JP6551914B2 - ポリヘミアミナールおよびポリヘキサヒドロトリアジン、それらを調製する方法、ならびにそれらを含むフィルム層およびデバイス - Google Patents
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Description
構造
式(2):
L’は、*−O−*、*−S−*、*−N(R’)−*、*−N(H)−*、*−R”−*およびそれらの組合せからなる群から選択される二価架橋基であり、ここで、R’は少なくとも1個の炭素を含み、R”は少なくとも1個の炭素を含み、
所与のヘキサヒドロトリアジン基の各星印(*)の付いた結合は、二価架橋基のそれぞれ1つと共有結合しており、
所与の架橋基の各星印の付いた結合は、ヘキサヒドロトリアジン基のそれぞれ1つと結合している]
の複数の二価架橋基と
を含む、ポリヘキサヒドロトリアジン(PHT:polyhexahydrotriazine)が開示されている。
反応混合物を150℃から約280℃の温度で加熱し、それにより、ポリヘキサヒドロトリアジン(PHT)を形成するステップと
を含む、方法も開示されている。
第一の混合物を約20℃から約120℃の温度で加熱し、それにより、ポリヘミアミナール(PHA)を含む第二の混合物を形成するステップと、
第二の混合物を基板の表面上でキャスティングし、それにより、表面上に配置された第一のフィルム層を形成するステップであって、第一のフィルム層はPHAおよび溶媒を含むステップと、
第一のフィルム層を150℃から約280℃の温度で加熱し、それにより、ポリヘキサヒドロトリアジン(PHT)を含む第二のフィルム層を形成するステップと
を含む、別の方法が開示されている。
構造
式(2):
L’は、*−O−*、*−S−*、*−N(R’)−*、*−N(H)−*、*−R”−*およびそれらの組合せからなる群から選択される二価架橋基であり、ここで、R’は少なくとも1個の炭素を含み、R”は少なくとも1個の炭素を含み、
所与のヘミアミナール基の各星印の付いた結合は、二価架橋基のそれぞれ1つと共有結合しており、
所与の架橋基の各星印の付いた結合は、ヘミアミナール基のそれぞれ1つと結合している]
の複数の二価架橋基と
を含む、PHAを含む層を有する、別のデバイスが開示されている。
が、ii)式(2)の複数の架橋基:
[式中、y’は2または3であり、K’は、少なくとも1つの6炭素芳香環を含む二価または三価ラジカルである]と共有結合しているものを含む、架橋ポリマーである。本明細書において、星印の付いた結合は、化学構造の他の部分との結合点を表す。所与のヘミアミナール基の各星印の付いた結合は、架橋基のそれぞれ1つと共有結合している。加えて、所与の架橋基の各星印の付いた結合は、ヘミアミナール基のそれぞれ1つと共有結合している。
によって表すことができる。この事例において、各K’は、少なくとも1つの6炭素芳香環を含む三価ラジカル(y’=3)である。式(3)において2つの星印の付いた波形結合を有する各窒素は、異なるヘミアミナール基の一部であることを理解すべきである。
[式中、x’はモルであり、各架橋基K’は、少なくとも1つの6炭素芳香環を含む三価ラジカル(式(2)においてy’=3)である]の表記を使用して表すこともできる。式(4)の所与のヘミアミナール基の各星印の付いた窒素結合は、架橋基K’のそれぞれ1つと共有結合していることを理解すべきである。加えて、式(4)の所与の架橋基K’の各星印の付いた結合は、ヘミアミナール基のそれぞれ1つと共有結合している。
[式中、K’は、少なくとも1つの6炭素芳香環を含む二価ラジカル(式(2)においてy’=2)である]によって表すことができる。式(5)において2つの星印の付いた波形結合を有する各窒素は、異なるヘミアミナール基の一部である。
[式中、L’は、*−O−*、*−S−*、*−N(R’)−*、*−N(H)−*、*−R”−*およびそれらの組合せからなる群から選択される二価架橋基であり、ここで、R’およびR”は、独立に、少なくとも1個の炭素を含む]を有する。ある実施形態において、R’およびR”は、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、フェニルおよびそれらの組合せからなる群から独立に選択される。他のL’基は、メチレン(*−CH2−*)、イソプロピリデニル(*−C(Me)2−*)およびフルオレニリデニル:
を包含する。ここで、Meはメチル基をあらわす。
[式中、L’は、*−O−*、*−S−*、*−N(R’)−*、*−N(H)−*、*−R”−*およびそれらの組合せからなる群から選択される二価架橋基であり、ここで、R’およびR”は、独立に、少なくとも1個の炭素を含む]によって表すことができる。式(7)において2つの星印の付いた波形結合を有する各窒素は、異なるヘミアミナール基の一部である。
