JP4038240B2 - ポリアミド組成物から成る電気及び電子部材 - Google Patents

Description

本発明は、半田付け条件下での改良された安定性を有するポリアミド組成物から成る電気及び電子部材に関する。
表面実装技術（ＳＭＴ）の導入は、回路基板に多くの部材を置くことを可能としたが、それは、一部には、小型化技術分野における近年の進歩及び種々の機器の改良された性能から必要であるからであり、ならびに一部には、生産性を確実に向上するために必要であるからである。プリント回路基板への部材の半田付けに使用された古い技術では、部材に付いているピンが回路基板の穴に刺し込まれた。次いでピンの端が液状半田に接触させられ、その結果それらは冷却後にその場所に固定された。この方法においては、部材自体は半田工程における高温に曝されることはない。これに対して、表面実装技術では、部材はこれらの高温に確かに曝される。
このことは、半田操作に付随する温度、例えば265℃を超える温度、より十分に高い融点を有するポリマーのみが使用のために考慮され得ることを意味する。これにより、慣用のプラスチック、例えばナイロン−6、ナイロン−6,6、ポリエチレンテレフタレート、及びポリブチレンテレフタレートが除外される。他方、高融点ポリマー、例えばポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）及び芳香族ポリアミドの問題点は、それらの機械的特性又は成形性が一定の限界を有することである。
しかし、約290℃の融点を持つポリテトラメチレンアジパミド、脂肪族ポリアミド−4,6は、この点においてずっと優れている。というのは、非常に薄い肉厚を有していても成形が可能であるし、且つ良好な機械的特性を有するからである。このポリアミド−4,6から作られた電気及び電子部材は、表面実装技術によって、製造後直ちに回路に実装されても、即ち「成形されたままでの乾燥（dry-as-moulded）」状態でも、何ら問題は無い。しかし、特に熱帯性条件下において、ポリアミドの部材が吸湿する程長い間大気に触れると、表面実装技術における半田付けの間にポリアミド部材にプリスターが形成される場合が多い。これはナイロン−4,6の高吸湿能に拠るもので、それはポリアミド中の多くのアミド基に基づくものである。事態を改善するために、ポリフェニレンスルフィド又は芳香族ポリエステルを混和することによって、疎水特性を導入する種々の試みがなされた（日本国特許願平3第263,461号、日本国特許願平4第292,655号、及び日本国特許願平5第239,344号を見よ）。しかし、これは湿気の取り込みを減じたが、プリスター形成を完全に抑制せず、且つ物質の機械的特性及び成形性に悪影響を与えた。
そこで、本発明は上記の問題を解決する線状ポリアミドで作られた電気又は電子部材を提供することを目的とする。
驚くべきことには、1,4−シクロヘキサンジカルボン酸と脂肪族ジアミン又は1,4−シクロヘキサンジアミンと脂肪族ジカルボン酸に基づく反復単位の少量を脂肪族ポリアミド鎖に添加しただけで、機械的及び成形特性を損なわずに、このポリアミドを含むポリアミド組成物から作られた電気及び電子部材のＳＭＴ半田特性が非常に改良されることが見出された。
脂肪族ポリアミド−4,6がこのようにして容易に施与できるようになるだけでなく、1,4−シクロヘキサンジカルボン酸又は1,4−シクロヘキサンジアミンに基づく鎖単位の導入によりその融点が十分に上昇されてＳＭＴの温度に耐えられるようになる何らかの他の線状ポリアミドにおいても、プリスター形成が少なくなることも又、驚きである。そのようなポリアミドは、例えばポリアミド−6,6である。なお、ナイロン−6,6とヘキサメチル−1,4−シクロヘキシルジアミドの間で形成されるコポリアミドはJ.Pol.Sc.A-1、第8巻（1970年）第3089〜3111頁により公知である。
本発明に従う電気及び電子部材製造用のポリアミド組成物は、その主鎖の99〜60％が脂肪族ジカルボン酸と脂肪族ジアミン又はα,ω−アミノ酸から誘導される単位から成るところのポリアミドを含み、さらに鎖単位数の1〜40％は1,4−シクロヘキサンジカルボン酸と脂肪族ジアミン、さもなければ1,4−シクロヘキサンジアミンと脂肪族ジカルボン酸から誘導されることを特徴とする。
