以下、本実施形態を実施するための形態(以下、単に「本実施形態」という。)について詳細に説明する。尚、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
<硬化剤・マイクロカプセル型硬化剤>
本実施形態の硬化剤は、一般式(1)および/または一般式(2)で示される化合物を含む。
(式中、R
1〜R
3は、それぞれ独立に、水素原子、置換されていてもよい炭素数1〜18のアルキル基または置換されていてもよい炭素数1〜18のアリール基を示す。R
4〜R
11のうち少なくとも1つは、置換されていてもよい炭素数1〜8のアルキル基または置換されていてもよい炭素数1〜8のアリール基を示す。nは、それぞれ独立に、0〜10である。)
本実施形態の硬化剤は、主成分として、一般式(1)および/または一般式(2)で示される化合物を含むことが好ましい。より具体的には、硬化剤中に一般式(1)および/または一般式(2)で示される化合物を総量で51〜100質量%含むことが好ましく、60〜99質量%含むことがより好ましく、70〜98質量%含むことが更に好ましく、80〜97質量%含むことがより更に好ましい。上記範囲とすることで、低温硬化性、耐溶剤性および貯蔵安定性を十分に発現することができる。
上記硬化剤は、低温硬化性、耐溶剤性および貯蔵安定性に優れる。その作用機構は定かではないが、以下のように推測される。一般式(1)や一般式(2)で表される化合物は、その中心にあるエポキシ樹脂骨格が、エポキシ樹脂骨格として一般的に用いられているbisA型エポキシ樹脂やbisFエポキシ樹脂等よりも低極性である。そのため、例えば、低極性であるフェノキシ樹脂への相溶性が向上する。つまり、フェノキシ樹脂を含有する異方性導電フィルム(以下単に、「ACF(Anisotropic Conductive Film)」ともいう。)組成物への相溶性が向上する。近年の産業上の要求を満たすために、より低温での圧着が好まれているACFは、圧着中にACF組成物が溶融して硬化剤と混合される。一般式(1)および/または一般式(2)で示される化合物はその末端にイミダゾール骨格を有するため、これらを含有する硬化剤から得られるマスターバッチ型硬化剤組成物は、アニオン重合で硬化することとなり、硬化反応は触媒的に速やかに進行する。その結果、ACF組成物への硬化剤の相溶性を高めて、圧着下(加熱下)での組成物の溶融と混合が容易となり、より低温での硬化が可能となる。また、一般式(1)や一般式(2)で表される化合物は、bisA型エポキシ樹脂やbisFエポキシ樹脂がエポキシ樹脂骨格である化合物等よりも低分子であるため、後にシェルを形成する際に反応点が増えることとなり、より緻密なシェルを得ることになる。その結果、ACFを作製する際に使用する溶剤の硬化剤へのしみ込みが減少し、また硬化剤のACF組成物への溶け出しが少なくなるため、耐溶剤性および貯蔵安定性に優れる(但し、作用機構はこれに限定されない。)。なお、ここではACFを用いる場合を中心に説明したが、例えば、NCF(Non Conductive Film)、封止材、接着剤、プレプリグ等の他の部材を用いる場合であっても優れた効果が得られる。
一般式(1)および/または一般式(2)で示される化合物の置換基おいて、R1〜R3は、それぞれ独立に、水素原子、置換されていてもよい炭素数1〜18のアルキル基または置換されていてもよい炭素数1〜18のアリール基を示す。炭素数1〜18のアルキル基の「アルキル基」は、好ましくは炭素数が1〜12の、より好ましくは炭素数が1〜6の、直鎖状または分岐鎖状のアルキル基を示す。
炭素数が1〜6の、直鎖状または分岐鎖状のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、フェニル基、ウンデシル基、ヘプタデシル基等が挙げられ、低温硬化性の観点から水素原子、メチル基、エチル基が好ましい。これらの中でも、低温硬化性の観点から、R3がメチル基、フェニル基、ウンデシル基、ヘプタデシル基であることが好ましく、メチル基であることがより好ましい。また、低温硬化性の観点から、R1および/またはR2がプロピル基、エチル基、水素原子であることが好ましく、水素原子であることがより好ましい。
R1〜R3としてこれらの置換基が好ましい理由としては、下記のように考えられる。硬化反応の際に、イミダゾール構造中の3級アミンにエポキシ基が付加し、中間体であるツヴィッターイオンが形成し、このツヴィッターイオンによりアニオン重合が進むと考えられているが、中でも上記のR1〜R3であれば、ツヴィッターイオンを形成する温度が比較的低温であり、かつツヴィッターイオンが形成した際のイミダゾールの5員環が電子的に安定であり硬化反応が進みやすい。また、イミダゾールの立体障害が少なく、エポキシ基との反応がしやすいために硬化反応が進みやすくなる(但し、本実施形態の作用はこれに限定されない。)。
一般式(1)および/または一般式(2)にイミダゾール構造を付与するためにイミダゾール化合物を用いることができる。かかるイミダゾール化合物としては、例えば、イミダゾール、1−メチルイミダゾール、2−メチルイミダゾール、1,2−ジメチルイミダゾール、4−メチルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾール、2−エチルイミダゾール、2−ブチルイミダゾール、1−ビニルイミダゾール、2−メチル−1−ビニルイミダゾール、1−アリルイミダゾール、2−ウンデシルイミダゾール、2−ヘプタデシルイミダゾール、2−フェニルイミダゾール、2−フェニル−4−メチルイミダゾール、4−フォルミルイミダゾール、2−ブチル−4−フォルミルイミダゾール、2−ブチル−4−ヒドロキシメチルイミダゾール、2−ブチル−4−クロロ−5−フォルミルイミダゾール、2−ヒドロキシメチルイミダゾール、1−(2−ヒドロキシエチル)−イミダゾール、1−(2−ヒドロキシエチル)−2−メチルイミダゾール、2−ヒドロキシメチル−1−ベンジルイミダゾール、4−ヒドロキシメチル−2−メチルイミダゾール、4−フォルミル−1−メチルイミダゾール、5−フォルミル−1−メチルイミダゾール、4−フォルミル−5−メチルイミダゾール、4−フォルミル−1−トリチルイミダゾール、4−カルボキシメチルイミダゾール、4−カルボキシエチルイミダゾール、4−カルボン酸イミダゾール、2−アミノイミダゾール硫酸塩、1−ベンジル−2−メチルイミダゾール、1−ベンジル−2−フェニルイミダゾール、1−ベンジル−2−フォルミルイミダゾール、1−ベンジル−5−ヒドロキシメチルイミダゾール、1−ベンジル−5−ヒドロキシメチルイミダゾール、1−シアノエチル−2−メチルイミダゾール、1−シアノエチル−2−ウンデシルイミダゾール、1−シアノエチル−2−エチルイミダゾール4−メチルイミダゾール、1−シアノエチル−2−フェニルイミダゾール、2−フェニル−4,5−ジヒドロキシメチルイミダゾール、2−フェニル−4−メチル−ヒドロキシメチルイミダゾール、2,3−ジヒドロ−1H−ピロロ[1,2−a]ベンズイミダゾール、1−アミノエチル−2−メチルイミダゾール、1−(2−ヒドロキシ−3−フェノキシプロピル)−2−メチルイミダゾール、1−(2−ヒドロキシ−3−フェノキシプロピル)−2−エチル−4−メチルイミダゾール、1−(2−ヒドロキシ−3−ブトキシプロピル)−2−メチルイミダゾール等が挙げられる。これらの中でも、硬化開始までの活性化エネルギーが低く低温硬化性に優れるという観点から、2−メチルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾール、2−エチルイミダゾールが好ましく、さらに単位重量あたりの活性点数が最も多くなるため、2−メチルイミダゾールがより好ましい。
一般式(1)および/または一般式(2)で示される化合物の置換基おいて、R4〜R11のうち少なくとも1つは、置換されていてもよい炭素数1〜8のアルキル基または置換されていてもよい炭素数1〜12のアリール基を示す。アルキル基としては、直鎖状または分岐鎖状のアルキル基を示す。例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基等が挙げられ、アリール基としては、フェニル基、ナフチル基、ベンジル基、トリル基、キシリル基等が挙げられる。これらの中でも、低温硬化性の観点から、一般式(1)のR4〜R7の少なくとも1つおよび/または一般式(2)のR8〜R11の少なくとも1つが、メチル基、tert−ブチル基、オクチル基またはフェニル基であることが好ましく、より好ましくは、メチル基またはtert−ブチル基であることが好ましく、更に好ましくは、分子の嵩高さと吸水率を低下させ、低温硬化性を得るという観点から、tert−ブチル基であることがより更に好ましい。さらに、一般式(1)のR4〜R7の少なくとも1つおよび/または一般式(2)のR8〜R11の1つのみが、tert−ブチル基であることが一層好ましい。これらの置換基であれば、一般式(1)および/または一般式(2)で示される化合物とACF組成物等との親和性が良好な傾向となり、それらの混合均一性、またフィルム均一性が向上する。また、一般式(1)および/または一般式(2)におけるtert−ブチル基の合計数は2つ以下であることが好ましく、結晶性が低下、すなわち軟化点が低下して低温硬化性が向上する観点から、1つであることがより好ましい。
上述したR4〜R11で示される、置換されていてもよい炭素数1〜8のアルキル基および炭素数1〜12のアリール基は、置換可能な位置に、1または2以上の置換基で置換されていてもよい。かかる置換基としては、ハロゲン原子(例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子)、炭素数1〜8のアルキル基(例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基)、アリール基(例えば、フェニル基、ナフチル基)、アラルキル基(例えば、ベンジル基、フェネチル基)、アルコキシ基(例えば、メトキシ基、エトキシ基)等が挙げられる。この場合、炭素数が2以上であることによりガラス転移温度が高くなり、吸湿率を低く抑えることができるため、硬化剤の貯蔵安定性および低温硬化性を向上させることができる。さらに、硬化剤の融点と結晶性が高くなることを抑え、溶媒等に対する良溶解性を維持することができ、取扱いが良好となる。また、炭素数が6以下であることにより、ガラス転移温度等で評価される耐熱性の低下を抑えることができる。したがって、R4〜R11は炭素数2〜6のアルキル基であることが好ましく、炭素数3〜5のアルキル基であることがより好ましく、ACF組成物等との親和性の観点から、炭素数4のアルキル基であることが更に好ましい。
一般式(1)および一般式(2)のnは、それぞれ独立に、0〜10である。低温硬化性の観点から、一般式(1)および一般式(2)のいずれのnも、好ましくは1〜5であり、より好ましくは1〜3であり、更に好ましくは1である。
