JP4997818B2 - 芳香族ジメチレン−フェノール樹脂及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明はエポキシ樹脂硬化剤や、エポキシ樹脂の原料として有用な芳香族ジメチレン−フェノール樹脂及びその製造方法に関する。
芳香族ジメチレン−フェノール樹脂の製造法としては芳香族ビス(ハロゲノメチル)化合物とフェノール化合物を酸性化合物触媒共存下反応させる方法が知られている(特許文献1〜4参照)。これら方法で使用されている酸性化合物触媒としては硫酸、パラトルエンスルホン酸、ジエチル硫酸および塩化錫、塩化亜鉛、塩化鉄等のルイス酸が挙げられている。しかし、近年これら芳香族ジメチレン−フェノール樹脂は電子材料分野(半導体封止剤等)で広く用いられてきている。従って、電気的な性能を左右する重金属成分やイオン性不純物の混入は問題であり、触媒成分の存在は重大な欠陥として指摘されている。
これらの欠陥を補う方法として、フェノール化合物を50〜200℃に加熱溶融し、無触媒下これに芳香族ビスハロゲノメチル化合物を分割添加することが開示されている(特許文献5参照)。この方法に従うと、4,4’−ビフェニルジイルジメチレン−フェノール樹脂を製造する場合、溶融状態のフェノールに高融点結晶(mp.139℃)である4,4’−ビス(クロロメチル)ビフェニルを分割添加しなければならない。この場合、添加した4,4’−ビス(クロロメチル)ビフェニル結晶はフェノールに溶解しつつ、液−液および液−固相で、塩化水素ガスを発生しながら反応が開始、進行するので、反応熱のスムーズな除去ができず、反応の制御が極めて難しいという問題点が指摘されている。また、発生する塩化水素ガスは反応の触媒にもなり得、系内に蓄積して加速度的に反応を促進する恐れがあるので、反応中、減圧下塩化水素を除去しつつ行っており、工業的製法としては満足するものではない。
この発生塩化水素ガスによる反応の暴走防止の為、アルカリ物質を共存させて製造を行う方法が提案されている。(特許文献6参照)。しかし、この方法では、アルカリ物質は発生塩化水素と等モル量必要でありコスト的には問題が残る。
また、反応溶媒として低級アルコールをフェノールの10〜50重量%共存させることで、反応の流動性を増し、急激な発熱が起きても還流による反応熱の除去を行う方法も提案されている(特許文献7参照)。しかし、この場合も溶媒の回収、再使用という煩雑な工程が必要になる。
特公昭47−15111号公報 特公昭47−13782号公報 特公昭52−14280号公報 US4310657号公報 特開平06−100667号公報 特開平10−130352号公報 特開2001−040053号公報
本発明は、芳香族ビス(ハロゲノメチル)化合物とフェノール化合物との縮合反応を工業的に行うに際し、電気的な性能を左右する重金属成分やイオン性不純物を使用することなく、急激な発熱等を抑制し、反応を制御した状態で進行させる方法を得ること、及び難燃性、耐酸化性,耐熱性等に優れ、再現性の良い品質のそろった芳香族ジメチレン−フェノール樹脂を得ること、を目的としたものである。
本発明者らは前記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、微量の水が芳香族ビス(ハロゲノメチル)化合物とフェノール化合物との縮合反応の開始に深く関与すること、およびその量を制御することで、電気的な性能を左右する重金属成分やイオン性不純物を使用することなく、比較的低温で反応を開始し、再現性よく速やかにかつ安全に縮合反応が進行する事を見出し、本発明を完成するに至った。
本発明により、半導体封止剤用硬化剤、接着剤、成形材料、塗料等として有用な化合物である芳香族ジメチレン−フェノール樹脂を、電気的な性能を左右する重金属成分やイオン性不純物を使用することなく、比較的低温で反応を開始でき、フェノールの水酸基に対するメチレン基のパラ配向性の高い芳香族ジメチレン−フェノール樹脂を再現性よく品質を揃え、かつ安全に製造する方法を提供できる。
