JP4629894B2 - 熱可塑性ポリイミドの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐熱性に優れた熱可塑性ポリイミドの製造方法に関する。
【0002】
本発明は、熱可塑性ポリイミドの製造について、生産効率を顕著に改善する技術に関する。
【0003】
本発明は、予め液相反応でプレ重合したポリマー(ポリイミドプレポリマー)を、固相反応に供することにより生産効率を顕著に改善した、熱可塑性ポリイミドの製造方法に関する。
【0004】
【従来の技術】
ポリイミドは耐熱性、耐薬品性などに優れており、電気・電子部品や航空宇宙材料として広く用いられている。
【0005】
化学式(10)の構造式で表される代表的なポリイミド(デュポン社製、商品名カプトン又はベスペル)は、上記のポリイミド特有の特性を有する樹脂である。
【0006】
【化4】
しかしながら、このポリイミドは非熱可塑性、不溶不融であるため、成形加工性に大きな難点がある。
そのため、上記構造のポリイミドは、その前駆体であるポリアミド酸を熱的または化学的にイミド化するか、又は、原料であるテトラカルボン酸若しくはテトラカルボン酸ジエステルとジアミンから得られる「塩モノマー」を固相で重縮合させてポリイミドとする等の特殊な成形法を用いて塊状物を得た(例えば、POLYMER LETTERS,5巻,946〜頁 (1967年))後、切断、切削、研磨などの機械的加工を施し、これによって成形体を得る必要がある。
【0007】
同様の「塩モノマー」を用いたポリイミドの重縮合は古くから知られている。例えば、米国特許2,710,853号あるいは米国特許2,867,609号には、脂肪族ジアミンとピロメリット酸類から得られる「塩モノマー」を用い、固相で重縮合を行うポリイミドの合成法が開示されている。
【0008】
また、近年では今井らにより、脂肪族ジアミンあるいは芳香族テトラカルボン酸類からなる「塩モノマー」を用い、固相で重縮合してポリイミドを得る手法について報告されている(例えば、Macromolecules,27巻,4101〜頁(1994年)、Macromolecules,28巻,6368〜頁(1995年)等)。
しかしながら、これらの手法で得られる「塩モノマー」は単離する必要があり、また得られた「塩モノマー」は非常に不安定である。
【0009】
さらに、これらの「塩モノマー」から得られるポリイミドは、一時的には溶解溶融、可塑性であるが、その理由は、ポリイミドの分子量がまだ十分に上がっていないためであり、本質的な熱可塑性樹脂とは言い難い。
【0012】
一方、優れた成形加工性を有する熱可塑性ポリイミドとして化学式(11)の繰り返し構造単位を有するポリイミドが知られている(三井化学社製、商品名:オーラムTM、米国特許5,043,419号)。
【0013】
【化5】
【0014】
このポリイミドは耐熱性をはじめとするポリイミドの特性を有しており、溶融成形加工性が優れていることから、主に成形材料に使用されている。
このポリイミドそのものは、高機能・高性能であり、極めて意義深いものである。
しかるに、本発明者らは、翻ってこのポリイミドの製造方法の従来の技術にあらためて着目したところ、このポリイミドの反応系は液相であり、重合濃度は、20〜30%程度であり、製造工程の容積効率が必ずしも高いとはいえず、さらには、重合溶媒の回収・分離精製等の必要があり、生産効率について改善の余地があると考えた。
【0015】
尚、一般にポリイミドの重合に使用する溶媒としては、典型的には、少なくとも一つの反応物質、好ましくは酸無水物類とジアミン類の両方を溶解するものが用いられてきた。
使用する溶媒の具体例としては、例えば、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、クレゾール、ジメチルスルホキシド、N-メチル-2-ピロリドン、テトラメチル尿素等を挙げることができる。
これらの溶媒類は、単独で、又は、ベンゼン、ベンゾニトリル、ジオキサン、キシレン、トルエン若しくはシクロヘキサン等の他の溶媒と組み合わせて使用し得る(例えば、米国特許5,138,028号)。
これら溶解性の高い有機溶剤を使用する系においても、重合濃度は低く、容積効率は、必ずしも高いものとはいえなかった。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ポリイミドが本来有する優れた諸物性、すなわち、耐熱性、機械物性、摺動特性、低吸水性、電気特性、耐薬品性及び耐放射線性等を損なうことなく、さらには、ポリイミドが本質的・本来的に有する優れた熱可塑性・成形加工性を損なうことなく、生産効率を顕著に改善した熱可塑性ポリイミドの製造方法を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した『従来の技術』における問題点に鑑み、上記した『発明が解決しようとする課題』を解決すべく、鋭意検討を進めた結果、
<1> 第1工程(液相反応工程)において、ポリイミドの原料であるジアミン化合物と酸二無水物を、液相において高濃度で反応せしめてオリゴマー(ポリイミドプレポリマー)を生成させ、
<2> 第2工程(乾燥工程)において、第1工程で得られた液相のポリイミドプレポリマーから後脱溶媒して固相のポリイミドプレポリマーを製造し、
<3> 第3工程(固相反応工程)において、第2工程で得られた固相のポリイミドプレポリマーを固相重合反応に供することにより高い重量平均分子量(Mw)を有し、かつ、優れた溶融流動性を有する熱可塑性ポリイミド粉末を効率的に製造できるという知見を見出し、本発明を完成するに至った。
【0018】
すなわち、本発明は、以下の[1]〜[9]に記載した事項により特定される。
【0019】
[1] 化学式(1)(化学式(1)中nは、1以上の整数、XおよびYは炭素数6以上30以下であり、かつ単環式芳香族基、縮合多環式芳香族基、あるいは芳香族基が直接結合または架橋員により相互に連結された非縮合多環式芳香族基であり、Xは、2価、Yは、4価の基をそれぞれ示す。)で表される繰り返し構造を有する熱可塑性ポリイミドの製造方法であって、
