JP6227505B2 - エポキシ樹脂組成物およびエポキシ樹脂硬化物 - Google Patents
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Description
(1)不飽和結合を2個以上有する環状炭化水素化合物とフェノール性水酸基を有する化合物とを縮合して得られる変性フェノール樹脂と、テトラキスフェノールエタン類とを含み、前記変性フェノール樹脂および前記テトラキスフェノールエタン類の合計含有量に対する前記テトラキスフェノールエタン類の含有量が3〜60質量%であるフェノール樹脂組成物をエポキシ化して得られるエポキシ樹脂組成物。
(2)前記不飽和結合を2個以上有する環状炭化水素化合物がジシクロペンタジエン類である、(1)に記載のエポキシ樹脂組成物。
(3)前記テトラキスフェノールエタン類が芳香環の1つ以上の水素原子をアルキル基で置換したテトラキスフェノールエタン類である、(1)または(2)に記載のエポキシ樹脂組成物。
(4)前記フェノール性水酸基を有する化合物がフェノール化合物およびナフトール化合物からなる群から選択される少なくとも1種類の化合物である、(1)〜(3)のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂組成物。
(5)(1)〜(4)のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂組成物と硬化剤とを反応させて得られるエポキシ樹脂硬化物。
本発明のエポキシ樹脂硬化物は、特に、プリント基板の材料、半導体封止材の材料、などの高耐熱と低誘電率が要求される用途として有用であり、他にも、航空機や自動車などの構造部材の材料などとして有用である。
本発明の特徴の一つは、変性フェノール樹脂とテトラキスフェノールエタン類とを含むフェノール樹脂組成物において、変性フェノール樹脂およびテトラキスフェノールエタン類の合計含有量に対するテトラキスフェノールエタン類の含有量を3〜60質量%とした点にある。テトラキスフェノールエタン類の含有量がこの範囲内であると、得られるエポキシ樹脂硬化物が、耐熱性に優れ、かつ低誘電率のエポキシ樹脂組成物となる。
以下、本発明のフェノール樹脂組成物、エポキシ樹脂組成物およびエポキシ樹脂硬化物について、詳細に説明する。
耐熱性に優れ、かつ低誘電率のエポキシ樹脂硬化物を得ることができるフェノール樹脂組成物(以下、単に「本発明のフェノール樹脂組成物」という場合がある。)は、ジシクロペンタジエン類(以下「DCPD類」という場合がある。)で例示される不飽和結合を2個以上有する環状炭化水素化合物とフェノール性水酸基を有する化合物(以下、単に「フェノール類」という場合がある。)とを縮合して得られる変性フェノール樹脂と、テトラキスフェノールエタン類とを含み、前記変性フェノール樹脂および前記テトラキスフェノールエタン類の合計含有量に対する前記テトラキスフェノールエタン類の含有量が3〜60質量%であるフェノール樹脂組成物である。
本発明の変性フェノール樹脂は、不飽和結合を2個以上有する環状炭化水素化合物と化学量論的に過剰のフェノール類とを、酸触媒の存在下で加熱し、縮合反応させることにより製造することができる。
上記不飽和結合を2個以上有する環状炭化水素化合物は、ジシクロペンタジエン類(DCPD類)を例示できる。上記ジシクロペンタジエン類(DCPD類)は、シクロヘキセン環またはシクロヘキセンのパラ位もしくはメタ位を2価の炭化水素基で架橋した構造を有する化合物であれば特に限定されないが、ジシクロペンタジエン、任意の水素原子をアルキル基および/またはアルケニル基で置換したジシクロペンタジエン、3a,4,7,7a−テトラヒドロインデン、任意の水素原子をアルキル基および/またはアルケニル基で置換した3a,4,7,7a−テトラヒドロインデン、任意の水素原子をアルキル基および/またはアルケニル基で置換したシクロヘキセン、任意の水素原子をアルキル基および/またはアルケニル基で置換したノルボルネン、α−ピネン、任意の水素原子をアルキル基および/またはアルケニル基で置換したα−ピネン、またはこれらのうちの2種類以上の混合物が好ましく、ジシクロペンタジエン、3a,4,7,7a−テトラヒドロインデン、4−ビニル−1−シクロヘキセン、5−ビニルノルボルナ−2−エン、α−ピネン、リモネンまたはこれらのうちの2種類以上の混合物がより好ましく、ジシクロペンタジエン、3a,4,7,7a−テトラヒドロインデンまたはこれらの混合物がさらに好ましく、ジシクロペンタジエンがいっそう好ましい。