本実施形態に係る硬化剤は、立体障害が少なく低温硬化性に優れる観点から、一般式(1)で示される化合物を含むことが好ましい。一般式(1)の前駆体であるヒドロキノン類としては、メチルヒドロキノン、エチルヒドロキノン、プロピルヒドロキノン、イソプロピルヒドロキノン、ブチルヒドロキノン、イソブチルヒドロキノン、sec−ブチルヒドロキノン、tert−ブチルヒドロキノン、ペンチルヒドロキノン、ヘキシルヒドロキノン、オクチルヒドロキノン、2,5−ジメチルヒドロキノン、2,4−ジメチルヒドロキノン、2,6−ジメチルヒドロキノン、トリメチルヒドロキノン、テトラメチルヒドロキノン、2,5−ジ−tert−ブチルヒドロキノン、2,4−ジ−tert−ブチルヒドロキノン、2,6−ジ−tert−ブチルヒドロキノン、2,5−ジ−オクチルヒドロキノン、2,4−ジ−オクチルヒドロキノン、2,6−ジ−オクチルヒドロキノン、2−メチル−3−tert−ブチルヒドロキノン、2−メチル−4−tert−ブチルヒドロキノン、2−メチル−5−tert−ブチルヒドロキノン、2−メチル−3−オクチルヒドロキノン、2−メチル−4−オクチルヒドロキノン、2−メチル−5−オクチルヒドロキノン、2−オクチル−3−tert−ブチルヒドロキノン、2−オクチル−4−tert−ブチルヒドロキノン、2−オクチル−5−tert−ブチルヒドロキノン等が挙げられ、軟化点および溶融粘度の観点からヒドロキノン、モノメチルヒドロキノン、tert−ブチルヒドロキノン、2,3−ジ−tert−ブチルヒドロキノン、2,4−ジ−tert−ブチルヒドロキノン、2,6−ジ−tert−ブチルヒドロキノン、2,3−ジメチルヒドロキノン、2,4−ジメチルヒドロキノン、2,6−ジメチルヒドロキノン、トリメチルヒドロキノン、テトラメチルヒドロキノン、2−オクチル−5−メチルヒドロキノン、オクチルヒドロキノン、2−メチル−5−tert−ブチルヒドロキノン、2−メチル−3−tert−ブチルヒドロキノン、2−メチル−6−tert−ブチルヒドロキノンが好ましく、低温硬化性の観点からtert−ブチルヒドロキノン、2,5−ジメチルヒドロキノン、2,4−ジメチルヒドロキノン、2,6−ジメチルヒドロキノン、トリメチルヒドロキノンがより好ましく、tert−ブチルヒドロキノンが更に好ましい。
以下、一般式(1)および/または一般式(2)で示される化合物の合成方法の一例を説明する。一般式(1)および/または一般式(2)で示される化合物は、エポキシ樹脂にイミダゾール化合物を付加反応させることで得られる。
ここで、イミダゾール化合物の添加量は特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂1モルに対して、イミダゾール化合物が0.02〜20倍モル当量であることが好ましく、0.1〜15倍モル当量であることがより好ましく、0.2〜10倍モル当量であることが更に好ましい。エポキシ樹脂1モルに対するイミダゾール化合物の添加量を0.02倍モル当量以上にすることで、分子量分布が7以下の硬化剤を得るのに有利であり、該分子量分布においてはエポキシ樹脂の低温硬化性がより良好となる。エポキシ樹脂1モルに対するイミダゾール化合物の添加量を20倍モル当量以下にすることで、未反応のイミダゾール化合物の回収を効率よく行うことができ、加熱による硬化剤の変質を低減することができる。
一般式(1)および/または一般式(2)で示される化合物を得る際の、エポキシ樹脂とイミダゾール化合物の反応条件は特に限定されず、例えば、必要に応じて溶剤の存在下において、50〜250℃の温度で0.1〜10時間反応させればよい。上記反応温度および反応時間であれば、安定的に反応が進行するので、所望の生成物を得るのに有利である。
一般式(1)および/または一般式(2)で示される化合物の前駆体であるエポキシ樹脂と、イミダゾール化合物とから、一般式(1)および/または一般式(2)で示される化合物を得る反応において、必要に応じて用いられる溶剤としては、特に限定されず、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン、シクロヘキサン、ミネラルスピリット、ナフサ等の炭化水素類;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類;酢酸エチル、酢酸−n−ブチル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート等のエステル類;メタノール、イソプロパノール、n−ブタノール、ブチルセロソルブ、ブチルカルビトール等のアルコール類;エチレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールエチルメチルエーテル、シクロペンチルメチルエーテル等のエーテル系溶媒;水;ジメチルホルムアルデヒド;ジメチルスルホキシド等が挙げられる。これらの溶剤は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。溶解性の観点からトルエン、n−ブタノールが好ましい。反応終了後、溶剤は蒸留等により除去されていることが好ましい。残留する溶剤量は、通常1%以下であり、好ましくは0.5%以下であり、より好ましくは0.1%以下である。この範囲であれば、硬化剤を使用する際の一般式(1)および/または一般式(2)で示される化合物の粉砕性が良好である。
一般式(1)および/または一般式(2)で示される化合物の軟化点は、特に限定されず、好ましくは50〜120℃であり、より好ましくは55〜105℃であり、更に好ましくは60〜110℃である。一般式(1)および/または一般式(2)で示される化合物の軟化点を上記範囲とすることで、低温硬化性と貯蔵安定性を両立させることができ、低温硬化性、耐溶剤性、および貯蔵安定性に一層優れるマスターバッチ型硬化剤組成物を得ることができる。一般式(1)および/または一般式(2)で示される化合物の軟化点を50℃以上とすることで、該コアの平均粒径を制御することが容易となり、本実施形態のマスターバッチ型硬化剤組成物および一液性エポキシ樹脂組成物の耐溶剤性および貯蔵安定性を一層優れたものにすることができる。一般式(1)および/または一般式(2)で示される化合物の軟化点を120℃以下とすることで、本実施形態のマスターバッチ型硬化剤組成物および一液性エポキシ樹脂組成物の低温硬化性を一層優れたものにすることができる。なお、ここでいう軟化点は、後述する実施例に記載の方法により測定することができる。
一般式(1)および/または一般式(2)で示される化合物の全アミン量は、低温硬化性と吸湿性のバランスの観点から、1〜50質量%が好ましく、2〜45質量%がより好ましく、3〜40質量%が更に好ましい。ここでいう「全アミン量」は、JIS K 7245:2000の全アミノ基窒素含有量を意味する。
上記一般式(1)および/または一般式(2)で示される化合物の120℃溶融粘度は、好ましくは500Pa・s以下であり、より好ましくは400Pa・s以下であり、更に好ましくは300Pa・s以下である。また、120℃溶融粘度の下限は、好ましくは0.1Pa・s以上である。120℃溶融粘度を500Pa・s以下とすることで、低温硬化性に一層優れるマスターバッチ型硬化剤組成物および一液性エポキシ樹脂組成物を得ることができる。120℃溶融粘度を0.1Pa・s以上とすることで、貯蔵安定性に一層優れるマスターバッチ型硬化剤組成物および一液性エポキシ樹脂組成物を得ることができる。ここで、120℃溶融粘度は、ディスクプレート上にサンプル約0.5gを載せ、ローターとプレートとの間隔を0.1mmとして回転させ、測定雰囲気温度が120℃で安定となる粘度を測定することによって求めることができる。
混合均一性について説明する。ここでいう混合均一性とは、液状樹脂中に硬化剤が溶融して広がり、液状樹脂が着色している様子を示す。本実施形態のマスターバッチ型硬化剤組成物はbisA型エポキシ樹脂等と配合する場合が多く、これら樹脂の硬化はコアがエポキシ樹脂へ溶け出してから開始される(コアの拡散)。コアの拡散が遅いと、硬化反応が先に進んでしまい硬化不良等の原因となる。よってコアの拡散が硬化反応よりも十分に早いことが好ましい(但し、本実施形態の作用効果はこれに限定されない。)。
フィルム均一性について説明する。硬化のメカニズムは上記の混合均一性とおおよそ同じであるが、フィルムの組成物とマスターバッチ型硬化剤組成物が均一に混合することが重要となる。特に異方導電性フィルム等においてはフェノキシ樹脂やbisA型エポキシ樹脂等とマスターバッチ型硬化剤組成物の相溶性が好ましくない場合は、フィルム状にした場合にムラが生じて硬化不良となり、導通不良等の原因となる(但し、本実施形態の作用効果はこれに限定されない。)。
一般式(1)および/または一般式(2)におけるn=0の成分の含有率(すなわち、該式で表される単量体成分(n=0)の含有率)は、30%以上であることが好ましい。この含有率が高いほど、エポキシ樹脂の粘度が低くなるので望ましい。したがって、一般式(1)および/または一般式(2)におけるn=0の成分の含有率は、好ましくは50〜99%であり、より好ましくは60〜99%であり、更に好ましくは70〜99%であり、より更に好ましくは80〜99%である。単量体成分(n=0)の含有率が上記範囲であれば、結晶化による取扱いの困難性が低下し、また低温硬化性が向上する。なお、ここでいう単量体成分(n=0)の含有率は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)によって求められる。なお、一般式(1)と一般式(2)を併用する場合、ここでいう単量体成分(n=0)の含有率とは、一般式(1)における単量体成分(n=0)の含有率と、一般式(2)における単量体成分(n=0)の含有率の総和をいう。
一般式(1)および/または一般式(2)で用いたエポキシ樹脂に含有される塩素は、後に記載される測定法によって定義される、無機塩素、加水分解性塩素、および全塩素に分類される。腐食の問題を抑制できる観点から、いずれの塩素の含有量も低いほど好ましい。より具体的には、無機塩素含有量は5ppm以下であることが好ましく、1ppm以下であることがより好ましい。加水分解性塩素含有量は1500ppm以下であることが好ましく、1000ppm以下であることがより好ましく、500ppm以下であることが更に好ましく、100ppm以下であることがより更に好ましい。全塩素含有量は1%以下であることが好ましく、5000ppm以下であることがより好ましく、2000ppm以下であることが更に好ましく、1500ppm以下であることがより更に好ましく、1000ppm以下であることが特に好ましい。この範囲であれば、電極による導通不良等が起こりにくい。
一般式(1)および/または一般式(2)で表される化合物を含む硬化剤(以下、これを「イミダゾール系硬化剤」という。)以外に、エポキシ樹脂とアミン化合物からなる硬化剤(以下、これを「アミン系硬化剤」という。)をさらに含有することが好ましい。複数の硬化剤を含有させることで、互いの相乗効果が期待され、その結果、低温硬化性が向上するからである。
上記エポキシ樹脂としては、例えば、モノエポキシ化合物、多価エポキシ化合物、またはそれらの混合物等が挙げられる。モノエポキシ化合物としては、例えば、ブチルグリシジルエーテル、ヘキシルグリシジルエーテル、フェニルグリシジルエーテル、アリルグリシジルエーテル、p−tert−ブチルフェニルグリシジルエーテル、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、p−キシリルグリシジルエーテル、グリシジルアセテート、グリシジルブチレート、グリシジルヘキソエート、グリシジルベンゾエート等が挙げられる。多価エポキシ化合物としては、例えば、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールAD、ビスフェノールS、テトラメチルビスフェノールA、テトラメチルビスフェノールF、テトラメチルビスフェノールAD、テトラメチルビスフェノールS、テトラブロモビスフェノールA、テトラクロロビスフェノールA、テトラフルオロビスフェノールA等のビスフェノール類をグリシジル化したビスフェノール型エポキシ樹脂;ビフェノール、ジヒドロキシナフタレン、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン等のその他の2価フェノール類をグリシジル化したエポキシ樹脂;1,1,1−トリス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、4,4−(1−(4−(1−(4−ヒドロキシフェニル)−1−メチルエチル)フェニル)エチリデン)ビスフェノール等のトリスフェノール類をグリシジル化したエポキシ樹脂;1,1,2,2,−テトラキス(4−ヒドロキシフェニル)エタン等のテトラキスフェノール類をグリシジル化したエポキシ樹脂;フェノールノボラック、クレゾールノボラック、ビスフェノールAノボラック、臭素化フェノールノボラック、臭素化ビスフェノールAノボラック等のノボラック類をグリシジル化したノボラック型エポキシ樹脂等;多価フェノール類をグリシジル化したエポキシ樹脂、グリセリンやポリエチレングリコール等の多価アルコールをグリシジル化した脂肪族エーテル型エポキシ樹脂;p−オキシ安息香酸、β−オキシナフトエ酸等のヒドロキシカルボン酸をグリシジル化したエーテルエステル型エポキシ樹脂;フタル酸、テレフタル酸のようなポリカルボン酸をグリシジル化したエステル型エポキシ樹脂;4,4−ジアミノジフェニルメタンやm−アミノフェノール等のアミン化合物のグリシジル化物やトリグリシジルイソシアヌレート等のアミン型エポキシ樹脂等のグリシジル型エポキシ樹脂と、3,4−エポキシシクロヘキシルメチル−3’,4’−エポキシシクロヘキサンカルボキシレート等の脂環族エポキサイド等が挙げられる。