第1工程(液相反応工程)として
<1> 化学式(2)(化学式(2)中Xは、化学式(1)中のXと同一の基を示す。)で表されるジアミン成分、
<2> 化学式(3)(化学式(3)中Yは、化学式(1)中のYと同一の基を示す。)で表されるテトラカルボン酸二無水物成分、及び、
<3> 化学式(4)(化学式(4)中Zは、炭素数6以上30以下であり、かつ、単環式芳香族基、縮合多環式芳香族基又は芳香族基が、直接結合又は架橋員により相互に連結された非縮合多環式芳香族基であり、かつ、2価の基を示す。)で表される末端封止剤であるジカルボン酸無水物成分を含んでなる原料混合物の少なくとも一部を有機溶媒に溶解してなる反応系を、混合して液相反応させることにより液相のポリイミドプレポリマーを製造する工程、
第2工程(乾燥工程)として、
第1工程で得られた液相のポリイミドプレポリマーから有機溶媒を除去して固相のポリイミドプレポリマーを製造する工程、
第3工程(固相反応工程)として、
第2工程で得られた固相のポリイミドプレポリマーを、さらに、固相反応により脱水重縮合させて、ポリイミドプレポリマーよりも大きな重量平均分子量(Mw)を有する固相の熱可塑性ポリイミドを製造する工程とを含んで構成されることを特徴とする、熱可塑性ポリイミドの製造方法。
【0020】
【化6】
【0021】
[2] 第3工程(固相反応工程)において、
固相反応開始前のポリイミドプレポリマーの重量平均分子量(Mw1)が、数式(1)で示される数値範囲にあり、
固相反応終了後のポリイミドの重量平均分子量(Mw2)が、数式(2)で示される数値範囲にあり、かつ、
固相反応開始前のポリイミドプレポリマーの重量平均分子量(Mw1)と、固相反応終了後のポリイミドの重量平均分子量(Mw2)との関係が、数式(3)で示されるものであることを特徴とする、
[1]に記載した熱可塑性ポリイミドの製造方法。
【0022】
【数2】
【0023】
[3] 第1工程(液相反応工程)において、
化学式(2)で表されるジアミン成分と、
化学式(3)で表されるテトラカルボン酸二無水物成分との量比が、
ジアミン成分1モルを基準として、テトラカルボン酸二無水物成分が、0.900〜0.999モルの範囲にあることを特徴とする、
[1]又は[2]に記載した熱可塑性ポリイミドの製造方法。
【0024】
[4] 第1工程(液相反応工程)において、
使用する有機溶媒の沸点が100℃以上であり、
反応温度が100℃以上かつ使用する有機溶媒の沸点以下であることを特徴とする、
[1]乃至[3]の何れかに記載した熱可塑性ポリイミドの製造方法。
【0025】
[5] 第1工程(液相反応工程)において、
化学式(2)で表されるジアミン成分、
化学式(3)で表されるテトラカルボン酸二無水物成分、及び、
化学式(4)で表される末端封止剤であるジカルボン酸無水物成分
の固形分合計重量が、反応系合計重量を基準として、
30〜70重量%であることを特徴とする、
[1]乃至[4]の何れかに記載した熱可塑性ポリイミドの製造方法。
【0026】
[6] 第1工程(液相反応工程)及び/又は第3工程(固相反応工程)において使用する反応器が、
少なくとも二つの回転翼を有し、
かつ、それぞれの回転翼が独立した回転軸を有すると共に、
各回転翼を同時に回転させても各回転翼同士が衝突又は接触が起こらないように配列された構造を有する混練器を使用したものであることを特徴とする、
[1]乃至[5]の何れかに記載した熱可塑性ポリイミドの製造方法。
【0027】
[7] 第1工程(液相反応工程)において、
<1> 化学式(2)で表されるジアミン成分が、化学式(5)で表される4,4’−ビス(3−アミノフェノキシ)ビフェニルであり、
<2> 化学式(3)で表されるテトラカルボン酸二無水物成分が、化学式(6)で表されるピロメリット酸二無水物であり、かつ、
<3> 化学式(4)で表される末端封止剤であるジカルボン酸無水物成分が、化学式(7)で表される無水フタル酸であることを特徴とする、[1]乃至[6]の何れかに記載した熱可塑性ポリイミドの製造方法。
【0028】
【化7】
【0029】
[8] 第1工程(液相反応工程)において、
<1> 化学式(2)で表されるジアミン成分が、化学式(8)で表される1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼンであり、
<2> 化学式(3)で表されるテトラカルボン酸二無水物成分が、化学式(9)で表される3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物であり、かつ、
<3> 化学式(4)で表される末端封止剤であるジカルボン酸無水物成分が、化学式(7)で表される無水フタル酸であることを特徴とする、[1]乃至[6]の何れかに記載した熱可塑性ポリイミドの製造方法。
【0030】
【化8】
【0031】
[9] 第3工程(固相反応工程)において、
反応温度が200〜300℃であることを特徴とする、
[1]乃至[8]の何れかに記載した熱可塑性ポリイミドの製造方法。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。
【0033】
[原料]
本発明の製造方法で得られる熱可塑性ポリイミドは、化学式(1)で表される折り返し構造単位を有するが、その原料としては、化学式(2)で表されるジアミン、化学式(3)で表されるテトラカルボン酸二無水物、又は、その全部加水分解開環物若しくは一部加水分解開環物、及び、化学式(4)で表されるジカルボン酸無水物若しくはその加水分解開環物が必須モノマーである(化学式(1)(化学式(1)中nは、1以上の整数、XおよびYは炭素数6以上30以下であり、かつ単環式芳香族基、縮合多環式芳香族基、あるいは芳香族基が直接結合または架橋員により相互に連結された非縮合多環式芳香族基であり、Xは、2価、Yは、4価の基をそれぞれ示す。化学式(2)(化学式(2)中Xは、化学式(1)中のXと同一の基を示す。化学式(3)中Yは、化学式(1)中のYと同一の基を示す。化学式(4)中Zは、炭素数6以上30以下であり、かつ、単環式芳香族基、縮合多環式芳香族基又は芳香族基が、直接結合又は架橋員により相互に連結された非縮合多環式芳香族基であり、かつ、2価の基を示す。)。