[式中、x’はモルであり、L’は、*−O−*、*−S−*、*−N(R’)−*、*−N(H)−*、*−R”−*およびそれらの組合せからなる群から選択される二価架橋基であり、ここで、R’およびR”は、独立に、少なくとも1個の炭素を含む]の表記によって表すこともできる。式(8)の所与のヘミアミナール基の各星印の付いた窒素結合は、架橋基のそれぞれ1つと共有結合している。加えて、式(8)の所与の架橋基の各星印の付いた結合は、ヘミアミナール基のそれぞれ1つと共有結合している。
が、ii)式(2)の複数の二価架橋基K’(y’=2)と共有結合しているものを含む、架橋ポリマーである。式(10)の所与のヘキサヒドロトリアジン基の各星印の付いた結合は、架橋基K’のそれぞれ1つと共有結合している。加えて、所与の架橋基の各星印の付いた結合は、ヘキサヒドロトリアジン基のそれぞれ1つと共有結合している。
[式中、L’は、*−O−*、*−S−*、*−N(R’)−*、*−N(H)−*、*−R”−*およびそれらの組合せからなる群から選択される二価架橋基であり、ここで、R’およびR”は、独立に、少なくとも1個の炭素を含む]によって表される。式(11)において2つの星印の付いた波形結合を有する各窒素は、異なるヘキサヒドロトリアジン基の一部である。
[式中、x’はモルであり、L’は、*−O−*、*−S−*、*−N(R’)−*、*−N(H)−*、*−R”−*およびそれらの組合せからなる群から選択される二価架橋基であり、ここで、R’は少なくとも1個の炭素を含み、R”は少なくとも1個の炭素を含む]の表記によっても表される。式(12)の所与のヘキサヒドロトリアジン基の各星印の付いた結合は、架橋基のそれぞれ1つと共有結合している。加えて、式(12)の所与の架橋基の各星印の付いた結合は、ヘキサヒドロトリアジン基のそれぞれ1つと共有結合している。
[式中、W’は、*−N(R1)(R2)、*−OR3、−SR4からなる群から選択される一価ラジカルであり、ここで、R1、R2、R3およびR4は、少なくとも1個の炭素を含む独立の一価ラジカルである]に従う構造を有する。星印の付いた結合は、ヘミアミナール基またはヘキサヒドロトリアジン基の窒素と結合している。
を有する。
を有する。
下記の例において使用される材料は、表1に収載されている。
合成
ヘキサヒドロトリアジン化合物4,4’,4”−(1,3,5−トリアジナン−1,3,5−トリイル)トリス(N,N−ジメチルアニリン)(HTPT)を形成するための、アニリンとパラホルムアルデヒドとの反応。
P−4、ポリヘキサヒドロトリアジンは、4,4’−オキシジアニリン(ODA)とパラホルムアルデヒド(PF)との反応によって調製した。ODA(0.20g、1.0mmol)およびPF(0.15g、5.0mmol、2.5当量)を、N2充填グローブボックス内部の2ドラム・バイアルに秤量した。NMP(6.2g、6.0mL、0.17M)を添加した。反応混合物をグローブボックスから取り出し、油浴中、200℃で3時間加熱した(およそ0.25時間後、ポリマーがNMP中でゲル化し始める)。溶液を室温に冷却させ、ポリマーを40mLのアセトン中で沈殿させ、12時間浸漬させ、次いで、濾過し、真空オーブン内で終夜乾燥させ、収集して、0.21g、95%収率のP−4をオフホワイトの固体として産出した。
ポリヘキサヒドロトリアジン(PHT)フィルム
0.050gのPHT−1フィルムの試料を、20mLの0.5M H2SO4(pH=0)に、完全な崩壊が起こるまで36時間曝露した。溶液を、pHがおよそ7.0であると認められるまで(pH試験紙で試験することによって)、炭酸水素ナトリウム(sodium bicabonate)で中和した。沈殿物が溶液中で形成され、これを濾過によって単離して、40.0mgの回収されたODA出発材料を白色粉末として産出した。1H NMRスペクトルは、以前に報告された値に合致する。とりわけ、飽和NH4Cl pH=5.5溶液中の15.7mgの試料は、24時間後に分解を示さなかった。
表5は、Tg、貯蔵弾性率、および形成されたフィルムの5%質量損失の温度をまとめたものである。2つの手順AまたはBの1つあるいはその両方を使用する試料の処理後、動的機械分析(DMA)または示差走査熱量測定(DSC)あるいはその両方を使用して、Tgを測定した。手順Aにおいては、50℃に加熱した試料についてデータを収集し、直接分析した。手順Bにおいては、試料を200℃でまたは1時間保持した後にデータを収集した。5%質量損失の温度は、手順AまたはBを使用する試料の処理後に、熱重量分析(TGA)によって決定した。連続したフィルムを形成しなかった例については、剃刀刃を使用するガラス・プレートからのポリマーの掻き取りによって得られたポリマーの切片について、Tgを測定した。