上記アミン化合物の例としては、脂肪族炭化水素基に1つ以上の第1級アミノ基を有するアミン化合物、非環式脂肪族炭化水素基に1つ以上の第1級アミノ基と1つ以上の第2級アミノ基を有するアミン化合物、環式脂肪族炭化水素基に1つ以上の第1級アミノ基および/または第2級アミノ基を有するアミン化合物、非環式脂肪族炭化水素基または環式脂肪族炭化水素基に1つ以上の第2級アミノ基を有するアミン化合物が挙げられる。
脂肪族炭化水素基に1つ以上の第1級アミノ基を有するアミン化合物としては、例えば、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、エチレンジアミン、1,2−プロパンジアミン、テトラメチレンアミン、1,5−ジアミノペンタン、ヘキサメチレンジアミン、2,4,4−トリメチルヘキサメチレンジアミン、2,2,4−トリエチルヘキサメチルジアミン、1,2−ジアミノプロパン等が挙げられる。
非環式脂肪族炭化水素基に1つ以上の第1級アミノ基と1つ以上の第2級アミノ基を有するアミン化合物としては、例えば、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンが挙げられる。
環式脂肪族炭化水素基に1つ以上の第1級アミノ基および/または第2級アミノ基を有するアミン化合物としては、例えば、シクロヘキシルアミン、イソホロンジアミン、1,3−ビスアミノメチルシクロヘキサン、ピペラジン、アミノエチルピペラジン、ジエチルアミノプロピルアミン等が挙げられる。
非環式脂肪族炭化水素基または環式脂肪族炭化水素基に1つ以上の第2級アミノ基を有するアミン化合物としては、例えば、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、ジブチルアミン、ジペンチルアミン、ジヘキシルアミン、ジメタノールアミン、ジエタノールアミン、ジプロパノールアミン、ジシクロヘキシルアミン等が挙げられる。
これらのアミン化合物は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
詳細な作用機構は不明であるが、一般式(1)および/または一般式(2)で示される化合物を含む硬化剤以外の硬化剤として、硬化を促進させるという効果を有する硬化剤を2種類以上含むことで、後に加熱した際に、溶融したいずれかの硬化剤が、他の硬化剤の硬化を更に促進させるという効果を得ることができると考えられる。硬化剤自身は本実施形態のマスターバッチ型硬化剤組成物中で良好な分散状態を維持できるが、それに加えてアミン系硬化剤を含むことで、一般式(1)および/または一般式(2)で示される化合物を含む硬化剤の分散性がさらに高まる。この理由は定かではないが、2種類の硬化剤が加熱されることで、それぞれが軟化し、その後硬化していくが、各々の硬化剤の軟化スピードおよび硬化スピードが異なるため、最初に軟化し始めた方の硬化剤が硬化する時の発熱により、後から軟化し始める硬化剤のエポキシ基の開環が促進される。このように、最初に軟化し始める硬化剤が後に硬化し始める硬化剤に対して触媒的な働きをすることで、全体として硬化が低温で完了することとなる。つまり、マイクロカプセル型硬化剤(a)におけるBステージ(半硬化状態)への移行が低温で達成することができる。例えば、一般式(1)および/または一般式(2)で示される化合物を含む硬化剤とアミン系硬化剤が含まれている場合には、アミン系硬化剤が先に硬化を開始し、後から軟化を開始したイミダゾール系硬化剤に対して触媒的な働きをすることで、全体の硬化が低温で完了することとなる。特に、加熱処理(エージング)により上記の効果はさらに加速されるものと考えられる(但し、本実施形態の作用はこれに限定されない)。加熱処理(エージング)の条件としては、特に限定されず、通常、大気圧、空気雰囲気下で行うことができる。
溶融混合の場合には、イミダゾール系硬化剤またはアミン系硬化剤のいずれか1種類の硬化剤の粉砕性を他の硬化剤が改質することにより、粉砕作業が容易となり得る。例えば、粉砕が困難な硬化剤と粉砕が容易な硬化剤を均一に混合して粉砕することにより、両者の粉砕性を制御でき、適度な条件により収率よく粉砕を行うことができる。具体的には化学的結合、水素結合、ファンデルワールス力等により凝集した粉砕困難な硬化剤中に、他の硬化剤が入り込むことにより、それらの凝集力が弱まり、全体としての粉砕性が向上する。あるいは、1種類の硬化剤が容易に粉砕可能であるために、硬化剤の直径が所望のメジアン径以下となってしまう場合は、他の硬化剤を均一に混合することにより粉砕性のバランスをとることで、硬化剤の直径として所望のメジアン径を有する粉砕物を得ることができる。
2種類以上の硬化剤を加熱融解状態で混合する方法としては、各々の溶融液を混合する方法や、一方の溶融液にもう一方の固体を溶解させる等の方法がある。2種類以上の硬化剤を有するマイクロカプセル型硬化剤(a)を得る方法としては、例えば、下記(1)〜(9)の方法等が考えられる。
(1) 1種以上の硬化剤を加熱して溶融状態としたところに、1種以上の硬化剤を加熱溶融状態で添加する方法。
(2) 1種以上の硬化剤を加熱して溶融状態としたところに、1種以上の硬化剤を溶剤に溶解した溶液状態で添加した後、溶剤を除去する方法。
(3) 1種以上の硬化剤を加熱して溶融状態としたところに、1種以上の硬化剤粉末を添加、撹拌後、回収・冷却して固体状の混合物として得る方法。
(4) 1種以上の硬化剤を溶剤に溶解した状態で、1種以上の硬化剤を溶剤に溶解した状態で添加した後、それぞれの溶剤を除去する方法。
(5) 1種以上の硬化剤を気化した状態で、1種以上の硬化剤を気化または液化した状態で混合する方法。
(6) 1種類以上の硬化剤の製造途中における溶媒除去直前の反応液を、1種以上の硬化剤の製造途中において反応液を混合して溶媒を除去する方法。
(7) 1種類以上の硬化剤の製造途中における溶媒除去直前の反応液を、1種以上の硬化剤の製造途中における溶媒除去直前の反応液を混合して溶媒を除去する方法。
(8) 1種類以上の硬化剤の製造途中における溶媒除去直前の反応液を、1種類以上の液状または固形の硬化剤に混合して溶媒を除去する方法。
(9) 1種類以上の硬化剤を粉砕し、1種類以上の粉砕した硬化剤と混合する方法。
上記方法の中で溶剤を用いる場合、使用できる溶剤としては、特に限定されず、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン、シクロヘキサン、ミネラルスピリット、ナフサ等の炭化水素類;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類;酢酸エチル、酢酸−n−ブチル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート等のエステル類;メタノール、イソプロパノール、n−ブタノール、ブチルセロソルブ、ブチルカルビトール等のアルコール類;水等が挙げられる。これらの溶剤は1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
上記方法により得られるマイクロカプセル型硬化剤(a)における2種類以上の硬化剤の状態は、特に限定されず、マイクロカプセル型硬化剤(a)の中に2種類以上の硬化剤各々が独立に存在している状態(以下、「状態(A)」という場合がある。)であってもよいし、双方の分子骨格内に2種類以上の硬化剤が反応して取り込まれた状態(以下、「状態(B)」という場合がある。)であってもよい。状態(A)は、上記(1)〜(5)、(7)〜(9)の方法により実現可能であり、状態(B)は上記(6)の方法により実現可能である。例えば、上記(1)〜(5)、(7)、(8)の方法を用いる場合は、各々の硬化剤がより均一に分散するため、上記2種類以上の硬化剤の分散性が高いマイクロカプセル型硬化剤を得ることができる。また(9)の方法を用いる場合は、同種または異種の硬化剤が凝集したものも存在するマイクロカプセル型硬化剤(a)を得ることができる。特に、上記(6)の場合は硬化剤が分子レベルで、各々の硬化剤が取り込まれることで、均一な混合状態を得ることができる。
特に、各々の硬化剤が分子レベルで均一に分散しやすく、短時間硬化が可能であるという観点から、上記2種類以上の硬化剤は液状で混合されることが好ましい。この場合、上記(1)〜(5)、(7)、(8)に記載されたような溶融混合法を採用することができる。この場合、マイクロカプセル型硬化剤(a)の固体を得るには、上記した溶融混合法の後に、上記溶融液を冷却すればよい。冷却方法としては、特に限定されず、例えば、水冷、空冷等が挙げられるが、急激な温度変化を避ける観点から、デシケーター中での空冷が好ましい。あるいは、上記溶融液に溶剤を用いる場合、各々の硬化剤を同時に溶解させる溶剤を用いて均一溶液とした後、溶剤を蒸留等で除去する方法やスプレードライ法等がある。用いられた溶剤は蒸留等により除去されることが好ましい。硬化剤混合物の均一性が優れる観点、および、混合物の純度が優れるという観点から、融解混合法((1)〜(5)、(7)、(8))が好ましい。
本実施形態に係るマイクロカプセル型硬化剤は、上記硬化剤を含むコアと、該コアを被覆するシェルと、を有することが好ましい。このマイクロカプセル型硬化剤は、例えば、上記硬化剤を粉砕し、所望の粒径を有する状態にした後に、これをコアとし、該コアの表面にシェルを被覆させて得ることができる。以下、コアとシェルについて説明する。
[コア]
コアの平均粒径は、特に限定されないが、好ましくは0.25μmより大きく12μm以下であり、より好ましくは1μm〜10μmであり、更に好ましくは1.5μm〜5μmである。平均粒径を12μm以下とすることで、本実施形態のマスターバッチ型硬化剤組成物を硬化させた際に、均質な硬化物を得られ易くなる傾向にある。マスターバッチ型硬化剤組成物とした際に、大粒径の凝集物が生成し難くなり、硬化物の物性の低下を一層防止することもできる。平均粒径を0.25μmよりも大きくすることで、製造時における材料粒子間の凝集を効果的に防止でき、本実施形態のマスターバッチ型硬化剤の低温硬化性に寄与するシェルの形成が容易となる傾向にある。その結果、コアの表面上にシェルを均一かつ完全に形成することができ、マスターバッチ型硬化剤組成物の低温硬化性、耐溶剤性および貯蔵安定性、並びに得られる硬化物の物性を一層向上できる傾向となる。
本実施形態において「平均粒径」とは、特に断りがない限り、メジアン径で定義される平均粒径を意味する。より具体的には、粒度分布計(堀場製作所社製、商品名「HORIBA LA−920」)を用いて、レーザー回析・光散乱法により測定されるストークス径を指す。
ここで、マイクロカプセル型硬化剤のコアの平均粒径を調整する方法としては、特に限定されず、公知の方法を採用することもできる。例えば、塊状のコアについて、粉砕の精密な制御を行う方法;粉砕として粗粉砕と微粉砕を行い、さらに精密な分級装置により所望の範囲のものを得る方法;液状またはスラリー状のコア、或いは溶媒に溶解させたコアを、空気中に噴霧して急速に乾燥させることで、乾燥粉体を得る方法(噴霧乾燥法)等が挙げられる。
