JP5544162B2 - ゴム状重合体粒子分散熱硬化性樹脂組成物、及びその製造方法 - Google Patents
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Description
(1)モレキュラーシーブ
(2)気体分離膜を使用するパーベーパレイション法
(3)蒸留法
が知られている。
本発明のゴム状重合体粒子分散熱硬化性樹脂組成物の製造方法により得られる、本発明のゴム状重合体粒子分散熱硬化性樹脂組成物の水分濃度は、水分残存量が多いと硬化不良を起こす可能性があるため、3重量%以下であり、より好ましくは1.0重量%以下、さらに好ましくは0.5重量%以下、特に好ましくは0.3重量%以下である。より水分残存量を低減するために後述する希釈/濃縮工程を2回以上行うことが好ましい。
本発明に係る熱硬化性樹脂は、反応性を有する有機化合物からなる樹脂であって、この反応性に起因して、熱、光、又は硬化触媒で硬化可能な樹脂であり、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、単官能、又は多官能のカルボン酸、及びその無水物、アミン化合物、マレイミド化合物、ビニル化合物、アリル化合物、オキセタン化合物、水酸基含有化合物、その他の反応性有機化合物が例示されるが、これに限定される物ではない。これらの中でもエポキシ樹脂、フェノール樹脂が、好ましい。フェノール樹脂としては、レゾール型フェノール樹脂、及びノボラック型フェノール樹脂が好ましい。
本発明において、原料として用いることのできるエポキシ樹脂としては、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、芳香族グリシジルアミン構造を有する多官能エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、エポキシ化クレゾールノボラック樹脂、エポキシ化フェノールノボラック樹脂、ウレタン変性、又はポリエーテル変性された可撓性エポキシ樹脂、臭素化エポキシ樹脂、グリシジルエステル型エポキシ樹脂等が好ましく例示されるが、これに限定される物ではない。これらは、単独、又は2種以上の混合物であっても良い。このようなエポキシ樹脂の形態としては、固体、溶媒希釈、液体等、特に制限はない。
本発明において、原料として用いることのできるフェノール樹脂としては、フェノール、クレゾール、ビスフェノールA、ビスフェノールF、カテコール、レゾルシノール等のフェノール類および/またはナフトール類と、ホルムアルデヒド等のアルデヒド基を有する化合物とをトルエンスルホン酸、蓚酸、塩酸、硫酸等を加えた酸性触媒下で加熱、(共)縮合して得られるノボラック型フェノール樹脂、アルカリ性触媒下で共)縮合して得られるレゾール型フェノール樹脂等が好ましく例示されるが、これに限定されるものではない。これらは、単独、又は2種以上の混合物であっても良い。このようなフェノール樹脂の形態としては、固体、溶媒希釈、液体等、特に制限はない。
本発明において、用いることのできるゴム状重合体粒子には特に制限はないが、エラストマー、又はゴム状の重合体を主成分とするポリマーにより形成されるゴム粒子の存在下に、1種以上のビニル重合性単量体をグラフト重合することにより得られる、ゴム粒子の表面の一部若しくは全体がグラフト成分によって覆われた、所謂コアシェルポリマーが、エポキシ樹脂組成物中で均一分散できるので好ましい。
前記ゴム状重合体粒子については特に制限は無いが、ゴムとしての設計及び本発明の製造方法における樹脂組成物の製造の容易さを両立しやすいという点より、2層以上の多層構造を有する重合体であることが好ましく、特にコアシェル型ポリマーと称されるものが好ましい。コアシェル型ポリマーとは、エラストマーまたはゴム状の重合体を主成分とするポリマーより形成されるゴム粒子コアと、これにグラフト重合されたポリマー成分より形成されるシェル層から構成されるポリマーであるが、シェル層は、グラフト成分を構成するモノマーを前記コアにグラフト重合することでゴム粒子コアの表面の一部若しくは全体を覆うことを特徴とする。
