JP5095405B2 - 難燃性を有するフェノールフタレインから誘導されるベンゾオキサジン化合物及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、硬化させて、難燃性で高温に対して耐性を有するポリマーネットワークを形成することのできるベンゾオキサジン化合物及びワニス、並びにかかるポリマー樹脂の使用に関する。より詳しくは、本発明は、フェノールフタレイン、ホルムアルデヒド及び第１級アミンをベースとする３，３’−ビス（３，４−ジヒドロ−３−フェニル−２Ｈ−１，３−ベンゾオキサジン６−イル）−１（３Ｈ）−イソベンゾフラノン及び類縁体に関する。

ベンゾオキサジンは、含侵操作及び注入プロセスによって、プレプリグ、ラミネート、ＰＷＢ、成形化合物、シーラント、焼結粉末、注型品、構造用複合部品、並びに電気及び電子部品を製造するのに満足に用いられている。かかる樹脂は、寸法的に安定であり、良好な電気抵抗及び機械抵抗、低い収縮性、低い水吸収性、中〜高のガラス転移温度、及び機械特性に関して良好な保持特性を有する。

ベンゾオキサジン化合物は、幾つかの方法で製造することができる。第１に、米国特許５，１５２，９９３又は米国特許５，２６６，６９５の溶媒をベースとする方法によって製造することができる。第２に、例えば、溶媒を用いないベンゾオキサジンの製造が開示されている米国特許５，５４３，５１６に記載の方法によって製造することができる。

耐炎性は、例えばエポキシ樹脂のような高温に対して耐性を有する他のポリマー樹脂に遜色がないという事実にもかかわらず、未だ多くの用途に関して不十分である。ベンゾオキサジンを難燃性にするためには、例えば、ＥＰ ０４５８７３９、ＥＰ ３５６３７９、米国特許５，２００，４５２、米国特許５，１５２，９３９又はＥＰ １３６６０５３，特開２００１−２２０４５５に記載されているように、臭素、リン、塩素含有化合物、充填剤を加えたり、或いはベンゾオキサジン中に特別な難燃性の骨格を用いることが必要である。組成物を難燃性にするために極めてしばしば提案される解決法は、無機充填剤又はハロゲン含有化合物又は他の添加剤に基づくものであるが、これらは一般に次のような一つ又は幾つかの欠点を有する。

−これらは、溶媒中に可溶でないので、加工に関して問題を引き起こす。
−これらは、昇温下において酸化安定性に劣る。
−添加剤は、極めてしばしば、ガラス転移レベルの低下の原因となる。

−例えば米国特許５１２９３９に記載されているように、硬化樹脂の乏しい物理特性が極めてしばしば観察される。
−特にハロゲン化化合物が存在する場合には、火災の場合に毒性燃焼ガスが形成される可能性がある。

ここで、驚くべきことに、フェノールフタレイン、ホルムアルデヒド及び第１級アミンから誘導される特定のベンゾオキサジン化合物から製造される物品が、機械特性を保持したままで、大きく改良された燃焼特性を示すことが分かった。したがって、かかるベンゾオキサジン化合物は、航空宇宙用途、産業用途、電子用途、或いは、自動車、接着剤、シーラント、プレプリグ及びラミネート、被覆及びＰＣＢのような他の用途において用いるのに特に好適である。これらは、また、ＲＴＭ又はＶａＲＴＭのような注入技術を用いることによって加工することができる。

本発明の第１の態様は、一般式：

（式中、Ｒは、互いに独立して、アリル、非置換又は置換フェニル、非置換又は置換Ｃ_１〜Ｃ_８アルキル、或いは非置換又は置換Ｃ_３〜Ｃ_８シクロアルキルである）
の化合物である。かかるＲ基上の好適な置換基としては、アミノ、Ｃ_１〜Ｃ_４アルキル及びアリルが挙げられる。通常、１〜４個の置換基が該Ｒ基上に存在していてよい。両方の置換基Ｒが同一であることが好ましく、フェニルであることが特に好ましい。

