JP4716845B2 - フェノール樹脂、その製造法、エポキシ樹脂及びその用途 - Google Patents

Description

本発明は、溶融粘度の低い結晶性エポキシ樹脂の原料として有用なフェノール樹脂、結晶性エポキシ樹脂、該エポキシ樹脂を含有するエポキシ樹脂組成物、およびその硬化物に関する。

エポキシ樹脂は種々の硬化剤で硬化させることにより、一般的に機械的性質、耐水性、耐薬品性、耐熱性、電気的性質などに優れた硬化物となり、接着剤、塗料、積層板、成形材料、注型材料などの幅広い分野に利用されている。半導体封止材などの用途においては耐熱性が要求されるためクレゾールノボラック型エポキシ樹脂が広く利用されている。実装方式は、表面実装方式が一般的になり、半導体パッケージも半田リフロー時に直接高温に晒されることが多くなった上、近年の環境問題に対する意識の向上につれ、半導体を実装する際に鉛フリー半田を使用する場合が増えている。鉛フリー半田は従来の半田と比較して溶融温度が約２０℃高い（約２６０℃）ため、半田リフロー時にパッケージクラックが生じる可能性は従来の半導体封止材よりもはるかに高くなった。そのような背景において、耐熱性、耐湿性、耐衝撃性等の諸特性に優れた性能を有するエポキシ樹脂として、ビフェニルノボラック型のエポキシ樹脂が提案されている（特許文献１参照）。また、ビフェニル骨格を含むエポキシ樹脂の低溶融粘度化として分子量分布を有しない結晶性エポキシ樹脂が提案されている（特許文献２参照）。また、結晶性エポキシ樹脂に有用な原料となるビフェニル骨格を有するフェノール化合物については既に提案されているが、その原料として使用されるフェノール類についてはフェノールの他にクレゾールやキシレノールのような１から２置換のフェノール類が記載されている（特許文献３）。

特開平５−１１７３５０号公報（第１−６頁） 特開２００２−３３８６５６号公報（第１−５頁） 特開２００２−３２２１１０号公報（第１−３頁）

特許文献１の実施例に記載されているような分子量分布を有するノボラック型のエポキシ樹脂は、溶融粘度が比較的高いため高フィラー充填には限界があった。また、特許文献２に記載の結晶性エポキシ樹脂を製造するためには、樹脂状のフェノール樹脂から晶析工程を経て得られる結晶状のフェノール樹脂を使用する必要があり（[００１８]）、工業的に安価に製造することが難しい。本発明の主たる目的は、再結晶工程を経なくても製造が可能であり、しかもその硬化物において耐熱性、耐湿性、耐衝撃性に優れたビフェニル骨格を有する結晶性エポキシ樹脂を提供することにある。

本発明者は、前記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成させるに至った。

即ち、本発明は
（１）フェノールアラルキル型樹脂であって、下記式（１）で表される化合物を主成分とするフェノール樹脂、

（２）下記式（２）で表されるビフェニル化合物１モルに対しｐ−クレゾール１０〜３０モルを反応させることを特徴とする、上記（１）記載のフェノール樹脂の製造法、

（式（２）において、Ｘは塩素原子、臭素原子、メトキシ基、エトキシ基または水酸基を表す。）
（３）上記（１）記載のフェノール樹脂をエピハロヒドリンとアルカリ金属水酸化物の存在下、反応させることにより得られる下記式（３）で表される化合物を主成分とする結晶性エポキシ樹脂、

（４）上記（３）に記載のエポキシ樹脂及び硬化剤を含有することを特徴とするエポキシ樹脂組成物、
（５）硬化促進剤を含有する上記（４）に記載のエポキシ樹脂組成物、
（６）無機充填剤を含有する上記（４）または（５）に記載のエポキシ樹脂組成物、
（７）上記（４）、（５）または（６）のいずれか１項に記載のエポキシ樹脂組成物を硬化してなる硬化物
に関する。

