JP5903788B2 - 2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物粉末の精製方法、粉末、及びそれを用いたポリイミド - Google Patents
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Description
特許文献1には、製造工程が簡略化され、高収率で2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸が得られる製造方法及び、それを用いたポリイミド樹脂が開示されている。
特許文献2には、無水酢酸を用い、2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸を無水化し、2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物を得る方法が開示されている。
ここに記載されているのは、2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸及び、2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物の合成方法であって、着色の低減を目指した2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物の精製方法については記載も示唆もなかった。
特許文献2には、無水酢酸や、加熱により2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物を得る方法が記載されているが、2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物の精製方法や、その着色については記載されていない。
すなわち本発明は、簡単な操作によって容易に着色の少ない2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物粉末を得る精製方法、着色の少ない2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物粉末、及びそれを用いた光透過性が改良されたポリイミドを提供することを目的とする。
2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸の合成方法としては、a)非特許文献1記載の銅粉存在下、高温に加熱してカップリング反応を行う、いわゆるウルマン反応を用いる製造方法や、b)特許文献1記載のジアルキルベンゼンモノニトロ化合物を出発原料として、還元反応と、ベンジジン転位反応と、脱アミノ化反応と、酸化反応とを順次おこなう製造方法や、c)特許文献2記載の2−ジメチル−3−クロロベンゼンを出発原料として、カップリング反応と、酸化反応とを順次おこなう製造方法が好適である。
(1)溶剤と、i−BPDA粉末を、少なくとも一部のi−BPDA粉末が溶解していない不均一な状態で混合し、次いで混合液から未溶解のi−BPDA粉末を分離回収する精製方法、
(2)酸無水物を含む溶液で再結晶する精製方法、
(3)加熱減圧下で昇華する精製方法
など、いずれかの精製工程を含むことが好ましい。また、これらの方法を複数繰り返すことや、組み合わせて精製することもできる。また、精製前のi−BPDAの純度としては、90%以上、好ましくは95%以上、より好ましくは98%以上である。90%未満では、これらの精製工程で十分に着色を取り除くことができないことがある。
例えば、ジアミノブタン、ジアミノペンタン、ジアミノヘキサン、ジアミノヘプタン、ジアミノオクタン、ジアミノノナン、ジアミノデカン、ジアミノウンデカン、ジアミノドデカンなどの直鎖状および分枝状の脂肪族ジアミン、1,4−ジアミノシクロヘキサン、1,3−ジアミノシクロヘキサン、1,2−ジアミノシクロヘキサン、3−メチル−1,4−ジアミノシクロヘキサン、3−メチル−、3−アミノメチル−、5,5−ジメチルシクロヘキシルアミン、1,3−ビスアミノメチルシクロヘキサン、ビス(4,4′−アミノシクロヘキシル)メタン、ビス(3,3′−メチル−4,4′−アミノシクロヘキシル)メタン、ビス(アミノメチル)ノルボルナン、ビス(アミノメチル)−トリシクロ〔5,2,1,0〕デカン、イソホロンジアミン、1,3−ジアミノアダマンタンなどの脂環構造を有するジアミン、
3,5−ジアミノベンゾトリフルオライド、2−(トリフルオロメチル)−1,4−フェニレンジアミン、 5−(トリフルオロメチル)−1,3−フェニレンジアミン、1,3 −ジアミノ−2,4,5,6−テトラフルオロベンゼン、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(3−アミノフェニル)1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン、2,2’−ビス−(4−アミノフェニル)−ヘキサフルオロプロパン、4,4−ビス(トリフルオロメトキシ)ベンジジン、3,3’−ジアミノ−5,5’−トリフルオロメチルビフェニル、3,3’−ジアミノ−6,6’−トリフルオロメチルビフェニル、3,3’−ビス(トリフルオロメチル)ベンジジン;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、4,4’−トリフルオロメチル−2,2’− ジアミノビフェニル、2,2’−ビス(トリフルオロメチル)−4,4’−ジアミノビフェニル、3,3−ジクロロ−4,4’−ジアミノビフェニル、2,2’,5,5’−ジクロロ−4,4’−ジアミノビフェニル、4,4’−メチレン−ビス(2−クロロアニリン)などのハロゲン基を有する芳香族ジアミン、
