JP3317762B2 - ポリボラジン系化合物及びその製造方法、用途 - Google Patents
ポリボラジン系化合物及びその製造方法、用途Info
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Description
びその製造方法、用途に係る。このポリマーは窒化硼素
系セラミックス前駆体ポリマーとして有用であり、この
ポリマーを熱分解して得られる窒化硼素系セラミックス
は耐熱性、耐食性、潤滑性および絶縁性等に優れた材料
であり、化学、金属、電気、航空、宇宙、機械、精密、
自動車等の各産業での広範な利用が期待できる。
ーの合成方法としては下記の如き方法が公知である。 アルキル基、フェニル基およびメチルアミノ基を持
つボラジン化合物を熱縮合して窒化硼素系セラミックス
前駆体ポリマー(ポリアミノボラジン)を合成する。
〔R.H.Toeniskoetter,F.R.Hall,Inorg.Chem.,2,29(196
3) 〕 B−トリアミノ−N−トリス(トリメチルシリル)
ボラジンを熱縮合して窒化硼素系セラミックス前駆体ポ
リマーを合成する。〔K.J.L.Paciorek,W.Krone-Schmid
t,D.H.Harris,R.H.Kratzer,K.Wynne,J.Am.Chem.Soc.Sym
p.Ser.,360,392(1988) 〕 B−トリアミノボラジンを熱縮合して窒化硼素系セ
ラミックス前駆体ポリマーを合成する。〔林信行、木村
良晴他、第8回無機高分子討論会、12(1989)〕
ミックス前駆体ポリマーには以下の傾向がある。すなわ
ち、ポリマーの安定性を高めるために安定な置換基を
導入したものは、その高分子量化に高温を必要とする。
容易に高分子量化するものは安定性が低い。そして、
このいずれも反応の制御が困難である。
体ポリマーは高価なボラジン化合物を原料とし、これに
置換基を導入する等して高分子量化している。このた
め、製造コストが高い。本発明は、このような従来技術
の問題点を解決した新規な窒化硼素系セラミックス前駆
体ポリマー及びその製造方法を提供することを目的とす
る。
成するために、主として下記一般式で表わされる繰り返
し単位を有し、数平均分子量が300〜100,000
の範囲にあるポリボラジン系化合物を提供する。
単位間で同じでも異なってもよく、水素原子または−S
iR2 R3 R4 であるが、R2 ,R3 ,R4 はそれぞれ
独立して水素原子、炭素数1〜20個を有するアルキル
基またはアリール基を表わし、すべてのAが水素原子で
はない。)このポリボラジン系化合物は、後記の如く、
製造が容易であり、かつ製造コストも低いという製造上
の利点を有するほか、セラミックス収率も高く、またポ
リマーの安定性にも優れている。
が−NH−を介して結合した線状構造物であるが、硼素
原子に結合している−OR1 が窒素原子に結合している
A又はHあるいは原料のジシラザン化合物(R2 R3 R
4 SiNSiR5 R6 R7 )と反応してより複雑な構造
や架橋構造を取ることも可能である。なお、窒素原子に
結合しているAのうちシリル基−SiR2 R3 R4 がこ
のポリマーの有機溶媒に対する溶解性に影響する。この
ポリマーの有機溶媒に対する溶解性は、有機溶媒の種
類、シリル基のR2 ,R3 ,R4 基の種類によって異な
るので一概には言えないが、平均してボラジン環に結合
したAのうち0.1〜3個がシリル基であることが好ま
しい。また、−OR1 基の平均量の範囲は0.01〜
1.0である。
R3 ,R4 は、一般的には、水素原子、炭素数1〜20
個のアルキル基又はアリール基であるが、メチル、エチ
ル、プロピル、ブチル、フェニルが好ましい。なお、ポ
リマーの有機溶媒に対する溶解性は、シリル基量が同じ
であれば、R2 ,R3 ,R4 のうち、アルキル基または
アリール基の数(割合)が多い方が、高い。
し単位はいわば平均式的なものである。このポリマーの
分子量は数平均分子量で300〜100,000の範囲
である。分子量が300未満では低分子量であるため、
セラミックス収率が低い、一方100,000を超える
と安定性が低く、容易にゲル化すると考えられる。数平
均分子量300〜10000が好ましい。
般式 B(OR1 )3 (式中、R1 は同一でも異なってもよく、水素原子、炭
素数1〜20個を有するアルキル基またはアリール基を
表わし、少なくとも1個のR1 は上記のアルキル基また
はアリール基である。)で表わされる硼素アルコキシド