本発明の他の態様は、水を除去しながら、フェノールフタレインとホルムアルデヒド及び第１級アミンとを、フェノールフタレインとホルムアルデヒドとのモル比が１：３〜１：１０、好ましくは１：４〜１：７，特に好ましくは１：４．５〜１：５、フェノールフタレインと第１級アミン基とのモル比が１：１〜１：３、好ましくは１：１．４〜１：２．５、特に好ましくは１：２．１〜１：２．２である量で反応させることによって得られるベンゾオキサジン化合物である。

反応時間は、反応物質の濃度、反応性及び温度によって広く変動してよい。反応時間は、望ましくは、無溶媒に関して数分から、希釈反応物質に関して数時間、例えば２又は１０時間で変動する。ホルムアルデヒドの水ベース溶液を一つの反応物質として用いる場合には、水混和性有機溶媒が望ましい場合がある。１以上の反応物質が液体である場合には、これを用いて他の成分を溶解することができる。全ての成分が固体である場合には、固体として予め混合し、次に溶融するか、或いはまず溶融した後に混合することができる。反応温度は、ベンゾオキサジン及びより望ましくない生成物の形成を観察し、望ましい生成物のための温度及び時間を最適化する定型の実験によって決定することができる。望ましい温度は、約０℃〜約２５０℃、好ましくは約０又は５０℃〜約１５０℃、最も好ましくは約８０℃〜約１２０℃である。

ベンゾオキサジン合成反応は、大気圧、或いは約１００ｐｓｉ以下の圧力下で行うことができる。幾つかの場合においては、反応を加圧下で行うことは、副生成物の生成量がより少なくなるので、好ましい形態である。多官能性ベンゾオキサジンを調製する場合には、一般に、より高い圧力を用いると、比較的より多い量の二官能性ベンゾオキサジンモノマーが生成する。

最終的な反応混合物は、例えば抽出物の比に依存して開環構造として存在していてもよい所望のベンゾオキサジンモノマーと、そのオリゴマー並びに不純物を含む。所望の場合には、例えば周知の結晶化又は溶媒洗浄技術によって混合物を精製して、より濃縮された形態の記載された生成物を得ることができる。

特に有用な第１級アミンの例としては、芳香族モノ又はジアミン、脂肪族アミン、脂環式アミン、複素環モノアミン、特にアニリン、ｏ−、ｍ−及びｐ−フェニレンジアミン、ベンジジン、４，４’−ジアミノジフェニルメタン、シクロヘキシルアミン、ブチルアミン、メチルアミン、ヘキシルアミン、アリルアミン、フルフリルアミン、エチレンジアミン及びプロピレンジアミンが挙げられる。アミンは、それぞれの炭素部位において、Ｃ_１〜Ｃ_８アルキル又はアリルによって置換されていてもよい。

好ましい第１級アミンは、一般式：ＲＮＨ_２（ＩＩ）（式中、Ｒはアリル、非置換又は置換フェニル、非置換又は置換Ｃ_１〜Ｃ_８アルキル、或いは非置換又は置換Ｃ_３〜Ｃ_８シクロアルキルである）のものである。かかるＲ基上の好適な置換基としては、アミノ、Ｃ_１〜Ｃ_４アルキル及びアリルが挙げられる。通常、１〜４個の置換基が該Ｒ基上に存在していてよい。好ましいＲはフェニルである。

好ましくは、反応は触媒の非存在下で行う。
通常、反応は溶媒中で行う。好適な溶媒としては、トルエン及びキシレンのような芳香族溶媒、ジオキサン、メチルエチレンケトン、メチルイソブチルケトンのようなケトン、並びにイソプロパノール、ｓｅｃ−ブタノール及びアミルアルコールのようなアルコールが挙げられる。溶媒は、また、溶媒混合物として使用することもできる。特に好適な溶媒はトルエン及びｓｅｃ−ブタノールである。しかしながら、文献から公知の反応と類似の反応においては、溶媒を排除してもよい。

かかるベンゾオキサジン化合物を約１００℃を超える温度、好ましくは１４０〜２２０℃の温度で熱硬化させることによって、燃焼性の乏しい（難燃性の）ポリマー樹脂が得られる。