本発明のエポキシ樹脂はこれまでに提案されてきたエポキシ樹脂と比較して、耐熱性、耐湿性、流動性などのバランスに優れた硬化物を与える。従って、本発明のエポキシ樹脂組成物は電気・電子材料、成型材料、注型材料、積層材料、塗料、接着剤、レジスト、光学材料などの広範囲の用途にきわめて有用である。

本発明のフェノール樹脂は、ｐ−クレゾールと下記式（２）

（上記式（２）において、Ｘは塩素原子、臭素原子、メトキシ基、エトキシ基または水酸基を表す。）で表されるビフェニル化合物とを縮合反応させた後、未反応のｐ−クレゾール、および不純物を加熱除去することで得られ、下記式（１）で表される化合物をその主成分（通常ＨＰＬＣ測定による面積％で５０面積％以上）とし、他の成分として、式（２）の化合物とｐ−クレゾールの結合単位が３個以上の高分子量化合物を少量含む樹脂である。本発明のエポキシ樹脂は、このフェノール樹脂をグリシジルエーテル化することで得られる。

本発明においては、フェノール類としてｐ−クレゾールを用いることに特徴がある。すなわち、上記縮合反応によって得られるフェノール樹脂は、ｐ−クレゾールの代わりにフェノール、ｏ−クレゾール、ｍ−クレゾールを用いた場合と異なり、式（１）で表されるように基本的に配位異性体を含まない。そして、一つの骨格が主成分となるが故に、式（１）を主成分とするフェノール樹脂をグリシジルエーテル化した本発明のエポキシ樹脂は結晶性を有する。

上記の縮合反応において、原料の仕込み比率は、式（２）の化合物１モルに対してｐ−クレゾールが通常１０〜３０モル、好ましくは１５〜２５モルである。

式（２）の化合物としては例えば、４，４’−ビス（クロロメチル）−１，１’−ビフェニル、４，４’−ビス（ブロモメチル）−１，１’−ビフェニル、４，４’−ビス（メトキシメチル）−１，１’−ビフェニル、４，４’−ビス（エトキシメチル）−１，１’−ビフェニルなどが挙げられる。

反応時に必要に応じて酸触媒を添加することができる。具体的には、種々のものが使用できるが硫酸、ｐ−トルエンスルホン酸、シュウ酸等の有機あるいは無機酸、塩化第二錫、塩化亜鉛、塩化第二鉄等のフリーデルクラフツ型触媒等が挙げられる。なかでも塩化第二錫、硫酸、ｐ−トルエンスルホン酸が好ましい。これら酸触媒の使用量は触媒の種類により異なるが、式（２）の化合物に対して０．０００５〜５重量％の範囲内で添加すれば良い。

縮合反応は無溶剤下でも溶剤の存在下でも行うことが出来る。溶剤を使用する場合、用い得る溶剤としてはメタノール、エタノール、イソプロパノール、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、トルエン、キシレン等が挙げられる。溶剤の使用量としてはｐ−クレゾールと式（２）で表される化合物の合計重量に対して通常１０〜３００重量％、好ましくは２０〜２５０重量％である。縮合反応温度としては通常４０〜１５０℃、反応時間としては通常１〜１０時間である。

縮合反応終了後、中和、水洗などにより酸触媒を除去し、次いで加熱減圧下で必要により使用した溶剤及び未反応のｐ−クレゾールを除去する。必要により再結晶などの精製を行うことも可能であるが、コスト面で不利となる。再結晶に使用できる溶剤としてはトルエン、メチルエチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、ｎ−ヘキサン、メタノール、エタノール等が挙げられるが、これらに限定されるものではなく、各種溶剤を混合しても構わない。再結晶は、これら溶剤を加熱し、反応混合物を溶解した後、冷却、ろ過を行う。

こうして得られた本発明のフェノール樹脂をエピハロヒドリン中でアルカリ金属水酸化物の存在下、グリシジルエーテル化することにより下記式（３）で表される化合物を主成分とする本発明のエポキシ樹脂を得ることができる。本発明のエポキシ樹脂を得る反応において、アルカリ金属水酸化物はその水溶液を使用してもよく、その場合は該アルカリ金属水酸化物の水溶液を連続的に反応系内に添加すると共に減圧下、または常圧下連続的に水及びエピハロヒドリンを留出させ、更に分液し水は除去しエピハロヒドリンは反応系内に連続的に戻す方法でもよい。