を、NH3 と、一般式 R2 R3 R4 SiNHSiR5 R6 R7 (式中、R2 ,R3 ,R4 ,R5 ,R6 ,R7 はそれぞ
れ独立に水素原子、炭素数1〜20個を有するアルキル
基またはアリール基を表わし、少なくとも1個のR1 は
上記アルキル基またはアリール基を表わす。)で表わさ
れるジシラザン化合物の存在下で反応させることを特徴
とするポリボラジン系化合物の製造方法が提供される。
クス前駆体ポリマーの合成法は、硼素アルコキシドとN
H3 を有機ジシラザンの存在下で反応させるものであ
り、この反応は典型的には次のように表わすことができ
る。
物よりも安価な硼素アルコキシドとアンモニアを用い
る。硼素アルコキシドB(OR1 )3 のR1 は水素原子
又は炭素原子数1〜20個、好ましくは炭素数1〜6個
のアルキル基もしくはアリール基であるが、少なくとも
1個のR1 はアルキル基またはアリール基である。好ま
しい硼素アルコキシドはB(OMe)3 ,B(OEt)
3 ,B(OPr)3 ,B(OBu)3 ,B(OPh)3
などである。
モニアの反応で生成するアルコールと反応してシリルア
ルコールに変換することにより、アルコールが重合反応
を阻害することを防止し、所望の反応を進行させる作用
を有している。すなわち、理論に限定される意図はない
が、例示的に説明すると、硼素アルコキシドとアンモニ
アが反応すると、下記式の如く、硼素アルコキシドの硼
素原子の結合手の1つにアンモニアの窒素原子が結合し
たB−N結合を有する化合物が生成すると共にアルコー
ルを生成する(脱アルコール反応)。
モニアと脱アルコール反応し、さらにこれらの反応生成
物どうしがお互いに反応する。
ジン環が生成し、またボラジン環どうしが結合する。こ
れら一連の脱アルコール反応が進行する場合に、先の反
応で生成したアルコールの存在は脱アルコール反応を阻
害するように作用する。しかし、このアルコールが有機
ジシラザンと下記の如く反応してシリルアルコールに変
換されると、脱アルコール反応を阻害しないようなるの
である。
ン結合生成反応に参加し、最終的に、シリル基を有する
ボラジン環を含む前記平均式で表わされるような繰り返
し単位が得られると考えられる。本発明の製法において
有用な有機ジシラザンR2 R3 R4 SiNHSiR5 R
6 R7 は、Me3 SiNHSiMe3 ,Me2 HSiN
HSiHMe2 ,MeH 2 SiNHSiH2 Me,Et
3 SiNHSiEt3 ,Et2 HSiNHSiHE
t2 ,EtH2 SiNHSiH2 Et,Pr3 SiNH
SiPr3 ,Pr2 HSiNHSiHPr2 ,PrH2
SiNHSiH2 Pr,Bu3 SiNHSiBu3 ,B
u2 HSiNHSiHBu2 ,BuH2 SiNHSiH
2 Bu,Ph3SiNHSiPh3 ,Ph2 HSiNH
SiHPh2 ,PhH2 SiNHSiH 2 Ph等であ
る。式中、Meはメチル、Etはエチル、Prはプロピ
ル、Buはブチル、Phはフェニルである。
アンモニア、有機ジシラザンの割合は生成物の置換基の
割合に影響するが広く採用できる。望ましくは、有機ジ
シラザンを硼素アルコキシドの1/10モル以上、より
望ましくは2倍モル以上、またアンモニアを硼素アルコ
キシドの1/10モル以上、より望ましくは等モル以上
とする。先に述べた様に有機ジシラザンは硼素アルコキ
シドとアンモニアの反応により生成するアルコールの吸
収剤として作用すると考えられる。少量の有機ジシラザ
ンの添加でもアルコール吸収の効果はあるが、(化1)
に示すポリマーを得るためには、硼素アルコキシドの2
倍モル以上が好ましい。アンモニアは、ポリマーの主骨
格(N)を形成する原料となる。少量でもポリマーは生
成するが、(化1)に示すポリマーを得るためには硼素
アルコキシドの等モル以上が好ましい。
は進行するが、ピリジン、トリメチルアミン、ジメチル
エチルアミン、ジエチルメチルアミン及びトリエチルア
ミン等のトリアルキルアミン、ピロリン、ジメチルアニ
リン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、及びこれら
の誘導体等の第3級アミン類の化合物、ピロール、3−
ピロリン、ピラゾール、2−ピラゾリン及びこれらの混
合物等などの塩基性溶媒を用いることが取扱い上望まし
い。
好ましくは80℃〜200℃である。また、反応雰囲気
は不活性ガス雰囲気が望ましい。また、上記の如く合成
したポリボラジン系化合物は、アルコキシド基−OR1
とアルキルシリル基−SiR2 R3 R4 の両方を含むの
で、比較的温和な条件(溶媒中、低温下)で高分子量化
