JP2947094B2 - 高分子量ポリアミドイミド樹脂の製造方法 - Google Patents

高分子量ポリアミドイミド樹脂の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ポリアミドイミド(以
下、「PAI」と略称する)樹脂の経済性の高い製造方
法に関し、詳しくは、芳香族トリカルボン酸無水物(ま
たはその誘導体)と芳香族ジアミンとを極性溶媒に溶解
したのち、重合触媒の存在下に直接重合反応を実施して
PAI樹脂を製造する方法に関する。
【0002】本発明はさらに、製造工程が簡単で、比較
的低温かつ短い時間の反応で高い収率をもって高分子量
のPAI樹脂を製造する方法に関する。
【0003】
【従来の技術】PAI樹脂は使用した単量体の種類によ
って種々の分子構造を有するが、芳香族トリカルボン酸
の成分としてはトリメリト酸(またはその誘導体)を、
芳香族ジアミン成分としてはメタフェニレンジアミンと
ジアミノジフェニルエーテルを混用して重縮合させた、
次の一般式(I)
【0004】
【化1】
【0005】〔式中、Rは
【0006】
【化2】
【0007】または
【0008】
【化3】
【0009】である〕で表わされるもののような樹脂
が、最も代表的である。
【0010】このような一般式(I)のPAI樹脂は、
アメリカ特許第4,045,407号および特開平2−
18422号などに記載されているが、この樹脂は、透
明な非結晶質の樹脂として、下記のような特徴を有す
る。
【0011】(1)熱変形温度が278℃と、非常に高
く、長期使用耐熱温度も200℃を越え、耐熱性が非常
に高いので、使用可能温度範囲が−200〜260℃と
広範囲である。 (2)機械的強度が高く、200℃以上においても汎用
エンジニアリングプラスチックの常温時の物性と同一程
度の、卓越した剛性を有する。 さらに、耐衝撃性も非
常に優秀である。 (3)耐クリープ性が優れる。 (4)線膨脹係数は非強化品として4×10-5cm/cm・
℃の小さい値を有し、充填剤を使用する場合、その値を
半分以下に低減できる (5)とくに絶縁破壊強度、体積固有抵抗が優秀で、か
つ添加剤を加えなくてもUL94V−0の難燃性を有す
る。 (6)PTFE、黒鉛との複合化により優れた耐摩耗特
性を有する。 耐摩耗等級は優れた自己潤滑性および耐
摩耗特性を有し、高温においても強度および弾性率が優
れているので、苛酷な環境下で用いる摺動部品として最
適である。 (7)優れた耐薬品性を有し、炭化水素系の溶媒に対し
てはほぼ安定であるが、濃アルカリ水溶液に対しては注
意を要する。 (8)耐紫外線性、耐放射線性が優れる。
【0012】一般的なPAI樹脂の製造方法には、芳香
族ジイソシアネートと芳香族トリカルボン酸無水物との
縮合反応により、一次重合体であるポリアミク酸(Poly
amicacid)を経由しないでPAIを合成するイソシアネ
ート法〔特公昭44−19274号、アメリカ特許第
3,541,038号(1970)〕、および芳香族トリ
カルボン酸クロライドと芳香族ジアミンとの縮合反応に
よりPAIを製造する酸クロライド法がある。 酸クロ
ライド法には、アメリカのスタンダードオイル社が開発
した、N,N−ジメチルアセトアミド(以下、「DMA
C」と略称する)のような非水系極性溶媒の中で室温で
反応させる低温均一溶液重合法(アメリカ特許第3,9
20,612号(1975))や、日本の帝人化成社が
開発した、メチルエチルケトンのような水に一部溶解す
る有機溶媒と水との系にトリエチルアミンを酸受容体と
して使用する一種の界面重合法である、低温析出重合法
(特開昭46−15513号)などの方法がある。 そ
の他のPAI樹脂の製造方法としては、芳香族ジアミン
と芳香族トリカルボン酸とを脱水触媒の存在下に直接反
応させる直接重合法がある〔アメリカ特許第3,86