また本発明のフェノール樹脂とエピハロヒドリンの混合物にテトラメチルアンモニウムクロライド、テトラメチルアンモニウムブロマイド、トリメチルベンジルアンモニウムクロライド等の４級アンモニウム塩を触媒として添加し５０〜１５０℃で０．５〜８時間反応させて得られるフェノール樹脂のハロヒドリンエーテル化物にアルカリ金属水酸化物の固体または水溶液を加え、２０〜１２０℃で１〜１０時間反応させ脱ハロゲン化水素（閉環）させる方法でもよい。

通常これらの反応において使用されるエピハロヒドリンの量は本発明のフェノール樹脂の水酸基１モルに対し通常０．８〜１２モル、好ましくは０．９〜１１モルである。この際、反応を円滑に進行させるためにメタノール、エタノールなどのアルコール類、ジメチルスルホン、ジメチルスルホキシド等の非プロトン性極性溶媒などを添加して反応を行うことが好ましい。

アルコール類を使用する場合、その使用量はエピハロヒドリンの量に対し通常２〜２０重量％、好ましくは４〜１５重量％である。また非プロトン性極性溶媒を用いる場合はエピハロヒドリンの量に対し通常５〜１５０重量％、好ましくは１０〜１４０重量％である。

これらのエポキシ化反応の反応物を水洗後、または水洗無しに加熱減圧下でエピハロヒドリンや溶媒等を除去する。また更に加水分解性ハロゲンの少ないエポキシ樹脂とするために、回収したエポキシ樹脂をトルエン、メチルイソブチルケトンなどの溶剤に溶解し、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物の水溶液を加えて反応を行い、閉環を確実なものにすることも出来る。この場合アルカリ金属水酸化物の使用量はエポキシ化に使用した式（１）中の水酸基１当量に対して通常０．０１〜０．３モル、好ましくは０．０５〜０．２モルである。反応温度は通常５０〜１２０℃、反応時間は通常０．５〜２時間である。
反応終了後、生成した塩を濾過、水洗などにより除去し、更に加熱減圧下溶剤を留去することにより本発明のエポキシ樹脂が得られる。

なお、必要により得られたエポキシ樹脂に結晶化を促進させる処理、または再結晶処理を施してもよい。結晶化を促進させる処理とは、樹脂にせん断を加える方法、種結晶を用いる方法などが挙げられる。再結晶処理において、再結晶に使用できる溶剤としてはトルエン、メチルエチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、ｎ−ヘキサン、メタノール、エタノール等が挙げられるが、これらに限定されるものではなく、各種溶剤を混合しても構わない。再結晶は、これら溶剤を加熱し、反応混合物を溶解した後、冷却、ろ過を行うといった通常の方法で支障はない。

以下、本発明のエポキシ樹脂組成物について説明する。本発明のエポキシ樹脂は単独でまたは他のエポキシ樹脂と併用して使用することが出来る。併用する場合、本発明のエポキシ樹脂の全エポキシ樹脂中に占める割合は３０重量％以上が好ましく、特に４０重量％以上が好ましい。

本発明のエポキシ樹脂と併用し得る他のエポキシ樹脂の具体例としては、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂、トリスフェノールメタン型エポキシ樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、ハイドロキノン型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、その他一般の公知のエポキシ樹脂などが挙げられるがこれらは単独で用いてもよく、２種以上併用してもよい。

