JP6508296B2 - 積層体および積層体の製造方法 - Google Patents
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Description
1.少なくとも1層の多孔質層を含む2層以上の積層体であり、
前記積層体の厚み方向の熱コンダクタンスが1000W/m2K以下であり、200℃以下での厚み方向と直交方向の線膨張係数が100ppm/K以下であることを特徴とする積層体。
2つの表面層(a)及び(b)と、当該表面層(a)及び(b)の間に挟まれたマクロボイド層とを有する三層構造のポリイミド多孔質層であって、
前記マクロボイド層は、前記表面層(a)及び(b)に結合した隔壁と、当該隔壁並びに前記表面層(a)及び(b)に囲まれた、膜平面方向の平均孔径が10〜500μmである複数のマクロボイドを有し、
前記マクロボイド層の隔壁は、厚さが0.1〜50μmであり、平均孔径0.01〜50μmの複数の細孔を有し、前記表面層(a)及び(b)はそれぞれ、厚さが0.1〜50μmであり、少なくとも一方の表面層が平均孔径0.01〜200μmの複数の細孔を有し、前記のマクロボイド層の隔壁並びに前記表面層(a)及び(b)における細孔同士が連通し更に前記マクロボイドに連通しており、
総膜厚が5〜500μmであり、空孔率が50〜95%である多孔質膜であることを特徴とする前記項1〜5のいずれか1項に記載の積層体。
本願発明で用いる多孔質層は多孔質であることを特徴とし、多孔質層として多孔質膜を用いることができ、この多孔質膜はポリイミド多孔質膜等を用いることが好ましい。このポリイミド多孔質膜は、特に限定されるわけではないが、以下のものを用いることができる。
2)4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、3,4’−ジアミノジフェニルエーテルなどのジアミノジフェニルエーテル、4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジメチル−4,4’−ジアミノビフェニル、2,2’−ジメチル−4,4’−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’−ジメチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジカルボキシ−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、ビス(4−アミノフェニル)スルフィド、4,4’−ジアミノベンズアニリド、3,3’−ジクロロベンジジン、3,3’−ジメチルベンジジン、2,2’−ジメチルベンジジン、3,3’−ジメトキシベンジジン、2,2’−ジメトキシベンジジン、3,3’−ジアミノジフェニルエーテル、3,4’−ジアミノジフェニルエーテル、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、3,3’−ジアミノジフェニルスルフィド、3,4’−ジアミノジフェニルスルフィド、4,4’−ジアミノジフェニルスルフィド、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’−ジアミノベンゾフェノン、3,3’−ジアミノ−4,4’−ジクロロベンゾフェノン、3,3’−ジアミノ−4,4’−ジメトキシベンゾフェノン、3,3’−ジアミノジフェニルメタン、3,4’−ジアミノジフェニルメタン、4,4’−ジアミノジフェニルメタン、2,2−ビス(3−アミノフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−アミノフェニル)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)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン、3,3’−ジアミノジフェニルスルホキシド、3,4’−ジアミノジフェニルスルホキシド、4,4’−ジアミノジフェニルスルホキシドなどのベンゼン核2つのジアミン、