0,559号(1975)、特開昭58−180532
号〕。
【0013】しかし、イソシアネート法によるPAIの
製造は反応中にゲル化が起こり、副反応物の生成によっ
て線状の高分子量重合体を得ることが難しいなど、反応
の調節が非常に難しい。 したがって、この方法により
製造されたPAI樹脂は溶融流動性が減少していて成形
加工性が不良であり、機械的な物性と耐熱性が非常に低
く、成形材料などの用途には適用しにくい。
【0014】また、酸クロライド法の低温均一溶液重合
法は、高価な酸クロライドを原料物質として使用するこ
とにより高分子量重合体を得ることができる方法であっ
て、一次重合体であるポリアミク酸を製造したのち、再
び加熱するかまたは脱水触媒を利用するかしてイミド化
を行なう二段階反応で、反応中に生成するハロゲン化合
物の除去が必要になるなど、原料の値段および製造工程
の複雑さから価格面で不利であり、その上、樹脂の分子
構造の変性がほとんど不可能であるという問題もある。
【0015】低温析出重合法も、低温均一溶液重合法と
同じように、非常に高価な酸クロライドを使用し、メチ
ルエチルケトンと水とを反応触媒として使用してポリア
ミク酸を沈澱させ、閉環させる二段階反応であって、製
造されたPAIの分子量分布が大きく、比較的低い分子
量の重合体しか得られないので、実用上の価値がほとん
どない。
【0016】それだけではなく、イソシアネート法も酸
クロライド法も、酸クロライドおよびジイソシアネート
のどちらも水分に敏感なので取扱いが難しく、反応工程
において水分を徹底的に遮断しなければならないという
欠点がある。
【0017】そこで、PAI樹脂の直接重合法は、芳香
族ジアミンと芳香族トリカルボン酸無水物(またはその
誘導体)を重合触媒を使用して直接反応させる方法とし
て、PAI樹脂の種々の製造方法の中では工程が最も単
純で、原料の価格や製造工程の費用などコスト面におい
ても有利であり、単量体の確保および取扱いが容易な方
法であるから、多くの研究が進められている。
【0018】使用する重合触媒としては、リン酸および
ポリリン酸などのリン酸系(特公昭63−27527
号、特開昭62−297329号)、ホウ酸および無水
ホウ酸などのホウ酸系(フランス特許第1,515,0
66号、特開昭58−180532号)またはトリフェ
ニルフォスファイトおよびリン酸トリエステル系(アメ
リカ特許第3,860,559号)などが利用されてい
て、これらの重合触媒は、その種類により重合効果が異
なることが知られている。 しかし、高価な重合触媒を
反応物単量体と同一のモル比で使用して高分子量の重合
体を得るためには、200℃以上の高温で長持間反応さ
せなければならない。 したがって、高沸点の溶媒であ
るN−メチルピロリドン(以下、「NMP」と略称す
る)、スルホラン、ニトロベンゼンなどを合成反応の溶
媒として使用した場合にも、単量体および生成した樹脂
が反応器の中で分解し、その結果生じたタール状の物質
と多量に使用された重合触媒とが重合体に混入し、これ
らが色相を悪くし、PAIの物性を悪化させる原因にな
る。 さらに、副反応のため線状の高分子量重合体が得
にくく、溶解度が減少するなどの難点がある。 とくに
高価な重合触媒を多量使用しなければならず、これらの
重合触媒の回収が不可能なので、結果的にPAI樹脂の
製造費用が高くなり、経済性がない。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
した既知の直接重合法によるPAI製造技術の問題点を
画期的に解決し、耐熱性および溶融流動性が優れた高分
子量PAI樹脂の製造方法を提供することにある。
【0020】
【課題を解決するための手段】本発明の製造方法は、芳
香族トリカルボン酸無水物(またはその誘導体)と芳香
族ジアミンとを極性溶媒に溶解し、第一の重合触媒であ