4,4’−オキシジアニリン(ODA)を用いて形成し、50℃で硬化させた無色のポリヘミアミナールフィルム(0.138g)を、N2下、蓋付きの5ドラム・ガラス・バイアルに入れ、テフロン(R)テープで密閉した。バイアルを、200℃で24時間加熱した砂浴に半分浸した。次いで、バイアルを熱源から取り出し、室温に冷却させ、窒素充填グローブボックスに持ち込んだ。バイアルの上部に形成された可溶性凝縮物を、2〜5mL部の乾燥d6−アセトン(4Å(0.4nm)分子篩で24時間乾燥させた後の1H NMR分析により、5%未満のH2O)ですすぎ、炉乾燥させたNMRチューブに移し、1マイクロリットルの無水ベンゼンを内標準としてNMRチューブに添加した。残りの褐色フィルムをバイアルから取り出し、秤量した(0.0657g、元の質量の52%損失)。NMPおよび水の1H NMR分析によって決定された収量は、それぞれ0.0271g(0.273mmol)および0.0106g(0.588mmol)であり、加熱中に失われた全質量の52%を占めるものであった。フィルム質量損失の残りの48%をODAベースのオリゴマーに割り当て、200℃で昇華させた。加熱後にモノマーODAは観察されず、これは、最初のポリヘミアミナールが98%超変換するまで形成されたことを示している。
シリコン・ウエハ上でキャスティングした、50℃で硬化させた(図12)ポリヘミアミナールフィルムPHA−1(実施例6)および200℃で硬化させた(図13)ポリヘキサヒドロトリアジンフィルムPHT−1(実施例13)のAFM画像を撮影した。各場合において、フィルムの表面は滑らかで、非晶質の高度に架橋されたポリマー構造と一致する3〜4Å(0.3〜0.4nm)の二乗平均平方根(RMS)粗度であった。PHA−1フィルムは、PHT−1フィルムと比較してわずかに高い粒度を示した。PHT−1フィルムは、ポリマー全体にわたって、深さ22nmおよび幅55nmの均等に分布した穴を呈し、これは、高い硬化温度でのフィルムからのNMPおよび水の除去による可能性が高い。
1H NMR分析のための可溶性ポリマーを形成する試みにおいて、ODAの代わりに4,4’−(9−フルオレニリデン)ジアニリン(FDA)をモノマー(図14、FDAの1H NMR)として重合に使用した。希釈条件下、0.5時間50℃処理および0.5時間200℃処理の両方の後に得られたFDAベースのポリマーは、ポリマーを分析できるように、d6−DMSOに十分可溶性であった。ポリヘミアミナール(PHA)中のN−HおよびO−H基に対応すると思われる明瞭なシグナルが、50℃で2時間重合された試料のスペクトルにおいて存在していた(図15、1H NMRスペクトル標識A)のに対し、200℃で2時間形成されたポリヘキサヒドロトリアジン(PHT)試料のスペクトル(図15、1H NMRスペクトル標識B)は、デルタ4〜5ppm領域において1つの広域シグナルを示した。
図16は、FDAと2.5当量のパラホルムアルデヒドとの、0.33M NMP中、50℃で2時間の反応によって形成された生成物の溶離液としてTHFを使用するGPCトレースである。ポリヘミアミナールを水中での沈殿によって精製した。Mw=10,576、Mn=3,588、およびPDI=2.95。
50℃のDMSO中のODAおよびパラホルムアルデヒドの重合溶液に水を添加したとき、変換におけるわずかな増大が観察された(以下の表6、項目1および2に示す通り、91%変換対94%変換)。反応混合物への50mol%ギ酸の添加は、変換を50%に減少させた(表6、項目4)。また、ギ酸との反応は溶液中でゲルを形成しなかったのに対し、水との反応はゲルを形成した。この一連の実験のために、DMSOをCaH2で108時間還流させ、使用前に蒸留した。パラホルムアルデヒドを飽和NaHCO3で洗浄して、あらゆる酸不純物を除去し、使用前に乾燥させた。変換パーセントは、芳香族プロトンを用い、50℃で10分以内加熱する、新たな化合物の1H NMR決定によって決定した。
図18は、結晶性ODAモノマーについて観察されたXRDパターンである。図19は、ODAベースのPHTフィルムについて観察された散漫散乱を示すXRDパターンである。
ナノインデンテーション測定は、90°の錐体角度および約50nmの終点半径を有するキューブ・コーナー・プローブ(図20、図面)付きのHysitron Triboindenter(R)(TI−950)を使用して実施した。図20において、角度a=90°。試料フィルムは、約4マイクロメートルの厚さを有し、直径15mmおよび厚さ700マイクロメートルのステンレス鋼基板にシアノアクリレート(SUPER GLUE)が取り付けられていた。フィルムの厚さ(約4マイクロメートル)は、インデンテーション深さ(約100nm)と比較してはるかに大きいものであった。したがって、基板効果は、測定で見られないとは言わないまでも、最小であった。負荷関数は、5−2−5(すなわち、5秒負荷、2秒保持、および5秒無負荷)であった。目的の試料にインデントする前に、1mmの厚さを有する石英試料を使用してプローブを較正し、これを試料と同じ手順を使用して取り付けた。インデンテーション深さが小さかったため、合計3つの係数(それぞれゼロ次、一次および二次)を使用して、プローブを較正した。