以下本発明を詳細に説明する。
本発明の芳香族ジメチレン−フェノール樹脂は、芳香族ビス(ハロゲノメチル)化合物(原料A)とフェノール化合物(原料B)とを縮合反応させて得られる下記一般式(III)に示す化合物である。
Figure 0004997818

(式中、Rはフェニレン基、ビフェニレン基、二価のジフェニルエーテル残基、またはナフチル基を示し、R、Rは水素原子又は炭素数1〜5のアルキル基を示し、nは繰り返し数を表し、1〜15の整数)
本発明で縮合反応に使用される一般式(I)の原料Aの純度については、特に制限はないが、芳香族ジメチレン−フェノール樹脂の分子量分布等に影響を考慮すれば、高純度品(純度98%以上)が使用されることが好ましい。一般式(I)に含有される不純物としては、その合成過程での副生物である芳香族モノハロゲノメチル化合物が挙げられ、該化合物が微量含まれる程度である。また、一般式(II)で表されるフェノール化合物(原料B)の純度についても特に制限はないが、高純度品(純度99%以上)を使用されることが好ましい。
本発明において、原料A、原料Bに加え使用される水の量は重要である。
水の使用量は、原料Aに対して0.01モル当量〜2.5モル当量であり、好ましくは0.1モル当量〜2.5モル当量、さらに好ましくは0.2モル当量〜2.5モル当量である。最も好ましくは0.5〜2.0モル当量である。水の添加量が2.5モル当量を超えても、縮合反応促進効果は向上せず、相分離による反応阻害および原料Aの加水分解の恐れが出て来るので必要はない。水の添加量が0.01モル当量より少ない場合は、顕著な反応促進効果は認められない。
なお、この反応系に加える水の最適使用範囲は、使用する原料AおよびBと水との相溶性(水和力)および反応中に生成する塩化水素の溶解性に関与しているものと推定され、安定な反応性の向上に寄与していると考えている。
本発明で用いられる(A)一般式(I)の芳香族ビス(ハロゲノメチル)化合物としては次式で表されるものである。

R−(CHX) 一般式(I)

一般式(I)におけるRは、フェニレン基、ビフェニレン基、二価のジフェニルエーテル残基、またはナフチル基を示し、Xはハロゲン原子を示す。
また、Rは少なくとも1つの置換基を有していても何ら問題はない。置換基としては炭素数1〜5のアルキル基を挙げることができる。
このような芳香族ビス(ハロゲノメチル)化合物の具体例としては、例えば、1,2−ビス(クロロメチル)ベンゼン、1,2−ビス(ブロモメチル)ベンゼン、1,3−ビス(クロロメチル)ベンゼン、1,3−ビス(フルオロメチル)ベンゼン、1,4−ビス(クロロメチル)ベンゼン、1,4−ビス(ブロモメチル)ベンゼン、4,4’−ビス(クロロメチル)ビフェニル、4,4’−ビス(ブロモメチル)ビフェニル、2,4’−ビス(クロロメチル)ビフェニル、2,4’−ビス(ブロモメチル)ビフェニル、4,4’−ビス(クロロメチル)ジフェニルエーテル、2,7−ビス(クロロメチル)ナフタレン、1,4−ビス(クロロメチル)−2,3,5,6−テトラメチルベンゼン、1,4−ビス(ブロモメチル)−2,3,5,6−テトラメチルベンゼン、4,4’−ビス(クロロメチル)−2,2’−ジメチルビフェニル、4,4’−ビス(ブロモメチル)−2,2’−ジメチルビフェニル等である。
本発明で用いられる(B)のフェノール化合物としては、一般式(II)で表されるものである。
一般式(II)
Figure 0004997818


一般式(II)におけるR、Rは水素原子又は炭素数1〜5のアルキル基を示す。
このようなフェノール化合物は例えば、フェノール、オルソ−クレゾール、メタ−クレゾール、パラ−クレゾール、2,3−キシレノール、2,4−キシレノール、2,5−キシレノール、2,6−キシレノール、3,4−キシレノール、3,5−キシレノール、3,6−キシレノール等である。