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、4−アミノフェニルー4−アミノベンゾエート、テレフタル酸ビス(4−アミノフェニル)エステル、ビフェニル−4,4’−ジカルボン酸ビス(4−アミノフェニル)1,4−ビス(4−アミノベンゾイルオキシ)ベンゼン、1,3−ビス(4−アミノベンゾイルオキシ)ベンゼン、4,4’−ジアミノベンズアニライド、N,N−ビス(4−アミノフェニル)テレフタルアミド、N,N’−p−フェニレンビス(p−アミノベンズアミド)、N,N’−m−フェニレンビス(p−アミノベンズアミド)などのカルボニル基を有する芳香族ジアミン、
3,3’−ジアミノジフェニルスルホン、3,4’−ジアミノジフェニルスルホン、4,4’−ジアミノジフェニルスルホン、3、3’−ジアミノー4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホン、O−トリジンスルホン、ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]スルホン、ビス[4−(3−アミノフェノキシ)フェニル]スルホンなどのスルホニル基を有する芳香族ジアミンが好ましく
1,4−ジアミノシクロヘキサン、ビス(4,4′−アミノシクロヘキシル)メタン、2,2’−ビス(トリフルオロメチル)−4,4’−ジアミノビフェニル、4,4’−ジアミノジフェニルスルホンを用いて得られるポリイミドは、透明性、耐熱性に優れるためより好ましく、トランス−1,4−ジアミノシクロヘキサンは、さらに熱線膨張係数が低いため特に好ましい。
有機溶剤にジアミンを溶解し、この溶液に攪拌しながら、テトラカルボン酸二無水物を徐々に添加し、0〜100℃の範囲で1〜72時間攪拌することで、ポリイミド前駆体が得られる。
あらかじめ、ジアミンとシリル化剤を反応させ、シリル化されたジアミンを得え(必要に応じて、蒸留等によりシリル化されたジアミンの精製をおこなう。)、脱水された溶剤中にシリル化されたジアミンを溶解させておき、攪拌しながら、テトラカルボン酸二無水物を徐々に添加し、0〜100℃の範囲で1〜72時間攪拌することで、ポリイミド前駆体が得られる。ここで用いるシリル化剤として、塩素を含有しないシリル化剤を用いることは、シリル化されたジアミンを精製する必要がないため、好適である。塩素原子を含まないシリル化剤としては、N,O-ビス(トリメチルシリル)トリフルオロアセトアミド、N,O-ビス(トリメチルシリル)アセトアミド、ヘキサメチルジシラザンが挙げられる。フッ素原子を含まず低コストであることから、N,O-ビス(トリメチルシリル)アセトアミド、ヘキサメチルジシラザンが好ましい。また、ジアミンのシリル化反応には、反応を促進するために、ピリジン、ピペリジン、トリエチルアミンなどのアミン系触媒を用いることができる。この触媒はポリイミド前駆体の重合触媒として、そのまま使用することができる。
例えばセラミック(ガラス、シリコン、アルミナ)、金属(銅、アルミニウム、ステンレス)、耐熱プラスチックフィルム(ポリイミド)などの基板に、本発明のポリイミド前駆体溶液組成物を流延し、真空中、窒素等の不活性ガス中、あるいは空気中で、熱風もしくは赤外線を用い、20〜180℃、好ましくは20〜150℃で乾燥する。次に得られたポリイミド前駆体を基板上で、もしくはポリイミド前駆体(フィルム)を剥離し、そのフィルム端部を固定した状態で、真空中、窒素等の不活性ガス中、あるいは空気中で、熱風もしくは赤外線を用い、200〜500℃、より好ましくは250〜450℃で加熱することでポリイミド/基板積層体、もしくはポリイミドフィルムを製造することができる。得られるポリイミドが酸化劣化するのを防ぐため、イミド化は真空中あるいは不活性ガス中で行うことが望ましい。イミド化温度が高すぎなければ空気中で行なっても差し支えない。
2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(i−BPDA):CHANGZHOU WEIJIA CHEMICAL株式会社製 純度 99.9%(開環後した2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸のHPLC分析で求めた純度)、酸無水化率 99%
3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(s−BPDA):宇部興産株式会社製 純度99.9%(開環後した3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸のHPLC分析で求めた純度)、酸無水化率 99.8%に同質量のN−メチル−2−ピロリドンを加え室温下3時間攪拌後、溶け残った粉末を回収し、真空乾燥させたものを用いた。
2N 水酸化ナトリウム水溶液:東京化成株式会社製 水酸化ナトリウム水溶液
トランス−1,4−ジアミノシクロヘキサン(t−DACH):ZHEJIANG TAIZHOU QINGQUAN MEDICAL & CHEMICAL株式会社製 純度 99.1%(GC分析)を昇華精製したものを使用
1,4−ビス(4−アミノベンゾイルオキシ)ベンゼン(BABB):三國製薬工業株式会社製を、活性炭処理後、昇華精製したものを使用
