JP4792204B2 - 高い有機溶媒溶解性、高熱可塑性、高靭性および高ガラス転移温度を併せ持つポリイミド、およびその製造方法 - Google Patents
高い有機溶媒溶解性、高熱可塑性、高靭性および高ガラス転移温度を併せ持つポリイミド、およびその製造方法 Download PDFInfo
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Description
大場,「工業材料」,Vol.43,No.6,p.48(1995)
1)式(1):
2)N,N−ジメチルアセトアミド中、30℃、0.5重量%の濃度における固有粘度が、0.1dL/g以上である、前記1)に記載のポリイミド前駆体。
3)式(2):
4)N,N−ジメチルアセトアミド中、30℃、0.5重量%の濃度における固有粘度が、0.1dL/g以上である、前記3)に記載のポリイミド。
5)N−メチル−2−ピロリドンに対し、25℃で、5重量%以上の溶解度を有する、前記3)または4)に記載のポリイミド。
6)前記1)または2)に記載のポリイミド前駆体を、加熱あるいは脱水試薬によって脱水環化反応させることを特徴とする、前記3)〜5)いずれかに記載のポリイミドの製造方法。
7)熱可塑性であって、且つ230℃以上のガラス転移温度および高靭性を有することを特徴とする、前記3)〜5)いずれかに記載のポリイミドを含むフィルム。
8)前記5)に記載のポリイミドを含むワニス。
酸二無水物の合成
よく乾燥した攪拌機付三口フラスコ中、2,2’−ビフェノール20mmol(3.7240g)を無水テトラヒドロフラン40mLと無水ピリジン200mmol(16mL)の混合溶媒に溶解し、反応容器をセプタムキャップでシールした。氷浴中で冷却しながらこの溶液に、トリメリット酸無水物クロリド40mmol(8.4221g)の無水テトラヒドロフラン(85mL)溶液をシリンジにて徐々に滴下し、更に室温で数時間攪拌した。反応終了後、沈殿した塩酸塩をデカンテーションおよび濾過により分離し、溶液層の溶媒を留去して粗生成物を得た。これをクロロホルムに溶解し、分液ロート中、水で洗浄を繰り返し、残留塩酸塩を完全に分離した。クロロホルムを留去し、160℃で24時間真空乾燥後、トルエン/シクロヘキサン(体積比9/1)より再結晶した。濾別した結晶を更に200℃で24時間真空乾燥して目的の酸二無水物を得た。赤外吸収スペクトル(図1)より目的のテトラカルボン酸二無水物が得られ、熱閉環も完全に行われたことが確認された。
ポリイミド前駆体の重合、イミド化およびポリイミド膜特性の評価
よく乾燥した攪拌機付密閉反応容器中にp−フェニレンジアミン10mmol(1.0814g)を入れ、モレキュラーシーブス4Aで十分に脱水したN,N−ジメチルアセトアミド16mLに溶解した後、この溶液に製造例1で得られたテトラカルボン酸二無水物粉末10mmol(5.3439g)を攪拌下に徐々に加えた。10分後、溶液粘度が急激に増加したため、溶媒4mLを加え希釈した。更に室温で24時間撹拌し透明、均一で粘稠なポリイミド前駆体溶液を得た。このポリイミド前駆体溶液は室温および−20℃で一ヶ月間放置しても沈澱、ゲル化は全く起こらず、極めて高い溶液貯蔵安定を示した。N,N−ジメチルアセトアミド中、30℃、0.5重量%の濃度でオストワルド粘度計にて測定したポリイミド前駆体の固有粘度は0.53dL/gであった。このポリイミド前駆体溶液をガラス基板に塗布し、60℃、1時間で乾燥して得たポリイミド前駆体膜を基板上で減圧下300℃で1時間、熱イミド化を行い、膜厚20μmの透明なポリイミド膜を得た。このポリイミド膜は完全に2つ折り(180゜折り曲げ)にしても破断せず、靭性を示した。またN−メチル−2−ピロリドンに対する溶解度を調べたところ、25℃で、23重量%以上溶解し、ポリイミド溶液は高い貯蔵安定性を示した。また、その固有粘度はポリイミド前駆体とほぼ同等であった。ポリイミド膜について動的粘弾性測定を行った結果、243℃にガラス転移点(動的粘弾性曲線における損失ピークより決定)が見られ、ガラス転移温度以上で貯蔵弾性率の急激な低下を示した。300℃以上では金属基板に強く熱融着するほど、高い熱可塑性が見られた。その他の膜物性は線熱膨張係数(100℃から200℃の間の平均値)66ppm/K、5%重量減少温度(昇温速度10℃/分)は窒素中で433℃、空気中で430℃であった。このようにこのポリイミドは熱および溶液加工性並びに240℃を越える高いガラス転移温度、高い熱安定性、および十分な膜靭性を示した。得られたポリイミド前駆体膜およびポリイミド膜の赤外線吸収スペクトルを図2、図3にそれぞれ示す。
