JP4537996B2 - ノンラビング垂直配向材料用ポリイミド樹脂及びその製造方法 - Google Patents
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Description
一般的に、高いプレチルト角を得るための手段として分岐ポリイミド化合物が使用されている。しかし、単純に分岐ポリイミド化合物を使用するだけでは、基板面の全域が高いプレチルト角を有しながら均一な配向性を有するものにはなし難い。液晶分子のプレチルト角は、配向膜表面の形状、側鎖の長さによって大きく影響されることが知られている。
a)溶媒の存在下で、炭素数1〜16の2−アルキルマロン酸1,3−ジ−tert−ブチルエステル誘導体に水素化ナトリウムを添加した後、3,5−ジニトロベンゾイルクロライドを含有する反応溶液を滴下し、p−トルエンスルホン酸を触媒として添加した後、トリフルオロ酢酸を加えて、前記2−アルキルマロン酸1,3−ジ−tert−ブチルエステル誘導体と3,5−ジニトロベンゾイルクロライドとの反応によって、炭素数1〜18のジニトロフェニルアルケン化合物を製造する工程;
b)前記ジニトロフェニルアルケン化合物にBF3Et2O/Et3SHを加えて脱水反応させて、下記化学式3のジニトロアルケニルベンゼン化合物を製造する工程;及び
c)下記化学式3の化合物をPd/C触媒の存在下で水素還元させる工程;
を含む、下記の化学式1で示される分岐ジアミン化合物の製造方法を提供する。
b)前記の化学式4の化合物をPd/C触媒の存在下で水素還元させる工程;
を含む、下記の化学式2で示されるジアミン化合物の製造方法を提供する。
b)溶媒の存在下で、前記化学式1又は化学式2で示される請求項1または2の前記分岐ジアミン化合物のそれぞれと、下記化学式5で示されるテトラカルボン酸無水物及び下記化学式6で示される側鎖のないジアミン化合物とを反応させてポリアミド酸系ブロック共重合体を製造する工程;及び
c)前記ポリアミド酸系ブロック共重合体を熱処理し、脱水環化反応によってポリイミドに変換させる工程;
を含む、前記化学式7で示されるノンラビング垂直配向材料用ポリイミド樹脂の製造方法を提供する。
まず、2−アルキルマロン酸 1,3−ジ−t−ブチルエステル誘導体(A)に水素化ナトリウムを添加する。5℃で12時間反応させた後、3,5−ジニトロベンゾイルクロライドを適切な溶媒に溶解した反応溶液を滴下する。この反応溶液にp−トルエンスルホン酸を触媒として添加する。その後、トリフルオロ酢酸を加えて12時間減圧下でCO2を除去し、ジニトロフェニルアルケン化合物(B)を得る。
前記化合物(B)を適切な溶媒に溶解した反応溶液にEt3SHとBF3・Et2Oを加え、6時間反応後、得られたジニトロフェニルアルカン−1−オルを有機溶媒に溶解する。反応溶液に4AモレキュラーシーブとH2SO4を加えて4時間脱水反応させて、化学式3のジニトロアルケニルベンゼン化合物を得る。
前記化学式3のジニトロ化合物を、適切な溶媒中でパラジウム−炭素触媒(以下、Pd/Cと称する)を用いて水素還元して、化学式1のジアミン化合物を得る。
また、化学式2のジアミン化合物は下記の反応式2の通りに製造され、この時の化学式4のジニトロ化合物はその中間体である。
まず、窒素雰囲気下で、1−ブロモ−4−(4−アルキルシクロヘキシル)ベンゼンをTHFに溶解した溶液が−78℃以下に維持しながら、n−BuLiを滴下して反応液を調製する。そして、トリイソプロピルボレートをこの反応溶液に加えて攪拌し、4−(アルキルシクロヘキシル)ベンジルホウ酸化合物(C)を得る。
前記化学式4のジニトロ化合物を、Pd/Cを触媒を用いて水素圧力下で接触還元して、化学式2のジアミン化合物を製造する。
本発明によれば、前記の化学式1又は化学式2の分岐ジアミン化合物を下記の化学式5及び化学式6の化合物とを反応させて、ポリイミド樹脂を製造することができる。
反応式1に従って化学式1のジアミン化合物を合成した。