3)1,3−ビス(3−アミノフェニル)ベンゼン、1,3−ビス(4−アミノフェニル)ベンゼン、1,4−ビス(3−アミノフェニル)ベンゼン、1,4−ビス(4−アミノフェニル)ベンゼン、1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、1,4−ビス(3−アミノフェノキシ)ベンゼン、1,4−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、1,3−ビス(3−アミノフェノキシ)−4−トリフルオロメチルベンゼン、3,3’−ジアミノ−4−(4−フェニル)フェノキシベンゾフェノン、3,3’−ジアミノ−4,4’−ジ(4−フェニルフェノキシ)ベンゾフェノン、1,3−ビス(3−アミノフェニルスルフィド)ベンゼン、1,3−ビス(4−アミノフェニルスルフィド)ベンゼン、1,4−ビス(4−アミノフェニルスルフィド)ベンゼン、1,3−ビス(3−アミノフェニルスルホン)ベンゼン、1,3−ビス(4−アミノフェニルスルホン)ベンゼン、1,4−ビス(4−アミノフェニルスルホン)ベンゼン、1,3−ビス〔2−(4−アミノフェニル)イソプロピル〕ベンゼン、1,4−ビス〔2−(3−アミノフェニル)イソプロピル〕ベンゼン、1,4−ビス〔2−(4−アミノフェニル)イソプロピル〕ベンゼンなどのベンゼン核3つのジアミン、
4)3,3’−ビス(3−アミノフェノキシ)ビフェニル、3,3’−ビス(4−アミノフェノキシ)ビフェニル、4,4’−ビス(3−アミノフェノキシ)ビフェニル、4,4’−ビス(4−アミノフェノキシ)ビフェニル、ビス〔3−(3−アミノフェノキシ)フェニル〕エーテル、ビス〔3−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕エーテル、ビス〔4−(3−アミノフェノキシ)フェニル〕エーテル、ビス〔4−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕エーテル、ビス〔3−(3−アミノフェノキシ)フェニル〕ケトン、ビス〔3−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕ケトン、ビス〔4−(3−アミノフェノキシ)フェニル〕ケトン、ビス〔4−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕ケトン、ビス〔3−(3−アミノフェノキシ)フェニル〕スルフィド、ビス〔3−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕スルフィド、ビス〔4−(3−アミノフェノキシ)フェニル〕スルフィド、ビス〔4−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕スルフィド、ビス〔3−(3−アミノフェノキシ)フェニル〕スルホン、ビス〔3−(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、ビス〔4−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕スルホン、ビス〔3−(3−アミノフェノキシ)フェニル〕メタン、ビス〔3−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕メタン、ビス〔4−(3−アミノフェノキシ)フェニル〕メタン、ビス〔4−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕メタン、2,2−ビス〔3−(3−アミノフェノキシ)フェニル〕プロパン、2,2−ビス〔3−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕プロパン、2,2−ビス〔4−(3−アミノフェノキシ)フェニル〕プロパン、2,2−ビス〔4−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕プロパン、2,2−ビス〔3−(3−アミノフェノキシ)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〔3−(4−アミノフェノキシ)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−(3−アミノフェノキシ)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−(4−アミノフェノキシ)フェニル〕−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパンなどのベンゼン核4つのジアミン。
(ii)テトラカルボン酸単位と、ベンゼンジアミン単位、ジアミノジフェニルエーテル単位及びビス(アミノフェノキシ)フェニル単位からなる群から選ばれる少なくとも一種の芳香族ジアミン単位とからなる芳香族ポリイミド、及び/又は、
(iii)ビフェニルテトラカルボン酸単位及びピロメリット酸単位からなる群から選ばれる少なくとも一種のテトラカルボン酸単位と、ベンゼンジアミン単位、ジアミノジフェニルエーテル単位及びビス(アミノフェノキシ)フェニル単位からなる群から選ばれる少なくとも一種の芳香族ジアミン単位とからなる芳香族ポリイミド。
