JP5878710B2 - アミド基含有脂環式テトラカルボン酸二無水物、並びにこれを用いた樹脂 - Google Patents
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Description
上記課題に対して、本発明者らは、下記一般式で表されるアミド基含有脂環式テトラカルボン酸二無水物が、無色透明で有機溶媒への溶解性の高いポリイミドを合成するモノマーとして有用であることを見出した。しかしながら、Aの構造によっては、得られるポリイミドが高温で着色する問題があることを見出し、このような問題を解決することも本発明の課題の一つである。
すなわち、本発明の課題は、無色透明で有機溶媒への溶解性の高く、かつ、高温でも着色しにくいポリイミド、並びに、該ポリイミドの原料となる新規なアミド基含有脂環式テトラカルボン酸二無水物を提供することにある。
また、Aが構造(Y群)から選ばれる場合には、使用されるジアミンの具体例としては、4,4’−ジアミノジフェニルスルフォン、3,3’−ジアミノジフェニルスルフォン、3,4’−ジアミノジフェニルスルフォン、2,2’−ビス(4−アミノフェニル)ヘキサフルオロプロパン、2,2’−ビス(3−アミノフェニル)ヘキサフルオロプロパン、2,2’−(3,4−ジアミノジフェニル)ヘキサフルオロプロパン、4,4’−ジアミノベンゾフェノン、3,3’−ジアミノベンゾフェノン、3,4’−ジアミノベンゾフェノン、4,4’−チオビス(2,3,5,6−テトラフルオロアニリン)、ビス(4−(3−アミノフェノキシ)フェニル)スルフォン、ビス(4−(4−アミノフェノキシ)フェニル)スルフォン、2,2’−ビス(4−(4−アミノフェノキシ)フェニル)ヘキサフルオロプロパン、2,2’−ビス(4−(3−アミノフェノキシ)フェニル)ヘキサフルオロプロパン、4,4’−スルフォニルビス(4−フェニレンサルファニルアニリン)、3,3’−スルフォニルビス(p−フェニレンサルファニルアニリン)、4,4’−オキシビス(3−トリフルオロメチルアニリン)、3,3’−オキシビス(4−トリフルオロメチルアニリン)、4,4’−チオビス(2,3,5,6−テトラフルオロアニリン)、4,4’−オキシビス(2,3,5,6−テトラフルオロアニリン)、3,7−ジアミノ−ジメチルジベンゾチオフェン−5,5−ジオキシド等が挙げられる。中でも4,4’−ジアミノジフェニルスルフォン、3,3’−ジアミノジフェニルスルフォンが経済性、原料の入手性が良好な点で好ましい。
次に本発明のアミド基含有脂環式テトラカルボン酸二無水物の製造方法について説明する。本発明の電子吸引性基を有する芳香族ジアミンと1,2,4−シクロヘキサントリカルボン酸−1,2−無水物から誘導されるアミド基含有脂環式テトラカルボン酸二無水物の製造方法は特に限定されず、公知の方法により製造することが可能である。例えば、1,2,4−シクロヘキサントリカルボン酸−1,2−無水物4−クロリドと電子吸引性基を有するジアミンとを反応させることで製造することが可能である。より具体的には、まず、溶媒へ溶解させた1,2,4−シクロヘキサントリカルボン酸−1,2−無水物4−クロリド溶液中へ、電子吸引性基を有するジアミンと脱酸剤を溶解させた溶液を滴下し、0.5〜8時間攪拌する。反応温度は−50〜20℃で行われるが、反応選択性の観点から、より好ましくは−10〜10℃で行うとよい。1,2,4−シクロヘキサントリカルボン酸−1,2−無水物4−クロリドと電子吸引性基を有するジアミンとの反応比率としては、ジアミン1モルに対して1,2,4−シクロヘキサントリカルボン酸−1,2−無水物4−クロリドを2モル以上用いて反応させる。反応における溶質の濃度は1〜50重量%、より好ましくは20〜40重量%の範囲で行うとよい。反応終了後、析出した生成物を濾別し、トルエン等の不純物を溶解しうる溶媒で洗浄することで目的のアミド基含有脂環式テトラカルボン酸二無水物を得ることができる。目的物はさらに真空乾燥して次のイミド化反応に用いるとよい。この場合、乾燥温度は60〜150℃、生成物の安定性の観点から、より好ましくは80〜120℃で行うとよい。
一般的には、テトラカルボン酸二無水物とジアミンからポリイミドの前駆体であるポリアミック酸を合成し、次いでイミド化反応を行うことにより製造される。
次にポリイミド前駆体の製造方法について説明するが、本発明は以下の方法に限定されるものではない。まず脱水を行った重合溶媒へ一種又は二種以上のジアミンを溶解し、そこにテトラカルボン酸二無水物の粉末を徐々に添加し、1〜100時間、好ましくは2〜50時間攪拌する。反応温度は−30〜100℃、好ましくは−10〜50℃で行うとよい。テトラカルボン酸二無水物とジアミンの反応比率はモル比で1:0.8〜1.2が好ましく、高重合度のものが得られる点で1:1に近いほど好ましい。溶液中の全モノマー濃度は、1〜50重量%、好ましくは5〜30重量%である。