本発明のエポキシ樹脂組成物は硬化剤を含有する。使用できる硬化剤としては、フェノール系化合物の他にアミン系化合物、酸無水物系化合物、アミド系化合物などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。用い得る硬化剤の具体例としては、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、テルペン変性フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂、トリフェノールメタン型樹脂、フェニレンまたはビフェニレン骨格を含むフェノールアラルキル樹脂、本発明のフェノール化合物、ジアミノジフェニルメタン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、ジアミノジフェニルスルホン、イソホロンジアミン、ジシアンジアミド、リノレン酸の２量体とエチレンジアミンとより合成されるポリアミド樹脂、無水フタル酸、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸、無水マレイン酸、テトラヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、無水メチルナジック酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、フェノ−ルノボラック、及びこれらの変性物、イミダゾ−ル、ＢＦ_３−アミン錯体、グアニジン誘導体などが挙げられるがこれらに限定されるものではない。これらは単独で用いてもよく、２種以上併用してもよい。

本発明のエポキシ樹脂組成物において硬化剤の使用量は、エポキシ樹脂のエポキシ基１当量に対して０．７〜１．２当量が好ましい。エポキシ基１当量に対して、０．７当量に満たない場合、あるいは１．２当量を超える場合、いずれも硬化が不完全となり良好な硬化物性が得られない恐れがある。

また本発明のエポキシ樹脂組成物においては硬化促進剤を併用しても差し支えない。用い得る硬化促進剤の具体例としては２−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール等のイミダゾ−ル類、２−（ジメチルアミノメチル）フェノール、１，８−ジアザ−ビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７等の第３級アミン類、トリフェニルホスフィン等のホスフィン類、オクチル酸スズ等の金属化合物等が挙げられる。硬化促進剤はエポキシ樹脂１００重量部に対して０．１〜５．０重量部が必要に応じ用いられる。

本発明のエポキシ樹脂組成物は必要により無機充填剤を含有しうる。用いうる無機充填剤の具体例としてはシリカ、アルミナ、タルク等が挙げられる。無機充填剤は本発明のエポキシ樹脂組成物中において０〜９０重量％を占める量が用いられる。更に本発明のエポキシ樹脂組成物には、シランカップリング剤、ステアリン酸、パルミチン酸、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム等の離型剤、顔料等の種々の配合剤を添加することができる。

本発明のエポキシ樹脂組成物は必要によりエポキシ樹脂以外の熱硬化性樹脂、または熱可塑性樹脂を含有しうる。具体例としてはビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、マレイミド樹脂、ポリシアナート樹脂、イソシアナート化合物、ベンゾオキサジン化合物、ビニルベンジルエーテル化合物、ポリブタジエンおよびこの変性物、アクリロニトリル共重合体の変性物、インデン樹脂、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンエーテル、ポリアセタール、ポリスチレン、ポリエチレン、ジシクロペンタジエン樹脂等が挙げられる。熱硬化性樹脂、または熱可塑性樹脂は本発明のエポキシ樹脂組成物中において０〜９０重量％を占める量が用いられる。

本発明のエポキシ樹脂組成物は、前記の各成分を均一に混合することにより得られる。本発明のエポキシ樹脂組成物は従来知られている方法と同様の方法で容易にその硬化物とすることができる。例えばエポキシ樹脂、硬化剤並びに必要により硬化促進剤、無機充填剤及び配合剤とを必要に応じて押出機、ニ−ダ、ロ−ル等を用いて均一になるまで充分に混合してエポキシ樹脂組成物を得、そのエポキシ樹脂組成物を溶融後注型あるいはトランスファー成型機などを用いて成型し、さらに８０〜２００℃で２〜１０時間加熱することにより硬化物を得ることができる。

また本発明のエポキシ樹脂組成物をトルエン、キシレン、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等の溶剤に溶解させ、ガラス繊維、カ−ボン繊維、ポリエステル繊維、ポリアミド繊維、アルミナ繊維、紙などの基材に含浸させ加熱半乾燥して得たプリプレグを熱プレス成型して硬化物を得ることもできる。この際の溶剤は、本発明のエポキシ樹脂組成物と該溶剤の混合物中で通常１０〜７０重量％、好ましくは１５〜７０重量％を占める量を用いる。