することができる。例えば、30〜250℃の温度で加
熱処理すればよい。雰囲気はN2 などの不活性ガスでよ
い。これはOR1と−SiR2 R3 R4 が反応して新た
にB−N結合を生成して重合(高分子量化、架橋等)す
るためである。しかも、この反応の制御性は高い。
よりも安価な硼素アルコキシドとNH3 を原料として用
いることと、温和な条件で高分子量化が可能なことによ
り、低い製造コストで窒化硼素系セラミックス前駆体ポ
リマーを合成できる。また、熱重合前または熱重合後の
ポリマーはベンゼン、トルエン、キシレン、THF等に
可溶である。
ーは十分な安定性を持つ。乾燥雰囲気下であれば室温で
長時間保存してもポリマーの物性は変化しない。熱重合
前または熱重合後のポリマーは、いずれも、熱分解する
と窒化硼素や酸化硼素を生成する。熱分解の条件は50
0〜1800℃の温度、NH3 、空気(O2 )、不活性
ガスなどの雰囲気を用いることができ、例えば、150
0℃まで10℃/min で昇温し、1500℃で1時間保
持する。
の如く合成された熱重合前又は熱重合後のポリボラジン
系化合物を熱分解して窒化硼素を生成する方法も提供さ
れる。
器およびその他装置の概略図を示す。反応器1内部を乾
燥窒素7で置換した後、乾燥窒素で1kg/cm2Gまで加
圧する。この反応器内に乾燥ピリジン(C5 H5 N)8
01.4gを導入する。これに撹拌しながらトリメチル
ボレート(B(OMe)3 )62.5g(0.601mo
l)、つぎにヘキサメチルジシラザン〔((CH3 )3 S
i)2 NH〕290.3g(1.803mol)を加えた。
次にNH3 30.8g(1.812mol)を反応器内に導
入した後、反応器を密閉した。これを160℃で反応さ
せると淡赤色の溶液が得られた。反応終了後、溶媒を減
圧除去すると36.5gの淡赤色の粘性液体が得られ
た。この粘性液体はベンゼン、トルエン、キシレン、T
HFに容易に溶解した。図1において、1は反応器、2
はオイルバス、3はヒータ、4は温調器、5は撹拌器、
6はピリジンタンク、7は窒素ライン、8は硼素アルコ
キシドタンク、9は有機ジシランタンク、10はアンモ
ニアライン、11はベントである。
点降下法(溶媒:乾燥ベンゼン)により測定したところ
750であった。生成物のIRスペクトル(溶媒:乾燥
ベンゼン)を図2に示す。N−H(3350cm-1)、C
H3 およびOCH3 (2960及び2850cm-1)、B
−OおよびB−N(1300〜1540cm-1)、Si−
Me(1250cm-1)、B−N〔ボラジン環〕(860
cm-1)の吸収が観測された。生成物の元素組成分析結果
(重量%)はB:17.6;N:24.8;Si:1
4.0;O:7.9;C:28.1;H:7.6であっ
た。このポリマーのベンゼン溶液(50wt%)を窒素雰
囲気下、室温で1カ月間放置したが、分子量、元素組成
に変化は見られなかった。
は下記であると認定された。
した後、NH3 雰囲気中800℃続いて窒素雰囲気中で
1500℃で熱分解したところ、白色の固体1.98g
が得られた。この固体の元素組成分析結果(重量%)は
B:30.5;N:50.2;Si:12.8;O:
6.5;C:0.2であった。 実施例2 実施例1と同様の装置を用いて反応器内部を乾燥窒素で
置換した後、実施例1で得られたポリマー150.5g
を反応器内に導入した。次にこの反応器内に乾燥ピリジ
ン(C5 H5 N)1350.0gを導入し、乾燥窒素で
1kg/cm2 Gまで加圧した。これを100℃で反応させ
た。反応終了後、赤褐色のポリマー溶液が得られた。反
応終了後、溶媒を減圧除去すると145.2gの淡赤色
の固体が得られた。この固体はベンゼン、トルエン、キ
シレン、THFに容易に溶解した。
(溶媒:乾燥ベンゼン)により測定したところ2550
であった。生成物のIRスペクトル(溶媒:乾燥ベンゼ
ン)を図3に示す。N−H(3350cm-1)、CH3 お
よびOCH3 (2960及び2850cm-1)、B−Oお
よびB−N(1300〜1540cm-1)、Si−Me
(1250cm-1)、B−N〔ボラジン環〕(860c
m-1)の吸収が観測された。生成物の元素組成分析結果
(重量%)はB:20.2;N:31.3;Si:1
0.0;O:2.5;C:28.1;H:7.9であっ
た。
は下記であると認定された。
した後、NH3 雰囲気中800℃続いて窒素雰囲気中で
1500℃で熱分解したところ、白色の固体3.15g
が得られた。この固体の元素組成分析結果(重量%)は
B:32.3;N:54.0;Si:9.9;O:3.