窒素雰囲気下で、2−ヘキサデシルマロン酸 ジ−tert−ブチルエステル177.3g(0.40mol)を精製したベンゼン1Lに溶解し、5℃で16gのNaH(鉱油中に60%、0.40mol)を滴下した。その後、混液をH2気体がそれ以上発生しないまで約24時間激しく攪拌した。5℃まで冷却した後、3,5−ジニトロベンゾイルクロライド92g(0.40mol)を加え、9時間還流した。反応が終了した溶液を常温まで冷却し、セライト(celite)を用いて濾過した後、ヘキサンで抽出した。無水MgSO4で乾燥した後、溶液を減圧蒸留して、収率89%の黄色液体である2−(3,5−ジニトロベンゾイル)−ヘキサデシル−マロン酸157.7gを得た。1H 400MHz NMR(CDCl3): 9.2(t,3H), 2.2(t,2H), 1.4〜1.5(m,18H) 1.2〜1.3(m,20H), 0.8〜0.9(m,3H)
前記工程1で得た1−(3,5−ジニトロフェニル)オクタデカン−1−オン(化合物B)(200.3g、0.32mol)を、窒素雰囲気下でメチルクロライドに溶解した溶液にEt3SiH(74.41g、0.64mol)とBF3Et2O(90.2g、0.64mol)を添加した。6時間還流した後、溶液をNa2CO3水溶液で洗浄し、エーテルで抽出した。無水MgSO4で乾燥した後、減圧蒸留して得た濃縮液をヘキサンで再結晶して、収率87%の黄色の1−(3,5−ジニトロフェニル)オクタデカン−1−オル(化合物B)結晶を得た。122.0gの1−(3,5−ジニトロフェニル)オクタデカン−1−オル(0.29mol)をベンゼン(1.5L)に溶解し、乾燥した4AモレキュラーシーブとH2SO4を添加した。4時間還流した後、反応溶液をセライトで濾過し、Na2CO3水溶液で洗浄した後、エーテルで抽出した。無水MgSO4で乾燥した後、減圧蒸留して濃縮して得た濃縮液をエタノールで再結晶して、収率83%の黄色の1−(3,5−ジニトロ−5−オクタデシレニル)ベンゼン(化合物C)結晶を得た。Mass: 401(M+), 383, 207, 161, 115, 69, 57, 1H 400 MHz NMR(CDCl3): δ 8.85(p,1H), 8.45(p,2H), 6.5(m,2H), 2.3(m,2H), 1.2〜1.6(m,28H), 0.9(t,3H)
前記工程2で得た1−(3,5−ジニトロ−5−オクタデシレニル)ベンゼン113.0gをベンゼン300mlとエタノール1Lの混合溶媒に溶解した。触媒としてPd/C(10wt%)11.3gを添加して、4atmの水素圧力下で、水素化反応が完了するまで6時間常温で反応溶液を攪拌した。その後、触媒を濾過し、溶液を無水MgSO4で乾燥し、減圧蒸留して得た濃縮物をエタノールで再結晶して、本発明のジアミン化合物(化学式1)である、白色の収率88.9%の5−オクタデシル ベンゼン−1,3−ジアミン(化合物D)結晶を得た。Mass: 360(M+), 164, 149, 135, 122, 109, 77, 57, 1H 400MHz NMR(CDCl3): δ 5.9(s,3H), 2.4(m,2H), 1.2〜1.6(m,32H), 0.9(t,3H)
反応式2に従って化学式2のジアミン化合物を合成した。
窒素雰囲気下で、1−ブロモ−3,5−ジニトロベンゼンの123.5g(0.5mol:化合物E)をベンゼン700mlに溶解した溶液に、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム触媒と2MのNa2CO3水溶液700mlを加え、反応溶液1を製造した。これに、4−(ペンチルシクロヘキシル)ベンジルホウ酸137gをエタノール150mlに溶解した溶液を徐々に滴下し、95℃で24時間還流した。生成物を酢酸エチルで抽出した後、乾燥して減圧濃縮した濃縮物を、エタノールと酢酸エチルの混合溶液で再結晶して、収率68%の黄色の3,5−ジニトロ−4’−(4−ペンチルシクロヘキシル)ビフェニル(化合物F)結晶を得た。Mass: 396(M+), 270, 257, 165, 131, 55, 1H 400 MHz NMR(CDCl3): δ 9.1(1H), 8.9(2H), 7.4(2H), 7.2(2H), 2.8(1H), 1.6 (4H), 1.5(1H), 1.3〜0.9 (15H)