好適な脂肪族ジカルボン酸の例は、鎖中に１〜16個、より好ましくは2〜10個のメチル基を含むジカルボン酸、最も好ましくはアジピン酸である。アルキル基は好ましくは線状のものであるが、それによって例えば詰晶化挙動が著しく損なわれなければ、限定された分岐を有することができる。
好適な脂肪族ジアミンは、例えば鎖中に2〜16個、より好ましくは4〜10個のメチル基を含むジアミンであり、最も好ましい化合物は2−メチルペンタンジアミン、1,4−テトラメチレンジアミン及び1,6−ヘキサメチレンジアミンである。
好適なα,ω−アミノ酸の例は、4〜12個の炭素原子を含むもの、例えば6−アミノカプロン酸、11−アミノウンデカン酸及び12−アミノドデカン酸である。
主鎖は、好ましくは主として、テトラメチレンアジパミド又はヘキサメチレンアジパミド単位、及びピロリドン、6−アミノカプロン酸、又はε−カプロラクタム、アミノウンデカン酸又は12−アミノドデカン酸から、あるいはそれらの組合わせから誘導される単位により構成される。
1,4-シクロヘキサンジカルボン酸と脂肪族ジアミン又は１，４−シクロヘキサンジアミンと脂肪族ジカルボン酸から誘導される鎖単位の割合は、鎖単位数の合計の少なくとも1％且つ最大40％である。それらの割合が１％未満であると、プリスターへの効果が小さ過ぎ、一方40％を超えると成形、例えば射出成形、が実質的に不可能になる程結晶化挙動が損なわれ、且つ融点が上昇し過ぎる。しかし、この最後の欠点は概してより低い融点を有する第3のポリアミド単位の導入により治癒される。
最も好ましい含有割合は、個々の場合で決定されなければならない。1,4-シクロヘキサンジカルボン酸又は1,4-シクロヘキサンジアミンから誘導される単位の好ましい含有割合は、一般に２〜30％であり、最も好ましくは7〜25％である。脂肪族ジアミン又は脂肪族ジカルボン酸は、主鎖を主として構成する反復単位におけるそれと一般に同一である。
本発明に従う電気及び電子部材を作るのに使用されるコポリアミドは、従来の重縮合法により調製することができる。これらの方法において、2段プロセスが通常用いられ、その第1工程は、高められた圧力及び温度約200〜280℃で、場合によっては重縮合触媒の存在下での、出発ジカルボン酸とジアミンの、及び、所望であればアミノ酸又はラクタムの重縮合である。所望であれば、モノマーは対応するナイロン塩の形態で用いられ得る。圧力は、一般に約1〜2MPaに維持され、重縮合で形成される水は除去される。0.5〜3時間の反応の後、圧力が開放され、且つ温度が上昇されて、低分子量のコポリアミドが溶融状態で残る。次いで、該溶融物の縮合が2〜5時間に亘って、真空下で、コポリアミドの融点より高い温度において、所望であれば窒素ブランケット下で、完結される。
この後縮合は、一般に電気及び電子部材の射出成形のために十分な高い分子量を有するコポリアミドを得るのに十分な長い時間に亘って行われる。この場合、粘度数（VN）が少なくとも150ml/g、より好ましくは少なくとも170ml/g、及び最も好ましくは200ml/gに到達することが望ましい。これにより、成形された部材の粘度数が少なくとも90ml/g、より好ましくは少なくとも120ml/g、及び最も好ましくは140ml/gとなることが確実となる。粘度数は、90重量％蟻酸溶液100ml中の0.5gの試料溶液を用いて、国際標準ISO No.307において規定される方法により決定される。後縮合は、不活性ガス雰囲気で、所望であれば真空下で及び／又は水蒸気の存在下で、上述した溶融相に代わり、固相においても行うことができる。後縮合のために必要とされる時間は、要求される粘度数に依存して約5〜約60時間の範囲で変わる。この場合の後縮合の継続時間は、温度にも依存し、該温度は約200℃と、コポリアミドの融点より約10℃低い温度との間である。必要とされる反応時間は、存在し得る何らかの触媒にも依存する。好適な重縮合触媒は、例えばりん酸、ほう酸、トリフェニルフォスファイト及び置換フェニルフォスファイトである。