本発明のポリイミドは、上記のようにして得られるポリイミド前駆体をさらにイミド化することにより得ることができる。イミド化には、一般に高温加熱によりイミド化させる方法と、脱水環化剤を用いて化学的にイミド化させる方法があるが、本発明のポリイミドはいずれの方法を用いても製造することができる。化学的にイミド化させる場合は、上記で得られたポリイミド前駆体溶液にピリジン、ピコリン、トリエチルアミン、N,N−ジメチルアニリン等の3級アミン触媒と共に、無水酢酸、無水マレイン酸、無水フタル酸等の有機酸無水物を添加し、20〜100℃で1〜24時間攪拌することによって、目的のポリイミドを得ることができる。有機酸無水物の使用量は、ポリイミド前駆体の理論脱水量の1〜10倍が好ましい。また、3級アミン触媒の使用量は有機酸無水物に対して、0.1〜2倍量が好ましい。さらにこのようにして得られたポリイミドは、大量の貧溶媒中へ沈殿させて、洗浄することにより単離することも可能である。
合成したアミド基含有脂環式テトラカルボン酸二無水物の分子構造は、日本電子データム社製NMR分光高度計(JNM−AL300)を用い、重水素化ジメチルスルホキシドに溶解して、1H−NMRを測定することにより確認した。
合成したポリイミドの還元粘度は、オストワルド粘度計を用いて30℃で測定した。測定試料は、N,N−ジメチルアセトアミドで0.5重量%に調製した溶液を用いた。
日立製作所製分光光度計(U−3310)を用いて、400nmにおける光透過率を測定した。
窒素置換した100mL四口フラスコへ1,2,4−シクロヘキサントリカルボン酸−1,2−無水物4−クロリド7.5g(34.6mmol)とシクロヘキサノン7.5gを加え溶解させ、A液とした。次に別の容器へ2,2’−ビス(トリフルオロメチル)−4,4’−ジアミノビフェニル5.3g(16.5mmol)、シクロヘキサノン26.4g、アリルグリシジルエーテル11.3g(99.0mmol)を加え溶解させ、B液とした。次にA液を0〜5℃へ冷却し、5℃を超えないようにB液をA液へゆっくり滴下した。4時間攪拌後、反応液をトルエン263gへ投入し、沈殿物を濾別した。これをトルエンで洗浄後、80℃で12時間真空乾燥して白色粉末を得た(収率56%)。図1に示す1H−NMRスペクトルより、得られた生成物は下記式(4)で表されるアミド基含有脂環式テトラカルボン酸二無水物であることを確認した。
窒素置換した100mL四口フラスコへ1,2,4−シクロヘキサントリカルボン酸−1,2−無水物4−クロリド10.0g(46.2mmol)とシクロヘキサノン10.0gを加え溶解させ、A液とした。次に別の容器へ4,4’−ジアミノジフェニルスルフォン5.46g(22.0mmol)、シクロヘキサノン75.1g、アリルグリシジルエーテル15.1g(132mmol)を加え溶解させ、B液とした。次にA液を0〜5℃へ冷却し、5℃を超えないようにB液をA液へゆっくり滴下した。4時間攪拌後、反応液を外温65℃で減圧濃縮し、66.3gとした。この濃縮液をトルエン150.0gへ投入し、沈殿物を濾別した。これをトルエンで洗浄後、90℃で14時間真空乾燥して白色粉末を得た(収率95%)。図2に示す1H−NMRスペクトルより、得られた生成物は下記式(5)で表されるアミド基含有脂環式テトラカルボン酸二無水物であることを確認した。
十分に乾燥させた攪拌機付き密閉反応容器へ4,4’−ジアミノジフェニルエーテル7.4mmolを仕込み、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を加えて溶解させた。この溶液へ実施例1で合成したアミド基含有脂環式テトラカルボン酸二無水物7.4mmolを加えた。この時の全モノマー濃度が16%濃度となるよう、先に加えたN,N−ジメチルアセトアミドの量を調節した。重合反応の進行により反応溶液の粘度が急激に増加し攪拌が困難となったため、十分な混合状態を維持できるよう同一溶媒で適宜希釈し、最終的に9.9重量%まで徐々に希釈した。室温で20時間攪拌し、透明かつ均一で粘稠なポリイミド前駆体溶液を得た。
引き続き、理論脱水量の2倍モルとなる無水酢酸と理論脱水量の1倍モルとなるピリジンを投入し室温で12時間攪拌して化学イミド化を行った。これを大量のメタノールに滴下して析出した固体を単離した。再度メタノールで洗浄後、乾燥して目的とするポリイミドを白色粉末として得た。得られたポリイミドの還元粘度は1.4dL/gであった。