ガラス製容器に純度99.9%、酸無水化率99%のi−BPDA粉末 5.0g、溶剤 50.0gを仕込み、25℃で3時間、十分に攪拌した。溶け残ったi−BPDAをアドバンテック製ろ紙5Aを用いろ別し、i−BPDA飽和溶液を得た。i−BPDA飽和溶液5gをアルミ製シャーレに入れ、80℃で1時間、200℃で1時間加熱した。加熱後残分より飽和溶液中に含まれていたi−BPDAの質量を求め、溶解度を算出した。
[光透過率]
所定量のi−BPDA粉末を2N水酸化ナトリウム水溶液に溶解し、10質量%溶液を得た。大塚電子製MCPD−300、光路長1cmの標準セルを用いて、2N水酸化ナトリウム水溶液をブランクとし、i−BPDA溶液の400nmにおける光透過率を測定した。
[対数粘度]
0.5g/dLのポリイミド前駆体 N,N−ジメチルアセトアミド溶液を、ウベローデ粘度計を用いて、30℃で測定した。
[光透過率]
10質量%のポリイミド前駆体/N,N−ジメチルアセトアミド溶液を、大塚電子製MCPD−300を用いて、光路長1cmの標準セルで測定した。N,N−ジメチルアセトアミドをブランクとし、10質量%のポリイミド前駆体/N,N−ジメチルアセトアミド溶液の400nmにおける光透過率を求めた。
[光透過率]
大塚電子製MCPD−300を用いて、膜厚約10μmのポリイミド膜の400nmにおける光透過率を測定した。
[弾性率、破断伸度]
ポリイミド膜をIEC450規格のダンベル形状に打ち抜いて試験片とし、ORIENTEC社製TENSILONを用いて、チャック間 30mm、引張速度 2mm/minで、初期の弾性率、破断伸度を測定した。
[熱膨張係数(CTE)]
ポリイミド膜を幅4mmの短冊状に切り取って試験片とし、島津製作所製TMA−50を用い、チャック間長15mm、荷重2g、昇温速度20℃/minで300℃まで昇温した。得られたTMA曲線から、50℃から200℃までの平均熱膨張係数を求めた。
ガラス製容器にi−BPDA 10.0g、溶媒としてジメチルスルホキシド 10.0gを仕込み、25℃で3時間、十分に攪拌した。溶液をろ別し、得られた固体を100℃ 2時間真空乾燥し、着色が低減されたi−BPDAを得た。この方法で得られたi−BPDAの光透過率の結果を表1に示す。
溶媒を表1記載の溶剤へ変更した以外は、実施例1と同様にして着色が低減されたi−BPDAを得た。この方法で得られたi−BPDAの光透過率の結果を表1に示す。
ガラス製容器にi−BPDA 10.0g、無水酢酸 150gを仕込み、窒素気流下、加熱還流し溶解した。溶解後すぐに攪拌しながら25℃まで冷却し、結晶を析出させた。溶液をろ別し、得られた粉末を100℃ 2時間真空乾燥した。収量は、7.9gであった。この方法で得られたi−BPDAの光透過率の結果を表1に示す。
ガラス製容器にi−BPDA 5.0g、無水酢酸 75gを仕込み、窒素気流下、130℃に加熱し溶解した。溶解後、活性炭(Norit SXプラス) 0.05gを加え、30分攪拌した。活性炭をろ過で取り除き、ろ液を攪拌しながら25℃まで冷却した。得られた粉末を100℃ 2時間真空乾燥した。収量は、4.1gであった。この方法で得られたi−BPDAの光透過率の結果を表1に示す。
ガラス製昇華装置に実施例6と同様の方法で得たi−BPDA 10.0gを仕込み、1Torr以下に減圧した。i−BPDAが接している壁面の温度を230〜250℃に加熱し、25℃の冷却水を通したガラス面に昇華物を得た。収量は、8.8gであった。この方法で得られたi−BPDAの光透過率の結果を表1に示す。
ガラス製昇華装置に実施例6と同様の方法で得たi−BPDA 10.0gを仕込み、1Torr以下に減圧した。i−BPDAが接している壁面の温度を300〜320℃に加熱し、25℃の冷却水を通したガラス面に昇華物を得た。収量は、8.4gであった。この方法で得られたi−BPDAの光透過率の結果を表1に示す。
精製等の処理をおこなわないi−BPDAの光透過率を表1に示す。
溶媒を表1記載の溶剤へ変更した以外は、実施例1と同様にしてi−BPDAを得た。この方法で得られたi−BPDAの光透過率の結果を表1に示す。
ガラス製容器にi−BPDA 5.0g、無水酢酸 75gを仕込み、空気雰囲気下、3時間加熱還流した。溶解後25℃まで冷却し結晶を析出させた。溶液をろ別し、得られた粉末を100℃ 2時間真空乾燥した。収量は、3.6gであった。この方法で得られたi−BPDAの光透過率の結果を表1に示す。
反応容器中に昇華精製したトランス−1,4−ジアミノシクロヘキサン(t−DACH) 1.40g(0.0122モル)を入れ、モレキュラーシーブを用いて脱水したN,N−ジメチルアセトアミド 28.4gに溶解した。この溶液を50℃に加熱し、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(s−BPDA) 3.25g(0.0110モル)と、実施例3で得られたi−BPDA 0.36g(0.0012モル)とを徐々に加えた。50℃で6時間撹拌し、均一で粘稠なポリイミド前駆体溶液を得た。
反応容器に、活性炭処理後、昇華精製した1,4−ビス(4−アミノベンゾイルオキシ)ベンゼン(BABB) 3.48g(0.01モル)、モレキュラーシーブを用い脱水したN,N−ジメチルアセトアミド 36.41gを加え、50℃、窒素気流下で溶解した。この溶液に実施例3で得られたi−BPDA 2.94g(0.01モル)を徐々に加え、50℃で12時間撹拌し、均一で粘稠なポリイミド前駆体溶液を得た。
i−BPDAとして、未精製のi−BPDAを用いた以外は、実施例9と同様の方法で、ポリイミドフィルムを得た。このフィルムの特性を測定した結果を表2に示す。
Claims (14)