よく乾燥した攪拌機付密閉反応容器中にo−トリジン10mmol(2.1229g)を入れ、モレキュラーシーブス4Aで十分に脱水したN,N−ジメチルアセトアミド18mLに溶解した後、この溶液に製造例1で得られたテトラカルボン酸二無水物粉末10mmol(5.3439g)を徐々に加えた。室温で24時間撹拌し透明、均一で粘稠なポリイミド前駆体溶液を得た。このポリイミド前駆体溶液は室温および−20℃で一ヶ月間放置しても沈澱、ゲル化は全く起こらず、極めて高い溶液貯蔵安定を示した。N,N−ジメチルアセトアミド中、30℃、0.5重量%の濃度でオストワルド粘度計にて測定したポリイミド前駆体の固有粘度は0.30dL/gであった。このポリイミド前駆体溶液をガラス基板に塗布し、60℃、1時間で乾燥して得たポリイミド前駆体膜を基板上で減圧下300℃で1時間、熱イミド化を行い、膜厚20μmの透明なポリイミド膜を得た。このポリイミド膜は完全に2つ折り(180゜折り曲げ)にしても破断せず、靭性を示した。またN−メチル−2−ピロリドンに対する溶解度を調べたところ、25℃で、21重量%以上溶解し、ポリイミド溶液は高い貯蔵安定性を示した。また、その固有粘度はポリイミド前駆体とほぼ同等であった。ポリイミド膜について動的粘弾性測定を行った結果、253℃にガラス転移点(動的粘弾性曲線における損失ピークより決定)が見られ、ガラス転移温度以上で貯蔵弾性率の急激な低下を示した。300℃以上では金属基板に強く熱融着するほど、高い熱可塑性が見られた。その他の膜物性は線熱膨張係数(100℃から200℃の間の平均値)76ppm/K、5%重量減少温度(昇温速度10℃/分)は窒素中で423℃、空気中で420℃であった。このようにこのポリイミドは熱および溶液加工性並びに250℃を越える高いガラス転移温度、高い熱安定性、および十分な膜靭性を示した。
よく乾燥した攪拌機付密閉反応容器中にm−トリジン10mmol(2.1229g)を入れ、モレキュラーシーブス4Aで十分に脱水したN,N−ジメチルアセトアミド18mLに溶解した後、この溶液に製造例1で得られたテトラカルボン酸二無水物粉末10mmol(5.3439g)を徐々に加えた。10分後、溶液粘度が急激に増加したため、溶媒5mLを加え、更に10分経過後、溶媒8mLを加え希釈した。引き続き室温で24時間撹拌し透明、均一で粘稠なポリイミド前駆体溶液を得た。このポリイミド前駆体溶液は室温および−20℃で一ヶ月間放置しても沈澱、ゲル化は全く起こらず、極めて高い溶液貯蔵安定を示した。N,N−ジメチルアセトアミド中、30℃、0.5重量%の濃度でオストワルド粘度計にて測定したポリイミド前駆体の固有粘度は0.98dL/gであった。このポリイミド前駆体溶液をガラス基板に塗布し、60℃、1時間で乾燥して得たポリイミド前駆体膜を基板上で減圧下300℃で1時間、熱イミド化を行い、膜厚20μmの透明なポリイミド膜を得た。このポリイミド膜は完全に2つ折り(180゜折り曲げ)にしても破断せず、靭性を示した。またN−メチル−2−ピロリドンに対する溶解度を調べたところ、25℃で、23重量%以上溶解し、ポリイミド溶液は高い貯蔵安定性を示した。また、その固有粘度はポリイミド前駆体とほぼ同等であった。ポリイミド膜について動的粘弾性測定を行った結果、238℃にガラス転移点(動的粘弾性曲線における損失ピークより決定)が見られ、ガラス転移温度以上で貯蔵弾性率の急激な低下を示した。300℃以上では金属基板に強く熱融着するほど、高い熱可塑性が見られた。その他の膜物性は線熱膨張係数(100℃から200℃の間の平均値)74ppm/K、5%重量減少温度(昇温速度10℃/分)は窒素中で431℃、空気中で405℃であった。このようにこのポリイミドは熱および溶液加工性並びに約240℃の高いガラス転移温度、高い熱安定性、および十分な膜靭性を示した。