粉砕に用いる粉砕装置としては、必要に応じて、ボールミル、アトライタ、ビーズミル、ジェットミル等を使用できるが、衝撃式粉砕装置を用いることが好ましい。衝撃式粉砕装置としては、例えば、旋回式流粉体衝突型ジェットミル、粉体衝突型カウンタージェットミル等のジェットミルが挙げられる。ジェットミルは、空気等を媒体とした高速のジェット流により、固体材料同士を衝突させて微粒子化する装置である。粉砕の精密な制御方法としては、粉砕時の温度、湿度、単位時間当たりの粉砕量等を制御する方法が挙げられる。
粉砕物の分級方法としては、塊状のコアを粉砕した後に、分級により所定サイズの粉粒体を得るため、篩(例えば、325メッシュや250メッシュ等の標準篩)や分級機を用いて分級する方法(スクリーンを使用する方法)、その粒子の比重に応じて、風力による分級を行う方法(比重差を利用する方法)、噴霧乾燥装置を用いる方法等が挙げられる。使用できる分級機としては、特に限定されないが、一般には乾式分級機が好ましい。かかる乾燥分級機としては、例えば、日鉄鉱業社製「エルボージェット」、ホソカワミクロン社製「ファインシャープセパレーター」、三協電業社製「バリアブルインパクタ」、セイシン企業社製「スペディッククラシファイア」、日本ドナルドソン社製「ドナセレック」、安川商事社製「ワイエムマイクロカセット」、日清エンジニアリング社製「ターボクラシファイア」、その他各種エアーセパレータ、ミクロンセパレーター、ミクロブレックス、アキュカット等が使用できる。噴霧乾燥装置としては、例えば、通常のスプレードライ装置等が使用できる。噴霧乾燥装置は高温気流中に液状物質を噴霧させて瞬間的に乾燥させる方法であり、かかる装置としてはヤマト科学社製「ADL311−A/311S−A」、大川原化工機社製「L/OC型」等が使用できる。
また、マイクロカプセル型硬化剤(a)のコアの平均粒径を調整する別の方法としては、特定の平均粒径と特定の粒径含有率とを有するコアを複数種個別に形成し、混合機等を用いてそれらを適宜混合する方法等が挙げられる。混合されたコアは、必要に応じて、更に分級してもよい。このような目的で使用する混合機としては、混合する粉体の入った容器本体を回転させる容器回転型、粉体の入った容器本体は回転させず機械撹拌や気流撹拌で混合を行う容器固定型、粉体の入った容器を回転させ、他の外力も使用して混合を行う複合型が挙げられる。
マイクロカプセル型硬化剤(a)のコアの形状は、特に限定されず、例えば、球状、顆粒状、粉末状、不定形のいずれであってもよい。これらの中でも、後述する一液性エポキシ樹脂組成物の低粘度化およびコアの高密度化の観点から、球状であることが好ましい。なお「球状」とは、真球は勿論のこと、不定形の角が丸みを帯びた形状をも包含する。
マイクロカプセル型硬化剤(a)のコアの赤外線吸収スペクトルにおいて、脂肪族炭化水素基に結合したアミノ基のうち、C−N伸縮振動に由来する1050〜1150cm-1の間のピーク高さ(P1)に対する、1655cm-1のピーク高さ(P2)の比(P2/P1)が1.0以上3.0未満であることが好ましく、1.2以上2.8以下であることがより好ましく、1.5以上2.5以下であることが更に好ましい。ここで、赤外線吸収は、赤外分光光度計を用いて測定することができ、例えば、フーリエ変換式赤外分光光度計(以下、「FT−IR」という場合がある。)を用いることができる。上記ピーク高さの比(P2/P1)を1.0以上とすることで、低温硬化性を一層優れたものにすることができる。上記ピーク高さの比(P2/P1)を3.0未満とすることで、マイクロカプセル型硬化剤のコアをシェルが効率よく被覆することができるという観点や、形成されるシェル(膜)のウレタン結合やウレア結合の緻密さや均一さを制御する観点から好適であり、マスターバッチ型硬化剤組成物や一液性エポキシ樹脂組成物等を製造する際に、粒径が大きい2次粒子が生成することを効果的に防止することもできる。その結果、低温硬化性、耐溶剤性、および貯蔵安定性に極めて優れたマスターバッチ型硬化剤組成物を実現することができる。
コアの粉砕性について説明する。コアの粉砕は上記の方法で行うことができる。一旦粉砕した硬化剤が凝集する現象をブロッキングというが、ブロッキングが少ないほど長期保管(貯蔵安定性)や、マイクロカプセル型硬化剤の作製に好適である。不可逆的なブロッキングが発生すると、マイクロカプセル型硬化剤の作製においてシェル形成等が不十分になることがある。一般式(1)および/または一般式(2)で示される化合物の置換基おいて、R4〜R11が水素原子以外の置換基であることが、粉砕後アダクトのベトツキの観点から好ましく、ブロッキングが少ない傾向となる。より具体的には、R4〜R11がそれぞれ独立に、メチル基、tert−ブチル基、オクチル基またはフェニル基であることがより好ましく、オクチル基、またはtert−ブチル基であることが更に好ましく、tert−ブチル基であることがより更に好ましい。
コアの吸水性について説明する。コアが吸水することにより硬化剤の粉砕が困難となり、またマイクロカプセル型硬化剤の作製の際にも、エポキシ樹脂中における、粉砕した硬化剤の分散性が低下し、シェル形成を阻害する傾向にある。したがって、一般式(1)および/または一般式(2)で示される化合物の疎水性を向上させ、粉砕性を向上させるという観点から、R4〜R11が水素原子以外の置換基であることが好ましい。より具体的には、R4〜R11がそれぞれ独立に、メチル基、tert−ブチル基、オクチル基またはフェニル基であることがより好ましく、オクチル基またはtert−ブチル基であることが更に好ましく、tert−ブチル基であることがより更に好ましい。
[シェル]
本実施形態におけるマイクロカプセル型硬化剤(a)において、コアの表面を被覆するシェルの形成方法は、特に限定されず、公知の方法を採用することもできる。例えば、以下の方法を採用することができる。
(i)シェル成分を分散媒である溶剤に溶解し、シェル成分の粒子を分散媒に分散させて、シェル成分の溶解度を下げることで、コアの表面にシェルを析出させる方法。
(ii)コアの出発材料である塊状のコア(硬化剤)を分散媒に分散させ、この分散媒にシェルを形成する材料の原料を添加して、塊状のコア粒子上にシェルを析出させるとともにコアをシェルで被覆する方法。
(iii)シェルを形成する材料の原料を分散媒に添加し、コアとなる粒子の表面を反応の場として、そこでシェルを形成する材料を生成させるとともにコアをシェルで被覆する方法。
ここで、上記(ii)、(iii)の方法は、シェル形成とコア表面の被覆を同時に行うことができ、緻密な膜が形成しやすくなるので好ましい。なお、使用できる分散媒としては、溶剤、可塑剤、樹脂等が挙げられる。
溶剤としては、特に限定されず、例えば、上記した溶剤等が挙げられる。可塑剤としては、特に限定されず、例えば、ジメチルフタレート、ジエチルフタレート、ジブチルフタレート、ビス(2−エチルヘキシル)フタレート、ジイソデシルフタレート、ブチルベンジルフタレート、ジイソノニルフタレート、エチルフタリルエチルグリコレート、トリス(2−エチルヘキシル)トリメリテート、ジブチルアジペート、ジイソブチルアジペート、ビス(2−エチルヘキシル)アジペート、ジイソノニルアジペート、ジイソデシルアジペート、ビス[2−(2−ブトキシエトキシ)エチル]アジペート、ビス(2−エチルヘキシル)アゼレート、ジブチルセバケート、ビス(2−エチルヘキシル)セバケート、ジエチルサクシネート等が挙げられる。樹脂としては、特に限定されず、例えば、上記したエポキシ樹脂等が挙げられる。
また、分散媒としてエポキシ樹脂を用いると、本実施形態のマスターバッチ型硬化剤組成物に含まれるエポキシ樹脂(b)として機能させることもできるので、シェル形成および被覆と同時に、マスターバッチ型硬化剤組成物を得ることができるため好適である。
なお、シェルの形成反応は、通常、−10〜150℃、好ましくは0〜100℃の温度範囲で、10分間〜72時間、好ましくは30分間〜24時間の反応時間で行われる。
マイクロカプセル型硬化剤(a)の表面に官能基が存在する場合、その官能基については、メジアン径で定義される平均粒径が0.3μmを超えて12μm以下である粒子を出発材料としてコアが形成され、前記シェルが、波数1630〜1680cm-1の赤外線を吸収する結合基(x)と波数1680〜1725cm-1の赤外線を吸収する結合基(y)および波数1730〜1755cm-1の赤外線を吸収する結合基(z)を少なくとも表面に有することが好ましい。
かかる結合基(x)の中で、好ましいものとして、ウレア結合、アミド結合が挙げられる。結合基(y)の中で、好ましいものとして、ビュレット結合、イミド結合が挙げられる。結合基(z)の中で、好ましいものとしては、ウレタン結合が挙げられる。これらの結合の形成方法は、特に限定されず、公知の方法を採用することもできる。
結合基(x)、(y)および(z)がマイクロカプセル型硬化剤(a)のコアの表面に少なくとも存在していることは、顕微FT−IRを用いて確認することができる。
ここで、上記シェルが有する、波数1630〜1680cm-1の赤外線を吸収する結合基(x)、波数1680〜1725cm-1の赤外線を吸収する結合基(y)、波数1730〜1755cm-1の赤外線を吸収する結合基(z)の各含有量は、マイクロカプセル型硬化剤(a)1kgに対して、それぞれ1〜1000meq/kg、1〜1000meq/kgおよび1〜200meq/kgの範囲であることが好ましい。
結合基(x)の含有量が1meq/kg以上の場合、機械的剪断力に対して高い耐性を有するマイクロカプセル型硬化剤(a)を得るのに有利である。また、1000meq/kg以下の場合、本実施形態のマスターバッチ型硬化剤組成物が高い硬化性を得るのに有利である。より好ましい結合基(x)の含有量は、10〜300meq/kgである。
結合基(y)の含有量が1meq/kg以上の場合、機械的剪断力に対して高い耐性を有するマイクロカプセル型硬化剤(a)を得るのに有利である。また、1000meq/kg以下の場合、本実施形態のマスターバッチ型硬化剤組成物が高い硬化性を得るのに有利である。より好ましい結合基(y)の含有量は、10〜200meq/kgである。
結合基(z)の含有量が1meq/kg以上の場合、機械的剪断力に対して高い耐性を有するシェルを形成するのに有利である。また、200meq/kg以下の場合、本実施形態のマスターバッチ型硬化剤組成物が高い硬化性を得るのに有利である。より好ましい結合基(z)の含有量は、5〜100meq/kgである。
シェルが有する結合基(x)、(y)、(z)が、それぞれ、ウレア基、ビュレット基、ウレタン基であり、かつ、結合基(x)、(y)、(z)の合計の含有量(Cx+Cy+Cz)に対する結合基(x)の含有量(Cx)の比(Cx/(Cx+Cy+Cz))が、0.50以上0.75未満であることが好ましい。結合基(x)の上記含有量比を0.50以上とすることで、耐溶剤性を一層優れたものにできる。また、結合基(x)の上記濃度比を0.75未満とすることで、シェル形成反応において、マイクロカプセル型硬化剤(a)のコアの粒子同士の融着・凝集を効果的に防止することができ、本実施形態のマスターバッチ型硬化剤組成物を安定した品質で管理することが容易となり、貯蔵安定性が一層向上する。
結合基(x)、結合基(y)および結合基(z)の濃度の定量、および結合基の濃度比の定量は、以下に示す方法にて定量することができる。
まず、結合基(x)、(y)、(z)を定量する検量線の作成方法として、日本分光社製「FT/IR−410」を使用して、標準物質としてテトラメチルこはく酸ニトリル
を準備する。
さらに結合基(x)を有するが、結合基(y)および(z)を有しないモデル化合物(1)、
同様に、結合基(y)を有するが、結合基(x)および(z)を有しないモデル化合物(2)、
結合基(z)を有するが、結合基(x)および(y)を有しないモデル化合物(3)
を準備する。