本発明の他の態様は、難燃性キャスティング、プレプリグ又はラミネートの製造プロセス、並びに注入システムにおける上記のベンゾオキサジン化合物の使用に関する。
本明細書において、難燃性とは、好ましくはＵＬ９４標準規格（アンダーライターズ・ラボラトリー試験法ＵＬ９４）の判定基準Ｖ０を満足することを指す。

上記に記載のようにして製造されたポリマー樹脂の特性は、通常の添加剤を加えることによって特定の用途に合わせて調整することができる。以下の添加剤が特に重要である。短繊維、ステープルファイバー、より糸、布帛又はマットの通常の形態の、強化繊維、例えば、ガラス、石英、炭素、無機繊維及び合成繊維（Ｋｅｆｌａｒ，Ｎｏｍｅｘ）、天然繊維、例えば亜麻、黄麻、サイザル麻、ヘンプ麻；可塑剤、特にリン化合物；カーボンブラック又はグラファイト；充填材；染料；ミクロ中空球体；金属粉末。

フェノールホルムアルデヒド樹脂又はエポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂に関して公知のプロセス、例えばプレプリグの熱プレス、ＳＭＣ（シート成形化合物）；或いはモールド成形；注型；フィラメントワインディング、注入技術或いは真空含侵（ＲＴＭ，ＶａＲＴＭ）法が、本発明の樹脂を加工するのに好適である。真空含侵に関しては、０．２〜０．００１ｍｍの粒径を有する極めて微細な添加剤が特に好適である。

本発明の他の態様は、上記に記載のベンゾオキサジン化合物を３０〜８０重量％、好ましくは６０〜７０重量％含むラミネート組成物である。更に、このラミネート組成物は、通常、溶媒又は溶媒混合物、触媒、或いは触媒と難燃剤の組み合わせを含む。

配合物において用いる難燃剤の重量は、ＵＬ９４標準規格による望ましい判定基準Ｖ０を達成する上での配合物中のこの成分の有効性に依存する。０．１〜５０重量部の重量範囲を考慮する必要がある。

特に好適な溶媒の例としては、メチルエチルケトン、アセトン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ペンタノール、ブタノール、ジオキソラン、イソプロパノール、メトキシプロパノール、メトキシプロパノールアセテート、ジメチルホルムアミド、グリコール、グリコールアセテート、及びトルエン、キシレンが挙げられる。ケトン及びグリコールが特に好ましい。通常は、ラミネート組成物は、溶媒２０〜３０重量％、好ましくは３０重量％を含む。

特に好適な触媒の例としては、チオジプロピオン酸、フェノール、チオジフェノールベンゾオキサジン及びスルホニルベンゾオキサジン、スルホニルジフェノールが挙げられる。幾つかの難燃剤、例えばＦｙｒｏｆｌｅｘ ＰＭＰ及びＣＮ２４６５は、触媒としても作用する。触媒の濃度も、所望の反応性を達成する上でのこの成分の有効性に依存する。
通常は、ラミネート組成物は、触媒０．００１〜２、好ましくは０．１〜２重量％を含む。

特に好適な難燃剤の例としては、リン難燃剤、例えばＤＯＰＯ（９，１０−ジヒドロ−９−オキサ−ホスファフェナントレン−１０−オキシド）、Ｆｙｒｏｆｌｅｘ ＰＭＰ（Ａｋｚｏ；その連鎖末端においてヒドロキシル基によって変性され、エポキシ樹脂と反応し得る反応性有機リン添加剤）、ＣＮ２６４５Ａ（Ｇｒｅａｔ Ｌａｋｅｓ；ホスフィンオキシド化学に基づき、エポキシ樹脂と反応し得るフェノール性官能基を有する材料）、及びＯＰ９３０（Ｃｌａｒｉａｎｔ）、臭素化ポリフェニレンオキシド及びフェロセンが挙げられる。通常は、ラミネート組成物は難燃剤０．１〜５０重量％を含む。たとえば、フェロセンに関しては、約２重量％の量が特に好適である。