コポリアミドは、各々1種のジアミンと1種のジカルボン酸の重縮合反応により得られるところの個々のホモポリアミドからも調製することができる。溶融状態でホモポリアミドを混合すると、混合工程の持続時間に依存してプロックコポリアミド又はランダムコポリアミドが得られる。低分子量のホモコポリアミドが用いられる場合には、溶融状態での混合操作の後に得られる組成物を固相での後縮合に付すことが最良である。これは、好ましくは減じられた圧力で、不活性ガス雰囲気（すなわち、酸素が無い状態）において行われる。
しかし、このコポリアミドの調製方法は、1,4-シクロヘキサンジカルボン酸に基づくホモポリアミドが非常に高い融点を有する結果、標準的な装置での成形では溶融状態での混合について、問題を生じることが多いという欠点を有する。従って、その代わりに、1,4-シクロヘキサンジカルボン酸又は1,4-シクロヘキサンジアミンに基づくポリアミドのモノマー及び他のホモポリアミドから出発することが望ましい。
所望であれば、ポリアミド組成物はポリアミドについて通常用いられる慣用の添加剤、例えば安定化剤、着色剤、成形助剤（例えば離型剤）、難燃剤、充填剤及びガラスウールのような強化物質も含むことができる。後者は、組成物の合計量を基準として通常10〜50重量％用いられる。多くの場合、電気および電子部材の寸法安定性を増すために、鉱物充填剤と繊維状強化剤の組み合わせが使用される。
本発明に従う電気および電子部材は、上記の組成物より、従来の方法、例えば射出成形等、により作ることができる。
本発明は、以下の実施例によって、より詳細に説明されるが、それらに限定されるものではない。
実施例Ｉ
ポリアミド−4,6とシクロヘキサンジカルボン酸のコポリマーの調製。
調製には以下の化学薬品を用いた。
−シス/トランス比が80：20のシクロヘキサンジカルボン酸¹⁾、イーストマン化学製。
−アジピン酸、アルドリッチ製。
−約80重量％水溶液のジアミノブタン、コーエイ（日本）製、
これらの薬品は更に精製することなく使用した。
窒素雰囲気下、2.4リットルの反応容器中において、363.62gのジアミノブタン溶液（81.70重量％水溶液）、400.0gのアジピン酸及び100gのシクロヘキサンジカルボン酸を、584.42gの脱塩水に溶解した。総ての固体が溶解した後、反応容器をゆっくりと165℃まで加熱し、その間、容器内の圧力を0.2MPaに維持した。120℃と165℃の間で水を蒸留して除いた。589．67mlの水が集められた後、直ちに反応容器を閉じ、次いで反応混合物の温度を205℃まで上げ、この温度及び圧力1.2MPaで30分間維持した。反応容器の内容物を、受け器に流し入れ、それを窒素雰囲気下で保持した。
上記の工程で得られたプレポリマーをすりつぶし、次いで水蒸気と窒素の25：75混合ガス雰囲気下、250℃で48時間、後縮合させた。得られた白色の後縮合物は、国際標準ISO No.307に記載される方法に従い、25℃にて、100mlの90重量％蟻酸溶液中の0.5gの試料溶液について測定した粘度数（VN）248ml／gを有した。得られた物質は314〜316℃の融点を有した。
実施例の他の組成物も、アジピン酸とシクロヘキサンジカルボン酸の比、ならびに後縮合の時間を変えて、同様に合成した。
ポリアミド−6,6コポリアミドの場合には、ジアミノブタンに代えてジアミノヘキサンを用いた。
総ての調製において、ジアミンが少量（約1重量％）過剰に存在した。
１） 80/20の代わりに100％トランス又は100％シスのシクロヘキサンジカルボン酸から調製した組成物は、いずれも対応する特性を示した。
実施例II
実施例Ｉで記載した方法を用いて、種々の組成のコポリアミドを調製した。
これらの物質から射出成形により試験片（ISO R 527、タイプ1A）を作り、いくつかの特性を求めた。射出成形は、22mmのアーブルグ オールラウンダー（Arburg Allrounder）装置を用い、シリンダー全体を温度325℃に固定して操作し、及びフィード部を冷却した。ダイ及び溶融物の温度はそれぞれ120℃と約330℃であった。
機械的特性