(A)芳香族ビス(ハロゲノメチル)化合物(原料A)と(B)フェノール化合物(原料B)の縮合反応に当たっては、その使用割合については、特に制限はない。しかしながら、通常は、原料Bの使用量は原料A1モルに対して1.3〜5モル、好ましくは1.4〜4.7モルである。
本発明では、反応溶媒は通常使用しないが、反応を円滑にする目的で溶媒を使用する場合もある。この時の溶媒としては、低級アルコール(炭素数1〜6の脂肪族アルコール)が挙げられる。具体的には、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノールやシクロヘキサノールも挙げられる。溶媒の使用量については特に制限はないが、溶媒の回収コストや回収率からしてフェノールに対し50重量%以下共存させることが好ましく、10重量%未満がさらに好ましい。
反応温度は、通常40〜180℃、好ましくは50〜160℃である。
反応時間は0.5〜20時間、好ましくは1〜15時間である。反応時間がこれらより短いと縮合が十分完結しない。また反応時間がこれ以上長くなっても生成する4,4’−ビス(クロロメチル)ビフェニル−フェノール樹脂に悪影響は与えないが、縮合は完結しており、何らメリットはない。
原料Aと原料Bの混合方法は、特に制限は無いが、操作性から、水も含め全原料(原料AおよびB)を一括投入したのち、決められた反応温度まで徐々に昇温するのが好ましい。このように実施すれば、途中激しい発熱、塩化水素の激しい発生もなく、簡便に反応を行うことが出来る。
本発明で得られる一般式(III)の芳香族ジメチレン−フェノール樹脂は、エポキシ樹脂の原料として、エポキシ樹脂硬化剤、半導体封止剤用硬化剤、接着剤、成形材料、塗料、ポリアミド添加剤、ブタジエンポリマーの改質材等として用いることができる。
以下に実施例を示し、本発明の内容を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
尚、表1に、反応における水の添加量と反応初期(油浴温度70℃まで)に発生した塩化水素量を示したが、発生量が多いほど反応は促進され低温でスムーズに反応が開始していることを示唆している。また、フェノール2核体のオルソ配向数/パラ配向数の比も、
非特許文献1に記述されているように、一般にフェノール樹脂において、低温で反応するほどパラ配向数が増えると言われており、この比も低い値を示すほど、水添加により反応が促進され、低温で反応が開始されたことを示唆している。
松本 明博著「フェノール樹脂の合成・硬化・強靭化および応用」p23、(出版社:アイピーシー、発行日:平成12年1月20日)
実施例1
300mlセパラブル3つ口フラスコにフェノール(原料B)118.57g(1259.87mmol)、4,4’−ビス(クロロメチル)ビフェニル(原料A)75.03g(298.74mmol)および水2.37g(131.58mmol原料Aに対して0.44モル当量)を採り、窒素ガスを50ml/分で導入した。油浴を30分かけて60℃に加熱昇温し、30分間その温度を保った。この間フェノールが溶解した時点で200rpmで攪拌を開始した。ついで1時間かけて110℃に昇温し、この温度で3時間保持した。その後、95℃まで冷却、150mlの水で2回洗浄した。ついで160℃まで昇温し、残存する水、フェノールを留去した。ついで系の圧力を徐々に減じ2mmHgまでして残存するフェノールを留去し、100.04gの4,4’−ビフェニルジイルメチレン−フェノール樹脂を得た。
反応中に発生する塩化水素は、同伴する窒素ガスで反応系外に追い出し、アルカリ水溶液にトラップし、一定温度範囲内の発生量を測定した。
70℃までに発生する塩化水素の発生量を表1に示すが、この温度までに反応はかなり進行するが、特別急激な発熱もなく、安定して進行した。また生成した4,4’−ビフェニルジイルメチレン−フェノール樹脂中のフェノール2核体のオルソ配向数/パラ配向数 比は0.960であった(液体クロマトグラフィーでの面積百分率)。
得られた4,4’−ビフェニルジイルメチレン−フェノール樹脂の物性:
ゲル浸透クロマトグラフ(GPC)分析より