次に、本発明の多孔質ポリイミド膜の製造方法について説明する。
本発明の多孔質ポリイミド膜の製造方法は、テトラカルボン酸単位及びジアミン単位からなるポリアミック酸0.3〜60質量%と有機極性溶媒40〜99.7質量%とからなるポリアミック酸溶液(A)、及び前記ポリアミック酸100質量部に対して0.1〜200質量部の、極性基を有する有機化合物(B)又は側鎖に極性基を有する高分子化合物(C)を含有するポリアミック酸溶液組成物を、フィルム状に流延し、水を必須成分とする凝固溶媒に浸漬又は接触させて、ポリアミック酸の多孔質膜を作製する工程、及び前記工程で得られたポリアミック酸の多孔質膜を熱処理してイミド化する工程を含む。ここで、前記有機化合物(B)及び前記高分子化合物(C)は、前記ポリアミック酸溶液組成物のフィルム状流延物に水の浸入を促進させる有機化合物である。
極性基を有する有機化合物(B)は、ポリアミック酸溶液組成物のフィルム状流延物を凝固浴に浸漬する工程において、ポリアミック酸の凝固が、極性基を有する有機化合物(B)を含有しないポリアミック酸溶液組成物におけるポリアミック酸の凝固過程と比較して促進される効果が認められるものであればよく、特に凝固浴と接触する面から内部へと膜厚み方向に速やかに凝固化を促進する効果を有するものであることが好ましい。したがって、極性基を有する有機化合物(B)は、上記の特性上、ポリアミック酸と反応しないか又は反応しにくい化合物であることが好ましい。
(C1)水、凝固溶媒及び/又は有機極性溶媒に不溶又は難溶であること。
(C2)熱イミド化工程で分解されること。
(C3)ポリアミック酸溶液組成物中に極性基を有する高分子化合物(C)が均質で懸濁していること。
(C4)ポリアミック酸と相溶しないこと。
極性基を有する高分子化合物(C)の作用機序については明確でないが、以下のように考えられる。
及び/又は
c2)ポリアミック酸溶液組成物の凝固を促進するなど、凝固過程に影響を与えることにより、ポリイミド膜の物質透過性が向上する。
ポリアミック酸溶液組成物に極性基を有する高分子化合物(C)を添加する場合には、該高分子化合物(C)は、原体そのままで、又は溶解溶液もしくは懸濁溶液などの形態で添加することができる。
本発明の多孔質ポリイミドの製造方法では、まず、ポリアミック酸溶液組成物を、フィルム状に流延する。流延方法は特に限定されず、例えば、ポリアミック酸溶液組成物をドープ液として使用し、ブレードやTダイなどを用いてガラス板やステンレス板等の上に、ポリアミック酸溶液組成物をフィルム状に流延することができる。また、連続の可動式のベルト又はドラム上に、ポリアミック酸溶液組成物をフィルム状に断続的又は連続的に流延して、連続的に個片又は長尺状の流延物を製造することができる。ベルト又はドラムは、ポリアミック酸溶液組成物及び凝固溶液に影響を受けないものであればよく、ステンレスなどの金属製、ポリテトラフルオロエチレンなどの樹脂製を用いることができる。また、Tダイからフィルム状に成形したポリアミック酸溶液組成物をそのまま凝固浴に投入することもできる。また、必要に応じて流延物の片面又は両面を、水蒸気などを含むガス(空気、不活性ガスなど)と接触させてもよい。
次に、流延物を、水を必須成分とする凝固溶媒に浸漬又は接触させて、ポリアミック酸を析出させて多孔質化を行うことで、ポリアミック酸の多孔質膜を作製する。得られたポリアミック酸の多孔質膜は、必要に応じて洗浄及び/又は乾燥を行う。
水を必須成分とする凝固溶媒は、水、又は5質量%以上100質量%未満の水と0質量%を超え95質量%以下の有機極性溶媒との混合液を用いることができる。火災などの安全面、製造原価、及び得られる膜の均質性の確保の観点から、水と有機極性溶媒とを含む凝固溶媒を用いることが好ましい。凝固溶媒に含有してもよい有機極性溶媒としては、ポリアミック酸の貧溶媒であるエタノール、メタノール等のアルコ−ル類、アセトン等が挙げられる。
次に、得られたポリアミック酸の多孔質膜をイミド化して多孔質ポリイミド膜を製造する。イミド化としては、熱イミド化処理、化学イミド化処理等を挙げることができるが、本発明では熱イミド化処理が好ましい。
熱イミド化処理は、例えば、ポリアミック酸の多孔質膜を、ピン、チャック若しくはピンチロールなどを用いて熱収縮により平滑性が損なわれないように支持体に固定し、大気中にて加熱することにより行うことができる。反応条件は、例えば280〜600℃、好ましくは350〜550℃の加熱温度で、1〜120分間、好ましくは2〜120分間、より好ましくは3〜90分間、さらに好ましくは5〜60分の加熱時間から適宜選択して行うことが好ましい。