そして、標準物質とモデル化合物(1)、(2)、(3)のそれぞれを、任意の割合で、精密に秤量して混合した混合物を、例えば、臭化カリウム(KBr)粉末とともに粉砕して錠剤成形機を用いてFT/IR測定用検量サンプル錠剤を調製する。標準物質のテトラメチルこはく酸ニトリルの2240〜2260cm-1の吸収帯の面積に対して、モデル化合物(1)の1630〜1680cm-1の吸収帯の面積比を求める。すなわち、縦軸にモデル化合物(1)と標準物質との混合物である検量サンプルにおける質量比を、横軸にモデル化合物(1)における1630〜1680cm-1の吸収帯の面積と標準物質のテトラメチルこはく酸ニトリルの2240〜2260cm-1の吸収帯の面積比として、赤外線吸収帯の面積比と含有物の質量比の関係を直線回帰することにより検量線を作成する。
同様に、モデル化合物(2)および(3)についても、それぞれの実測値より、赤外線吸収帯の面積比と含有物の質量比の関係を直線回帰することにより検量線を作成する。
結合基(x)、(y)、(z)の含有量比は以下の方法で求めることができる。まず、マイクロカプセル型硬化剤(a)を40℃で真空乾燥して、その質量を求める。さらにマイクロカプセル型硬化剤(a)より分離したシェルを40℃で真空乾燥して、マイクロカプセル型硬化剤(a)より得られるシェルの質量を測定する。マイクロカプセル型硬化剤(a)よりシェルを分離する方法は、マイクロカプセル型硬化剤(a)を、メタノールを用いて、コアがなくなるまで洗浄とろ過を繰り返し、50℃以下の温度でメタノールを完全に除去乾燥する方法により行うことができる。このようにして得られたサンプル3gに、標準物質であるテトラメチルこはく酸ニトリルを10mg加えて、メノウ乳鉢で粉砕混合して混合物とし、その混合物2mgにKBr粉末50mgを加えて錠剤成形機を用いてFT/IR測定用錠剤を作製し、日本分光社製、「FT/IR−410」により赤外線スペクトルを得る。得られた赤外線スペクトルと検量線より、結合基(x)、(y)、(z)のサンプル中の各含有量を求めて、マイクロカプセル型硬化剤1kg当たりの各結合基の各含有量およびその含有量比を求めることができる。
本実施形態において、シェルが有する結合基(x)、(y)、(z)の含有量の総量((Cx+Cy+Cz))の値を所望の範囲にする方法としては、例えば、シェルの形成反応において、使用する原材料の仕込み量を制御する方法、各原材料の配合比率を制御する方法、シェルの形成反応の反応温度および/または反応時間を制御する方法等が挙げられる。特に、結合基(x)であるウレア結合、結合基(y)であるビュレット結合を生成するためにイソシアネート化合物を用いる場合や、結合基(z)であるウレタン結合を生成するために1分子中に1個以上の水酸基を有する化合物を用いる場合、これらの化合物の仕込み量を制御することが効果的である。
また、分散媒としてエポキシ樹脂を用いる場合、本実施形態のマスターバッチ型硬化剤組成物に用いられるエポキシ樹脂(b)としても機能させることができるため、シェル形成と同時に、本実施形態のマスターバッチ型硬化剤組成物を得ることができるため好適である。
シェルが有する結合基(x)、結合基(y)、および結合基(z)の平均層厚は、5〜1000nmであることが好ましく、10〜1000nmであることがより好ましい。平均層厚を5nm以上とすることで、本実施形態のマスターバッチ型硬化剤組成物の貯蔵安定性を得ることができ、1000nm以下とすることで、実用的な硬化性を得ることができる。なお、ここでいう層の厚みは、透過型電子顕微鏡により測定することができる。これらの結合基の合計厚みが、シェル自体の厚みとなることが、保存安定性および耐溶剤性と低温硬化性のバランスの観点から好ましい。
また、マイクロカプセル型硬化剤(a)におけるシェルの厚さに対するコアの直径の比(コアの直径/シェルの厚さ)は、好ましくは0.3〜2400、より好ましくは1.0〜2000、更に好ましくは1.5〜1000である。シェルの厚さに対するコアの直径の比をこの範囲とすることで、本実施形態のマスターバッチ型硬化剤組成物の貯蔵安定性と耐溶剤性のバランスが一層よい傾向にある。
ここで、結合基(x)の1種であるウレア結合や結合基(y)の1種であるビュレット結合を形成するために使用されるイソシアネート化合物としては、特に限定されず、アミンアダクトの説明において、アミン化合物と反応させることができるイソシアネート化合物として説明したものが使用できる。
結合基(z)の1種であるウレタン結合を形成するために使用される上記活性水素化合物としては、例えば、水、少なくとも1個の第1級アミノ基および/または第2級アミノ基を有する化合物、少なくとも1個の水酸基を有する化合物等が挙げられる。
少なくとも1個の第1級アミノ基および/または第2級アミノ基を有する化合物としては、例えば、脂肪族アミン、脂環式アミン、芳香族アミンを使用することができる。
脂肪族アミンとしては、例えば、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ジブチルアミン等のアルキルアミン;エチレンジアミン、プロピレンジアミン、ブチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン等のアルキレンジアミン;ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン等のポリアルキレンポリアミン;ポリオキシプロピレンジアミン、ポリオキシエチレンジアミン等のポリオキシアルキレンポリアミン類等が挙げられる。
脂環式アミンとしては、例えば、シクロプロピルアミン、シクロブチルアミン、シクロペンチルアミン、シクロヘキシルアミン、イソホロンジアミン等が挙げられる。
芳香族アミンとしては、例えば、アニリン、トルイジン、べンジルアミン、ナフチルアミン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルホン等が挙げられる。
少なくとも1個の水酸基を有する化合物としては、例えば、アルコール化合物、フェノール化合物等が挙げられる。
アルコール化合物としては、例えば、メチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール、アミルアルコール、ヘキシルアルコール、ヘプチルアルコール、オクチルアルコール、ノニルアルコール、デシルアルコール、ウンデシルアルコール、ラウリルアルコール、ドテシルアルコール、ステアリルアルコール、エイコシルアルコール、アリルアルコール、クロチルアルコール、プロパルギルアルコール、シクロペンタノール、シクロヘキサノール、べンジルアルコール、シンナミルアルコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチル等のモノアルコール類;エチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、水添ビスフェノールA、ネオペンチルグリコール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール等の多価アルコール類;少なくとも1個のエポキシ基を有する化合物と、少なくとも1個の水酸基、カルボキシル基、第1級もしくは第2級アミノ基、またはメルカプト基を有する化合物との反応により得られる、第2級水酸基を1分子中に2個以上有する化合物等の多価アルコール類;等が挙げられる。これらのアルコール化合物は、第1級、第2級および第3級アルコールのいずれでもよい。
フェノール化合物としては、例えば、石炭酸、クレゾール、キシレノール、カルバクロール、モチール、ナフトール等のモノフェノール類、カテコール、レゾルシン、ヒドロキノン、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ピロガロール、フロログルシン等の多価フェノール類が挙げられる。
これら少なくとも1個の水酸基を有する化合物としては、潜在性や耐溶剤性の観点から、多価アルコール類や多価フェノール類等が好ましく、多価アルコール類がより好ましい。
シェルを含めたマイクロカプセル型硬化剤(a)の全体の大きさは、特に限定されないが、シェルを含めたマイクロカプセル型硬化剤(a)の全体のメジアン径で定義される平均粒径は、好ましくは0.3μmより大きく13μm以下であり、より好ましくは1μm〜11μmであり、更に好ましくは1.5μm〜6μmである。平均粒径を13μm以下とすることで、均質な硬化物が得られ易くなる傾向にある。また、マイクロカプセル型硬化剤(a)をエポキシ樹脂(b)等と配合して組成物とする際に、大粒径の凝集物が生成し難くなり、硬化物の物性を損なうことを防止できる。平均粒径を0.3μm以上とすることで、粒子の凝集を効果的に防止でき、マスターバッチ型硬化剤組成物の貯蔵安定性や耐溶剤性を一層向上できる傾向となる。
<マスターバッチ型硬化剤組成物>
本実施形態のマスターバッチ型硬化剤組成物は、上記マイクロカプセル型硬化剤(a)およびエポキシ樹脂(b)を含むことが好ましい。
上記エポキシ樹脂(b)として、平均官能基数が2より大きいエポキシ樹脂(以下、「多官能エポキシ樹脂」という場合がある)を含むことが好ましい。ここでいう平均官能基数とは、例えば、官能基数aの化合物がxモル、官能基数bの化合物がyモル存在するとした場合、この化合物の平均官能基数は(ax+by)/(x+y)で表される。そのため、平均官能基数は、小数点以下も含まれるものをいう。)としては、例えば、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ナフトールノボラック型エポキシ樹脂、ビスAノボラック型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン/フェノールエポキシ樹脂、脂環式アミンエポキシ樹脂、脂肪族アミンエポキシ樹脂等が挙げられる。これらは1種単独で用いてもよいし、2種類以上を併用してもよい。
また、エポキシ樹脂(b)は、低温硬化性が更に向上する観点から、平均官能基数が3以上の多官能エポキシ樹脂を含むことが好ましく、4以上の多官能エポキシ樹脂を含有することがより好ましい。
3官能エポキシ樹脂としては、例えば、ノボラック型エポキシ樹脂、N,N,O−トリグリシジル−p−アミノフェノール、N,N,O−トリグリシジル−m−アミノフェノール、N,N,O−トリグリシジル−4−アミノ−m−クレゾール、N,N,O−トリグリシジル−5−アミノ−o−クレゾール、1,1,1−(トリグリシジルオキシフェニル)メタンが挙げられる。
4官能エポキシ樹脂としては、例えば、N,N,N’,N’−テトラグリシジルアミノジフェニルメタン、テトラグリシジル−4,4−(4−アミノフェニル)−p−ジイソピルベンゼン、1,1,2,2−(テトラグリシジルオキシフェニル)エタン、1,3,5−トリス(2,3−エポキシプロピル)1,3,5−トリアジン−2,4,6(1H,3H,5H)−トリオン、1,1,2,2−テトラビス(ヒドロキシフェニル)エタンテトラグリシジルエーテル、トリフェニルグリシジルエーテルメタン、テトラグリシジルメタキシレンジアミン、テトラグリシジル−1,3−ビスアミノメチルシクロヘキサン等が挙げられる。これらは1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
上記の中でも、分散性の観点から、テトラグリシジルメタキシレンジアミン、テトラグリシジル−1,3−ビスアミノメチルシクロヘキサンが好ましい。