Mn=512、Mw=648 M/M=1.266であった。
実施例2
300mlセパラブル3つ口フラスコにフェノール(原料B)118.54g(125
9.55mmol)、4,4’−ビス(クロロメチル)ビフェニル(原料A)75.04
g(298.78mmol)および水4.30g(238.69mmol、原料Aにたして0.80モル当量)))を採り、窒素ガスを50ml/分で導入した。ついで実施例1と同様に昇温、反応、
後処理を行い100.17gの4,4’−ビフェニルジイルメチレン−フェノール樹脂を
得た。70℃までに発生する塩化水素の発生量を表1に示すが、この温度までに反応はか
なり進行するが、特別急激な発熱もなく、安定して進行した。また生成した4,4’−ビ
フェニルジイルメチレン−フェノール樹脂中のフェノール2核体のオルソ配向数/パラ配
向数比は0.891であった(液体クロマトグラフィーでの面積百分率)。
得られた4,4’−ビフェニルジイルメチレン−フェノール樹脂の物性:
ゲル浸透クロマトグラフ(GPC)分析より
Mn=499、Mw=630 M/M=1.263であった。
実施例3
300mlセパラブル3つ口フラスコにフェノール(原料B)118.57g(125
9.87mmol)、4,4’−ビス(クロロメチル)ビフェニル(原料A)75.04
g(298.78mmol)および水6.32g(350.82mmol、原料Aにし
て1.17モル当量)を採り、窒素ガスを50ml/分で導入した。ついで実施例1同
様に昇温、反応、後処理を行い100.21gの4,4’−ビフェニルジイルメチレン−フェノール樹脂を得た。70℃までに発生する塩化水素の発生量を表1に示すが、この温度までに反応はかなり進行するが、特別急激な発熱もなく、安定して進行した。また生成した4,4’−ビフェニルジイルメチレン−フェノール樹脂中のフェノール2核体のオルソ配向数/パラ配向数比は0.851であった(液体クロマトグラフィーでの面積百分率)。
得られた4,4’−ビフェニルジイルメチレン−フェノール樹脂の物性:
ゲル浸透クロマトグラフ(GPC)分析より
Mn=507、Mw=640 M/M=1.262であった。
実施例4
300mlセパラブル3つ口フラスコにフェノール(原料B)118.57g(125
9.87mmol)、4,4’−ビス(クロロメチル)ビフェニル(原料A)75.03
g(298.74mmol)および水10.23g(567.61mmol、原料Aにし
て1.90モル当量)を採り、窒素ガスを50ml/分で導入した。ついで実施例1同
様に昇温、反応、後処理を行い100.50gの4,4’−ビフェニルジイルメチレン−フェノール樹脂を得た。70℃までに発生する塩化水素の発生量を表1に示すが、この温度までに反応はかなり進行するが、特別急激な発熱もなく、安定して進行した。また生成した4,4’−ビフェニルジイルメチレン−フェノール樹脂中のフェノール2核体のオルソ配向数/パラ配向数比は0.873であった(液体クロマトグラフィーでの面積百分率)。
得られた4,4’−ビフェニルジイルメチレン−フェノール樹脂の物性:
ゲル浸透クロマトグラフ(GPC)分析より
Mn=505、Mw=637 M/M=1.261であった。
実施例5
300mlセパラブル3つ口フラスコにフェノール(原料B)118.59g(126
.01mmol)、4,4’−ビス(クロロメチル)ビフェニル(原料A)75.02
g(298.70mmol)および水13.20g(732.72mmol、原料Aに
して2.45モル当量)を採り、窒素ガスを50ml/分で導入した。ついで実施例1
同様に昇温、反応、後処理を行い99.60gの4,4’−ビフェニルジイルメチレン−
フェノール樹脂を得た。70℃までに発生する塩化水素の発生量を表1に示すが、この温度までに反応はかなり進行するが、特別急激な発熱もなく、安定して進行した。また生成した4,4’−ビフェニルジイルメチレン−フェノール樹脂中のフェノール2核体のオルソ配向数/パラ配向数比は0.865であった(液体クロマトグラフィーでの面積百分率)。