なお、上記アルキル基は、炭素数1〜3個のアルキル基が好ましく、具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基および2−プロピル基が挙げられる。また、上記アルキレン基は、炭素数2または3個のアルキレン基が好ましく、具体的には、ビニル基(エテニル基)、プロペニル基および2−プロペニル基が挙げられる。また、上記2価の炭化水素基は炭素数が4以下のものが好ましく、2以下のものがより好ましく、具体的には、メチレン基およびエチレン基が挙げられる。
上記フェノール性水酸基を有する化合物(フェノール類)は、芳香環(ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環等)に直接結合した水酸基を有する化合物であれば特に限定されないが、フェノール、フェノールの芳香環(ベンゼン環)に直接結合した1つ以上の水素原子がアルキル基で置換された化合物、ナフトール、ナフトールの芳香環(ナフタレン環)に直接結合した1つ以上の水素原子がアルキル基で置換された化合物、またはこれらのうちの2種類以上の化合物の混合物が好ましく、フェノール化合物とナフトール化合物との混合物がより好ましく、フェノールとα−ナフトールおよび/またはβ−ナフトールとの混合物がさらに好ましく、フェノールとβ−ナフトールとの混合物がいっそう好ましい。
フェノール化合物は、フェノールまたはフェノールの芳香環(ベンゼン環)に直接結合した1つ以上の水素原子がアルキル基で置換された化合物である。フェノール化合物としては、具体的には、フェノール、o−クレゾール、m−クレゾール、p−クレゾール、2,3−ジメチルフェノール、2,4−ジメチルフェノール、2,5−ジメチルフェノール、2,6−ジメチルフェノール、3,4−ジメチルフェノール、3,5−ジメチルフェノール、2,3,4−トリメチルフェノール、2,3,5−トリメチルフェノール、2,3,6−トリメチルフェノール、2,4,5−トリメチルフェノール、2,4,6−トリメチルフェノール、3,4,5−トリメチルフェノール等が挙げられる。
ナフトール化合物は、ナフトールまたはナフトールの芳香環(ナフタレン環)に直接結合した水素原子がアルキル基で置換された化合物であり、ナフトールはα−ナフトールまたはβ−ナフトールである。ナフトール化合物としては、具体的には、α−ナフトール、β−ナフトール等が挙げられる。
なお、上記アルキル基は、炭素数1〜3個のアルキル基が好ましく、具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基および2−プロピル基が挙げられる。
本発明の変性フェノール樹脂を製造する際には酸触媒が用いられる。酸触媒は、特に制限されるものではないが、取扱いが容易で、反応速度に優れる点から、三フッ化ホウ素、三フッ化ホウ素フェノール錯体、三フッ化ホウ素エーテル錯体等が好ましい。
反応の際の酸触媒の使用量は、特に限定されるものではないが、三フッ化ホウ素フェノール錯体の場合で、不飽和結合を2個以上有する環状炭化水素化合物100質量部あたり0.1〜20質量部が好ましく、0.5〜10質量部がより好ましい。
本発明の変性フェノール樹脂を製造する際のフェノール性水酸基と不飽和結合を2個以上有する環状炭化水素化合物との仕込モル比(フェノール類/不飽和結合を2個以上有する環状炭化水素化合物)を調節することで、得られる変性フェノール樹脂の軟化点を制御することができる。すなわち、フェノール類の仕込モル比を増やすと変性フェノール樹脂の軟化点が低下し、フェノール類の仕込モル比を減らすと変性フェノール樹脂の軟化点が上昇する。
本発明のフェノール樹脂組成物に用いられるテトラキスフェノールエタン類は、フェノール類とジアルデヒド類とを反応させて製造することができる。