【0034】
【化9】
【0035】
[原料の好ましい態様]
本発明の製造方法において、原料の好ましい態様としては、
▲1▼ 化学式(2)で表されるジアミン成分が、化学式(5)で表される4,4'−ビス(3−アミノフェノキシ)ビフェニルであり、
▲2▼ 化学式(3)で表されるテトラカルボン酸二無水物成分が、化学式(6)で表されるピロメリット酸二無水物であり、かつ、
▲3▼ 化学式(4)で表される末端封止剤であるジカルボン酸無水物成分が、化学式(7)で表される無水フタル酸
が挙げられる。
【0036】
【化10】
【0037】
[原料の好ましい他の態様]
本発明の製造方法において、原料の好ましい態様としては、
▲1▼ 化学式(2)で表されるジアミン成分が、化学式(8)で表される1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼンであり、
▲2▼ 化学式(3)で表されるテトラカルボン酸二無水物成分が、化学式(9)で表される3,3',4,4'−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物であり、かつ、
▲3▼ 化学式(4)で表される末端封止剤であるジカルボン酸無水物成分が、化学式(7)で表される無水フタル酸
が挙げられる。
【0038】
【化11】
【0039】
[ジアミン成分]
ジアミン成分としては、1つのベンゼン環を有する単環式芳香族基、ナフタレン環等を有する縮合多環芳香族基、あるいは複数の芳香族基が直接結合、カルボニル基、スルホン基、スルホキシド基、エーテル基またはスルフィド基の架橋員により相互に連結された非縮合多環式芳香族基を有するジアミンを用いることができる。
【0040】
ジアミン成分の具体的な化合物としては、以下に示すアミンを用いることができる。
4,4'−ビス(3−アミノフェノキシ)ビフェニル
m−フェニレンジアミン、
o−フェニレンジアミン、
p−フェニレンジアミン、
m−アミノベンジルアミン、
p−アミノベンジルアミン、
3,3'−ジアミノジフェニルエーテル、
4,4'−ジアミノジフェニルエーテル、
3,4'−ジアミノジフェニルエーテル、
ビス(3−アミノフェニル)スルフィド、
ビス(4−アミノフェニル)スルフィド、
(3−アミノフェニル)(4−アミノフェニル)スルフィド、
ビス(3−アミノフェニル)スルホキシド、
ビス(4−アミノフェニル)スルホキシド、
(3−アミノフェニル)(4−アミノフェニル)スルホキシド、
ビス(3−アミノフェニル)スルホン、
ビス(4−アミノフェニル)スルホン、
(3−アミノフェニル)(4−アミノフェニル)スルホン、
3,3'−ジアミノベンゾフェノン、
4,4'−ジアミノベンゾフェノン、
3,4'−ジアミノベンゾフェノン、
3,3'−ジアミノジフェニルメタン、
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メタン、
ビス[4−(3−アミノフェノキシ)フェニル]メタン、
ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]メタン、
1,1−ビス[4−(3−アミノフェノキシ)フェニル]エタン、
1,2−ビス[4−(3−アミノフェノキシ)フェニル]エタン、
1,1−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]エタン、
1,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]エタン、
2,2−ビス[4−(3−アミノフェノキシ)フェニル]プロパン、
2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]プロパン、
2,2−ビス[4−(3−アミノフェノキシ)フェニル]ブタン、
2,2−ビス[3−(3−アミノフェノキシ)フェニル]1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン、
2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン、
1,3−ビス(3−アミノフェノキシ)ベンゼン、
1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、
1,4−ビス(3−アミノフェノキシ)ベンゼン、
1,4−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、
4,4'−ビス(4−アミノフェノキシ)ビフェニル、
ビス[4−(3−アミノフェノキシ)フェニル]ケトン、
ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]ケトン、
ビス[4−(3−アミノフェノキシ)フェニル]スルフィド、
ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]スルフィド、
ビス[4−(3−アミノフェノキシ)フェニル]スルホキシド、
ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]スルホキシド、
ビス[4−(3−アミノフェノキシ)フェニル]スルホン、
ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]スルホン、
ビス[4−(3−アミノフェノキシ)フェニル]エーテル、
ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]エーテル、
1,4−ビス[4−(3−アミノフェノキシ)ベンゾイル]ベンゼン、
1,3−ビス[4−(3−アミノフェノキシ)ベンゾイル]ベンゼン、
4,4'−ビス[3−(4−アミノフェノキシ)ベンゾイル]ジフェニルエーテル、
4,4'−ビス[3−(3−アミノフェノキシ)ベンゾイル]ジフェニルエーテル、