本願発明は少なくとも1層の多孔質層を含む2層以上で構成されており、本願発明で用いる多孔質層以外の層は多孔質でない層を想定しており、無孔のフィルムを用いることも考えられ、無孔フィルムとしてポリイミドフィルムやポリアミドフィルムを用いることができる。
熱融着性ポリイミドは好適には1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン(以下、TPE-Rと略記することもある。)と2,3,3’,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(以下、a−BPDAと略記することもある。)とから製造される。また、熱融着性ポリイミドとしては、1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)−2,2−ジメチルプロパン(DANPG)と4,4’−オキシジフタル酸二無水物(ODPA)とから製造される。あるいは、4,4’−オキシジフタル酸二無水物(ODPA)およびピロメリット酸二無水物と1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼンとから製造される。また、1,3−ビス(3−アミノフェノキシ)ベンゼンと3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物とから、あるいは3,3’−ジアミノベンゾフェノンおよび1,3−ビス(3−アミノフェノキシ)ベンゼンと3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物とから製造される。さらに、テトラカルボン酸成分中、100モル%中の12〜25モル%がピロメリット酸二無水物、5〜15モル%が3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、残部が3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物であり、ジアミン成分として1、3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼンを必須成分とし、DSC測定によりTgが観測できる熱融着性ポリイミドも好適である。
この熱可塑性ポリイミド樹脂は、限定されるものではないが、厚みが10μm〜5mm好ましくは10μ〜500μm程度のフィルムを、必要に応じて重ねて、好適に用いることができる。
本発明の積層体は、多孔質層と多孔質層以外の層とをそれぞれ1層ずつ積層した2層構造でもよく、多孔質層をコア層としてその両面に多孔質層以外の層を積層した3層構造でもよく、4層構造・5層構造などのさらなる多層構造でもよい。2層構造の積層体の場合、多孔質層の厚みは、好ましくは1〜500μm、より好ましくは2〜300μm、特に好ましくは5〜150μmであり、多孔質層以外の層の厚みは、好ましくは0.5〜200μm、より好ましくは1〜100μm、特に好ましくは2〜75mmである。また、3層構造の積層体の場合、多孔質層の厚みは、好ましくは1〜300μm、より好ましくは2〜200μm、特に好ましくは5〜100μmであり、多孔質層以外の層の厚みは、好ましくは0.5〜150μm、より好ましくは1〜100μm、特に好ましくは2〜50μmであり、多孔質層の両面の多孔質層以外の層の厚みは、同じでもよく、異なっていてもよい。
本発明の積層体は、実用的な耐熱性を有し寸法安定性が高い、多孔質層を含むフレキシブルな積層体である。
本願発明の積層体の製造方法は、特に限定するものではないが、以下の方法で製造することができる。
1)加熱融着層を有するポリイミドフィルムとポリイミド多孔質膜を積層し、加熱プレスすることで、2層構造の積層体を作製する。
2)加熱融着層を有するポリイミドフィルムをポリイミド多孔質膜の両面に配置して積層し、加熱プレスすることで3層構造の積層体を作製する。
3)加熱融着層を有するポリイミドフィルムとポリイミド多孔質膜を交互に、かつポリイミドフィルムが最表面になるように5層積層し、加熱プレスすることで5層構造の積層体を作製する。
4)接着剤を用いて各層を接合することで積層体を作製する。
5)積層するフィルム表面にプラズマや電子線等を照射して化学的に活性な状態にしたのちに、他のフィルムと貼りあわせる事で接合して積層体を作製する。
1)多孔質フィルムの膜厚 膜厚みの測定は、接触式の厚み計で行った。
所定の大きさに切り取った多孔質フィルムの膜厚及び質量を測定し、目付質量から空孔率を下式(1)によって求めた。
ガーレー値(0.879g/mm2の圧力下で100ccの空気が膜を透過するのに要する秒数)の測定は、JIS P8117に準拠して行った。
1)無孔フィルムの膜厚 膜厚みの測定は、接触式の厚み計で行った。