フェノール類は芳香環(ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環等)に直接結合した水酸基を有する化合物であれば特に限定されないが、フェノール、フェノールの芳香環(ベンゼン環)に直接結合した水素原子がアルキル基で置換された化合物、またはこれらのうちの2種類以上の化合物の混合物が好ましく、フェノール、o−クレゾール、m−クレゾール、p−クレゾール、2,3−ジメチルフェノール、2,4−ジメチルフェノール、2,5−ジメチルフェノール、2,6−ジメチルフェノール、3,4−ジメチルフェノール、3,5−ジメチルフェノール、2,3,4−トリメチルフェノール、2,3,5−トリメチルフェノール、2,3,6−トリメチルフェノール、2,4,5−トリメチルフェノール、2,4,6−トリメチルフェノール、3,4,5−トリメチルフェノール、またはこれらのうちの2種類以上の化合物の混合物がより好ましい。
また、ジアルデヒド類としては、グリオキザール(エタンジアール)が好ましい。
本発明のフェノール樹脂組成物は、上述した変性フェノール樹脂と、上述したテトラキスフェノールエタン類とを混合することによって製造することができる。混合の方法、温度および雰囲気は特に限定されない。
耐熱性に優れ、かつ低誘電率のエポキシ樹脂硬化物を得ることができるエポキシ樹脂組成物(以下、単に「本発明のエポキシ樹脂組成物」という場合がある。)は、上述したフェノール樹脂組成物をエポキシ化剤と反応して得られるエポキシ樹脂組成物である。
上記エポキシ化剤は、従来公知のものを使用することができ、特に制限されないが、コストと反応性の点から、エピクロロヒドリンを用いることが好ましい。
エポキシ化の反応は、ジメチルスルホキシドなどの溶媒中で、上述したフェノール樹脂組成物に対して、1〜20倍モルのエポキシ化剤および水酸化ナトリウムを添加し、反応温度0℃〜150℃、好ましくは、10℃〜100℃の間で行う。この範囲よりも反応温度が低いと反応速度が遅く、この範囲よりも反応温度が高いと、副反応が生じやすく、エポキシ化物の収率が低下する。反応終了後は、メチルイソブチルケトンなどの抽出溶媒を添加し、水洗を行って、副生した塩化ナトリウムを除去して、有機層を回収する。有機層は、減圧蒸留して、抽出溶媒を除去し、エポキシ化物(エポキシ樹脂組成物)を回収する。
耐熱性に優れ、かつ低誘電率のエポキシ樹脂硬化物(以下、単に「本発明のエポキシ樹脂硬化物」という場合がある。)は、上述したエポキシ樹脂組成物と硬化剤とを反応して得られるエポキシ樹脂硬化物である。
本発明のエポキシ樹脂硬化物は、特に、プリント基板の材料、半導体封止材の材料、などの高耐熱と低誘電率が要求される用途として有用であり、他にも、航空機や自動車などの構造部材の材料などとして有用である。
上記硬化剤は、従来公知のものを使用することができ、特に制限されないが、例えば、アミン系化合物、酸無水物系化合物、アミド系化合物、フェノール系化合物、イミダゾール系化合物などが挙げられる。硬化剤の具体例としては、ジアミノジフェニルメタン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、ジアミノジフェニルスルホン、イソホロンジアミン、ジシアンジアミド、リノレン酸の2量体とエチレンジアミンより合成されるポリアミド樹脂、無水フタル酸、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸、無水マレイン酸、テトラヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、無水メチルナジック酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、本発明のフェノール樹脂、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールS、フルオレンビスフェノール、テルペンジフェノール、4,4’−ビフェノール、2,2’−ビフェノール、3,3’,5,5’−テトラメチル−[1,1’−ビフェニル]−4,4’−ジオール、ハイドロキノン、レゾルシン、ナフタレンジオール、トリス−(4−ヒドロキシフェニル)メタン、1,1,2,2−テトラキス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