5;C:0.3であった。 実施例3 図1に実験に用いた内容積2LのSUS−316製反応
器およびその他装置の概略図を示す。反応器内部を乾燥
窒素で置換した後、乾燥窒素で1kg/cm2 Gまで加圧す
る。この反応器内に乾燥ピリジン(C5 H5 N)80
1.4gを導入する。これに撹拌しながらトリエチルボ
レート(B(OEt)3 )87.0g(0.600mo
l)、つぎにヘキサメチルジシラザン〔((CH3 )3 S
i)2 NH〕290.3g(1.803mol)を加えた。
次にNH3 30.8g(1.812mol)を反応器内に導
入した後、反応器を密閉した。これを160℃で反応さ
せると淡赤色の溶液が得られた。反応終了後、溶媒を減
圧除去すると40.5gの淡赤色の粘性液体が得られ
た。この粘性液体はベンゼン、トルエン、キシレン、T
HFに容易に溶解した。
点降下法(溶媒:乾燥ベンゼン)により測定したところ
650であった。生成物の元素組成分析結果(重量%)
はB:16.9;N:23.4;Si:13.2;O:
8.0;C:30.6;H:7.9であった。このポリ
マーのベンゼン溶液(50wt%)を窒素雰囲気下、室温
で1カ月間放置したが、分子量、元素組成に変化は見ら
れなかった。
は下記であると認定された。
3 雰囲気中800℃続いて窒素雰囲気中で1500℃
で熱分解したところ、白色の固体1.88gが得られ
た。この固体の元素組成分析結果(重量%)はB:2
9.8;N:48.6;Si:14.3;O:7.2;
C:0.1であった。
器およびその他装置の概略図を示す。反応器内部を乾燥
窒素で置換した後、乾燥窒素で1kg/cm2 Gまで加圧す
る。この反応器内に乾燥ピリジン(C5 H5 N)80
1.4gを導入する。これに撹拌しながらトリメチルボ
レート(B(OMe)3 )62.5g(0.601mo
l)、つぎにテトラメチルジシラザン〔((CH3 )2 S
iH)2 NH〕239.8g(1.803mol)を加え
た。次にNH3 30.8g(1.812mol)を反応器内
に導入した後、反応器を密閉した。これを160℃で反
応させると淡赤色の溶液が得られた。反応終了後、溶媒
を減圧除去すると39.5gの淡赤色の粘性液体が得ら
れた。この粘性液体はベンゼン、トルエン、キシレン、
THFに容易に溶解した。
点降下法(溶媒:乾燥ベンゼン)により測定したところ
990であった。生成物の元素組成分析結果(重量%)
はB:17.1;N:25.0;Si:16.0;O:
6.2;C:28.7;H:7.0であった。このポリ
マーのベンゼン溶液(50wt%)を窒素雰囲気下、室温
で1カ月間放置したが、分子量、元素組成に変化は見ら
れなかった。
は下記であると認定された。
した後、NH3 雰囲気中800℃続いて窒素雰囲気中で
1500℃で熱分解したところ、白色の固体1.87g
が得られた。この固体の元素組成分析結果(重量%)は
B:29.8;N:49.2;Si:13.0;O:
7.9;C:0.1であった。 実施例5 図1に実験に用いた内容積2LのSUS−316製反応
器およびその他装置の概略図を示す。反応器内部を乾燥
窒素で置換した後、乾燥窒素で1kg/cm2 Gまで加圧す
る。この反応器内に乾燥ピリジン(C5 H5 N)80
1.4gを導入する。これに撹拌しながらトリメチルボ
レート(B(OMe)3 )62.5g(0.601mo
l)、つぎにヘキサエチルジシラザン〔((C2 H5 )3
Si)2 NH〕441.8g(1.803mol)を加え
た。次にNH3 30.8g(1.812mol)を反応器内
に導入した後、反応器を密閉した。これを160℃で反
応させると淡赤色の溶液が得られた。反応終了後、溶媒
を減圧除去すると42.6gの淡赤色の粘性液体が得ら
れた。この粘性液体はベンゼン、トルエン、キシレン、
THFに容易に溶解した。
点降下法(溶媒:乾燥ベンゼン)により測定したところ
990であった。生成物の元素組成分析結果(重量%)
はB:16.1;N:23.1;Si:12.9;O:
6.8;C:34.3;H:6.8であった。このポリ
マーのベンゼン溶液(50wt%)を窒素雰囲気下、室温
で1カ月間放置したが、分子量、元素組成に変化は見ら
れなかった。
は下記であると認定された。
した後、NH3 雰囲気中800℃続いて窒素雰囲気中で
1500℃で熱分解したところ、白色の固体1.59g
が得られた。この固体の元素組成分析結果(重量%)は