株式会社アイフェイズ社製の熱伝導測定装置アイフェイズ・モバイル1uを用いて室温で熱伝導率を測定し、熱コンダクタンスを算出した。
線膨張係数(50〜200℃)測定:サンプルをTMA装置(引張りモ−ド、2g荷重、試料長10mm、20℃/分)で測定した。
ポリイミド多孔質膜A
ポリイミド多孔質膜B
ユーピレックスVT(宇部興産製)
カプトン100H/V(東レ・デュポン株式会社製)
ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)多孔質膜(ミリポア社製。Omnipore JVWP)
それぞれの膜特性を表1に示す。
1)5×10cmのサイズのユーピレックスVTとポリイミド多孔質膜Aを、ユーピレックスVT、ポリイミド多孔質膜A、ユーピレックスVTの順に積層し、280℃で6MPaの圧力で5分間、加熱プレスを行い、3層構造の積層体を得た。積層体はエタノールに5分間浸漬後も剥離することは無かった。このフィルム厚みと見かけの空孔率、熱コンダクタンス、線膨張係数を測定した。結果を表2に示す。
2)5×10cmのサイズのユーピレックスVTとポリイミド多孔質膜Bを、ユーピレックスVT、ポリイミド多孔質膜B、ユーピレックスVTの順に積層し、280℃で2MPaの圧力で10秒間、加熱プレスを行い、3層構造の積層体を得た。積層体はエタノールに5分間浸漬後も剥離することは無かった。このフィルム厚みと見かけの空孔率、熱コンダクタンス、線膨張係数を測定した。結果を表2に示す。
3)5×10cmのサイズのユーピレックスVTとポリイミド多孔質膜Bを、ユーピレックスVT、ポリイミド多孔質膜B、ユーピレックスVT、ポリイミド多孔質膜B、ユーピレックスVTの順に積層し、280℃で2MPaの圧力で10秒間、加熱プレスを行い、5層構造の積層体を得た。積層体はエタノールに5分間浸漬後も剥離することは無かった。このフィルム厚みと見かけの空孔率、熱コンダクタンス、線膨張係数を測定した。結果を表2に示す。
カプトン100H/Vフィルムの熱コンダクタンス、線膨張係数を測定した。結果を表2に示す。
<比較例2>
ポリイミド多孔質膜Aの熱コンダクタンス、線膨張係数を測定した。結果を表2に示す。
<比較例3>
ポリイミド多孔質膜Bの熱コンダクタンス、線膨張係数を測定した。結果を表2に示す。
<比較例4>
PTFE多孔質膜の熱コンダクタンス、線膨張係数を測定した。結果を表2に示す。
Claims (5)
- 少なくとも1層の多孔質層を含む2層以上の積層体であり、
前記多孔質層以外の層が、無孔のポリイミド又はポリアミドから選ばれる無孔層であり、
前記多孔質層がポリイミド多孔質層であり、
前記ポリイミド多孔質層が、平均孔径10〜500μmの複数のマクロボイドを有し、
前記積層体の厚み方向の熱コンダクタンスが1000W/m2K以下であり、200℃以下での厚み方向と直交方向の線膨張係数が± 1×10 -6 /K以下であることを特徴とする積層体。 - 前記積層体が3層以上であり、前記多孔質層が内層であり、最表層が前記無孔層であることを特徴とする請求項1に記載の積層体。
- 積層体全体での空孔率が40%以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載の積層体。
- 前記多孔質層が、
2つの表面層(a)及び(b)と、当該表面層(a)及び(b)の間に挟まれたマクロボイド層とを有する三層構造のポリイミド多孔質層であって、
前記マクロボイド層は、前記表面層(a)及び(b)に結合した隔壁と、当該隔壁並びに前記表面層(a)及び(b)に囲まれた、膜平面方向の平均孔径が10〜500μmである複数のマクロボイドを有し、
前記マクロボイド層の隔壁は、厚さが0.1〜50μmであり、平均孔径0.01〜50μmの複数の細孔を有し、前記表面層(a)及び(b)はそれぞれ、厚さが0.1〜50μmであり、少なくとも一方の表面層が平均孔径0.01〜200μ mの複数の細孔を有し、前記のマクロボイド層の隔壁並びに前記表面層(a)及び(b)における細孔同士が連通し更に前記マクロボイドに連通しており、
総膜厚が5〜500μmであり、空孔率が50〜95%である多孔質層であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の積層体。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の積層体の製造方法であって、
前記無孔層が、熱融着層を有する無孔のポリイミド層であり、前記製造方法が、
前記無孔のポリイミド層と前記ポリイミド多孔質層とを加熱プレスにより接着する工程を含む、積層体の製造方法。
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