4,4'−ビス[4−(4−アミノ−α,α−ジメチルベンジル)フェノキシ]ベンゾフェノン、
4,4'−ビス[4−(4−アミノ−α,α−ジメチルベンジル)フェノキシ]ジフェニルスルホン、
ビス[4−{4−(4−アミノフェノキシ)フェノキシ}フェニル]スルホン、
1,4−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェノキシ−α,α−ジメチルベンジル]ベンゼン、
1,3−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェノキシ−α,α−ジメチルベンジル]ベンゼン、
1,3−ビス[4−(4−アミノ−6−トリフルオロメチルフェノキシ)−α,α−ジメチルベンジル]ベンゼン、
1,3−ビス[4−(4−アミノ−6−フルオロフェノキシ)−α,α−ジメチルベンジル]ベンゼン、
1,3−ビス[4−(4−アミノ−6−メチルフェノキシ)−α,α−ジメチルベンジル]ベンゼン、
1,3−ビス[4−(4−アミノ−6−シアノフェノキシ)−α,α−ジメチルベンジル]ベンゼン、
3,3'−ジアミノ−4,4'−ジフェノキシベンゾフェノン、
4,4'−ジアミノ−5,5'−ジフェノキシベンゾフェノン、
3,4'−ジアミノ−4,5'−ジフェノキシベンゾフェノン、
3,3'−ジアミノ−4−フェノキシベンゾフェノン、
4,4'−ジアミノ−5−フェノキシベンゾフェノン、
3,4'−ジアミノ−4−フェノキシベンゾフェノン、
3,4'−ジアミノ−5'−フェノキシベンゾフェノン、
3,3'−ジアミノ−4,4'−ジビフェノキシベンゾフェノン、
4,4'−ジアミノ−4,5'−ジビフェノキシベンゾフェノン、
3,4'−ジアミノ−4,4'−ジビフェノキシベンゾフェノン、
3,3'−ジアミノ−4−ビフェノキシベンゾフェノン、
4,4'−ジアミノ−5−ビフェノキシベンゾフェノン、
3,4'−ジアミノ−4−ビフェノキシベンゾフェノン、
3,4'−ジアミノ−5'−ビフェノキシベンゾフェノン、
1,3−ビス(3−アミノ−4−フェノキシベンゾイル)ベンゼン、
1,4−ビス(3−アミノ−4−フェノキシベンゾイル)ベンゼン、
1,3−ビス(4−アミノ−5−フェノキシベンゾイル)ベンゼン、
1,4−ビス(4−アミノ−5−フェノキシベンゾイル)ベンゼン、
1,3−ビス(3−アミノ−4−ビフェノキシベンゾイル)ベンゼン、
1,4−ビス(3−アミノ−4−ビフェノキシベンゾイル)ベンゼン、
1,3−ビス(4−アミノ−5−ビフェノキシベンゾイル)ベンゼン、
1,4−ビス(4−アミノ−5−ビフェノキシベンゾイル)ベンゼン、
2,6−ビス[4−(4−アミノ−α,α−ジメチルベンジル)フェノキシ]ベンゾニトリル、
6,6'−ビス(2−アミノフェノキシ)−3,3,3',3'−テトラメチル−1,1'−スピロビインダン、
6,6'−ビス(3−アミノフェノキシ)−3,3,3',3'−テトラメチル−1,1'−スピロビインダン、
6,6'−ビス(4−アミノフェノキシ)−3,3,3',3'−テトラメチル−1,1'−スピロビインダン等が挙げられ、またこれらは単独または2種以上を混合して使用される。
【0041】
[テトラカルボン酸二無水物]
テトラカルボン酸二無水物としては、1つのベンゼン環を有する単環式芳香族基、ナフタレン環等を有する縮合多環芳香族基、あるいは複数の芳香族基が直接結合、カルボニル基、スルホン基、スルホキシド基、エーテル基またはスルフィド基の架橋員により相互に連結された非縮合多環式芳香族基を有するテトラカルボン酸二無水物を用いることができる。
【0042】
テトラカルボン酸二無水物の具体的な化合物としては以下に示すテトラカルボン酸二無水物を用いることができる。
3,3',4,4'−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、
2,3,3',4'−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、
2,2',3,3'−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、
3,3',4,4'−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、
2,2',3,3'−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、
2,2−ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)プロパン二無水物、
ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)エーテル二無水物、
ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)スルホン二無水物、
1,1−ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)エタン二無水物、
ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)メタン二無水物、
ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)メタン二無水物、
2,2'−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン二無水物、
ピロメリット酸二無水物
1,4−ジフルオロピロメリット酸、
1,4−ビス(3,4−ジカルボキシトリフルオロフェノキシ)テトラフルオロベンゼン二無水物、
2,2'−ビス[4−(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ベンゼン]−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン二無水物、
2,3,6,7−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、