前記工程1で得た3,5−ジニトロ−4’−(4−ペンチルシクロヘキシル)ビフェニル196g(0.54mol)をベンゼンとエタノールの混合溶液に溶解した。触媒としてPd/C(10wt%、)21gを添加した後、4atmの水素圧力下で、水素化反応が完了するまで6時間常温で攪拌した。反応終了後に触媒を濾過して、無水MgSO4で乾燥し、減圧蒸留して得た濃縮物をエタノールで再結晶して、収率66.7%の白色の4´−(4−ペンチルシクロヘキシル)ビフェニル−3,5−ジアミン(化合物G)結晶を得た。Mass : 336(M+), 270, 211, 115, 71, 55, 1H NMR (CDCl3 ): δ 7.4(2H), 7.2(2H), 6.0(2H), 5.6(1H), 1.6 (4H), 1.5(1H), 1.3〜0.9 (15H)
1)ポリイミド配向膜の製造
実施例2で得た4’−(4−ペンチルシクロヘキシル)ビフェニル−3,5−ジアミン21.0g(0.062mol)と4,4’−ジアミノジフェニルエーテル24.4gを、窒素雰囲気下でN−メチル−2−ピロリドン140.9gに溶解した。温度5℃を維持しながら、1,2,3,4−シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物38.9gをN−メチル−2−ピロリドン120.9gに溶解した溶液を2時間で徐々に滴下した。4時間反応させた後、反応液を過剰の超純水に注いで析出した沈殿物を濾過した。この濾過物をメチルアルコールで精製し、40℃で減圧乾燥させて、ポリアミド酸を得た。得られたポリアミド酸固形分を、NMPと2−ブトキシエタノールを3:1の比率で混合した溶媒に溶解して、濃度4重量%の溶液とし、0.1μmのフィルターで濾過してポリイミド液晶配向材料を製造した。
前記のようにして液晶配向膜が形成された基板2枚の配向膜面をラビングしないで、2枚の基板を一定の間隙(セルギャップ)をおいて対向配置させた。2枚の基板の縁部を密封し、セルギャップ内に液晶を注入し、注入孔を封止して液晶セルを製造した。2枚の偏光フィルムを、液晶の外表面、つまり、液晶セルから構成される基板の各表面に、その偏光軸が互いに正常になるように接合して液晶ディスプレイを得た。ここで、密封剤としては、スペーサーとして酸化アルミニウムを含有する熱硬化性エポキシ樹脂を使用した。本発明のポリイミド樹脂から製造された液晶配向材料の1.イミド化率、2.対数粘度、3.表面張力、4.プレチルト角、5.配向性、6.電圧保持率、及び7.残留直流電圧などの特性を評価し、その結果を表1に示した。
FT−IR分析を行った。1381cm−1付近の吸収(C−N−C振動=イミド結合の吸収)と1503cm−1付近の吸収(アミド酸の吸収)のピーク面積比より、下記の数式1に従ってイミド化率を算出した。
液晶配向材料を構成する重合体は、対数粘度(η、ln)が、好ましくは0.05〜10dl/gである。ここで、対数粘度(η、ln)の値はN−メチル−2−ピロリドンを溶媒として使用し、30℃で粘度を測定して、下記数式2によって求めることができる。
数式2
η,ln=ln(溶液の流れた時間/溶媒の流れた時間)/(重合体の重量%濃度)
文献(D. K. Owens. J. Appl., Pol., Sci. vol 13. 1741-1747 (1969))に記載されている方法に従って液晶配向膜上で測定した純水の接触角と、ヨード化メチレンの接触角とから表面張力を得ることができる。接触角は、OCA20(Dataphysics社、ドイツ)を用いて測定した。水及びヨード化メチレンを膜上に滴下し、5秒経過した後に接触角を測定した。