また、ラミネート組成物は、エポキシ樹脂を含んでいてもよい。エポキシ樹脂の選択は、必要とする特性強化に依存する。特に有用な典型的なエポキシ樹脂は、ビスフェノールＡ及びビスフェノールＦをベースとするエポキシ樹脂、エポキシクレゾールノボラック、エポキシフェノールノボラック、Ｔａｃｔｉｘ７４２、Ｔａｃｔｉｘ５５６及びＴａｃｔｉｘ７５６、脂環式エポキシ樹脂、ＰＴ８１０、ＭＹ７２０、ＭＹ０５００等である。これらは、ラミネート組成物中に約２重量％〜６０重量％の量で用いることができる。

通常は、ラミネート組成物は、最小でベンゾオキサジン８部に対して２部のエポキシ樹脂から、最大でベンゾオキサジン１部に対して９部のエポキシ樹脂を含む。
これに加えて、ＥＰ ３５６３７９及び米国特許５，２００，４５２に記載されているアンモニウムポリホスフェート並びに無機及び有機リン化合物のような充填剤を含ませることが可能である。

ラミネート組成物は、繊維状強化材及びマトリクス樹脂から電気用ラミネート及び他の複合体を製造するのに有用である。好適なプロセスの例は、通常、以下の工程を含む。
溶媒ベースの含侵工程
（１）ベンゾオキサジン含有配合物を、ロール塗布、浸漬塗布、噴霧、他の公知の技術及び／又はこれらの組み合わせによって、基材に塗布又は基材中に浸漬させる。基材は、通常、例えばガラス繊維又は紙を含む織成又は不織繊維マットである。

（２）含侵された基材を、ベンゾオキサジン配合物中の溶媒を除去し、場合によってはベンゾオキサジン配合物を部分的に硬化させるのに十分な温度に加熱することによって「Ｂステージ化」して、含侵された基材を容易に取り扱えるようにする。「Ｂステージ化」工程は、通常、９０℃〜２１０℃の温度で、１分〜１５分の時間行う。「Ｂステージ化」から得られる含侵基材は、「プレプリグ」と呼ばれる。温度は、最も通常的には、複合体に関しては１００℃、電気用ラミネートに関しては１３０℃〜２００℃である。

（３）プレプリグの１以上のシートを、電気用ラミネートを所望の場合には銅ホイルのような導電性材料の１以上のシートを交互の層として、積層する。
（４）積層されたシートを、高温及び高圧で、樹脂を硬化させてラミネートを形成するのに十分な時間加圧する。この積層工程の温度は、通常１００℃〜２３０℃であり、最も多くの場合は１６５℃〜１９０℃である。積層工程は、また、第１段階を１００℃〜１５０℃で第２段階を１６５℃〜１９０℃のように、２以上の段階で行うこともできる。圧力は、通常、５０Ｎ／ｃｍ^２〜５００Ｎ／ｃｍ^２である。積層工程は、通常、１分〜２００分の時間、最も多くの場合には４５分〜９０分の時間行う。積層工程は、場合によっては、（連続積層方法のように）より短い時間に関してより高い温度で、或いは（低エネルギープレス法のように）より低い温度に関してより長い時間行うこともできる。

（５）場合によっては、得られたラミネート、例えば銅クラッドラミネートを、高温及び雰囲気圧力で所定時間加熱することによって後処理することができる。後処理の温度は、通常、１２０℃〜２５０℃である。後処理時間は、通常、３０分〜１２時間である。

全ての試験はＩＰＣ ＴＭ６５０にしたがって行った。ＩＰＣ試験法は、以下に示す電気用ラミネート産業の標準規格である（Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｆｏｒ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ， ３４５１ Ｃｈｕｒｃｈ Ｓｔｒｅｅｔ， Ｅｖａｎｓｔｏｎ， Ｉｌｌｉｎｏｉｓ ６０２０３）。

（Ａ）３，３’−ビス（３，４−ジヒドロ−３−フェニル−２Ｈ−１，３−ベンゾオキサジン−６−イル）−１（３Ｈ）−イソベンゾフラノン
添加漏斗、熱電対及びコンデンサを取り付けたガラスジャケットの２２リットルＢｅｌａｔｅｃ反応器中に、フェノールフタレイン３８８４．１ｇ（１２．２モル）を充填した。次に、反応器に、パラホルムアルデヒド１７２１．５ｇ（５９．３モル）、キシレン２４２０ｍｌ、及びｓｅｃ−ブタノール４８４０ｍｌを、撹拌しながら（約３５０ｒｐｍ）充填した。反応混合物を、撹拌しながら８０〜８２℃に予備加熱した。