- 溶媒の2規定の水酸化ナトリウム水溶液に10質量%の濃度で溶解した溶液に対する波長400nm、光路長1cmの光透過率が80%以上であることを特徴とする2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物粉末。
- 波長400nm、光路長1cmの光透過率が90%以上であることを特徴とする請求項1に記載の2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物粉末。
- 溶剤と、2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物粉末を、少なくとも一部の2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物粉末が溶解していない不均一な状態で混合し、次いで混合液から未溶解の2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物粉末を分離回収することを特徴とする2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物粉末の精製方法。
- 溶剤が、アルコール系溶剤、ケトン系溶剤、エステル系溶剤、エーテル系溶剤、ニトリル系溶剤、アミド系溶剤、スルホン系溶剤、カーボネート溶剤、フェノール系溶剤、水、の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項3記載の2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物粉末の精製方法。
- 25℃の2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物の溶解度が、0.5g/100g以上である溶剤を用いることを特徴とする請求項3又は4に記載の2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物粉末の精製方法。
- 25℃の2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物の溶解度が、3g/100g〜20g/100gである溶剤を用いることを特徴とする請求項3又は4に記載の2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物粉末の精製方法。
- 溶剤が、ジメチルスルホキシド、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルー2−ピロリドンおよびN−エチル−2−ピロリドンからなる群より選ばれることを特徴とする請求項3〜6のいずれかに記載の2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物粉末の精製方法。
- 2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物を含む粉末を、不活性雰囲気下、酸無水物を含む溶液で、再結晶することを特徴とする2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物粉末の精製方法。
- 2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物を含む粉末を150℃〜350℃に加熱し、50Torr以下の減圧下で、昇華することにより、溶媒の2規定の水酸化ナトリウム水溶液に10質量%の濃度で溶解した溶液に対する波長400nm、光路長1cmの光透過率が80%以上である2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物を得ること特徴とする2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物粉末の精製方法。
- 原料として、請求項1又は2に記載の2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物粉末を用いることを特徴とする、フィルムにしたときの光透過率が改良されたポリイミドの製造方法。
- 前記ポリイミドの、膜厚10μmのフィルムにしたときの400nmにおける光透過率が80%以上であることを特徴とする請求項10に記載のポリイミドの製造方法。
- 前記の分離回収後に、溶媒の2規定の水酸化ナトリウム水溶液に10質量%の濃度で溶解した溶液に対する波長400nm、光路長1cmの光透過率が80%以上である2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物粉末を得ることを特徴とする請求項3〜7のいずれかに記載の2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物粉末の精製方法。
- 前記の再結晶後に、溶媒の2規定の水酸化ナトリウム水溶液に10質量%の濃度で溶解した溶液に対する波長400nm、光路長1cmの光透過率が80%以上である2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物粉末を得ることを特徴とする請求項8に記載の2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物粉末の精製方法。
- 請求項3〜9、12および13のいずれかに記載の精製方法を一工程として有する2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物の製造方法。
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