次に本発明を実施例により更に具体的に説明するが、以下において部は特に断わりのない限り重量部である。なお、軟化点、ＨＰＬＣ、エポキシ当量、融点、溶融粘度、ＧＰＣは以下の条件で測定した。

・軟化点
ＪＩＳ Ｋ−７２３４に記載の方法で測定した。
・ＨＰＬＣ
カラム；Ｉｎｅｒｔｓｉｌ ＯＤＳ−２（４．６ｍｍ×１５０ｍｍ）
（ジーエル サイエンス（株）製）
カラム温度；４０℃
溶離液：水／アセトニトリル
グラジエント：３０％（アセトニトリル）→１００％（２８分／グラジエント）
流速：１ｍｌ／ｍｉｎ．
検出：ＵＶ（２７４ｎｍ）
・エポキシ当量
ＪＩＳ Ｋ−７２３６に記載の方法で測定した。
・融点：ＤＳＣ法
測定機械；示差走査熱量測定（ＤＳＣ６２００ セイコー電子工業（株））
昇温速度；１０℃／ｍｉｎ．
パン；Ａｌパン
・溶融粘度
１５０℃におけるコーンプレート法における溶融粘度
測定器械：コーンプレート（ＩＣＩ）高温粘度計
（RESEACH EQUIPMENT(LONDON)LTD.製）
コーンＮｏ．：３（測定範囲０〜２．００Pa・s）
試料量：０．１５±０．０１ｇ
・ＧＰＣ
カラム：GPC KF-803＋GPC KF-802.5＋GPC KF-802＋GPC KF-801
（昭和電工（株）製）
カラム温度：４０℃
溶離液：テトラヒドロフラン
流速：１ｍｌ／ｍｉｎ．
検出：ＲＩ

実施例１
攪拌機、温度計、コンデンサーを備えた四つ口フラスコにｐ−クレゾール７５７０部、ｐ−トルエンスルホン酸７部を仕込み、７０℃で攪拌しながら４，４’−ビス（クロロメチル）−１，１’−ビフェニル８７９部を２時間かけて加え、７０℃で２時間反応を行った。反応終了後、メチルイソブチルケトン１００００部を加え水洗を繰り返した。ついで油層から加熱減圧下、未反応ｐ−クレゾール及びメチルイソブチルケトンを留去することにより本発明のフェノール樹脂（Ｐ１）１２７３部を得た。得られたフェノール樹脂（Ｐ）の軟化点は５９℃、水酸基当量は２０３ｇ／ｅｑ、ＨＰＬＣ分析の結果、式（１）で表される化合物の含有量は７２面積％であった。

実施例２
攪拌機、温度計、コンデンサーを備えた四つ口フラスコに実施例１で得られたフェノール樹脂（Ｐ）８１３部、エピクロルヒドリン２２２１部、ジメチルスルホキシド５５５部を仕込み溶解後、５０℃に加熱し、フレーク状水酸化ナトリウム（純度９９％）１６５部を９０分かけて添加し、その後、さらに５０℃で２時間、７５℃で１時間反応させた。ついで反応混合物の水洗浄液が中性になるまで水洗を繰り返した後、油層から加熱減圧下、過剰のエピクロルヒドリンを留去し、残留物に２０７０部のメチルイソブチルケトンを添加し溶解した。さらにこのメチルイソブチルケトン溶液を７５℃に加熱し３０重量％の水酸化ナトリウム水溶液４０部を添加し、１時間反応させた後、反応混合物の水洗浄液が中性になるまで水洗を繰り返した。ついで油層から加熱減圧下、メチルイソブチルケトンを１８０℃にて留去、その後１３０℃にて攪拌、樹脂が結晶化により濁り始めたところで取り出すことによって本発明のエポキシ樹脂（Ｅ）９９０部を得た。得られたエポキシ樹脂（Ｅ）は結晶性の固体であり、エポキシ当量は２７４ｇ／ｅｑ、軟化点は１３９℃、溶融粘度は０．０３Ｐａ・ｓであった。ＧＰＣ分析の結果、式（３）で表される化合物が主成分であるピーク面積は７３％であった。