他の多官能以上のエポキシ樹脂としては、グリセロールポリグリシジルエーテル、トリメチルプロパノールグリシジルエーテル、ペンタエリストールポリグリシジルエーテル、ジグリセロールポリグリシジルエーテル、ポリグリセロールポリグリシジルエーテル、ソルビトールポリグリシジルエーテル等が挙げられる。これらは、三菱化学社製、商品名「jER−152」、「jER−154」、「jER−157S70」、「jER−1031S」、「jER−1032H60」、「jER−604」、「jER−630」、DIC社製、商品名「EPICLON5500」、「EPICLON5800」、「EPICLON5300−70」、「EPICLON5500−60」、東都化成社製、商品名「YH−434」、「YH−434L」、ナガセケムテックス社製、商品名「デナコールEX−313」、「デナコールEX−314」、「デナコールEX−321」、「デナコールEX−411」、「デナコールEX−421」、「デナコールEX−512」、「デナコールEX−521」、「デナコールEX−611」、「デナコールEX−612」、「デナコールEX−614」、「デナコールEX−614B」、「デナコールEX−622」等の市販品を用いることもできる。
また、マスターバッチ型硬化剤組成物における多官能エポキシ樹脂の総量は、特に限定されないが、通常、0.1〜99質量%、好ましくは0.5〜95%質量、より好ましくは1.0〜90質量%、更に好ましくは5.0〜80質量%である。多官能エポキシ樹脂の総量が0.1質量%以上であることにより、本実施形態のマスターバッチ型硬化剤組成物の接着強度が向上し、得られる硬化物の強度が向上する。多官能エポキシ樹脂の総量が99質量%以下であることにより、本実施形態のマスターバッチ型硬化剤組成物の貯蔵安定性が向上する。
また、上記エポキシ樹脂(b)が、グリシジルアミン化合物に由来する構造を含むことが好ましい。グリシジルアミン化合物に由来する構造とは、窒素原子にグリシジル基が2つ結合された構造およびその誘導体が挙げられる。この構造を含むことによって、グリシジルアミンの窒素原子がエポキシ基に作用することによって硬化反応を加速することができる。グリシジル化したアミン化合物が好ましい。例えば、ジグリシジルアニリン、ジグリシジルトルイジン、トリグリシジル−p−アミノフェノール、トリグリシジル−p−アミノクレゾール、トリグリシジル−m−アミノフェノール、トリグリシジルイソシアヌレート、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、テトラグリシジル−1,3−ビスアミノメチルシクロヘキサン、テトラグリシジルジアミノジフェニルスルホキシド、テトラグリシジルメタキシレンジアミンが挙げられる。これらの中でも、ジグリシジルアニリン、ジグリシジルトルイジン等が好ましい。
<硬化剤の別の形態例>
本実施形態における硬化剤の別の形態例としては、Fedorの式で定義される溶解度パラメータ(SP値;Solubility Parameter)が12.00〜13.50であり、かつ分子内の窒素濃度が10.5〜13.5%である硬化剤が挙げられる。上記した溶解度パラメータおよび分子内の窒素濃度をこの範囲に調整することで、該硬化剤のACF組成物への相溶性が向上するために低温硬化性を発現し、窒素濃度活性点の濃度が高いためにシェルが緻密に形成されるため、耐溶剤性と保存安定性を発現する。
上記硬化剤は、少なくとも溶解度パラメータと分子内の窒素濃度を上記範囲にあるものであればよいが、例えば、上記した一般式(1)および/または一般式(2)で示される化合物を含み、かつ、Fedorの式で定義される溶解度パラメータ(SP値)が12.00〜13.50であり、かつ分子内の窒素濃度が10.5〜13.5%である硬化剤としてもよい。以下、上記硬化剤、上記化合物を用いたマイクロカプセル型硬化剤、マスターバッチ型硬化剤組成物、および一液性エポキシ樹脂組成物の一例について説明するが、これらは、前述した硬化剤(例えば、一般式(1)および/または一般式(2)で示される化合物を含む硬化剤)において説明した内容を適宜採用することができる。
また、本実施形態における硬化剤の溶解度パラメータは、エポキシ樹脂の基本構造中のエポキシ基(例えば、一般式(1)で示される化合物の場合、その原料となるエポキシ樹脂が有するエポキシ基)が末端炭素原子と酸素原子間の結合が開裂し、末端炭素原子が直接他の原子(例えば、一般式(1)で示される化合物の場合、その原料となるイミダゾール化合物が有する窒素原子)に結合し、酸素原子が水酸基を形成した構造(例えば、一般式(1)で示される化合物)について、例えば、コーティング時報 No.193号(1992年)、p9〜p19等に記載のパラメータ値を採用して、下記式(1)に代入することで求められる。
δ:溶解度パラメータ(SP値)
e1:凝集エネルギー
ν1:分子容
本実施形態における硬化剤の分子内の窒素濃度が10.5%以上であると、硬化の際の反応点である窒素の非共有電子対の不足により低温硬化性が低下することを抑えることができる。また、窒素濃度が13.5%以下であれば硬化剤の吸水性が低下し、粉砕性が良好となる。
なお、本実施形態における硬化剤の窒素濃度は以下のようにして測定できる。CHNコーダー「MT−6」(ヤナコ分析工業社製、炭素・水素・窒素同時定量装置)を用いて、試料乾燥2mgを105℃で2時間熱処理を行い、そこから窒素含有量(窒素濃度)を求めることができる。
本実施形態の硬化剤において、溶解度パラメータは、硬化剤の骨格中に付加する官能基の種類や数を変化させることで制御できる。また、窒素濃度は、硬化剤骨格中のイミダゾール構造の種類や濃度、および/または繰り返し単位の構造(例えば、一般式(1)や一般式(2)のn)を変化させることで制御できる。
本実施形態における前記化合物は、イミダゾール構造を含むことが好ましい。かかる構造を含むことにより、マスターバッチ型硬化剤組成物は、アニオン重合で硬化することとなり、少量の硬化剤でも樹脂組成物の硬化を完了することができ、低温硬化性を向上させることができる。イミダゾール構造の例としては、前述した化合物を用いることができる。例えば、イミダゾール、1−メチルイミダゾール、2−メチルイミダゾール、1,2−ジメチルイミダゾール、4−メチルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾール、2−エチルイミダゾール、2−ブチルイミダゾール、1−ビニルイミダゾール、2−メチル−1−ビニルイミダゾール、1−アリルイミダゾール、2−ウンデシルイミダゾール、2−ヘプタデシルイミダゾール、2−フェニルイミダゾール、2−フェニル−4−メチルイミダゾール、4−フォルミルイミダゾール、2−ブチル−4−フォルミルイミダゾール、2−ブチル−4−ヒドロキシメチルイミダゾール、2−ブチル−4−クロロ−5−フォルミルイミダゾール、2−ヒドロキシメチルイミダゾール、1−(2−ヒドロキシエチル)−イミダゾール、1−(2−ヒドロキシエチル)−2−メチルイミダゾール、2−ヒドロキシメチル−1−ベンジルイミダゾール、4−ヒドロキシメチル−2−メチルイミダゾール、4−フォルミル−1−メチルイミダゾール、5−フォルミル−1−メチルイミダゾール、4−フォルミル−5−メチルイミダゾール、4−フォルミル−1−トリチルイミダゾール、4−カルボキシメチルイミダゾール、4−カルボキシエチルイミダゾール、4−カルボン酸イミダゾール、2−アミノイミダゾール硫酸塩、1−ベンジル−2−メチルイミダゾール、1−ベンジル−2−フェニルイミダゾール、1−ベンジル−2−フォルミルイミダゾール、1−ベンジル−5−ヒドロキシメチルイミダゾール、1−ベンジル−5−ヒドロキシメチルイミダゾール、1−シアノエチル−2−メチルイミダゾール、1−シアノエチル−2−ウンデシルイミダゾール、1−シアノエチル−2−エチルイミダゾール4−メチルイミダゾール、1−シアノエチル−2−フェニルイミダゾール、2−フェニル−4,5−ジヒドロキシメチルイミダゾール、2−フェニル−4−メチル−ヒドロキシメチルイミダゾール、2,3−ジヒドロ−1H−ピロロ[1,2−a]ベンズイミダゾール、1−アミノエチル−2−メチルイミダゾール、1−(2−ヒドロキシ−3−フェノキシプロピル)−2−メチルイミダゾール、1−(2−ヒドロキシ−3−フェノキシプロピル)−2−エチル−4−メチルイミダゾール、1−(2−ヒドロキシ−3−ブトキシプロピル)−2−メチルイミダゾール等が挙げられる。これらの中でも、硬化開始までの活性化エネルギーが低く低温硬化性に優れるという観点から、2−メチルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾール、2−エチルイミダゾールが好ましく、さらに単位重量あたりの活性点数が最も多くなるため、2−メチルイミダゾールがより好ましい。
本実施形態における前記化合物の軟化点は、90℃以上であることが好ましい。加えて、前記化合物の軟化点は、120℃以下であることがより好ましい。軟化点が90℃以上であることにより、粉砕等で平均粒径を調整し易くなり、軟化点が120℃以下であることにより、硬化剤のエポキシ樹脂への分散性が向上し、低温硬化性を向上させることができる。
マスターバッチ型硬化剤組成物の作製の容易さ、混合均一性、粉砕性の観点から、前記化合物の軟化点は、好ましくは90〜120℃であり、より好ましくは90〜115℃であり、更に好ましくは90〜110℃である。
本実施形態のマイクロカプセル型硬化剤は、上記の硬化剤を含むコアと、該コアを被覆するシェルとを有することが好ましい。ここで、コアとシェルは、前述したものと同じである。
本実施形態のマスターバッチ型硬化剤組成物は、上記マイクロカプセル型硬化剤と、エポキシ樹脂(b)を含むことが好ましい。ここで、エポキシ樹脂(b)は、前述したものと同じである。
<一液性エポキシ樹脂組成物>
本実施形態のマスターバッチ型硬化剤組成物は、エポキシ樹脂(c)を更に含むことにより、一液性エポキシ樹脂組成物とすることができる。このエポキシ樹脂(c)は、マスターバッチ型硬化剤組成物を希釈して、一液性エポキシ樹脂とするために用いることができる。なお、本実施形態では、エポキシ樹脂(c)は、一液性エポキシ樹脂とするために用いられるものであればよく、エポキシ樹脂(b)と同じ種類であってもよいし、異なる種類であってもよい。したがって、エポキシ樹脂(b)として上記したものを同様に用いることができることは勿論であるが、より具体的に以下説明する。
エポキシ樹脂(c)としては、例えば、モノエポキシ化合物、多価エポキシ化合物、またはそれらの混合物等が挙げられる。モノエポキシ化合物としては、例えば、ブチルグリシジルエーテル、ヘキシルグリシジルエーテル、フェニルグリシジルエーテル、アリルグリシジルエーテル、p−tert−ブチルフェニルグリシジルエーテル、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、p−キシリルグリシジルエーテル、グリシジルアセテート、グリシジルブチレート、グリシジルヘキソエート、グリシジルベンゾエート等が挙げられる。多価エポキシ化合物としては、例えば、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールAD、ビスフェノールS、テトラメチルビスフェノールA、テトラメチルビスフェノールF、テトラメチルビスフェノールAD、テトラメチルビスフェノールS、テトラブロモビスフェノールA、テトラクロロビスフェノールA、テトラフルオロビスフェノールA等のビスフェノール類をグリシジル化したビスフェノール型エポキシ樹脂;ビフェノール、ジヒドロキシナフタレン、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン等のその他の2価フェノール類をグリシジル化したエポキシ樹脂;1,1,1−トリス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、4,4−(1−(4−(1−(4−ヒドロキシフェニル)−1−メチルエチル)フェニル)エチリデン)ビスフェノール等のトリスフェノール類をグリシジル化したエポキシ樹脂;1,1,2,2,−テトラキス(4−ヒドロキシフェニル)エタン等のテトラキスフェノール類をグリシジル化したエポキシ樹脂;フェノールノボラック、クレゾールノボラック、ビスフェノールAノボラック、臭素化フェノールノボラック、臭素化ビスフェノールAノボラック等のノボラック類をグリシジル化したノボラック型エポキシ樹脂等;多価フェノール類をグリシジル化したエポキシ樹脂、グリセリンやポリエチレングリコール等の多価アルコールをグリシジル化した脂肪族エーテル型エポキシ樹脂;p−オキシ安息香酸、β−オキシナフトエ酸等のヒドロキシカルボン酸をグリシジル化したエーテルエステル型エポキシ樹脂;フタル酸、テレフタル酸のようなポリカルボン酸をグリシジル化したエステル型エポキシ樹脂;4,4−ジアミノジフェニルメタンやm−アミノフェノール等のアミン化合物のグリシジル化物やトリグリシジルイソシアヌレート等のアミン型エポキシ樹脂等のグリシジル型エポキシ樹脂と、3,4−エポキシシクロヘキシルメチル−3’,4’−エポキシシクロヘキサンカルボキシレート等の脂環族エポキサイ等が挙げられる。