前記ゴム粒子コアを構成するポリマーは架橋されており、ゴム粒子コアを構成するポリマーは適切な溶媒に対して膨潤しうるが、実質的には溶解しないものが好ましい。またゴム粒子コアは、例えば、エポキシ樹脂に分散させることを目的とする場合は、エポキシ樹脂に不溶であることが好ましく、さらにゴム粒子コアのゲル含量は、ゴム粒子コア中、60重量%以上、より好ましくは80重量%以上、特に好ましくは90重量%以上、最も好ましくは95重量%以上である。一方、乳化重合等の既知の重合法により容易に製造が可能であり、ゴムとしての性質が良好であることから、ゴム粒子コアを構成するポリマーはガラス転移温度(Tg)が0℃以下、好ましくは−10℃以下である。
シェル層は、ゴム状重合体粒子が反応性基を有する重合性有機化合物中で安定に一次粒子の状態で分散するための、反応性基を有する重合性有機化合物に対する親和性を与えることができる。
ゴム状重合体粒子は、周知の方法、例えば、乳化重合、懸濁重合、マイクロサスペンジョン重合などで製造することができる。この中でも特に、ゴム状重合体粒子の組成設計が容易である、工業生産が容易である、さらに本製造法に好適なゴム状重合体粒子のラテックスが容易に得られるなどの点から、乳化重合による製造方法が好適である。水媒体中での乳化若しくは分散剤としては、水性ラテックスのpHを中性とした場合でも乳化若しくは分散安定性が損なわれないものを用いることが好ましい。具体的には、ジオクチルスルホコハク酸やドデシルベンゼンスルホン酸等に代表される様なアルキルまたはアリールスルホン酸、アルキルまたはアリールエーテルスルホン酸、ドデシル硫酸に代表されるようなアルキルまたはアリール硫酸、アルキルまたはアリールエーテル硫酸、アルキルまたはアリール置換燐酸、アルキルまたはアリールエーテル置換燐酸、ドデシルザルコシン酸に代表されるようなN−アルキルまたはアリールザルコシン酸、オレイン酸やステアリン酸等に代表されるようなアルキルまたはアリールカルボン酸、アルキルまたはアリールエーテルカルボン酸等の、各種の酸類のアルカリ金属塩またはアンモニウム塩、アルキルまたはアリール置換ポリエチレングリコール等の非イオン性乳化剤或いは分散剤、ポリビニルアルコール、アルキル置換セルロース、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸誘導体等の分散剤が例示される。これらは1種類または2種以上を適宜組み合わせて使用できる。
前記ゴム状重合体粒子の製造については、周知の方法、例えば、乳化重合、懸濁重合、マイクロサスペンジョン重合、溶液重合などで製造することができる。中でもコアシェルポリマーの製造としては、工業的には、乳化重合が最も一般的であり、また、粒径の制御性に優れており好ましい。
前記製造方法により、得られるゴム状重合体粒子は、多くの場合、水性ラテックスとして得られるが、例えば、水に対し部分溶解性を有する有機溶媒を水性ラテックスと混合することにより、ゴム状重合体粒子を解乳化し、その後、例えば前記有機溶媒とラテックスの混合液に、水を添加することにより、前記ゴム状重合体粒子の凝集体のスラリーを得る方法(水凝集法)で、一旦凝集したゴム状重合体粒子を原料として用いることが、好ましい。何故なら、このように精製工程を経たゴム状重合体粒子を原料として用いることで、不純物が少なく、電子機器用途にも使用可能な、ゴム状重合体粒子分散エポキシ樹脂組成物を製造することができるからである。
例えば前記の如く、前記ゴム状重合体粒子のスラリーを固液分離する方法は、特に限定されず、多孔板、金属メッシュ、若しくは濾布、を用いた沈降濾過、又は、真空濾過などが例示されうる。濾過により、篩い上に残るケーキの固形分濃度は、25重量%以上であることが好ましい。ケーキの固形分濃度が25重量%未満である場合は、凝集体中の水分や有機溶媒量が多いため、濾過の効率としては十分ではなく、後で実施する脱水工程の負荷が大きくなってしまう。
前記ゴム状重合体粒子の凝集体に、有機溶媒を添加し、攪拌することにより、ゴム状重合体粒子を一次粒子の状態で単分散させることができる。前記有機溶媒としては、ゴム状重合体粒子の凝集体の分散性が高いことから、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ケトン系有機溶媒が、好ましい。
次に、ゴム状重合体粒子を分散させた溶液と、熱硬化性樹脂組成物を混合させる。例えば前記熱硬化性樹脂組成物の形態が固体であり、前記ゴム状重合体粒子を分散させた溶液に対して、混合が困難な場合は、混合を容易にするため、熱硬化性樹脂組成物を溶媒希釈とすることが好ましい。ゴム状重合体粒子を分散させた溶液に対して、容易に溶解するエポキシ樹脂であれば、固体のまま添加することができる。