参考例2で得られたポリイミド前駆体溶液にN,N−ジメチルアセトアミドを添加し、10重量%の濃度まで希釈した。この溶液20mLに無水酢酸とピリジンの混合溶媒(体積比7:3)5mLを激しく攪拌しながら滴下後、更に室温で3時間攪拌し、均一なポリイミド溶液を得た。これを大量のメタノール中に滴下することによりポリイミドを沈澱させ、濾別、乾燥した。このポリイミドの赤外吸収スペクトルは参考例2に記載したポリイミド膜のスペクトル(図3)と殆ど同じであり、イミド化反応の完結が確認された。このポリイミド粉末をN−メチル−2−ピロリドンに溶解し、得られた20重量%のポリイミドワニスは長期に渡ってゲル化することなく高い貯蔵安定性を示した。このワニスをガラス基板上に塗布し、120℃で1時間乾燥させ、ポリイミド膜を得た。更に250℃で1時間、熱処理を施したポリイミド膜は参考例2に記載したものと同様な物性を示した。また参考例2で得られたポリイミド膜をN−メチル−2−ピロリドンに溶解した場合も全く同様であった。
参考例5に記載の方法に従い、実施例3および4に記載のポリイミド前駆体溶液からも、貯蔵安定性の高い、20重量%のポリイミドワニスが得られた。
製造例1に記載の方法で、4,4’−ビフェノールとトリメリット酸無水物クロリドより、テトラカルボン酸二無水物を合成した。この酸二無水物とp−フェニレンジアミンより、固有粘度1.12dL/gのポリイミド前駆体が得られた。参考例2および実施例3に記載の方法に従って、膜厚20μmの透明で強靭なポリイミド膜を得た。しかしながら、このポリイミド膜は如何なる有機溶媒に対して不溶であった。また、動的粘弾性測定において明瞭なガラス転移点は観測されず、全く熱可塑性を示さなかった。化学イミド化して得られたポリイミド粉末も同様に、溶解性、熱可塑性共に全く示さなかった。また、ジアミン成分として4,4’−オキシジアニリンを用いても、溶解性および熱可塑性の改善は見られなかった。
製造例1に記載の方法で、ハイドロキノンとトリメリット酸無水物クロリドより、テトラカルボン酸二無水物を合成した。この酸二無水物とp−フェニレンジアミンより、固有粘度5.19dL/gのポリイミド前駆体が得られた。参考例2および実施例3に記載の方法に従って、膜厚20μmの透明で強靭なポリイミド膜を得た。しかしながら、このポリイミド膜は如何なる有機溶媒に対して不溶であった。また、動的粘弾性測定において明瞭なガラス転移点は観測されず、全く熱可塑性を示さなかった。化学イミド化して得られたポリイミド粉末も同様に、溶解性、熱可塑性共に全く示さなかった。また、ジアミン成分として4,4’−オキシジアニリンを用いても、溶解性および熱可塑性の改善は見られなかった。
参考例2および実施例3と同様な方法で、4,4’−メチレンビス(2−エチルアニリン)と3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物よりポリイミド前駆体を重合したが、固有粘度は0.1dL/g程度しか上がらなかった。これより得られたポリイミド膜は各種有機溶媒に高い溶解性を示した。しかしながらこのポリイミド膜は極めて脆弱で、自己自立性がなく、動的粘弾性測定によりガラス転移温度を決定することができなかった。これはジアミンの立体障害に基づく低重合反応性に起因して、得られたポリイミドの分子量が低く、ポリマー鎖間の絡み合いの程度が低いことが原因である。
Claims (6)
- N−メチル−2−ピロリドンに対し、25℃で、5重量%以上の溶解度を有する、請求項2に記載のポリイミド。
- 請求項1に記載のポリイミド前駆体を、加熱あるいは脱水試薬によって脱水環化反応させることを特徴とする、請求項2または3に記載のポリイミドの製造方法。
- 熱可塑性であって、且つ230℃以上のガラス転移温度および高靭性を有する、請求項2または3に記載のポリイミドを含有するフィルム。
- 請求項3に記載のポリイミドを含むワニス。
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