アニリン２３８３．７ｇ（２５．６モル）を、同時に９４〜９５℃の還流温度に加熱し、強い還流条件を保持して水を分離しながら、４５分〜１時間かけて加えた。
溶媒の２５％が除去されたら、更に６００ｍｌのキシレン及び１２００ｍｌのｓｅｃ−ブタノールを、反応温度の降下が最小になるようにゆっくりと反応混合物に加えた。水が除去されるにつれてより高い温度でキシレン／ｓｅｃ−ブタノール／水共沸混合物が蒸留され、安定な蒸留速度を保持するために温度を上昇させなければならなかった。水の除去が完了したら、コンデンサを、蒸留ヘッド及び受容器と共に交換した。

沸点が１００〜１０５℃の値に到達したら（最初の還流の６〜７時間以内）、水の除去及び縮合プロセスが終了し、溶液の温度が１２０〜１２２℃になるまでに溶媒の蒸留が開始した（減圧は加えなかった）。この時点で固形分の濃度を測定した。固形分７０．５％〜７１．５％の濃度でプロセスは終了し、生成物を取り出すか、或いは同一の反応器内でラミネート組成物の製造のために用いることができた。

融点：９８〜１０３℃。
１Ｈ−ＮＭＲ（ｄ_６アセトン）：δ＝４．５９ｐｐｍ（ｓ）；δ＝５．４ｐｐｍ（ｓ）；δ＝６．５〜７．３ｐｐｍ（ｍ）；δ＝７．５ｐｐｍ（ｍ）。

赤外スペクトル（ＫＢｒ錠）ＩＲ（生データ）：３６００ｃｍ^−１〜３１５０ｃｍ^−１；３１００ｃｍ^−１〜３０００ｃｍ^−１；２９５０ｃｍ^−１；２８５０ｃｍ^−１；１７５０ｃｍ^−１；１６００ｃｍ^−１；１４５０ｃｍ^−１；１２２０ｃｍ^−１；１０９０ｃｍ^−１；９５０ｃｍ^−１；７２５ｃｍ^−１；６５０ｃｍ^−１。

（Ｂ）生樹脂注型物
実施例（Ａ）によって得られたベンゾオキサジンから、燃焼性試験用の生樹脂注型物を製造した。ベンゾオキサジンを溶融し、脱気し、成形型中に注入した。次に、成形型中の樹脂を４００°Ｆ（２１５．５℃）で２時間硬化させて、試験のために好適な注型物を製造した。これらの注型物を、難燃性及び熱特性に関して評価した。

燃焼性試験は、ＵＬ９４燃焼性試験容器を用いることによって行った。この容器には、工業用グレードのメタンが供給されるＢｕｎｓｅｎバーナーを取り付けた。
ＵＬ９４試験にしたがって全ての試験を行った。１試料あたり５個の試験片を５インチ×０．５インチ×０．１２インチに切断した。

フェノールフタレインベンゾオキサジン注型物（実施例Ａにしたがって調製した樹脂）はＶＯの基準を満足していたが、ビスフェノールＡベンゾオキサジン注型物（実施例Ａと類似するが、フェノールフタレインをビスフェノールＡと置き換えて調製した樹脂）は不合格であった。

（Ｃ）ラミネート
溶媒含侵法によってベンゾオキサジンファイバーグラスラミネート複合体を製造した。ベンゾオキサジンを、可溶性触媒と共に溶媒中に溶解し、次に、ガラスストランド、厚さ及びガラス織布の重量によって規定される業界標準のファイバーグラス織成物（Ｐｏｒｃｈｅｒ ＳＡ；シラン表面仕上げ）である７６２８上に被覆した。次に溶媒を蒸発させてＢステージ化した（表３）。次に、銅を有するプレプリグを加熱下及び加圧下で積層して、銅クラッドラミネートを製造した。オブン中の加熱空気の温度は１５０〜１８０℃であり、Ｂステージを生成するための時間は２〜５秒の範囲であった。樹脂含量は３５〜４２％の範囲であった。次に、これらのラミネートを、熱特性及び燃焼特性に関して評価した（表４）。