1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、
1,2,5,6−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、
1,2,3,4−ベンゼンテトラカルボン酸二無水物、
3,4,9,10−ペリレンテトラカルボン酸二無水物、
2,3,6,7−アントラセンテトラカルボン酸二無水物、
1,2,7,8−フェナントレンテトラカルボン酸二無水物、
1,2,3,4−ブタンテトラカルボン酸二無水物、
1,2,3,4−シクロブタンテトラカルボン酸二無水物等が挙げられる。また、これらは単独あるいは2種以上を混合して用いることができる。そして、上記テトラカルボン酸二無水物の全てまたは一部が加水分解した化合物も使用する事が出来る。
【0043】
[末端封止剤成分]
末端封止剤としては、1つのベンゼン環を有する単環式芳香族基、ナフタレン環等を有する縮合多環芳香族基、あるいは複数の芳香族基が直接結合、カルボニル基、スルホン基、スルホキシド基、エーテル基またはスルフィド基の架橋員により相互に連結された非縮合多環式芳香族基を有するジカルボン酸無水物を用いることができる。
【0044】
末端封止剤の具体的な化合物としては、以下に示すジカルボン酸無水物を用いることができる。
無水フタル酸
2,3−ベンゾフェノンジカルボン酸無水物、
3,4−ベンゾフェノンジカルボン酸無水物、
2,3−ジカルボキシフェニルフェニルエーテル無水物、
3,4−ジカルボキシフェニルフェニルエーテル無水物、
2,3−ビフェニルジカルボン酸無水物、
3,4−ビフェニルジカルボン酸無水物、
2,3−ジカルボキシフェニルフェニルスルホン無水物、
3,4−ジカルボキシフェニルフェニルスルホン無水物、
2,3−ジカルボキシフェニルフェニルスルフィド無水物、
3,4−ジカルボキシフェニルフェニルスルフィド無水物、
1,2−ナフタレンジカルボン酸無水物、
2,3−ナフタレンジカルボン酸無水物、
1,8−ナフタレンジカルボン酸無水物、
1,2−アントラセンジカルボン酸無水物、
2,3−アントラセンジカルボン酸無水物、
1,9−アントラセンジカルボン酸無水物等が挙げられる。これらのジカルボン酸無水物はアミンまたはジカルボン酸無水物と反応性を有しない基で置換されても差し支えない。
【0045】
[熱可塑性ポリイミドの製造方法]本発明に係る熱可塑性ポリイミドの製造方法は、化学式(1)(化学式(1)中nは、1以上の整数、XおよびYは炭素数6以上30以下であり、かつ単環式芳香族基、縮合多環式芳香族基、あるいは芳香族基が直接結合または架橋員により相互に連結された非縮合多環式芳香族基であり、Xは、2価、Yは、4価の基をそれぞれ示す。)で表される繰り返し構造を有する熱可塑性ポリイミドの製造方法であって、
第1工程(液相反応工程)として
<1> 化学式(2)(化学式(2)中Xは、化学式(1)中のXと同一の基を示す。)で表されるジアミン成分、
<2> 化学式(3)(化学式(3)中Yは、化学式(1)中のYと同一の基を示す。)で表されるテトラカルボン酸二無水物成分、及び、
<3> 化学式(4)(化学式(4)中Zは、炭素数6以上30以下であり、かつ、単環式芳香族基、縮合多環式芳香族基又は芳香族基が、直接結合又は架橋員により相互に連結された非縮合多環式芳香族基であり、かつ、2価の基を示す。)で表される末端封止剤であるジカルボン酸無水物成分を含んでなる原料混合物の少なくとも一部を有機溶媒に溶解してなる反応系を、混合して液相反応させることにより液相のポリイミドプレポリマーを製造する工程、
第2工程(乾燥工程)として、
第1工程で得られた液相のポリイミドプレポリマーから有機溶媒を除去して固相のポリイミドプレポリマーを製造する工程、
第3工程(固相反応工程)として、
第2工程で得られた固相のポリイミドプレポリマーを、さらに、固相反応により脱水重縮合させて、ポリイミドプレポリマーよりも大きな重量平均分子量(Mw)を有する固相の熱可塑性ポリイミドを製造する工程を含んで構成されることを特徴とする熱可塑性ポリイミドの製造方法である。
【0046】
【化12】
【0047】
[反応溶媒]
第1工程(液相反応工程)において使用できる溶媒は、特に限定されるものではないが、通常、沸点が100℃以上であることが好ましい。
本発明の製造方法において使用できる溶媒は、一般にポリイミドの重合に用いられる溶媒を採用することができる。
例えば、少なくとも一つの反応物質、好ましくは酸無水物類とジアミン類の両方を溶解するものである。具体的にはN,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、クレゾール、ジメチルスルホキシド、N-メチル-2-ピロリドン、テトラメチル尿素等である。これらの溶媒類は、単独、或いはベンゾニトリル、ジオキサン、キシレン或いはトルエン等の他の溶媒との組み合わせで用いられ得る。
【0048】
[触媒]
第1工程(液相反応工程)及び/又は第3工程(固相反応工程)において、触媒を用いることができる。触媒は、脱水重縮合反応の進行を実質的に促進するか、架橋等の副反応の進行を阻害するものである限り、特に制限されない。
また、触媒の使用量は、触媒の揮散性や酸強度等の触媒自身の性質、反応条件を考慮して、実質的に反応を促進させるか、架橋等の副反応の進行を阻害させることができれば特に制限されない。
また、この触媒の中には、触媒自身に上に記したような性質がなくても、流通ガスや、反応溶媒と反応することにより上記の性質を有する化合物に変化する触媒も含まれる。
触媒としては、ポリイミドの重合に用いられる一般的な公知触媒のほか、例えば、有機スルホン酸等の酸触媒が挙げられ、さらに詳しくは、例えば、メタンスルホン酸、エタンスルホン酸、1−プロパンスルホン酸、1−ブタンスルホン酸、1−ペンタンスルホン酸、1−ヘキサンスルホン酸、1−ヘプタンスルホン酸、1−オクタンスルホン酸、等のアルカンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、等のハロゲン化置換アルカンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、p−トルエンスルホン酸、p−キシレン−2−スルホン酸、p−クロロベンゼンスルホン酸、p−ニトロベンゼンスルホン酸、等のベンゼンスルホン酸誘導体、ナフタレン−1−スルホン酸、ナフタレン−2−スルホン酸、2,5−ナフタレンジスルホン酸、等のナフタレンスルホン酸誘導体等が挙げられる。