るアシルハロゲン化剤を使用して低分子量のPAIを合
成した後、続いて第二の重合触媒であるリン化合物を使
用して高分子量のPAI樹脂を製造することからなる。
【0021】詳しくは、本発明は第一の重合触媒として
安価な塩化チオニルのようなアシルハロゲン化剤をNM
Pのような極性溶媒に溶解し、5℃以下に冷却して錯体
を形成させたのち、常温で芳香族トリカルボン酸無水物
を添加し、常温で1時間以内撹拌し、続いて芳香族ジア
ミンを添加して、50〜130℃で5時間以内反応さ
せ、生成するPAI樹脂の固有粘度(溶媒DMAC、温
度30℃、濃度0.5g/dL)が0.4dL/g以下にな
るように重合した後、第二の触媒としてトリフェニルフ
ォスファイト(以下、「TPP」と略称する)のような
リン化合物を単量体に対して50モル%以下使用して、
続けて反応させ、固有粘度が0.4dL/g以上である高
分子量PAIを製造する方法である。
【0022】本発明で使用する芳香族トリカルボン酸無
水物(またはその誘導体)としては、トリメリト酸無水
物、1,2,3−ベンゼントリカルボン酸無水物、1,
2,4−、1,4,5−および2,3,6−ナフタリン
トリカルボン酸無水物、3,4,4′−ベンゾフェニル
トリカルボン酸無水物、3,4,4′−フェニルエーテ
ルトリカルボン酸無水物などがあり、芳香族トリカルボ
ン酸誘導体の例としては、トリメリト酸無水物とアルコ
ールとのエステル化物、たとえばトリメリト酸モノメチ
ルエステル、トリメリト酸モノエチルエステルなどのト
リメリト酸モノエステルである。
【0023】また、本発明において使用する芳香族ジア
ミンとしては、メタフェニレンジアミン、パラフェニレ
ンジアミン、4,4′−ジアミノジフェニルスルホン、
4,4′−ジアミノジフェニルメタン、4,4′−ジア
ミノジフェニルスルフィド、4−メチル−1,3−ジア
ミノベンゼン、4,4′−ジアミノジフェニルメタン、
3,4′−ジアミノジフェニルエーテル、3,3′−ジ
クロロ−4,4′−ジアミノジフェニルメタン、3,
3′−ジメトキシ−4,4′−ジアミノジフェニルメタ
ン、メタ−ビス(パラアミノフェノキシ)ベンゼン、パ
ラ−ビス(パラ−アミノフェノキシ)ベンゼンまたはメ
タキシレンジアミンなどがある。
【0024】これらの化合物は単独で使用することもで
き、必要に応じて、2種以上を混合して使用することも
できる。 これらの中で、製造された樹脂の物性たとえ
ば耐熱性および溶融流動性とコストを考慮すると、トリ
メリト酸無水物、トリメリト酸モノメチルエステルと
4,4′−ジアミノジフェニルエーテル、4,4′−ジ
アミノジフェニルメタン、メタフェニレンジアミン、パ
ラフェニレンジアミンなどが有利である。
【0025】本発明に使用できる第一の重合触媒として
は、チオニルクロライド、パラトルエンスルフォニルク
ロライド、スルフリルクロライド、シアヌルクロライ
ド、三塩化リンなどの有機または無機のアシルハロゲン
化剤などがあり、その中でも値段や性能の点で、チオニ
ルクロライドがとくに優れている。
【0026】本発明で使用する極性溶媒としては、第一
の触媒と錯体を形成し、アミド化を容易に進行させる溶
媒として、NMP、N−エチルピロリドン、N−フェニ
ルピロリドン、N−フェニルピペリドン、N−メチルカ
プロラクタム、N,N′−エチレンジピロリドン、N−
フェニルジピロリドン、ヘキサメチルリン酸トリアミド
(以下「HMPA」と略称する)、N−メチルアルファピ
リドン、N,N′−ジメチルアセトアミド、ジメチルホ
ルムアミド、ジメチルプロピオンアミドなどで、最も優
れた溶媒は、NMP、N−メチルアルファピリドン、H
MPAである。
【0027】本発明で使用する第二の触媒は、リン化合
物であって、その例としては、TPP、トリクレジルフ
ォスファイト、トリシクロヘキシルフォスファイト、ジ