これらの中でも、好ましくは、Bis−A型、Bis−F型、アルコール型等のグリシジルエーテル;芳香族アミン型、フェノール型等のグリシジルアミン;ヒドロフタル酸型、ダイマー型等のグリシジルエステル等が挙げられる。さらに、希釈性の観点から、エポキシ樹脂(c)は、分子内に1〜2官能のグリシジル基を有するものがより好ましい。上記の中でも、エポキシ樹脂(c)は、グリシジルアミン化合物に由来する構造を含むことが好ましい。グリシジルアミン化合物に由来する構造とは、窒素原子にグリシジル基が2つ結合された構造およびその誘導体が挙げられる。この構造を含むことによって、グリシジルアミンの窒素原子がエポキシ基に作用することによって硬化反応を加速することができる。グリシジル化したアミン化合物が好ましい。例えば、ジグリシジルアニリン、ジグリシジルトルイジン、トリグリシジル−p−アミノフェノール、トリグリシジル−p−アミノクレゾール、トリグリシジル−m−アミノフェノール、トリグリシジルイソシアヌレート、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、テトラグリシジル−1,3−ビスアミノメチルシクロヘキサン、テトラグリシジルジアミノジフェニルスルホキシド、テトラグリシジルメタキシレンジアミンが挙げられる。具体的には、ジグリシジルアニリン、ジグリシジルトルイジン等が挙げられる。
エポキシ樹脂(c)の粘度は、特に限定されないが、希釈性の観点から、25℃で0.01〜1000Pa・sであることが好ましい。エポキシ樹脂(c)の重量平均分子量は、特に限定されないが、希釈性の観点から、1000以下であることが好ましい。この粘度は、JIS K 7233に準じて測定することができる。
マスターバッチ型硬化剤組成物と、上述したエポキシ樹脂(c)との質量比は、特に限定されないが、マスターバッチ型硬化剤組成物100質量部に対して、エポキシ樹脂(c)を10〜10000質量部含むことが好ましく、50〜5000質量部であることがより好ましく、100〜1000質量部であることが更に好ましい。上記範囲とすることで、一液性エポキシ樹脂組成物の硬化性を一層優れたものにできるだけでなく、得られる硬化物の硬化ムラの更なる抑制やガラス転移温度(Tg)の更なる向上等も実現することができる。
本実施形態のマスターバッチ型硬化剤組成物や一液性エポキシ樹脂組成物は、これを含むペースト状組成物やフィルム状組成物とすることができる。ここで、ペースト状とは、流動性のある液状のものをいい、フィルム状(シート状と呼ばれる場合もある。)とは、流動性のない可撓性のある固形であるものをいう。本実施形態のマスターバッチ型硬化剤組成物、一液性エポキシ樹脂組成物、ペースト状およびフィルム状組成物は、公知の方法にて適宜成形すること等によって、加工品として使用できる。ここでいう加工品には、上記した各組成物を、必要に応じて硬化させたもの(硬化体)も包含される。
上記加工品は、ペースト状組成物、フィルム状組成物、接着剤、接合用ペースト、接合用フィルム、導電性材料、異方導電性材料、絶縁性材料、封止材料、コーティング用材料、塗料組成物、プリプレグ、熱伝導性材料、燃料電池用セパレータ材、およびフレキシブル配線基板用オーバーコート材からなる群より選択されるいずれか1種であることが好ましい。本実施形態にて得られる加工品は、従来のエポキシ樹脂組成物よりも短時間にて硬化できるという優れた特性を有するので、これらの材料や部材として特に好適である。
接着剤、接合用ペースト、接合用フィルムとしては、液状接着剤やフィルム状接着剤、ダイボンディング材等として有用である。接合用フィルムの製造方法としては、特に限定されず、公知の方法も採用できる。接合用フィルムの製造方法の一例としては、以下の方法が挙げられる。
固形エポキシ樹脂、液状エポキシ樹脂、および固形のウレタン樹脂を、これらの総量が50質量%になるように、トルエン中に溶解、分散させた溶液を作製する。続いて、本実施形態のエポキシ樹脂組成物を、溶液に対して30質量%となるように添加・分散させてワニスを調製する。このワニスを、例えば、厚さ50μmの剥離用ポリエチレンテレフタレート基材に、トルエンが乾燥した後に厚さ30μmとなるように塗布する。トルエンを乾燥させることにより、常温では不活性であり、加熱することにより潜在性硬化剤の作用で接着性を発揮する、接合用フィルムを得ることができる。
導電性材料としては、導電性フィルム、導電性ペースト等が挙げられる。また、本実施形態のエポキシ樹脂組成物を用いた異方導電性材料としては、異方導電性フィルム、異方導電性ペースト等が挙げられる。上記した導電性材料や異方導電性材料の製造方法の一例としては、例えば、上述の接合用フィルムの製造において、上記のワニスの調製時に導電性材料や異方導電性材料である導電粒子を混合・分散させて、剥離用の基材に塗布後、乾燥することにより製造することができる。
導電粒子としては、半田粒子、ニッケル粒子、ナノサイズの金属結晶粒子、金属の表面を他の金属で被覆した粒子、銅と銀の傾斜粒子等の金属粒子、樹脂粒子(例えば、スチレン樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、スチレン−ブタジエン樹脂等)に導電性薄膜(金、ニッケル、銀、銅、半田等)で被覆を施した粒子等が使用される。一般に、これらの導電粒子は、1〜20μm程度の球形の微粒子である。
フィルムにする場合の基材としては、例えば、ポリエステル、ポリエチレン、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン等の樹脂製の基材を用いることができる。
絶縁性材料としては、絶縁性接着フィルム、絶縁性接着ペースト等が挙げられる。上述の接合用フィルムを用いることで、絶縁性材料である絶縁性接着フィルムを得ることができる。また、封止材を用いることの他、上述の充填剤のうち、絶縁性の充填剤を配合することで、絶縁性接着ペーストを得ることができる。
封止材料としては、固形封止材、液状封止材、およびフィルム状封止材等として有用である。液状封止材としては、アンダーフィル材、ポッティング材、ダム材等として有用である。封止材の製造方法の一例としては、以下の方法が挙げられる。ビスフェノールA型エポキシ樹脂、硬化剤として、例えば、酸無水物硬化剤である無水メチルヘキサヒドロフタル酸、さらに球状溶融シリカ粉末を加えて均一に混合し、それに本実施形態のエポキシ樹脂組成物を加えて均一に混合することにより、封止材を得ることができる。
コーティング用材料としては、例えば、電子材料のコーティング材、プリント配線版のカバー用のオーバーコート材、プリント基板の層間絶縁用樹脂組成物等が挙げられる。コーティング用材料の製造方法の一例としては、以下の方法が挙げられる。充填剤からシリカ等を選定し、フィラーとして、ビスフェノールA型エポキシ樹脂の他、フェノキシ樹脂、ゴム変性エポキシ樹脂等を配合し、さらに本実施の形態のエポキシ樹脂組成物を配合し、メチルエチルケトン(MEK)で50%の溶液を調製する。これをポリイミドフィルム上に50μmの厚さでコーティングし、銅箔を重ねて60〜150℃でラミネートし、当該ラミネートを180〜200℃で加熱硬化させることにより、層間がエポキシ樹脂組成物によりコーティングされた積層板を得ることができる。
塗料組成物の製造方法としては、特に限定されず、公知の方法も採用できる。塗料組成物の製造方法の一例としては、以下の方法が挙げられる。ビスフェノールA型エポキシ樹脂に、二酸化チタン、タルク等を配合し、混合溶剤としてメチルイブチルケトン(MIBK)/キシレンの1:1混合溶剤を添加、撹拌して主剤とする。これに本実施形態のエポキシ樹脂組成物を添加し、均一に分散させることにより、塗料組成物を得ることができる。
プリプレグの製造方法としては、特に限定されず、公知の方法も採用できる。例えば、本実施形態のマスターバッチ型硬化剤組成物を補強基材に含浸し、加熱することにより得ることができる。含浸させるワニスの溶剤としては、メチルエチルケトン、アセトン、エチルセルソルブ、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等が挙げられ、これらの溶剤はプリプレグ中に残存しないことが好ましい。なお、補強基材の種類としては、特に限定されないが、例えば、紙、ガラス布、ガラス不織布、アラミド布、液晶ポリマー等が挙げられる。上記組成物と補強基材の割合は特に限定されないが、プリプレグ中の樹脂分含有量は20〜80質量%であることが好ましい。
熱伝導性材料の製造方法としては、特に限定されず、公知の方法も採用できる。熱伝導性材料の製造方法の一例としては、以下の方法が挙げられる。熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂、硬化剤としてフェノールノボラック硬化剤、さらに熱伝導フィラーとしてグラファイト粉末を配合して均一に混練する。これに本実施形態のマスターバッチ型硬化剤組成物等を配合することにより熱伝導性材料を得ることができる。
燃料電池用セパレータ材の製造方法としては、特に限定されず、公知の方法も採用できる。例えば、上記したエポキシ樹脂やその他の樹脂(フェノールノボラック樹脂等)に、人造黒鉛、離型剤および滑剤等を配合して均一に混練する。これに本実施形態のマスターバッチ型硬化剤組成物を加えて、3本ロール等により均一に混合し、燃料電池用セパレータ材用金型を用いて、加圧成形する方法等が挙げられる。
フレキシブル配線基板用オーバーコート材の製造方法としては、特に限定されず、公知の方法も採用できる。例えば、上記したエポキシ樹脂と、エポキシ基と反応する樹脂(マレイン化変性ポリブタジエン樹脂等)と、本実施形態のマスターバッチ型硬化剤組成物等を配合して、3本ロールで均一に混合する。さらにメチルエチルケトン(MEK)等の溶剤を加えて、ミキサーで均一になるまで撹拌混合して溶解分散させて、オーバーコート用接着剤溶液とする。そして、溶液を乾燥させて、フレキシブル配線基板用オーバーコート材とする方法が挙げられる。
本発明を更に詳細に説明するために、以下に、実施例、参考例および比較例を示すが、これらの実施例、参考例および比較例は、本発明を何ら制限するものではない。なお、実施例、参考例および比較例で行った測定評価は以下の方法によって行った。
(1)溶解度パラメータ(SP値)
下記式1を用いて、各構造の凝集エネルギーと分子容から計算することにより、溶解度パラメータ(SP値)を求めた。
δ:溶解度パラメータ(SP値)
e1:凝集エネルギー
ν1:分子容
(2)窒素含有量(%)
CHNコーダー「MT−6」(ヤナコ分析工業社製、炭素・水素・窒素同時定量装置)を用いて、硬化剤を乾燥させて得た乾燥試料2mgを105℃で2時間熱処理し、そこから窒素含有量(窒素濃度)を求めた。
(3)軟化点(℃)
JIS K 7234に準拠し、グリセリン浴を用いて、軟化点測定器(明峰社製作所製、「MEIHOHSHA SOFTNING POINT TETSTER ASP−M2SP」)を用いて、環球法による軟化点測定を行った。なお、軟化点は、塊状のエポキシ樹脂用硬化剤の軟化点を測定した。
(4)吸水率
硬化剤を厚み1mm、高さ10mm、幅10mmの直方体に成形し、温度25℃、湿度50%の雰囲気下で、48時間後の重量増加率を測定し、下記基準に基づき評価した。「A」、「B」および「C」であれば、問題なく硬化剤が粉砕できるものと評価した。