これらは、単独で又は2種類以上組み合わせて使用することができる。
【0049】
[仕込み方法]
第1工程(液相反応工程)において、原料、溶媒及び必要に応じて加えられるその他の触媒等の仕込み順序・方法は特に限定されない。
【0050】
[原料の使用量比]
ジアミン成分、テトラカルボン酸二無水物成分(あるいはその全または一部加水分解開環物)の量比によって、得られるポリイミドの分子量を調節することができる。使用量はジアミン成分1モルに対して、テトラカルボン酸二無水物成分は0.900〜0.999モルの範囲で、好ましくは0.920〜0.980モルである。テトラカルボン酸二無水物の使用量比が0.900未満であれば得られるポリイミドの分子量が不足し、耐熱性・機械物性が悪化する。一方、同使用量比が0.999を超えれば分子量が上がりすぎて十分な溶融流動性が得られず、成形加工性が低下する。
【0051】
[反応温度]
第1工程(液相反応工程)において、必要な重量平均分子量(Mw)が得られるのであれば、反応温度は、特に制限されるものではないが、通常、100℃以上、溶媒の沸点以下である。
反応時間は、必要な重合度を得るのに充分である範囲内に限って限定されない。また、反応に際しては窒素等の不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。
【0052】
[反応濃度]
第1工程(液相反応工程)において、反応系内(反応器内)の固形分濃度は、30%以上であることが好ましい。
また、第1工程(液相反応工程)において、反応系内(反応器内)の固形分濃度は、60%以下であることが好ましい。
より具体体的には、第1工程(液相反応工程)において、化学式(2)で表されるジアミン成分、化学式(3)で表されるテトラカルボン酸二無水物成分、及び、化学式(4)で表される末端封止剤であるジカルボン酸無水物成分の固形分合計重量が、反応系合計重量を基準として、30〜60重量%であることが好ましい。
【0053】
[第1工程・第3工程において使用する反応器]
第1工程(液相反応工程)及び第3工程(固相反応工程)において使用する反応器は、特に制限されるものではない。
使用する反応器は、原料及び必要に応じて加えられるその他の触媒等が混合さえすれば、装置は特に制限されない。
好ましい反応器としては、ニーダーのような二つの翼を2軸により各々回転させ、2本の翼の運転経路が当らないように配列された混練機が挙げられる。
使用する反応器の好ましい態様としては、例えば、少なくとも二つの回転翼を有し、かつ、それぞれの回転翼が独立した回転軸を有すると共に、各回転翼を同時に回転させても各回転翼同士が衝突又は接触が起こらないように配列された構造を有する混練器を使用したものが挙げられる。
また、反応に際しては窒素等の不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。
【0054】
[第2工程における脱溶媒]
第2工程(乾燥工程)における脱溶媒の条件としては、ポリイミドプレポリマー中の溶媒量が5重量%以下にさえなれば、常圧でも減圧下でもよく、特に制限されない。
温度と減圧度に関しては、好ましくは、温度が50〜300℃、減圧度が1kPa〜30kPaであり、さらに好ましくは温度が100〜200℃、減圧度が1.5kPa〜20kPa以下である。
時間に関しては、好ましくは、30分間〜20時間であり、さらに好ましくは1時間〜15時間である。
また、脱溶媒に際しても乾燥窒素等の乾燥ガス雰囲気下で行うことが好ましい。
【0055】
[固相反応]
第3工程(固相反応工程)における固相反応は、第2工程(乾燥工程)で脱溶媒して得られたプレポリマーを固相状態で、脱水重縮合することを特徴とする。
この固相反応は、反応系に存在するポリマー(プレポリマー及び反応生成物)が実質的に固体状態を維持し、固相反応終了後のポリイミドの重量平均分子量(Mw2)が、固相反応開始前のプレポリマーの重量平均分子量(Mw1)の数値以上であれば特に限定されない。
すなわち、第3工程(固相反応工程)においては、
固相反応開始前のポリイミドプレポリマーの重量平均分子量(Mw1)が、数式(1)で示される数値範囲にあり、
固相反応終了後のポリイミドの重量平均分子量(Mw2)が、数式(2)で示される数値範囲にあり、かつ、
固相反応開始前のポリイミドプレポリマーの重量平均分子量(Mw1)と、固相反応終了後のポリイミドの重量平均分子量(Mw2)との関係が、数式(3)で示されるものであることを特徴とする。
【数3】
【0056】
[固相反応温度]
固相反応温度は脱溶媒温度以上、プレポリマーの融点以下であり、例えばオ−ラムTMは200℃以上、300℃以下である。反応時間は必要な重合度を得るのに充分である範囲内に限って限定されない。
また、反応に際しては窒素等の不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。
【0057】
【実施例】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
なお、本出願の明細書における実施例の記載は、本発明の内容の理解を支援するための説明であって、その記載は本発明の技術的範囲を狭く解釈する根拠となる性格のものではない。
実施例における各種試験の方法は、以下に示すとおりである。
【0058】
▲1▼ ポリイミド粉の対数粘度
ポリイミド粉の対数粘度ηは、サンプル0.50gをp−クロロフェノールとフェノールの混合溶媒(90:10重量比)100mlに加熱溶解した後、35℃で測定した。
【0059】
▲2▼ 分子量測定