メチル−m−クロロフェニルフォスファイト、オキシエ
チルジピリジルフォスファイトなどの、三価リンの化合
物類であって、式(RO)3Pで表わされる化合物であ
る。 ここで、Rは脂肪族または芳香族の置換基であっ
て、その例は次のとおりである。 すなわち、Rとし
て、メチル、エチル、ブチル、イソブチル、2−エチル
ヘキシル、イソオクチル、トルイル、ノニルフェニル、
ジフェニルノニルである。 その他、リン酸、ピロリン
酸、メタリン酸、五酸化リン、五塩化リンなどの、五価
のリン化合物などが使用できる。
【0028】本発明によるPAI樹脂は、上記した芳香
族トリカルボン酸無水物と芳香族ジアミンとをほぼ同一
モルで使用して製造する。 反応物の濃度は5〜50wt
%、好ましくは7〜30wt%である。 5wt%以下では
経済性が悪く、30wt%以上ではゲル化が起る。 第一
の重合触媒の使用量は、単量体のモル数を基準として5
〜80モル%、とくに40〜60モル%が好適であり、
反応温度は50〜130℃、反応時間は1〜5時間であ
る。 第二の重合触媒の使用量は、単量体モル数を基準
として1〜70モル%、とくに5〜50モル%が好まし
く、反応温度は70〜130℃の範囲が好ましく、反応
時間は1〜5時間程度である。
【0029】
【作用】本発明により製造されたPAIは、DMAC中
温度30℃、0.5g/dLの濃度で測定した固有粘度が
0.4dL/g以上であり、完全にイミド化されていて、
目的に従って、成形用、フィルム用およびコーティング
用などに使用することができる。 この製造方法は、1
30℃以下の比較的低温、5時間以下の短時間で、耐熱
性および溶融流動性が優れた高分子量のPAI樹脂を製
造することができ、副反応による溶解度の減少とタール
状の物質などの混入による色相および物性の劣化がな
く、熱可塑性成形材料、とくに電気・電子、宇宙・航空
など、先端産業の主要な耐熱構造材料として使用でき
る。
【0030】
【実施例】以下、実施例をあげて本発明を詳しく説明す
る。
【0031】〔実施例1〕撹拌機、窒素流入口、温度調
節器および冷却器を具備した25リットル反応器中で、
窒素ガスを徐々に通過させながら、237.8g(2モ
ル)のチオニルクロライドを2リットルのNMPに溶解
させ、5℃以下に冷却した。 約30分後、室温まで昇
温したところで室温に30分間保ち、その後、384g
(2モル)のトリメリト酸無水物と2リットルのNMP
を徐々に加えた。 常温で約0.5〜1時間撹拌したの
ち、400g(2モル)のジアミノジフェニルエーテル
と204g(2モル)のトリエチルアミンとを3リット
ルのNMPに溶解させた混合溶液を1〜2時間にわたっ
て徐々に加えたのち、70℃で3時間反応を実施した。
続いて310g(1モル:50モル%)のTPPを加
え、100℃まで昇温し、3時間反応を実施した。 反
応混合物を配合機(waring blender)内で過剰量のメタノ
ールを用いて沈澱させ、濾過により分離した。 分離し
た重合体を水とメタノールで数回洗浄したのち、120
℃の真空乾燥機で24時間乾燥して、黄色粉末の重合体
を得た。 製造したPAI樹脂を前記のように0.5g
/dLの濃度でDMACに溶解し、30℃で測定した固有
粘度は0.93dL/gであった。 また、製造したPA
IをDMACに固形分が10〜15wt%になるように溶
解し、ガラス板に塗布したのち、150℃、250℃、
300℃でそれぞれ1時間ずつ硬化させて、PAIフィ
ルムを製造した。
【0032】〔実施例2〕二次重合の触媒として155
g(5モル、25モル%)のTPPを加え、続けて10
0℃で3時間反応を行なった以外は実施例1と同じ工程
を繰り返し、PAI樹脂を得た。 DMACを溶媒とし
て用い、0.5g/dLの濃度で30℃で測定した固有粘
度は0.85dL/gであった。
【0033】〔実施例3〕二次重合の触媒として77.