本発明のゴム状重合体粒子分散熱硬化性樹脂組成物は、熱硬化性樹脂100重量部、及びゴム状重合体粒子1重量部〜80重量部を含み、このゴム状重合体粒子が、一次粒子の状態で分散されてなる熱硬化性樹脂組成物であり、固形分濃度が60重量%〜90重量%であり、かつ、水分濃度が3重量%以下であることを特徴とするゴム状重合体粒子分散熱硬化性樹脂組成物である。
次に、前記ゴム状重合体粒子を分散させた溶液と、熱硬化性樹脂組成物を混合させた混合溶液を混合しながら加熱し、減圧濃縮を行う濃縮工程を行うことが好ましい。この減圧濃縮操作は、真空エバポレーター、減圧力容器で実施することが好ましく、また、脱水効率の観点から好ましい操作条件範囲は、圧力100torr〜700torr、温度40℃〜100℃である。特に好ましい操作条件範囲は、圧力400torr〜600torr、温度50℃〜80℃である。前記混合溶液の固形分濃度としては、溶解しているエポキシ樹脂の析出などがない濃度範囲であり、混合溶液の流動性を確保できる濃度である、50重量%〜80重量%が好ましい。この段階で得られた混合溶液を本発明のゴム状重合体粒子分散エポキシ樹脂組成物とする場合には、長期間に亘って溶解しているゴム状重合体粒子が凝集して析出しないように、また、製品としての流動性を確保するために、その固形分濃度を60重量%〜90重量%とすることが必要であり、好ましくは60重量%〜80重量%である。
次に、例えば、上記のように減圧濃縮された前記混合溶液に対して、有機溶媒を添加して希釈する希釈工程を行うことが好ましい。前記有機溶媒は、ゴム状重合体粒子を凝集させず、水と共沸しやすい有機溶媒が好ましく、例えば、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ジエチルケトン、ジプロピルケトン、エチルブチルケトン、酢酸エチル、酢酸ビニル、酢酸メチル、酢酸ブチルなどが好ましい。これらのうち更に好ましいのは、メチルエチルケトン、及びメチルイソブチルケトンであり、これらは、スケールを生じさせず、ゴム状重合体粒子を安定に保つことができる。また、特に好ましいのは、共沸温度が他のケトン系溶媒より低いのでメチルエチルケトンである。希釈後の濃度は、10重量%〜40重量%が好ましい。10重量%以下に希釈するためには、非常に大きな体積の槽が必要になり、得られる樹脂組成物の量が少なくなり、槽の利用効率が低くなる。40重量%以上であると、濃縮できる範囲が狭くなり、操作の回数が増え、操作が煩雑となり非効率である。
前記濃縮操作で留出した有機溶媒は、脱水剤、パーベーパレイション法、蒸留などを行い、水分を除去したのち、再利用することもできる。または、前記濃縮操作において蒸発した蒸気を、ポリイミド膜などのガス分離膜を使用して、連続的に、脱水した有機溶媒蒸気として得た後に、この蒸気を冷却することにより凝縮し、再利用することもできる。
ゴム状重合体粒子を含む熱硬化性樹脂溶液の水分量の測定には、京都電子工業株式会社製カールフィッシャーMKC−510Nを用いた。
ゴム状重合体粒子を含む熱硬化性樹脂溶液を所定量分取し、熱風乾燥機を用いて170℃にて20分間乾燥し、乾燥前後の重量変化から、溶液中の固形分濃度を算出した。
ゴム状重合体粒子の体積平均粒子径を、ラテックスの状態で測定した。測定装置として、LEED&NORTHRUP INSTRUMENTS社のMICROTRAC UPAを用いて、光散乱法により体積平均粒子径(μm)を測定した。
まず、100L耐圧重合機中に、水200部、リン酸三カリウム0.03部、リン酸二水素カリウム0.25部、エチレンジアミン4酢酸0.002部、硫酸第一鉄0.001部、及びドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム1.5部を投入し、攪拌しつつ十分に窒素置換を行って酸素を除いた後、ブタジエン75部、及びスチレン25部を系中に投入し、45℃に昇温した。
メタクリル酸メチル : 72g
アクリロニトリル : 36g
グリシジルメタクリレート: 18g
前記混合物の添加終了後、更に2時間攪拌して反応を完結させることで、グラフト重合したMBS系のゴム状重合体粒子を含む水性ラテックスを得た。