ポリイミドプレポリマーやポリイミドの重量平均分子量Mwは、GPC(ゲル・パーミエーション・クロマトグラフィー)により測定した。
GPC装置は、昭和電工社製GPC装置Shodex System−11を使用し、分析カラムは、Shodex KD−800P+KD−803+KD−80Mを連結し、移動相はo−クロロフェノールとp−クロロフェノールの1:1(重量比)混合溶媒を用いた。
サンプル濃度は、サンプル量0.025gに対し、溶媒のp−クロロフェノールが10mlである。
【0060】
▲3▼ 溶融粘度
溶融粘度MVは、島津製作所社製硬化式フローテスターCFT500D型を使用し、ダイ直径1.0mm×ダイ長10mm、温度420℃、荷重100kgf/cm2、余熱時間5分で測定した。
【0061】
▲4▼ 増粘比
増粘比(MV30/MV5)は、上記溶融粘度測定装置を使用し、余熱時間30分で測定した溶融粘度(MV30)を、余熱時間5分で測定した溶融粘度(MV5)で割った値である。
【0062】
▲5▼ 示差走査熱量(DSC)測定
示差走査熱量(DSC)測定により、ガラス転移温度(Tg)、結晶化温度(Tc)、融点(Tm)を測定した。
DSC装置は、島津製作所社製熱分析装置DT−40シリーズDSC−41Mを使用し、窒素気流下、昇温速度16℃/minで測定した。
【0063】
[実施例1]
等速Σ型のステンレス製の翼を内部に二本有する内容積1lのステンレス製の入江卓上型ニーダー(型式PNV−1H)に、4,4‘−ビス(3−アミノフェノキシ)ビフェニル141.47g(0.384mol)、ピロメリット酸二無水物79.58g(0.365mol)、無水フタル酸6.34g(0.042mol)及びクレゾール151.59gを装入(固形分濃度60%)し、攪拌しながら、反応容器内を十分に窒素置換した。これを150℃まで昇温し、この後、150℃で1時間攪拌した。
温度は150℃のまま20kPaに減圧し、15時間乾燥することにより、反応系からクレゾールを留去した。
得られたプレポリマーの重量平均分子量(Mw)は、3.0×104であった。このプレポリマーを棚段乾燥機中、窒素雰囲気下、300℃で4時間固相反応して、黄色粉末を得た。
ここで得られたポリイミド粉は、対数粘度(η)が0.45dl/g、重量平均分子量(Mw)が7.1×104であった。
また、ガラス転移温度(Tg)248℃、結晶化温度(Tc)336℃、融点(Tm)385℃であった。
さらに、このポリイミド粉の420℃における溶融粘度(MV)は、316Pa・s、増粘比(MV30/MV5)は1.3であった。
【0064】
[実施例2]
等速Σ型のステンレス製の翼を内部に二本有する内容積1lのステンレス製の入江卓上型ニーダー(型式PNV−1H)に、4,4‘−ビス(3−アミノフェノキシ)ビフェニル212.21g(0.576mol)、ピロメリット酸二無水物120.63g(0.553mol)、無水フタル酸7.61g(0.051mol)及びクレゾール510.68gを装入(固形分濃度40%)し、攪拌しながら、反応容器内を十分に窒素置換した。
これを150℃まで昇温し、この後、150℃で1時間攪拌した。温度は150℃のまま20kPaに減圧し、15時間乾燥することにより、反応系からクレゾールを留去した。
得られたプレポリマーの分子量Mwは3.5×104であった。このプレポリマーを棚段乾燥機中、窒素雰囲気下、300℃で4時間固相反応して、黄色粉末を得た。
ここで得られたポリイミド粉は、対数粘度(η)0.48dl/g、重量平均分子量(Mw)8.3×104であった。
また、ガラス転移温度(Tg)が235℃、結晶化温度(Tc)が314℃、融点(Tm)が399℃であった。
さらに、このポリイミド粉の420℃における溶融粘度(MV)は890Pa・s、増粘比(MV30/MV5)2.2であった。
【0065】
[実施例3]
等速Σ型のステンレス製の翼を内部に二本有する内容積1lのステンレス製の入江卓上型ニーダー(型式PNV−1H)に、1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン116.92g(0.400mol)、3,3',4,4'−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物114.16g(0.388mol)、無水フタル酸3.91g(0.0264mol)及びクレゾール352.49gを装入(固形分濃度40%)し、攪拌しながら、反応容器内を十分に窒素置換した。
これを150℃まで昇温し、この後、150℃で1時間攪拌した。温度は150℃のまま9kPaに減圧し、15時間乾燥することにより、反応系からクレゾールを留去した。
得られたプレポリマー重量平均分子量(Mw)は、3.7×104であった。
このプレポリマーを棚段乾燥機中、窒素雰囲気下、300℃で4時間固相反応して、黄色粉末を得た。
ここで得られたポリイミド粉は、対数粘度(η)0.96dl/g、重量平均分子量(Mw)18×104であった。
また、ガラス転移温度(Tg)が235℃、結晶化温度(Tc)が314℃、融点(Tm)が399℃であった。
さらに、このポリイミド粉の420℃における溶融粘度(MV)は620Pa・s、増粘比(MV30/MV5)は1.6であった。
【0066】
[比較例1]
1lの四つ口反応フラスコに、4,4‘−ビス(3−アミノフェノキシ)ビフェニル141.47g(0.384mol)、ピロメリット酸二無水物79.58g(0.365mol)、無水フタル酸6.34g(0.042mol)及びクレゾール682.17gを装入(固形分濃度25%)し、攪拌しながら、反応容器内を十分に窒素置換した。
これを200℃まで昇温し、この後、200℃で6時間攪拌した。
この反応液をトルエン2000g中に混合しながら滴下して、固形分を析出させた。
滴下終了後、さらに30分間混合した後、濾過を行うことによって、固形物を得た。
この固形物を棚段乾燥機中、窒素雰囲気下、300℃で4時間乾燥し、220.11gの黄色粉末を得た。
ここで得られたポリイミド粉は、対数粘度(η)0.45dl/g、重量平均分子量(Mw)7.0×104であった。