文献(T.J. Schffer, et.al.,J., Appl., Phys.,vol.19, 2013 (1980))に記載された結晶回転法に従い、He−Neレーザーを使用して測定した。
液晶ディスプレイに電圧を印加したとき、液晶セル中の異常ドメインの存在を顕微鏡で観察し、異常ドメインのない場合を‘良好’と評価した。
液晶ディスプレイに5Vの電圧を60マイクロ秒間印加した。印加停止から16.67ミリ秒後の電圧保持率を測定した。
60℃の高温槽に液晶ディスプレイを10分間放置し、10Vの直流電圧を1時間印加した後で1秒間放電した。10分後に残留直流電圧を測定した。
4,4’−ジアミノジフェニルエーテルを4,4’−メチレンジアニリンで代替したことを除いては、実施例3と同様な方法でポリイミド配向膜を製造した。このように製造した液晶配向材料の特性を評価し、その結果を表1に示した。
4,4’−ジアミノジフェニルエーテルを4,4’−ヘキサフルオロイソプロピルジフェニルジアミン(6FDA)で代替したことを除いては、実施例3と同様な方法でポリイミド配向膜を製造した。このように製造した液晶配向材料の特性を評価し、その結果を表1に示した。
Claims (5)
- a)溶媒の存在下で、炭素数1〜16の2−アルキルマロン酸1,3−ジ−tert−ブチルエステル誘導体に水素化ナトリウムを添加した後、3,5−ジニトロベンゾイルクロライドを含有する反応溶液を滴下し、p−トルエンスルホン酸を触媒として添加した後、トリフルオロ酢酸を加えて、前記2−アルキルマロン酸1,3−ジ−tert−ブチルエステル誘導体と3,5−ジニトロベンゾイルクロライドとの反応によって、炭素数1〜18のジニトロフェニルアルケン化合物を製造する工程;
b)前記ジニトロフェニルアルケン化合物にBF3Et2O/Et3SHを加えて脱水反応させて、下記化学式3で示されるジニトロアルケニルベンゼン化合物を製造する工程;及び
c)下記化学式3で示される化合物をPd/C触媒の存在下で水素還元する工程;
を含む、下記の化学式1で示される分岐ジアミン化合物の製造方法。
化学式1
- a)炭素数1〜10の4−(アルキルシクロヘキシル)ベンジルホウ酸化合物を、1−ブロモ−3,5−ジニトロベンゼンと反応させて下記化学式4の化合物を製造する工程;及び
b)前記化学式4で示される化合物をPd/C触媒の存在下で水素還元する工程;
を含む、下記化学式2で示される分岐ジアミン化合物の製造方法。
- a)請求項1または2に記載された方法で化学式1または化学式2の側鎖ジアミン化合物を製造する工程;
b)溶媒の存在下で、前記化学式1又は化学式2で示される請求項1または2の前記分岐ジアミン化合物のそれぞれと、下記化学式5で示されるテトラカルボン酸無水物及び下記化学式6で示される側鎖のないジアミン化合物とを反応させてポリアミド酸系ブロック共重合体を製造する工程;及び
c)前記ポリアミド酸系ブロック共重合体を熱処理し、脱水環化反応によってポリイミドに変換させる工程;
を含む、下記化学式7で示されるノンラビング垂直配向材料用ポリイミド樹脂の製造方法。
化学式5
- 前記溶媒が、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ヘキサメチルホスホアミド、テトラメチレンスルホン、p−クロロフェノール、p−ブロモフェノール、2−クロロ−4−ヒドロキシトルエン、ジオキサン、テトラヒドロフラン(THF)、及びシクロヘキサノンからなる群より選択される1種以上の不活性溶媒である請求項3に記載のポリイミド樹脂の製造方法。
- 前記側鎖型2価有機基(B)の側鎖の長さを調節し、前記側鎖のない2価有機基(C)の種類と反復単位の数nによる側鎖の間隔を調節することによって、ポリイミドの側鎖の分布を調節することを特徴とする請求項3または4に記載のプリイミド樹脂の製造方法。
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