実施例３〜４、比較例１〜２
実施例２で得られたエポキシ樹脂（Ｅ）、比較用のエポキシ樹脂としてビフェニルノボラック型エポキシ樹脂（Ｒ）（ＮＣ−３０００：日本化薬（株）製）、硬化剤としてフェノールノボラック（軟化点８３℃、水酸基当量１０６ｇ／ｅｑ）、硬化促進剤としてトリフェニルホスフィン（純正化学（株）製）、無機充填剤として球状シリカ（ＭＳＲ−２２１２：龍森（株）製）を用いて表１の「配合物の組成の欄」に示す重量比で配合し、ロールで混練後、１７５℃、成型圧力７０Ｋｇ／ｃｍ２の条件でスパイラルフローを測定した（実施例３、比較例１）。また、無機充填剤を加えずに表１「配合物の組成の欄」に示す重量比で配合した組成物を１８０秒間トランスファー成型してその後１６０℃で２時間、更に１８０℃で８時間硬化せしめて試験片を作成し、ガラス転移温度（ＴＭＡ）、吸水率、アイゾッド衝撃試験の項目について以下の条件で試験を実施し表１の「硬化物の物性の欄」に示した（実施例４、比較例２）。

・ガラス転移温度
熱機械測定装置（ＴＭＡ）：真空理工 ＴＭ−７０００
昇温速度：２℃／ｍｉｎ．
・吸水率
試験片：直径５ｃｍ×厚み４ｍｍの円盤
１００℃の温水中で２４時間煮沸した後の重量増加量（重量％）
・アイゾッド衝撃試験
ＪＩＳ Ｋ−７７１０に準拠して測定

表１
実施例３ 実施例４ 比較例１ 比較例２
配合物の組成
エポキシ樹脂（Ｅ） １２．３ １００
エポキシ樹脂（Ｒ） １２．３ １００
フェノールノボラック ４．６ ３８ ４．７ ３８
ＴＰＰ ０．２ １ ０．２ １
球状シリカ ８３．０ ８３．０
組成物の物性
スパイラルフロー（ｃｍ） ８５ ７１
硬化物の物性
ガラス転移点（℃） １３７ １４１
吸水率（％） ０．８ １．０
アイゾッド衝撃試験値
（ＫＪ／ｍ^２） ３０ １７

このように本発明のエポキシ樹脂を用いたエポキシ樹脂組成物は、極めて低い粘度（フィラー含有量が８３％と比較的高いにも拘わらずスパイラルフローが長いことから判断される）を、また、その硬化物は優れた耐熱性、耐水性、耐衝撃性を示した。

Claims (8)

1. フェノールアラルキル型樹脂であって、下記式（１）で表される化合物がＨＰＬＣ測定による面積％で５０面積％以上であるフェノール樹脂。
   

   
2. 下記式（２）で表されるビフェニル化合物１モルに対しｐ−クレゾール１０〜３０モルを反応させることを特徴とする、請求項１記載のフェノール樹脂の製造法。
   

   

   （式（２）において、Ｘは塩素原子、臭素原子、メトキシ基、エトキシ基または水酸基を表す。）
3. 請求項１記載のフェノール樹脂をエピハロヒドリンとアルカリ金属水酸化物の存在下、反応させることにより得られる結晶性エポキシ樹脂。
4. 請求項１記載のフェノール樹脂をエピハロヒドリンとアルカリ金属水酸化物の存在下、反応させることにより得られる下記式（３）で表される化合物がＨＰＬＣ測定による面積％で７３面積％以上である結晶性エポキシ樹脂。
   

   
5. 請求項３または請求項４のいずれか一項に記載のエポキシ樹脂及び硬化剤を含有することを特徴とするエポキシ樹脂組成物。
6. 硬化促進剤を含有する請求項５に記載のエポキシ樹脂組成物。
7. 無機充填剤を含有する請求項５または６に記載のエポキシ樹脂組成物。
8. 請求項５、６または７のいずれか１項に記載のエポキシ樹脂組成物を硬化してなる硬化物。