aromatic polyester amide in which an asymmetric aromatic monomer having an asymmetric molecular structure is polymerized to form a chain, and the following condition 1 or 2 is satisfied. Fill, substrate with polymer thin film.
(Condition 1) aromatic wherein the polymer thin film, and the ratio of the absorption peak at a wave number 1600 cm -1 for absorption peak at wave number 1740 cm -1 as measured by infrared analysis by transmission method (A), constituting the polymer film the ratio of the absorption peak at a wave number 1600 cm -1 the sample containing the same aromatic polymer molecule and family polymer molecules unoriented state for absorption peak at wave number 1740 cm -1 as measured by infrared analysis according to KBr tablet method (B) and the The ratio value (A / B) is 0 to 0.67.
Against (Condition 2) the polymer film, and the ratio of the absorption peak at a wave number 1600 cm -1 for absorption peak at wave number 1740 cm -1 as measured by infrared analysis by high sensitivity reflection method (A), constituting the polymer film Ratio of absorption peak at wave number 1600 cm -1 to absorption peak at wave number 1740 cm -1 measured by infrared analysis by KBr tablet method for a sample containing the same aromatic polymer molecule as the aromatic polymer molecule in an unoriented state (B) The value of the ratio (A / B) with and is 2 or more.
前記非対称性芳香族モノマーが、下記構造式(I)〜(IV)で表される構造単位のうちのいずれかの構造を有するモノマーである、請求項1に記載のポリマー薄膜付き基材。
Figure 2021014490
The substrate with a polymer thin film according to claim 1, wherein the asymmetric aromatic monomer is a monomer having any of the structures represented by the following structural units (I) to (IV).
Figure 2021014490
前記ポリマー薄膜の膜厚が30〜700nm以上である、請求項1又は2に記載のポリマー薄膜付き基材。 The substrate with a polymer thin film according to claim 1 or 2, wherein the polymer thin film has a film thickness of 30 to 700 nm or more. 水酸基、カルボキシル基及びアミノ基のうちのいずれかと反応して結合を形成し得る官能基を有する表面処理剤を用い、前記官能基が露出するように基材の表面を前記表面処理剤により修飾する工程と、
前記表面処理剤の官能基と反応して結合を形成し得る、非対称な分子構造を有する非対称性芳香族モノマーを用い、気相重合により前記基材の表面にポリマー薄膜を形成する工程と、を含み、
前記気相重合中に、重合反応により生じる副生成物を反応系内から排出する工程を含む、ポリマー薄膜付き基材の製造方法。
A surface treatment agent having a functional group capable of reacting with any of a hydroxyl group, a carboxyl group and an amino group to form a bond is used, and the surface of the base material is modified with the surface treatment agent so that the functional group is exposed. Process and
A step of forming a polymer thin film on the surface of the base material by vapor phase polymerization using an asymmetric aromatic monomer having an asymmetric molecular structure that can react with a functional group of the surface treatment agent to form a bond. Including
A method for producing a substrate with a polymer thin film, which comprises a step of discharging by-products generated by the polymerization reaction from the reaction system during the vapor phase polymerization.
前記副生成物を反応系内から排出する工程を所定時間毎に実行する、請求項4に記載のポリマー薄膜付き基材の製造方法。 The method for producing a substrate with a polymer thin film according to claim 4, wherein the step of discharging the by-product from the reaction system is executed at predetermined time intervals. 前記気相重合において、前記非対称性芳香族モノマーを、真空度1×10Paの環境下で、前記非対称性芳香族モノマーの沸点よりも150〜50℃低い温度で蒸発させ、前記基材の温度を、前記非対称性芳香族モノマーの沸点よりも100〜0℃低い温度に設定して気相重合を行う、請求項4又は5に記載のポリマー薄膜付き基材の製造方法。 In the gas phase polymerization, the asymmetric aromatic monomer is evaporated at a temperature 150 to 50 ° C. lower than the boiling point of the asymmetric aromatic monomer in an environment of a degree of vacuum of 1 × 10 2 Pa, and the base material is subjected to. The method for producing a base material with a polymer thin film according to claim 4 or 5, wherein the temperature is set to a temperature 100 to 0 ° C. lower than the boiling point of the asymmetric aromatic monomer to perform vapor phase polymerization. 前記非対称性芳香族モノマーが、下記構造式(I)〜(IV)で表される構造単位のうちのいずれかの構造を有するモノマーである、請求項4〜6のいずれか1項に記載のポリマー薄膜付き基材の製造方法。
Figure 2021014490
The item according to any one of claims 4 to 6, wherein the asymmetric aromatic monomer is a monomer having a structure of any of the structural units represented by the following structural formulas (I) to (IV). A method for producing a substrate with a polymer thin film.
Figure 2021014490
前記非対称性芳香族モノマーがアシル化されている、請求項7に記載のポリマー薄膜付き基材の製造方法。 The method for producing a substrate with a polymer thin film according to claim 7, wherein the asymmetric aromatic monomer is acylated.
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