5g(0.25モル、12.5モル%)のTPPを加
え、続けて100℃まで昇温して3時間反応を行なった
以外は実施例1と同じ工程を繰り返し、PAI樹脂を得
た。 DMACを溶媒として用い、0.5g/dLの濃度
で30℃で測定した固有粘度は0.65dL/gであっ
た。
【0034】〔実施例4〕二次重合の触媒として388
g(0.125モル、6.25モル%)のTPPを加
え、続けて100℃まで昇温して3時間反応を実施した
以外は実施例1と同じ工程を繰り返し、PAI樹脂を得
た。 DMACを溶媒として用い、0.5g/dLの濃度
で30℃で測定した固有粘度は0.51dL/gであっ
た。
【0035】〔実施例5〕ジアミノジフェニルエーテル
の代わりに216g(2モル)のメタフェニレンジアミ
ンを使用し、204g(2モル)のトリエチルアミンと
ともに3リットルのNMPに溶解して加えた以外は実施
例1と同じ工程を繰り返し、PAI樹脂を得た。 DM
ACを溶媒として用い、0.5g/dLの濃度で30℃で
測定した固有粘度は0.64dL/gであった。
【0036】〔実施例6〕ジアミノジフェニルエーテル
の代わりに396g(2モル)のジアミノジフェニルメ
タンを使用し、408g(4モル)のトリエチルアミン
とともに3リットルのNMPに溶解して加えた以外は実
施例1と同じ工程を繰り返し、PAI樹脂を得た。 D
MACを溶媒として用い、0.5g/dLの濃度で30℃
で測定した固有粘度は0.86dL/gであった。
【0037】〔実施例7〕280g(1.4モル)のジ
アミノジフェニルエーテルと65g(0.3モル)のメタ
フェニレンジアミンとを使用し、158g(2モル)の
ピリジンとともに3リットルのNMPに溶解して加えた
以外は実施例1と同じ工程を繰り返し、PAI樹脂を得
た。 DMACを溶媒として用い、0.5g/dLの濃度
で30℃で測定した固有粘度は1.25dL/gであっ
た。
【0038】〔実施例8〕240g(1.2モル)のジ
アミノジフェニルエーテル、64.8g(0.6モル)
のメタフェニレンジアミンと23.2g(0.2モル)
のヘキサメチレンジアミンを使用して、158g(0.