さらに、このポリイミド粉の420℃における溶融粘度(MV)は310Pa・s、増粘比(MV30/MV5)は1.3であった。
実施例1と比較例1との容積効率の比較を表−1に示す。
【0067】
【表1】
【0068】
【発明の効果】
本発明による熱可塑性ポリイミドの製造方法により、予めプレ重合したポリマー(ポリイミドプレポリマー)を調製し、得られたポリイミドプレポリマーを固相で重合反応を行うことにより、液相重合反応の場合には必要であったイミド化物濾別、溶媒除去のための洗浄を省き、直接、固相状態(例えば、粉体状態)の熱可塑性ポリイミドを製造することが可能となった。
得られる熱可塑性ポリイミドは、熱可塑性や成形加工性にもを有する熱可塑性ポリイミドを粉体等の固相状態でえることができる。での生産効率を向上させることが可能となった。
また、高濃度でプレポリマーを合成することにより、さらに生産効率を向上させることが可能となった。
Claims (9)
- 化学式(1)(化学式(1)中nは、1以上の整数、XおよびYは炭素数6以上30以下であり、かつ単環式芳香族基、縮合多環式芳香族基、あるいは芳香族基が直接結合または架橋員により相互に連結された非縮合多環式芳香族基であり、Xは、2価、Yは、4価の基をそれぞれ示す。)で表される繰り返し構造を有する熱可塑性ポリイミドの製造方法であって、
第1工程(液相反応工程)として
<1> 化学式(2)(化学式(2)中Xは、化学式(1)中のXと同一の基を示す。)で表されるジアミン成分、
<2> 化学式(3)(化学式(3)中Yは、化学式(1)中のYと同一の基を示す。)で表されるテトラカルボン酸二無水物成分、及び、
<3> 化学式(4)(化学式(4)中Zは、炭素数6以上30以下であり、かつ、単環式芳香族基、縮合多環式芳香族基又は芳香族基が、直接結合又は架橋員により相互に連結された非縮合多環式芳香族基であり、かつ、2価の基を示す。)で表される末端封止剤であるジカルボン酸無水物成分を含んでなる原料混合物の少なくとも一部を有機溶媒に溶解してなる反応系を、混合して液相反応させることにより液相のポリイミドプレポリマーを製造する工程、
第2工程(乾燥工程)として、
第1工程で得られた液相のポリイミドプレポリマーから有機溶媒を除去して固相のポリイミドプレポリマーを製造する工程、
第3工程(固相反応工程)として、
第2工程で得られた固相のポリイミドプレポリマーを、さらに、固相反応により脱水重縮合させて、ポリイミドプレポリマーよりも大きな重量平均分子量(Mw)を有する固相の熱可塑性ポリイミドを製造する工程とを含んで構成されることを特徴とする、熱可塑性ポリイミドの製造方法。
- 第3工程(固相反応工程)において、固相反応開始前のポリイミドプレポリマーの重量平均分子量(Mw1)が、数式(1)で示される数値範囲にあり、固相反応終了後のポリイミドの重量平均分子量(Mw2)が、数式(2)で示される数値範囲にあり、かつ、固相反応開始前のポリイミドプレポリマーの重量平均分子量(Mw1)と、固相反応終了後のポリイミドの重量平均分子量(Mw2)との関係が、数式(3)で示されるものであることを特徴とする、請求項1に記載した熱可塑性ポリイミドの製造方法。
- 第1工程(液相反応工程)において、化学式(2)で表されるジアミン成分と、化学式(3)で表されるテトラカルボン酸二無水物成分との量比が、ジアミン成分1モルを基準として、テトラカルボン酸二無水物成分が、0.900〜0.999モルの範囲にあることを特徴とする、請求項1又は2に記載した熱可塑性ポリイミドの製造方法。
- 第1工程(液相反応工程)において、使用する有機溶媒の沸点が100℃以上であり、反応温度が100℃以上かつ使用する有機溶媒の沸点以下であることを特徴とする、請求項1乃至3の何れかに記載した熱可塑性ポリイミドの製造方法。
- 第1工程(液相反応工程)において、化学式(2)で表されるジアミン成分、化学式(3)で表されるテトラカルボン酸二無水物成分、及び、化学式(4)で表される末端封止剤であるジカルボン酸無水物成分の固形分合計重量が、反応系合計重量を基準として、30〜70重量%であることを特徴とする、請求項1乃至4の何れかに記載した熱可塑性ポリイミドの製造方法。
- 第1工程(液相反応工程)及び/又は第3工程(固相反応工程)において使用する反応器が、少なくとも二つの回転翼を有し、かつ、それぞれの回転翼が独立した回転軸を有すると共に、各回転翼を同時に回転させても各回転翼同士が衝突又は接触が起こらないように配列された構造を有する混練器を使用したものであることを特徴とする、請求項1乃至5の何れかに記載した熱可塑性ポリイミドの製造方法。
- 第1工程(液相反応工程)において、
<1> 化学式(2)で表されるジアミン成分が、化学式(5)で表される4,4’−ビス(3−アミノフェノキシ)ビフェニルであり、
<2> 化学式(3)で表されるテトラカルボン酸二無水物成分が、化学式(6)で表されるピロメリット酸二無水物であり、かつ、
<3> 化学式(4)で表される末端封止剤であるジカルボン酸無水物成分が、化学式(7)で表される無水フタル酸であることを特徴とする、請求項1乃至6の何れかに記載した熱可塑性ポリイミドの製造方法。
- 第1工程(液相反応工程)において、
<1> 化学式(2)で表されるジアミン成分が、化学式(8)で表される1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼンであり、
<2> 化学式(3)で表されるテトラカルボン酸二無水物成分が、化学式(9)で表される3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物であり、かつ、
<3> 化学式(4)で表される末端封止剤であるジカルボン酸無水物成分が、化学式(7)で表される無水フタル酸であることを特徴とする、請求項1乃至6の何れかに記載した熱可塑性ポリイミドの製造方法。
- 第3工程(固相反応工程)において、反応温度が200〜300℃であることを特徴とする、請求項1乃至8の何れかに記載した熱可塑性ポリイミドの製造方法。
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