上記で得られたポリイミド粉末をガンマブチロラクトンに溶解してポリイミドワニスとし、ガラス板上に塗布した。このガラス板を大気雰囲気下80℃で20分間乾燥させた。その後、基板から膜を剥がして窒素雰囲気下段階的に昇温させ、最終的に250℃で1時間乾燥させ、無色透明のポリイミド膜(膜厚24μm)を得た。
十分に乾燥させた攪拌機付き密閉反応容器へ4,4’−ジアミノジフェニルエーテル8.22mmolを仕込み、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を加えて溶解させた。この溶液へ実施例2で合成したアミド基含有脂環式テトラカルボン酸二無水物8.22mmolを加えた。この時の全モノマー濃度が20%濃度となるよう、先に加えたN,N−ジメチルアセトアミドの量を調節した。室温で23時間攪拌し、透明かつ均一で粘稠なポリイミド前駆体溶液を得た。
引き続き、理論脱水量の2倍モルとなる無水酢酸と理論脱水量の1倍モルとなるピリジンを投入し室温で21時間攪拌して化学イミド化を行った。これを大量のメタノールに滴下して析出した固体を単離した。再度メタノールで洗浄後、乾燥して目的とするポリイミドを白色粉末として得た。得られたポリイミドの還元粘度は0.32dL/gであった。
上記で得られたポリイミド粉末をガンマブチロラクトンに溶解してポリイミドワニスとし、ガラス板上に塗布した。このガラス板を大気雰囲気下80℃で20分間乾燥させた。その後、基板から膜を剥がして窒素雰囲気下段階的に昇温させ、最終的に250℃で1時間乾燥させ、無色透明のポリイミド膜(膜厚33μm)を得た。
アミド基含有脂環式テトラカルボン酸二無水物として、下記式(6)で表されるアミド基含有脂環式テトラカルボン酸二無水物を用いた以外は実施例3に記載した方法に従って、ポリイミドの合成及びポリイミド膜の作製を行った。
アミド基含有脂環式テトラカルボン酸二無水物として、下記式(7)で表されるアミド基含有脂環式テトラカルボン酸二無水物を用いた以外は実施例3に記載した方法に従って、ポリイミドの合成及びポリイミド膜の作製を行った。
アミド基含有脂環式テトラカルボン酸二無水物として、下記式(8)で表されるアミド基含有脂環式テトラカルボン酸二無水物を用いた以外は実施例3に記載した方法に従って、ポリイミドの合成及びポリイミド膜の作製を行った。
実施例3、4及び比較例1〜3で得られたポリイミドは、N−メチル−2−ピロリドン、ガンマブチロラクトン、N,N,−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミドへそれぞれ20重量%以上溶解し、非プロトン性有機溶媒への高い溶解性を示した。
実施例3、4及び比較例1〜3で得られたポリイミド膜について、波長400nmでの光線透過率(T)を測定した。また、該ポリイミド膜を大気雰囲気下250℃に30分間晒したものについても、同様に測定を行った。結果を表1に示した。
Claims (12)
- H 2 N−A−NH 2 で表される芳香族ジアミンと1,2,4−シクロヘキサントリカルボン酸−1,2−無水物から誘導される下記一般式(1)で表されるアミド基含有テトラカルボン酸二無水物において、一般式(1)のAが下記の構造(X群)から選ばれることを特徴とするアミド基含有テトラカルボン酸二無水物。
- R1〜R8が、水素原子又はトリフルオロメチル基である請求項1に記載のアミド基含有テトラカルボン酸二無水物。
- R1〜R4のうち一つがトリフルオロメチル基であり、かつ、R5〜R8のうち一つがトリフルオロメチル基である請求項2に記載のアミド基含有テトラカルボン酸二無水物。
- Zがスルフォン基である請求項4に記載のアミド基含有テトラカルボン酸二無水物。
- 波長400nmにおける光線透過率が80%以上であり、大気中で250℃に30分間晒した後も波長400nmにおける光線透過率が75%以上である請求項7に記載のポリイミド。
- 非プロトン性有機溶媒に5重量%以上溶解する請求項7又は8に記載のポリイミド。
- 請求項7〜9のいずれかに記載のポリイミドを少なくとも一部に含有して成るディスプレー用透明プラスチック基板。
- 請求項7〜9のいずれかに記載のポリイミドを少なくとも一部に含有して成る太陽電池用透明プラスチック基板。
- 請求項7〜9のいずれかに記載のポリイミドを少なくとも一部に含有して成る照明用透明プラスチック基板。
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