コポリアミドが、かなり高い弾性係数を示したのは驚きである。何故なら、示差走査熱量分析（DSC）では、ポリアミド−4，6ホモポリマーより低い結晶度及び低い融解熱を示したので、コポリマアミドはより低い剛性率を示すことが予測されたからである。
小さい試験板を所定温度に所定時間置いて、赤外線半田付けに対する耐性を求めた（温度/時間プロフィール）。該試験板の温度を室温から約200秒間で試験温度まで上げ、該最高温度で約25〜50秒保持し、次いで約60秒間で室温まで冷却した。
図１に温度プロフィールの典型的な例を示す。それは、赤外線半田付けの実際的な状況を示すものである。射出成形後、直ちにこの試験に付された試験板は、275℃までプリスターを呈さなかった。
表１は、35℃、相対湿度90％で平衡に達するまでコンディショニングした後の試験片（UL 94,VB 0.8mm）について得られた結果である。
コポリアミド組成物はホモポリアミドよりも顕著に低い水分吸収量を示さなかったにもかかわらず、20〜30℃より高い温度でプリスター形成を示し始めたことは興味深い。

表２は、種々のコポリアミド組成物についてのデータをさらに示す。プリスター開始温度は、コンディショニングした試料についてのものである。

「80/20+5Cl」は、20重量％のアジピン酸がシクロヘキサンジカルボン酸で置き換えられており、且つ５重量％のカプロラクタムが共重合されている組成物を意味する。
表２のデータから、少なくとも20重量％のアジピン酸がシクロヘキサンジカルボン酸で置き換えられているポリアミド−6,6のコポリアミドは、ＳＭＴ用途での使用のために十分高い融点を有し、且つポリアミド−4,6に比べて、改良されたプリスター挙動を示すことをも結論し得る。

Claims (10)

1. ポリアミドの主鎖が脂肪族ジカルボン酸と脂肪族ジアミン又はα，ω−アミノ酸から誘導される単位から成るところのポリアミドを含む組成物から作られた電気又は電子部材において、ポリアミドの鎖単位数の１〜40％が1,4−シクロヘキサンジカルボン酸と脂肪族ジアミンから又は1,4−シクロヘキサンジアミンと脂肪族ジカルボン酸から誘導されたものであることを特徴とする電気又は電子部材。
2. ポリアミドの主鎖が脂肪族ジカルボン酸と脂肪族ジアミン又はα，ω−アミノ酸から誘導される単位から成るところのポリアミドから作られた電気又は電子部材において、ポリアミドの鎖単位数の１〜40％が1,4−シクロヘキサンジカルボン酸と脂肪族ジアミンから又は1,4−シクロヘキサンジアミンと脂肪族ジカルボン酸から誘導されたものであることを特徴とする電気又は電子部材。
3. 脂肪族ジカルボン酸が、２〜16個のメチレン基を含み、且つ脂肪族ジアミンが４〜16個のメチレン基を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の電気又は電子部材。
4. 鎖単位数の２〜30％が1,4-シクロヘキサンジカルボン酸又は1,4−シクロヘキサンジアミンから誘導されたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の電気又は電子部材。
5. 鎖単位数の７〜25％が1,4-シクロヘキサンジカルボン酸又は1,4−シクロヘキサンジアミンから誘導されたものであることを特徴とする請求項４記載の電気又は電子部材。
6. 脂肪族ジカルボン酸がアジピン酸であり、且つ脂肪族ジアミンが1,6−ヘキサメチレンジアミン又は1,4−テトラメチレンジアミン、あるいはそれらの混合物であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の電気又は電子部材。
7. α,ω−アミノ酸から誘導された単位も、その中に存在することを特徴とする請求項６記載の電気又は電子部材。
8. α,ω−アミノ酸が、６−アミノカプロン酸、11−アミノウンデカン酸及び12−アミノドデカン酸から成る群より選ばれることを特徴とする請求項７記載の電気又は電子部材。
9. 国際標準ISO No.307に記載される方法により、25℃において、90％蟻酸100ml中の0.5ｇの試料溶液について定められる、部材中のコポリアミドの粘度数が少なくとも90ml/gであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の電気又は電子部材。
10. コポリアミドの粘度数が少なくとも120ml/gであることを特徴とする請求項９記載の電気又は電子部材。

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