石英弾性率は70GPaであり、硬度は9.7GPaであった。試料ごとに、プローブを清浄化および石英へのインデントを使用して較正の両方を行った。各試料に対する測定に、7つの異なるインデンテーション負荷を選択した:3μN、5μN、7.5μN、10μN、12.5μN、15μNおよび20μN。XおよびY寸法において少なくとも10マイクロメートルごとに分離された各負荷の7回の独立した繰り返しを実施して、2回のインデント間のひずみ場結合(strain field coupling)のあらゆる可能性を回避した。各負荷について、弾性率を測定し、平均弾性率を、5μNから15μNの間の少なくとも25の独立したデータ点から決定した。生データを、ゼロ力点およびゼロ変位に対して補正した。これは、低負荷インデント用に作られた標準オフセットであり、ナノインデンテーション・モデルのより正確な使用に役立つ。
分散補正B3LYP DFT法を使用して、図25の反応図に示す通り、ホルムアルデヒドと単純な(計算上安価な)アミンであるメチルアミンとの反応からの1,3,5−トリメチル−1,3,5−トリアジナン形成について、機構およびエネルギー論を調査した。
を形成すると推測している。全体として、反応は、アミンおよびホルムアルデヒド反応物質の逐次添加を経て進行する。提案機構は、反応全体を通して、2個の明示的な水分子による触媒を喚起する。触媒量の水は、アミンとホルムアルデヒドとの反応によって形成された反応混合物または水あるいはその両方中に最初に存在する微量の水を利用して、反応を促進するために利用することができる。
電子が豊富な芳香族ジアミンからポリヘキサヒドロトリアジンを調製する、開示されている方法は、中間体ポリヘミアミナールを提供し、これは、150℃未満の温度まで安定である。少なくとも150℃の温度に加熱すると、ポリヘミアミナールは、高いTgおよび高いヤング弾性率を有する架橋ポリヘキサヒドロトリアジンを形成する。ポリヘキサヒドロトリアジンは、DMA分析によれば剛性である。
Claims (12)
- それぞれ構造
それぞれ式(2):
を含み、
L’は、*−O−*、*−S−*、*−N(R’)−*、*−N(H)−*、*−R”−*およびそれらの組合せからなる群から選択される二価連結基であり、ここで、R’は少なくとも1個の炭素を含み、R”は少なくとも1個の炭素を含み、
前記複数の三価ヘキサヒドロトリアジン基それぞれの各星印(*)の付いた結合は、前記複数の二価架橋基のいずれかのいずれか一つの星印(*)の付いた結合とともに共有結合を構成し、
前記複数の二価架橋基それぞれの少なくとも一つの星印(*)の付いた結合は、前記複数の三価ヘキサヒドロトリアジン基のいずれかのいずれか一つの星印(*)の付いた結合とともに共有結合を構成しており、
前記複数の三価ヘキサヒドロトリアジン基それぞれが、前記複数の二価架橋基の一つを介して他の三価ヘキサヒドロトリアジン基と連結することにより、架橋ポリマーの構造を有するポリヘキサヒドロトリアジン(PHT)。 - 前記PHTは、パラホルムアルデヒドと2つの第一級芳香族アミン基を含むモノマーとを150℃〜280℃の温度で反応させて得られる生成物である、請求項1に記載のPHT。
- 前記PHTは、パラホルムアルデヒドと2つの第一級芳香族アミン基を含むモノマーとを20℃から120℃の温度で反応させたものを基板の表面上にキャスティングし、形成されたフィルム層を150℃から280℃の温度で加熱することによって得られる生成物である、請求項1に記載のPHT。
- L’が*−O−*である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のPHT。
- L’が*−S−*である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のPHT。
- L’が*−N(R’)−*であり、ここで、R’は、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、フェニルおよびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項1〜3のいずれか1項に記載のPHT。
- L’が*−CH2−*である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のPHT。
- L’がイソプロピリデニル(*−C(Me)2−*)である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のPHT。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載のポリヘキサヒドロトリアジン(PHT)を含むPHTフィルム層。
- 請求項11に記載のフィルム層を含む、デバイス。
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