得られた4,4’−ビフェニルジイルメチレン−フェノール樹脂の物性:
ゲル浸透クロマトグラフ(GPC)分析より
Mn=508、Mw=641 M/M=1.262であった。
比較例1
300mlセパラブル3つ口フラスコにフェノール(原料B)118.59g(1260.08mmol)、4,4’−ビス(クロロメチル)ビフェニル(原料A)75.12g(299.10mmol)を採り、水をまったく加えず、窒素ガスを50ml/分で導
入した。ついで実施例1と同様に昇温、反応、後処理を行い100.17gの4,4’−
ビフェニルジイルメチレン−フェノール樹脂を得た。70℃までに発生する塩化水素の発
生量を表に示すが、この温度までに反応はあまり進行していなかった。また生成した4,
4’−ビフェニルジイルメチレン−フェノール樹脂中のフェノール2核体のオルソ配向数
/パラ配向数比は1.055であった(液体クロマトグラフィーでの面積百分率)。
得られた4,4’−ビフェニルジイルメチレン−フェノール樹脂の物性:
ゲル浸透クロマトグラフ(GPC)分析より
Mn=505、Mw=641 M/M=1.269であった。
比較例2
2000mlセパラブル3つ口フラスコにフェノール(原料B)592.67g(62
97.45mmol)、4,4’−ビス(クロロメチル)ビフェニル(原料A)375.
09g(1493.46mmol)を採り、水をまったく加えず、窒素ガスを50ml/
分で導入した。油浴を30分かけて60℃に加熱昇温し、30分間その温度を保った。こ
の間フェノールが溶解した時点で200rpmで攪拌を開始した。ついで1時間かけて1
10℃に昇温し、この温度で3時間保持した。その後、95℃まで冷却、750mlの水
で2回洗浄した。ついで160℃まで昇温し、残存する水、フェノールを留去した。つい
で系の圧力を徐々に減じ3mmHgまでして残存するフェノールを留去し、496.29
gの4,4’−ビフェニルジイルメチレン−フェノール樹脂を得た。
反応中に発生する塩化水素は、同伴する窒素ガスで反応系外に追い出し、アルカリ水溶液にトラップし、一定温度範囲内の発生量を測定した。
70℃までに発生する塩化水素の発生量を表1に示すが、この温度までに反応はあまり進行していなかった。また生成した4,4’−ビフェニルジイルメチレン−フェノール樹脂中のフェノール2核体のオルソ配向数/パラ配向数 比は1.035であった(液体クロマトグラフィーでの面積百分率)。
得られた4,4’−ビフェニルジイルメチレン−フェノール樹脂の物性:
ゲル浸透クロマトグラフ(GPC)分析より
Mn=505、Mw=643 M/M=1.273であった。
比較例3
300mlセパラブル3つ口フラスコにフェノール(原料B)118.58g(1259.98mmol)を採り50℃に加熱し、塩化水素ガスを30mL/minの流速で30分間溶液中に吹き込んだ。室温まで放冷後(塩化水素0.22gがフェノールに吸収されていた)、4,4’−ビス(クロロメチル)ビフェニル(原料A)75.03g(298.74mmol)を添加した。油浴を30分かけて60℃に加熱昇温し、30分間その温度を保った。この間フェノールが溶解した時点で200rpmで攪拌を開始し、塩化水素ガスの吹き込みを再開した。ついで1時間かけて110℃に昇温し、この温度で3時間保った。その後、実施例1と同様に後処理を行い100.04gの4,4'−ビフェニルジイルメチレン−フェノール樹脂を得た。
反応は特別急激な発熱もなく、安定して進行した。また生成した4,4’−ビフェニルジイルメチレン−フェノール樹脂中のフェノール2核体のオルソ配向数/パラ配向数 比は1.055であった(液体クロマトグラフィーでの面積百分率)。
得られた4,4’−ビフェニルジイルメチレン−フェノール樹脂の物性:
ゲル浸透クロマトグラフ(GPC)分析より
Mn=513、Mw=651 M/M=1.269であった。
表1.昇温過程で70℃までの塩化水素発生量及び4,4’−ビフェニルジイルメチレン−フェノール樹脂中のフェノール2核体のオルソ配向数/パラ配向数 比