、フェノール類(フェノール、アルキル置換フェノール、ナフトール、アルキル置換ナフトール、ジヒドロキシベンゼン、ジヒドロキシナフタレン等)とホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、ベンズアルデヒド、p−ヒドロキシベンズアルデヒド、o−ヒドロキシベンズアルデヒド、p−ヒドロキシアセトフェノン、o−ヒドロキシアセトフェノン、ジシクロペンタジエン、フルフラール、4,4’−ビス(クロロメチル)−1,1’−ビフェニル、4,4’−ビス(メトキシメチル)−1,1’−ビフェニル、1,4’−ビス(クロロメチル)ベンゼン、1,4’−ビス(メトキシメチル)ベンゼン等との重縮合物及びこれらの変性物、テトラブロモビスフェノールA等のハロゲン化ビスフェノール類、イミダゾール、トリフルオロボラン−アミン錯体、グアニジン誘導体、テルペンとフェノール類の縮合物などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらは1種類を単独で、または2種類以上を組み合わせて使用することができる。
エポキシ樹脂硬化物は、前述したエポキシ樹脂組成物を、上記硬化剤を用いて硬化させることで得られるが、硬化剤の含有量は、上述したエポキシ樹脂組成物中のエポキシ樹脂のエポキシ基1当量に対して0.7〜1.2当量が好ましい。エポキシ基1当量に対して、0.7当量に満たない場合、あるいは1.2当量を超える場合、いずれも硬化が不完全となり良好な硬化物性が得られないおそれがある。
本発明のエポキシ樹脂硬化物の耐熱性は、ガラス転移温度で評価する。ガラス転移温度が高いほど耐熱性が高い。本発明のエポキシ樹脂硬化物のガラス転移温度は160℃以上であり、165℃以上が好ましく、170℃以上がより好ましい。
また、本発明のエポキシ樹脂硬化物の誘電率は、比誘電率で評価する。比誘電率が小さいほど誘電率が小さく、エポキシ樹脂硬化物が分極しづらいので、高周波特性がよい。本発明のエポキシ樹脂組成物の比誘電率は2.8以下であり、2.75以下が好ましく、2.7以下がより好ましい。
(変性フェノール樹脂の製造)
撹拌装置、温度計、還流装置、不活性ガス導入管、オイルバスを備えた1Lの反応容器(セパラブルフラスコ)にフェノール(和光純薬製)278g(2.9mol)を仕込んで80℃に加熱した。加熱が完了したら、三フッ化ホウ素フェノール錯体(和光純薬製)2.5gを添加し、更に、140℃に昇温して、ジシクロペンタジエン(和光純薬製)100g(0.76mol)を2時間かけて、徐々に添加した。添加が終了したら2時間140℃で熟成させた後、水酸化カルシウム(和光純薬製)10.0gを添加して30分撹拌し触媒を中和した。撹拌終了後、反応混合物をろ過した。回収したろ液は、減圧蒸留ができる容器に移し、220℃に昇温して、減圧蒸留を行ない未反応のフェノールを蒸留除去し、溶融した状態でフラスコ内の生成物(変性フェノール樹脂)を取り出した。
還流コンデンサー、温度計、撹拌機、オイルバスを備えた500mL四口フラスコに、オルトクレゾール200g、40質量%グリオキザール水溶液46.4g、アセトン25g、を仕込んだ。フラスコの温度を25℃にして95%硫酸37.5gを2時間かけて、滴下した。平行して、反応開始30分後に5gの40質量%グリオキザール水溶液を添加し、順次30分ごとに5gずつ途中添加した。硫酸添加終了後、30℃で2時間保持した。15℃に冷却した後、60質量%水酸化ナトリウム水溶液で中和し、反応混合物を得た。この反応混合物にアセトン260gを加えてろ過した。別の四口フラスコに、上記したろ過残さを回収し、メタノール260gを仕込んで1時間加熱還流した。得られた溶液を熱時ろ過し、溶液に水113gを加えて分液した。有機層は、減圧蒸留でメタノールを留去し、ろ過して、固体のテトラキスフェノールエタン類を回収した。