2モル)のピリジンとともに3リットルのNMPに溶解
して加えた以外は、実施例1と同じ工程を繰り返し、P
AI樹脂を得た。 DMACを溶媒として用い、0.5
g/dLの濃度で30℃で測定した固有粘度は1.05dL
/gであった。
【0039】〔比較例1〕実施例1と同一の反応装置中
で237.8g(2モル)のチオニルクロライドを2リ
ットルのNMPに溶解させ、0℃まで冷却した。 30
分後再び室温まで昇温し、常温に30分間保った後、3
84g(2モル)のトリメリト酸無水物と2リットルのN
MPを加え、常温で1時間撹拌した。 続いて400g
(2モル)のジアミノジフェニルエーテルと204g(2
モル)のトリエチルアミンとを3リットルのNMPに溶
解した混合溶液を1〜2時間かけて徐々に加えたのち、
70℃で3時間反応を実施した。 続いてTPPを加え
ないで100℃まで昇温し、3時間反応を行なったの
ち、実施例1と同一の方法で処理して重合体を得た。
このようにして製造したPAI樹脂を、0.5g/dLの
濃度でDMACに溶解し、30℃で測定した固有粘度は
0.25dL/gであった。
【0040】〔比較例2〕実施例1と同一の反応装置を
用い、第一の重合触媒であるチオニルクロライドを加え
ないで、384g(2モル)のトリメリト酸無水物と4
リットルのNMPを入れ、常温で1時間撹拌した。 続
いて400g(2モル)のジアミノジフェニルエーテル
と204g(2モル)のトリエチルアミンとを3リット
ルのNMPに溶解して徐々に加えたのち、70℃で3時
間撹拌した。 続いて310g(1モル)のTPPを加
え、100℃まで昇温させて3時間保ち、実施例1と同
一の方法で処理したが、重合反応は起きなかった。
【0041】
【0042】
【0043】[比較例3] 実施例1と同様の方法で実施し、トリメリト酸無水物の
代りに332g(2モル)のイソフタル酸を使用して反
応を行おうとしたが、重合反応は全く起きなかった。
【0044】製造されたPAIの重合条件と物性とを表
1に示した。 表1から分かるように、本発明によれば
製造されたPAIの粘度が0.5dL/g以上である高分
子量重合体が得られ、フィルム状態で引張強度を容易に
測定することができた。 しかもその値は、1000〜
1300kg/cm2程度であって優れた機械的な強度を有し
ていることが分かる。 製造されたPAIの熱的性質を
評価するために、示差熱走査法(DSC)を用い、ガラ
ス転移温度を測定した。
【0045】
【表1】
フロントページの続き (72)発明者 洪 永澤 大韓民国大田直轄市儒城区魚隠洞(番地 なし) ハンビットアパート128−1402 号 (72)発明者 元 鐘燦 大韓民国大田直轄市儒城区魚隠洞(番地 なし) ハンビットアパート129−801号 (56)参考文献 特開 昭58−180532(JP,A) 特開 昭55−129421(JP,A) 特公 昭49−4077(JP,B1)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 芳香族トリカルボン酸無水物またはその
    誘導体と芳香族ジアミンとを極性溶媒に溶解し、第一の
    重合触媒として、チオニルクロライド、パラトルエンス
    ルホニルクロライド、スルフリルクロライド、シアヌル
    クロライドおよび三塩化リンからなるグループから選択
    されたものを使用して、固有粘度(溶媒:ジメチルアセ
    トアミド、温度:30℃、濃度:0.5g/dL)が
    0.4dL/g未満である低分子量のポリアミドイミド
    樹脂を合成したのち、続いて第二の重合触媒として、ト
    リフェニルフォスファイト、トリクレジルフォスファイ
    ト、トリシクロヘキシルフォスファイト、ジメチル−m
    −クロロフェニルフォスファイトおよびオキシエチルジ
    ピリジルフォスファイトからなる三価のリン化合物のグ
    ループ、ならびに、リン酸、ピロリン酸、メタリン酸、
    五酸化リンおよび五塩化リンからなる五価のリン化合物
    のグループのいずれかに属するものを使用して、固有粘
    度が0.4〜1.5dL/gである高分子量のポリアミ
    ドイミド樹脂を製造することからなるポリアミドイミド
    樹脂の製造方法。
  2. 【請求項2】 第一の重合触媒を、単量体のモルを基準
    として5〜80モル%の量で使用することを特徴とする
    請求項1に記載のポリアミドイミド樹脂の製造方法。
  3. 【請求項3】 第一の重合触媒を使用する重合反応を、
    5〜50wt%の反応物の濃度、50〜130℃の温度に
    おいて1〜5時間行なうことを特徴とする請求項1に記
    載のポリアミドイミド樹脂の製造方法。
  4. 【請求項4】 第二の重合触媒を使用する重合反応を、
    50〜130℃の温度において1〜5時間行なうことを
    特徴とする請求項1に記載のポリアミドイミド樹脂の製
    造方法。
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