温度計、撹拌機、還流冷却器、窒素流入口、モノマーと乳化剤の添加装置を有するガラス反応器中に、脱イオン水1800g、エチレンジアミン四酢酸二ナトリウム(EDTA)0.02g、硫酸第一鉄・7水和塩0.01g、ナトリウムホルムアルデヒドスルホキシレート(SFS)0.4g、及びドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム(SDS)5gを投入し、窒素気流中で撹拌しながら50℃に昇温した。
まず、攪拌機付き1L槽(内径100mm、4枚平パドル翼、翼径75mm、軸方向3段)に25℃の水に対し部分溶解性を有する有機溶媒であるメチルエチルケトン126gを仕込んだ。そこに、前記製造例1でグラフト重合し製造したMBS系ゴム状重合体粒子を含む水性ラテックス126gを、毎分400回転の撹拌下に投入し均一に混合した。毎分400回転の撹拌を継続しながら、そこに、毎分80gの供給速度で総量200gの水を添加した。水添加終了後、速やかに攪拌を停止したところ、解乳化により、凝集体と、有機溶媒を含む水相と、からなるスラリー液が得られた。このスラリー液の、水相と、凝集体と、を固液分離することで凝集体104gを回収した。
上記(MBS系ゴム状重合体粒子分散溶液の調製)において、使用する水性ラテックスを製造例1で製造したMBS系ゴム状重合体粒子から、製造例2で製造したアクリルゴム系ゴム状重合体粒子に代えた以外は同様にしてアクリルゴム系ゴム状重合体粒子分散溶液の調製を行い、アクリルゴム系ゴム状重合体粒子が均一に分散したアクリルゴム系ゴム状重合体粒子分散溶液を調製した。このゴム状重合体粒子分散溶液中のグラフト重合したゴム状重合体粒子の平均粒子径を測定したところ、130nmであり、単分散していることが確認された。
まず、固形エポキシ樹脂(JER製、エピコート1001)37g、及びメチルエチルケトン36gを、ジャケット、外部に凝縮器を設けた排気口、及び撹拌機(翼型90mmのアンカー翼)を設置した1L槽(内径100mm)に投入し、ジャケット温度を60℃に設定した。槽内温度が均一になった後、前記攪拌機により攪拌することで均一混合し、固形分を完全に溶解させることで、エポキシ樹脂溶液を調製した。
得られたTEM写真において、5cm四方のエリアを無作為に4カ所選択して、ゴム状重合体粒子の総個数B0と、3個以上が接触しているゴム状重合体粒子の個数B1(なお、ある1個のゴム状重合体粒子がn個に接触している場合、個数はn個とカウントする)を求め、下記の式により算出する。
実施例1の固形エポキシ樹脂37g、及びメチルエチルケトン36gに代えて、臭素化エポキシ樹脂を主成分とするアセトン溶液である溶液タイプエポキシ樹脂(ダウ・ケミカル社製、D.E.R.530−A80)150gを、実施例1と同様の1L槽に投入した。
実施例1のMBS系ゴム状重合体粒子分散溶液に代えてアクリルゴム系ゴム状重合体粒子分散溶液を使用した以外は、実施例1と同様にエポキシ樹脂溶液との混合溶液E1を調製した。この混合溶液E1の固形分濃度は23重量%、水分濃度は7.8重量%であった。
実施例1と同様にして混合溶液A2を調製し、引き続き実施例1のメチルエチルケトン75gに代えて、希釈工程用有機溶媒としてトルエン75gを添加することで、混合溶液C3を調製した。その後、均一混合するために、この混合溶液C3を前記攪拌機により攪拌した。その結果、この段階で、混合溶液C3内のMBS系ゴム状重合体粒子の一部が、1μm〜1mmの凝集体となり、MBS系ゴム状重合体粒子分散溶液中のMBS系ゴム状重合体粒子の平均粒子径である平均粒子径120nmを維持できなかった。
比較例1と同様に、実施例1と同様にして混合溶液A2を調製し、引き続き、実施例1のメチルエチルケトン75g、又は、比較例1のトルエン75gに代えて、希釈工程用有機溶媒としてキシレン75gを添加することで、混合溶液D3を調製した。その後、均一混合するために、この混合溶液D3を前記攪拌機により攪拌した。その結果、この段階で、混合溶液D3内のMBS系ゴム状重合体粒子の一部が1μm〜1mmの凝集体となり、ゴム状重合体粒子分散溶液中のMBS系ゴム状重合体粒子の平均粒子径である平均粒子径120nmを安定に維持できなかった。
まず、エポキシ樹脂溶液、及びゴム重合体粒子分散溶液の混合溶液A1を、実施例1と同様にして調製し、更に、攪拌機により攪拌することで均一に混合した。