前述の「変性フェノール樹脂の合成」において合成した変性フェノール樹脂40.5gと、前述の「テトラキスフェノールエタン類の合成」において合成したテトラキスフェノールエタン類4.5gと、エピクロロヒドリン92.5gと、ジメチルスルホキシド27.5gとを、還流コンデンサー、温度計、撹拌機、オイルバスを備えた500mL四口フラスコに仕込み、温度を40℃に保持した。ろ紙に水酸化ナトリウム1.0gを秤量し、計量後、粉末ロートで添加した。水酸化ナトリウムの添加は、10分ごとに、1gずつ、10回繰り返した。その後、50℃で2時間、70℃で1時間反応した後、130℃に昇温して減圧蒸留で未反応エピクロロヒドリン、ジメチルスルホキシドを除去した。留出が終わったら、15分保持した後、減圧解除してメチルイソブチルケトンを添加した。さらに、30質量%水酸化ナトリウム水溶液4gを添加し、1時間撹拌したのち、分液ロートに移して蒸留水200mLを加えてよく振り、静置して分液した。水層が中性になるまで分液を繰り返した。有機層を500mLナスフラスコに移し、エバポレータでメチルイソブチルケトンを除去し、減圧解除して内容物をサンプル瓶に移し、エポキシ樹脂組成物を得た。
前述の「フェノール樹脂組成物のエポキシ化反応」において得られたエポキシ樹脂組成物1.2gと、硬化剤としての2−メチル水素化無水フタル酸0.79gと、硬化触媒としてのトリフェニルホスフィン0.04gとをアルミ製カップに入れて、ホットプレート上で、140℃で、溶融混練した。その後、140℃で1時間、160℃で1時間、180℃で1時間、および200℃で1時間加熱硬化させて、エポキシ樹脂硬化物を得た。
エポキシ樹脂硬化物の耐熱性は、ガラス転移温度で評価した。
得られたエポキシ樹脂硬化物のガラス転移温度および比誘電率を後述する方法により測定し、表1に示した。
(変性フェノール樹脂の軟化点)
変性フェノール樹脂の軟化点(℃)は、環球式軟化点測定装置(MEITECH社製 25D5−ASP−MG型)を用いて、グリセリン浴中、5℃/分の昇温速度で測定した。
エポキシ樹脂組成物中のエポキシ樹脂のエポキシ当量は、JIS K 7236:2001およびJIS K 7236:2009「エポキシ樹脂のエポキシ当量の求め方」に従って測定した。
エポキシ樹脂硬化物のガラス転移温度は、エポキシ樹脂組成物と、硬化剤と、硬化促進剤とを混合し、加熱硬化させて、0.3mm厚の硬化成形体を作製し、これを5mm角に切断した後、熱分析装置TMAを用いて、針入法による膨張率測定を行い、その変局点の温度をガラス転移温度として測定した。
ガラス転移温度が160℃以上であれば、エポキシ樹脂硬化物は高耐熱性である。
エポキシ樹脂硬化物の比誘電率は、厚み0.3mmに成形したエポキシ樹脂硬化成形体を40mm×40mm角に切断した後、表面を紙やすりで研磨して、平滑にし、AET社製誘電率測定装置を用いて、同軸共振法により1GHzの共振周波数の条件で測定した。
比誘電率が2.80以下であれば、エポキシ樹脂硬化物は低誘電率である。
環状炭化水素化合物の種類、フェノール性水酸基を有する化合物の種類と量、テトラキスフェノールエタン類の種類と量を表1に示すように変更した以外は、実施例1と同様の方法でエポキシ樹脂硬化物を得た。物性評価の結果を表1に示した。
Claims (5)
- 不飽和結合を2個以上有する環状炭化水素化合物とフェノール性水酸基を有する化合物とを縮合して得られる変性フェノール樹脂と、テトラキスフェノールエタン類とを含み、前記変性フェノール樹脂および前記テトラキスフェノールエタン類の合計含有量に対する前記テトラキスフェノールエタン類の含有量が3〜60質量%であるフェノール樹脂組成物をエポキシ化して得られるエポキシ樹脂組成物。
- 前記不飽和結合を2個以上有する環状炭化水素化合物がジシクロペンタジエン類である、請求項1に記載のエポキシ樹脂組成物。
- 前記テトラキスフェノールエタン類が芳香環の1つ以上の水素原子をアルキル基で置換したテトラキスフェノールエタン類である、請求項1または2に記載のエポキシ樹脂組成物。
- 前記フェノール性水酸基を有する化合物がフェノール化合物およびナフトール化合物からなる群から選択される少なくとも1種類の化合物である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂組成物。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂組成物と硬化剤とを反応させて得られるエポキシ樹脂硬化物。
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