「A」:0.25質量%未満
「B」:0.25質量%以上、0.5質量%未満
「C」:0.5質量%以上、1.0質量%未満
「D」:1.0質量%以上、3.0質量%未満
「E」:3.0質量%以上
(5)エポキシ樹脂との混合均一性
直径50mm、深さ10mmのアルミ皿に10gのビスA型エポキシ樹脂(旭化成イーマテリアルズ社製、「AER260」)を載せ、160℃に30分間熱した。100メッシュから150メッシュのふるいで得られた粒径の硬化剤を採取し、アルミ皿の中央に該硬化剤0.5gを落とし、10秒後の性状を観察し、下記基準に基づき評価した。「A」および「B」であれば、エポキシ樹脂との相溶性が良好なものと評価した。
「A」:アダクトが溶解して原型をとどめない
「B」:アダクトの粒は残るがアルミ皿の端までアダクトの色が広がる
「C」:アダクトの粒に変化がほとんどなくアダクト周囲に僅かに着色
「D」:アダクト、エポキシ樹脂にほとんど変化がない
(6)フィルム均一性
ビスA型エポキシ樹脂(旭化成イーマテリアルズ社製、「AER260」)30質量部、フェノキシ樹脂(新日鐵化学社製、「YP50SC」)70質量部、硬化剤15質量部を、酢酸エチルとトルエンの重量比が1:1の溶剤で固形分50%の混合物となるように調製した。PETフィルム上(リンテック社製、商品名「PW50T090」;厚み50μm)に塗布した上記サンプルを70℃で10分間熱風乾燥させて、溶媒を除いた。これにより、試験用のフィルムを得た(厚さ20μm)。乾燥後のフィルムを観察し任意の場所1cm2内の粒状物の個数を数え、異なる場所3箇所の平均値を求め、下記基準に基づき評価した。「A」、および「B」であれば、フィルム混合物がPETフィルム上に均一に塗布されているものとし、フィルム均一性は十分であると評価した。
「A」:なし
「B」:10個未満
「C」:10個以上、20個未満
「D」:20個以上
(7)粉砕性
後述する実施例及び参考例で得た塊状のエポキシ樹脂用硬化剤を、以下の条件で粗砕・粉砕した。まず、粉砕機(ホソカワミクロン社製、「ロートプレックス」)により、粒径0.1〜2mm程度に粗砕して、粗砕物を得た。次に、得られた粗砕物を、5.0kg/hrの供給量で、気流式ジェットミル(日清エンジニアリング社製、「CJ25型」)に供給し、0.6MPa・sの粉砕圧で粉砕し、温度25℃、湿度50%で24時間保存した後のブロッキング性を下記基準に基づき評価した。「A」および「B」であれば、マスターバッチ型硬化剤組成物を作製するのに問題がないため、粉砕性は十分であると評価した。
「A」:外観にブロッキングがない
「B」:外観に多少のダマがあるが容易に崩れる
「C」:外観にダマが多く容易に崩壊しない
「D」:外観にダマがあり光沢を有する、ダマは粘性を有する
(8)メジアン径
試料4mgをスルホコハク酸系界面活性剤(三井サイテック社製、商品名「エアロゾルOT−75」)のシクロヘキサン溶液32g(界面活性剤の濃度:1質量%)に入れ、超音波洗浄器(本田電子社製、「MODEL W−211」)で5分間超音波照射して分散液を得た。このときの超音波洗浄器内の水温は19±2℃に調整した。得られた分散液の一部を取り、粒度分布計(堀場製作所社製、「HORIBA LA−920」)にて、平均粒径および粒度分布(小粒径含有率測定)を測定した。
(9)貯蔵安定性
後述するマスターバッチ型硬化剤組成物を40℃で1週間保存した前後の粘度を測定し、その粘度上昇倍率を求め、以下の基準に基づきマスターバッチ型硬化剤組成物の貯蔵安定性を評価した。なお、粘度は、25℃でBM型粘度計を使用して測定し、「A」および「B」であれば、貯蔵安定性は十分であると評価した。
「A」:保存後の粘度上昇率が2倍未満のもの
「B」:2倍以上5倍未満のもの
「C」:5倍以上10倍未満のもの
「D」:10倍以上またはゲル化したもの
(10)耐溶剤性
後述するマスターバッチ型硬化剤組成物80質量部、トルエン15質量部、酢酸エチル5質量部を混合してサンプルを調製した。得られたサンプルを40℃で6時間加温し、加温後のサンプルの粘度を測定し、以下の基準に基づきマスターバッチ型硬化剤組成物の耐溶剤性を評価した。「A」、「B」および「C」であれば、耐溶剤性は十分であると評価した。
「A」:粘度が200mPa・s未満のもの
「B」:200mPa・s以上1000mPa・s未満のもの
「C」:1000mPa・s以上20000mPa・s未満のもの
「D」:20000mPa・s以上2000000mPa・s未満のもの
「E」:2000000mPa・s以上のもの
(11)低温硬化性
(6)で作製したフィルムを用いて、模擬回路接続体を以下のようにして作製した。まず、プリント配線板(ピッチ0.5mm、ライン/スペースの配置間隔=1/1)上に、前記フィルムを仮付けした。仮付けの条件は、圧力0.1MPa、加熱温度70℃、熱圧着時間3秒とした。次いで、仮付けされたフィルムの上に同じフレキシブルプリント配線板(ピッチ0.5mm、ライン/スペースの配置間隔=1/1、ポリイミド製)をもう1枚載置した。この際、プリント配線板の回路電極とフレキシブルプリント配線板の回路電極とが対向する位置となるように、フィルムを介して両配線板を重ね合わせた。その後、圧力0.3MPa、加熱温度をそれぞれ155、160、170、180、190、200℃とし、熱圧着時間5秒の条件で熱圧着を行うことによって模擬回路接続体を得た。得られた模擬回路接続体を手で引っ張り、以下の基準に基づき、低温硬化性を評価した。「AA」、「A」、「B」および「C」であれば、低温硬化性は十分であると評価した。
「AA」:加熱温度155℃で剥離不能
「A」:加熱温度160℃で剥離不能
「B」:加熱温度170℃で剥離不能
「C」:加熱温度180℃で剥離不能
「D」:加熱温度190℃で剥離不能
「E」:加熱温度200℃で剥離不能
(参考例1)
撹拌装置、温度計を備えた2リットルの4つ口フラスコに、化合物1(下記一般式(ia)および表1により示される化合物)を1モル、エピクロルヒドリン925g(10モル)、テトラメチルアンモニウムクロライド0.55gを仕込み、加熱還流下で2時間付加反応させた。次いで、内容物を60℃に冷却し、水分除去装置を装着してから、48.5%水酸化ナトリウムを183g(2.2モル)加え、反応温度55〜60℃、減圧度100〜150mmHgで生成する水を連続的に共沸除去させ、留出液のうちエピクロルヒドリン層を反応系に戻しながら閉環反応を行わせた。生成水が56.5mlに達した点を反応終了点とした。その後、減圧ろ過、水洗を繰り返し、さらに減圧蒸留により残存エピクロルヒドリンを回収しエポキシ樹脂EP1を得た。
続いて、以下の方法で硬化剤(アダクト)を作製した。エポキシ樹脂EP1を1当量および2−メチルイミダゾール(2MZ)1.2当量(モル比換算)とし、樹脂分が50質量%となるように、n−ブタノールとトルエンの質量比1/1混合溶媒中に投入し、80℃で加熱した。その後、減圧下で2−メチルイミダゾールの含有量が0.5質量%になるまで溶剤とともに留去し、25℃で固体状の硬化剤(アダクト)を得た。同アダクトを粉砕したところ、メジアン径は全て2μmであり、微粒子状のアダクトAD1を得た。なお、アダクトAD1が、下記一般式(ib)および表1に示される構造であることは、1H−NMR(Bruker社製、「DSX400」;磁場400MHz、溶媒重DMSO)によって確認した(以下同様)。
そして、以下の方法でマスターバッチ型硬化剤組成物を作製した。ビスフェノールF型エポキシ樹脂(ジャパンエポキシレジン社製、商品名「YL983U」)を20質量部、ビスフェノールA型エポキシ樹脂(ジャパンエポキシレジン社製、商品名「YL980」)を180質量部、アダクトAD1を100質量部、水を3質量部、およびポリメチレンフェニレンポリイソシアネート(日本ポリウレタン社製、商品名「MR200」)を4質量部混合し、40℃で撹拌しながら3時間反応を続け、組成物MB1(以下、「組成物MB1」という場合がある。以下同様。)を得た。
なお、得られた組成物MB1がマイクロカプセル化されていることは、示差走査熱量測定(DSC)により確認した。測定は、示差走査熱量測定機(エスアイアイナノテクノロジー社製、示差走査熱量測定システム、「EXSTAR6000」)を用いて、サンプル量10mgを、昇温速度10℃/分で、40℃から250℃まで昇温させて、窒素気流下にて測定した。より具体的には、アダクトAD1のみの場合のDSC曲線と、組成物MB1のDSC曲線とを比較し、組成物MB1のピークがシャープになっていることにより、組成物MB1がマイクロカプセル化されていることを確認した。以下、同様の方法により、各実施例及び参考例の組成物においてもマイクロカプセル化されていることを確認した。
(参考例2〜9、実施例10〜13、参考例16〜24)
参考例1の化合物1を化合物2〜13、16〜24(下記一般式(ia)、一般式(iia)および表1、表3により示される化合物)に変更した以外は、参考例1と同様に作製し、各々微粒子状のアダクトAD2〜13、16〜24と、それから得られるマスターバッチ型硬化剤組成物MB2〜13、16〜24をそれぞれ得た。なお、参考例2〜9及び実施例10〜13の硬化剤は一般式(ib)で示される化合物に相当するものであり(一般式(ib)、表1参照)、参考例16〜24の硬化剤は一般式(iib)で示される化合物に相当するものである(一般式(iib)、表3参照)。
(実施例14、15)
実施例1の化合物1を化合物14(下記一般式(i−2a)および表2により示される化合物)および化合物15(一般式(i−3a)および表2により示される化合物)に変更した以外は、参考例1と同様に作製し、各々微粒子状のアダクトAD14および15と、それから得られるマスターバッチ型硬化剤組成物MB14および15をそれぞれ得た。
(実施例25)
実施例13のアダクトAD13を用いて、以下の方法でマスターバッチ型硬化剤組成物を作製した。ビスフェノールA型エポキシ樹脂(ジャパンエポキシレジン社製、商品名「YL980」)を40質量部、ビスフェノールA型エポキシ樹脂(エポキシ樹脂「YL980」を極性有機溶媒中で金属アルコキシドにより処理することにより脱塩素した、エポキシ当量195eq/g、全塩素量20ppmのビスフェノールA型エポキシ樹脂)を120質量部、レゾルシノール型エポキシ樹脂(PTI JAPAN社製、商品名「ERISYS RDGE−H」)を40質量部、アダクトAD13を100質量部、水を3質量部、およびポリメチレンフェニレンポリイソシアネート(日本ポリウレタン社製、商品名「MR200」)を9質量部混合し、40℃で撹拌しながら3時間反応を続け、組成物MB25を得た。なお、実施例25の硬化剤は一般式(ib)で示される化合物に相当するものである(一般式(ib)、表4参照)。
(比較例1〜3)
参考例1の化合物1を化合物26〜28(一般式(iiia)および表5で示される化合物)に変更した以外は、参考例1と同様に作製し、各々微粒子状のアダクトAD26〜28と、それから得られるマスターバッチ型硬化剤組成物MB26〜28をそれぞれ得た。
以下、各実施例,参考例および各比較例の配合組成と評価結果を表1〜5に示す。
表中の置換基R
1〜R
7は、一般式(ia)および一般式(ib)の置換基である。
実施例14の置換基R
1〜R
7は、一般式(i−2a)および一般式(i−2b)の置換基である。実施例15の置換基R
1〜R
7は、一般式(i−3a)および一般式(i−3b)の置換基である。
表中の置換基R
1〜R
3およびR
8〜R
11は、一般式(iia)および一般式(iib)の
置換基である。
表中の置換基R
1〜R
7は、一般式(ia)および一般式(ib)の置換基である。
表中の置換基R
1〜R
3およびR
12〜R
15は、一般式(iiia)及び一般式(iiib)の置換基である。
以上より、各実施例及び参考例はいずれも吸水率、混合均一性、フィルム均一性、粉砕性、貯蔵安定性、耐溶剤性、低温硬化性に優れていることが確認された。