Figure 0004997818

フェノール2核体のオルソ配向数/パラ配向数 比 測定
HPLC測定条件:
カラム:TSKgel ODS80TM 4.6mmI.D.×250mm
検出波長:274nm
溶離液:MeOH/HO=80/20 1mL/min
40℃

p,p−体:保持時間10.4min
o,p−体:保持時間11.0min
o,o−体:保持時間11.7min
フェノール2核体のオルソ配向数/パラ配向数 比=
(o,p−体面積百分率+o,o−体面積百分率×2)/(o,p−体面積百分率+p,p−体面積百分率×2)
Figure 0004997818
得られた4,4’−ビフェニルジイルメチレン−フェノール樹脂の他の物性値を表2に
まとめて示した。
Figure 0004997818
各物性の測定方法は、以下の通りである。
(1)軟化点:環球法(昇温4℃/分)にて測定した。
(2)ICP粘度:ICP粘度計(150℃)にて測定した。
(3)pH測定前処理:試料8g、純水80mlを採り、95℃で20時間加熱後水溶液
を測定した。
(4)電気伝導度:試料8g、純水80mlを採り、95℃で20時間加熱後水溶液を測
定した。
(5)水分:カールフィシャー法にて測定した。

Claims (9)

  1. (A)一般式(I) R−(CHX) (I)
    (式中、Rはフェニレン基、ビフェニレン基、二価のジフェニルエーテル残基、またはナフチル基を示し、Xは塩素原子を示す)で表される芳香族ビスハロゲノメチル化合物(原料A)と、
    (B)一般式(II)
    Figure 0004997818
    (式中R、Rは水素原子又は炭素数1〜5のアルキル基を示す)で表されるフェノール化合物(原料B)を反応させるに際して、
    (C)一般式(I)(原料A)に対して、水を0.01モル当量〜2.50モル当量添加し、70℃までの低温で塩化水素を対理論発生量の45.1重量%以上発生させて反応すること、
    を特徴とする一般式(III)の芳香族ジメチレン−フェノール樹脂の製造方法。
    Figure 0004997818
    (式中、Rは式(I)における定義に同じ。R、Rは式(II)における定義に同じ。nは繰り返し数を表し、1〜15の整数
  2. 反応溶媒を用いず、40〜180℃で反応させることを特徴とする請求項1に記載の芳香族ジメチレン−フェノール樹脂の製造方法。
  3. (A)ビス(クロロメチル)ビフェニル(原料A)1モルに対して、
    (B)フェノール化合物(原料B)を1.3〜5倍モル使用することを特徴とする請求項1または2に記載の芳香族ジメチレン−フェノール樹脂の製造方法。
  4. 得られる芳香族ジメチレン−フェノール樹脂中のフェノール2核体のオルソ配向数/パラ配向数の比が0.960以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の芳香族ジメチレン−フェノール樹脂の製造方法。
  5. (A)一般式(I)が4,4’−ビス(クロロメチル)ビフェニルである請求項1に記載の芳香族ジメチレン−フェノール樹脂の製造方法。
  6. (A)一般式(I)が1,4−ビス(クロロメチル)ベンゼンである請求項1に記載の芳香族ジメチレン−フェノール樹脂の製造方法。
  7. (B)一般式(II)がフェノールである請求項1に記載の芳香族ジメチレン―フェノール樹脂の製造方法造。
  8. (A)一般式(I)が4,4’−ビス(クロロメチル)ビフェニル、
    (B)一般式(II)がフェノールである、
    請求項1に記載の芳香族ジメチレン−フェノール樹脂の製造方法。
  9. (A)一般式(I)が1,4−ビス(クロロメチル)ベンゼン、
    (B)一般式(II)がフェノールである、
    請求項1に記載の芳香族ジメチレン−フェノール樹脂の製造方法。
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