B:32.2;N:49.8;Si:10.7;O:
7.2;C:0.1であった。
ス前駆体ポリマーとして有用なポリボラジン系化合物及
びその製造方法が提供される。この合成方法は安価な硼
素アルコキシドとアンモニアを出発原料とし、かつ比較
的温和な条件で高分子量化できるので、製造コストが非
常に低くでき、しかも反応の制御性、生成物の安定性に
も優れている。
Claims (5)
- 【請求項1】 主として下記一般式で表わされる繰り返
し単位を有し、数平均分子量が300〜100,000
の範囲にあるポリボラジン系化合物。 【化1】 (式中、R 1 は同一でも異なってもよく、水素原子、炭
素数1〜20個を有するアルキル基またはアリール基を
表わし、少なくとも1個のR 1 は上記のアルキル基また
はアリール基であり、Aは繰り返し単位内及び繰り返し
単位間で同じでも異なってもよく、水素原子または−S
iR2 R3 R4 であるが、R2 ,R3 ,R4 はそれぞれ
独立して水素原子、炭素数1〜20個を有するアルキル
基またはアリール基を表わし、すべてのAが水素原子で
はない。) - 【請求項2】 主として一般式 B(OR1 )3 (式中、R1 は同一でも異なってもよく、水素原子、炭
素数1〜20個を有するアルキル基またはアリール基を
表わし、少なくとも1個のR1 は上記のアルキル基また
はアリール基である。)で表わされる硼素アルコキシド
を、NH3 と、一般式 R2 R3 R4 SiNHSiR5 R6 R7 (式中、R2 ,R3 ,R4 ,R5 ,R6 ,R7 はそれぞ
れ独立に水素原子、炭素数1〜20個を有するアルキル
基またはアリール基を表わし、少なくとも1個のR1 は
上記アルキル基またはアリール基を表わす。)で表わさ
れるジシラザン化合物の存在下で反応させることを特徴
とするポリボラジン系化合物の製造方法。 - 【請求項3】 請求項1記載のポリボラジン系化合物を
加熱して熱重合して高分子量化することを特徴とする高
分子量ポリボラジン系化合物の製造方法。 - 【請求項4】 下記式: 【化11】 で表される架橋結合を含む請求項1記載のポリボラジン
系化合物。 - 【請求項5】 請求項1又は4記載のポリボラジン系化
合物を熱分解することを特徴とする窒化硼素の製造方
法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP27235193A JP3317762B2 (ja) | 1993-10-29 | 1993-10-29 | ポリボラジン系化合物及びその製造方法、用途 |
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JP27235193A JP3317762B2 (ja) | 1993-10-29 | 1993-10-29 | ポリボラジン系化合物及びその製造方法、用途 |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH07126397A JPH07126397A (ja) | 1995-05-16 |
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---|---|---|---|---|
JP4915929B2 (ja) * | 2007-03-27 | 2012-04-11 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | ボラジン・ジアミン系重合体及びそのための重合性組成物、並びにその製造方法 |
JP4915930B2 (ja) * | 2007-03-27 | 2012-04-11 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | ボラジン・ジアミン系ポリマー薄膜形成用組成物及びボラジン・ジアミン系ポリマー薄膜の製造方法 |
-
1993
- 1993-10-29 JP JP27235193A patent/JP3317762B2/ja not_active Expired - Lifetime
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JPH07126397A (ja) | 1995-05-16 |
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