水分濃度10%、及びメチルエチルケトン90%のみからなる溶液300gを、比較例3で詳述したPVセパレーター装置に投入し、比較例3と同様にして脱気操作を実施した。13時間この脱気操作を継続することで、水分濃度0.5%のメチルエチルケトン溶液が得られた。
実施例1のエポキシ樹脂溶液に代えて、フェノール樹脂を主成分とするメチルエチルケトン溶液である溶液タイプレゾール型フェノール樹脂を使用した以外は実施例1と同様にフェノール樹脂溶液との混合溶液F1を調製した。この混合溶液F1の固形分濃度は33重量%、水分濃度は6.1重量%であった。
Claims (12)
- 熱硬化性樹脂100重量部、及びゴム状重合体粒子1重量部〜80重量部を含み、
該ゴム状重合体粒子が、一次粒子の状態で分散されてなる熱硬化性樹脂組成物であって、
固形分濃度が60重量%〜90重量%であり、かつ、水分濃度が3重量%以下であることを特徴とするゴム状重合体粒子分散熱硬化性樹脂組成物。 - 前記固形分濃度が60重量%〜80重量%であることを特徴とする請求項1に記載のゴム状重合体粒子分散熱硬化性樹脂組成物。
- 前記ゴム状重合体粒子が、その内側に存在するゴム粒子コア、及びその最も外側に存在するシェル層の少なくとも2層を含むコアシェル構造を有し、
該ゴム粒子コアが、ガラス転移温度が0℃以下のゴム状重合体からなり、かつ、
該シェル層が、エポキシ基、カルボキシル基、水酸基、炭素−炭素2重結合、アミノ基、及びアミド基からなる群より選ばれる1種以上の反応性基を有するシェル重合体からなることを特徴とする請求項1又は2に記載のゴム状重合体粒子分散熱硬化性樹脂組成物。 - 前記熱硬化性樹脂が、反応性を有する有機化合物からなる樹脂であって、かつ、エポキシ樹脂、レゾール型フェノール樹脂、及びノボラック型フェノール樹脂からなる群から選ばれる1種以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のゴム状重合体粒子分散熱硬化性樹脂組成物。
- 前記熱硬化性樹脂が、エポキシ樹脂であって、かつ、前記水分濃度が1重量%以下であることを特徴とする請求項4に記載のゴム状重合体粒子分散熱硬化性樹脂組成物。
- 前記熱硬化性樹脂が、レゾール型フェノール樹脂であって、かつ、前記水分濃度が1.2重量%以上、3.0重量%以下であることを特徴とする請求項4に記載のゴム状重合体粒子分散熱硬化性樹脂組成物。
- 請求項1〜6のいずれかに記載のゴム状重合体粒子分散熱硬化性樹脂組成物の製造方法であって、前記ゴム状重合体粒子、前記熱硬化性樹脂、水、及び有機溶媒を含む混合溶液に隣接する気相を脱気し減圧することにより、該混合溶液中の該水、及び該有機溶媒の量を低減する濃縮工程を含むことを特徴とするゴム状重合体粒子分散熱硬化性樹脂組成物の製造方法。
- 請求項7に記載のゴム状重合体粒子分散熱硬化性樹脂組成物の製造方法であって、さらに、前記濃縮工程の前に、前記混合溶液にケトン系有機溶剤を添加して希釈した混合溶液とする希釈工程を含むことを特徴とするゴム状重合体粒子分散熱硬化性樹脂組成物の製造方法。
- 請求項8に記載のゴム状重合体粒子分散熱硬化性樹脂組成物の製造方法であって、前記ケトン系有機溶媒が、メチルエチルケトン、及び/又は、メチルイソブチルケトンであることを特徴とするゴム状重合体粒子分散熱硬化性樹脂組成物の製造方法。
- 請求項7〜9のいずれかに記載のゴム状重合体粒子分散熱硬化性樹脂組成物の製造方法であって、前記希釈工程、及びその後実施する前記濃縮工程を含む希釈/濃縮工程を2回以上行うことを特徴とするゴム状重合体粒子分散熱硬化性樹脂組成物の製造方法。
- 請求項7に記載のゴム状重合体粒子分散熱硬化性樹脂組成物の製造方法であって、前記混合溶液の水濃度が10重量%以下であり、かつ、前記混合溶液中の溶媒成分中の水のモル組成比よりも、前記気相中の水のモル組成比が高いことを特徴とするゴム状重合体粒子分散熱硬化性樹脂組成物の製造方法。
- 請求項7〜11のいずれかに記載のゴム状重合体粒子分散熱硬化性樹脂組成物の製造方法であって、前記ゴム状重合体粒子を含む水系ラテックスを、水に対し部分溶解性を有する有機溶媒と混合することで解乳化した後、更に、該解乳化した混合溶液に水を添加することで前記ゴム状重合体粒子の凝集体を含むスラリーとする精製工程を含むことを特徴とするゴム状重合体粒子分散熱硬化性樹脂組成物の製造方法。
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