全ての特性は、燃焼挙動及び誘電解析を除いて、ＩＰＣ ＴＭＩ ３９４９による８パイルの７６２８ガラス繊維ラミネートをベースとするものであった。ラミネートは、常に、全てのパイルが同一の充填方向及び縦糸方向に配されるように配向されたファイバーグラスパイルを有していた。

組成物には、触媒としてメチルイミダゾール２重量部を加えた。
Ａに関する典型的な溶液特性：
粘度（ｃｐｓ）：１０００〜３０００
固形分（％）：６９〜７１
外観：明澄な琥珀色の液体
溶媒：メチルエチルケトン及び１−ペンタノール（５％以下）
組成物Ａは、ＰＷＢ用途のためのプレプリグを製造するのに通常用いられる任意の溶媒と配合することができる。アセトン、ＭＥＫ、グリコール、グリコールアセテート、トルエン及び他の溶媒を用いて希釈を行うことができる。

Ｔａｃｔｉｘ７４２はトリス（フェニルグリシジルエーテル）メタンである。
ＧＹ２８１はビスフェノールＦエポキシ樹脂である。
ＦｙｒｏｆｌｅｘＰＭＰはＡｋｚｏからのリンベースのフェノール難燃剤である。

ＸＢ４３９９は１，１，２，２−テトラキス（４−グリシジルオキシフェニル）エタンである。
典型的な溶液特性
粘度、ｃｐｓ：５０００〜１００００
固形分、％：７９〜８１
外観：明澄で琥珀色の液体
溶媒：ＭＥＫ１０％及びメトキシプロパノール１０％
エポキシ当量：４５０〜５５０（固形分）
リン含量、％：２〜３
ワニスの調製
系は、ＰＣＢ用途のためのプレプリグを製造するのに通常用いられる任意の溶媒と配合することができる。ワニスに対して、触媒として２−メチルイミダゾールを加えた。推奨される配合は以下の通りである。

アセトン、ＭＥＫ、グリコール、グリコールアセテート及び他の溶媒を用いて系の希釈を行うことができる。
樹脂とガラスとの間の最良の結合のためには、エポキシ樹脂に好適なシランサイジング剤で処理したガラス繊維を用いることが推奨される。

典型的なプレプリグの特性は次の通りである。

ラミネート特性
全ての特性は、燃焼挙動及び誘電解析に関しては上記に記載の生樹脂注型物を用いた他は、ＩＰＣ ＴＭＩ ３９４９による８パイルの７６２８ガラス繊維ラミネートをベースとするものであった。

Claims (9)

1. 式：
   

   

   ［式中、Ｒは、互いに独立して、アリル、非置換又は置換フェニル、非置換又は置換Ｃ_１〜Ｃ_８アルキル、或いは非置換又は置換Ｃ_３〜Ｃ_８シクロアルキルである］
   の化合物。
2. 両方の置換基Ｒが同一である、請求項１に記載の化合物。
3. Ｒが、互いに独立してアリル又はフェニルである、請求項１又は２に記載の化合物。
4. Ｒがフェニルである、請求項１又は２に記載の化合物。
5. Ｒが、アミノ、Ｃ_１〜Ｃ_４アルキル及びアリルから成る群から選択される１〜４個の置換基で置換されている、請求項１〜４のいずれかに記載の化合物。
6. 難燃性キャスティング又はラミネートの製造法における、請求項１〜５のいずれかに記載の化合物の使用。
7. 請求項１〜５のいずれかに記載の化合物を含む、難燃性キャスティング又はラミネート用組成物。
8. 請求項１〜５のいずれかに記載の化合物を熱硬化させることによる難燃性キャスティング又はラミネートの製造方法。
9. 請求項１〜５のいずれかに記載の化合物３０〜８０重量％を含むラミネート組成物。