JP6660890B2 - 芳香族アミン樹脂、エポキシ樹脂組成物及びその硬化物 - Google Patents
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Description
航空機や自動車などの構造材用にはジアミノジフェニルメタンやジアミノジフェニルスルホンを使用することが多く、特に高耐熱性を得るためにジアミノジフェニルスルホンが用いられてはいるが、一方吸湿性が高くなり、吸湿後の物性の低下が問題となる。高信頼性を必要とする電子部品(車載用、CPUなど)などにおいてはジシアンジアミドを使用することが多く、やはり吸湿性が高いため、吸湿後の機械物性・電気特性低下が問題となる。特許文献1に示される芳香族アミン樹脂を用いたエポキシ樹脂組成物においても、高耐熱性、耐衝撃性に優れた硬化物が得られているが、吸湿後の電気特性の低下は十分に要求を満たしているとは言えない。また、特許文献2においては吸湿後の電気特性の低下は改善されてはいるが、要求に対して十分ではない。
[1]下記式(1)で表される化合物を含有する芳香族アミン樹脂、
[2]前記式(1)におけるR1はそれぞれ独立して水素原子又は炭素数1〜2のアルキル基を表す前項[1]に記載の芳香族アミン樹脂、
[3]前記式(1)におけるnの平均値(A)が1≦A≦2を表す前項[1]又は[2]に記載の芳香族アミン樹脂、
[4]前記式(1)におけるR1がアルキル基であり、その置換位置がアミノ基に対して2位と6位、あるいは2位と3位、あるいは2位と5位に存在する前項[1]〜[3]のいずれかに記載の芳香族アミン樹脂、
[5]前記式(1)で表される化合物のうち、n=1体を75%以上含有する前項[1]〜[4]のいずれかに記載の芳香族アミン樹脂、
[6]前項[1]〜[5]のいずれかに記載の芳香族アミン樹脂を含有するエポキシ樹脂組成物、
[7]下記式(2)および/または下記式(3)で表されるエポキシ樹脂を含有する前項[6]に記載のエポキシ樹脂組成物、
[8]下記式(4)で表されるエポキシ樹脂を含有する前項[6]に記載のエポキシ樹脂組成物、
[9]前項[6]〜[8]のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物を強化繊維に含浸してなるプリプレグ、
[10]前項[6]〜[8]のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物を硬化してなる硬化物、
を、提供するものである。
本発明の芳香族アミン樹脂は、下記式(1)で表される化合物を含有する。
mは1〜4であり、好ましくは1〜2である。置換位置はいずれに存在してもよいが、mが2の場合、その置換位置はアミノ基に対して2位と6位、あるいは2位と3位、あるいは2位と5位に存在することが好ましい。
炭素数1〜4のアルキル基としては、例えば、炭素数1〜4の直鎖状のアルキル基が挙げられ、具体例は、メチル基、エチル基、プロピル基及びブチル基である。R1はメチル基、エチル基が好ましい。
nは平均値(A)として1≦A≦5であり、好ましくは1≦A≦2であり、より好ましくは1.1≦A≦2である。
本発明の芳香族アミン樹脂は必要により酸性触媒の存在下において、アルキル基を有するアニリン誘導体とビスハロゲノメチルビフェニル類またはビスアルコキシメチルビフェニル類とを反応させることにより得られる。
式(1)の化合物の製造に使用されるアルキル基を有するアニリン誘導体としては、2−メチルアニリン、3−メチルアニリン、4−メチルアニリン、2−エチルアニリン、3−エチルアニリン、4−エチルアニリン、2,3−ジメチルアニリン、2,4−ジメチルアニリン、2,5−ジメチルアニリン、2,6−ジメチルアニリン、3,4−ジメチルアニリン、3,5−ジメチルアニリン、2−プロピルアニリン、3−プロピルアニリン、4−プロピルアニリン、2−イソプロピルアニリン、3−イソプロピルアニリン、4−イソプロピルアニリン、2−エチル−6−メチルアニリン、2−sec−ブチルアニリン、2−tert−ブチルアニリン、4−ブチルアニリン、4−sec−ブチルアニリン、4−tert−ブチルアニリン、2,3−ジエチルアニリン、2,4−ジエチルアニリン、2,5−ジエチルアニリン、2,6−ジエチルアニリン、2−イソプロピル−6−メチルアニリン、4−アミノビフェニルなどが挙げられる。これらは単独で用いてもよく、2種以上併用してもよい。
また、エポキシ樹脂組成物として、より耐熱性、低吸湿性に優れる硬化物を得ることができる点から、2,3−ジメチルアニリン、2,4−ジメチルアニリン、2,5−ジメチルアニリン、2,6−ジメチルアニリン、2,3−ジエチルアニリン、2,4−ジエチルアニリン、2,5−ジエチルアニリン、2,6−ジエチルアニリンが好ましく、特に好ましくは2,6−ジメチルアニリン、2,6−ジエチルアニリンなどの、2位と6位に置換基を有するアニリン誘導体である。
ビスハロゲノメチルビフェニル類またはビスアルコキシメチルビフェニル類の使用量は、使用されるアニリン類1モルに対して通常0.05〜0.8モルであり、好ましくは0.1〜0.6モルである。
触媒の使用量は、使用されるアニリン類1モルに対して0.1〜0.8モル、好ましくは0.5〜0.7モルであり、多すぎると反応溶液の粘度が高すぎて攪拌が困難になり、少なすぎると反応の進行が遅くなるおそれがある。
本発明の芳香族アミン樹脂の軟化点は180℃以下が好ましく、150℃以下がより好ましい。また、溶融粘度は0.01〜0.5Pa・sが好ましく0.01〜0.15Pa・sが特に好ましい。
本発明のエポキシ樹脂組成物で使用することができるエポキシ樹脂としては、その具体例としてはフェノール類(フェノール、アルキル置換フェノール、芳香族置換フェノール、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、アルキル置換ジヒドロキシベンゼン、ジヒドロキシナフタレン等)と各種アルデヒド(ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、アルキルアルデヒド、ベンズアルデヒド、アルキル置換ベンズアルデヒド、ヒドロキシベンズアルデヒド、ナフトアルデヒド、グルタルアルデヒド、フタルアルデヒド、クロトンアルデヒド、シンナムアルデヒド等)との重縮合物、フェノール類と各種ジエン化合物(ジシクロペンタジエン、テルペン類、ビニルシクロヘキセン、ノルボルナジエン、ビニルノルボルネン、テトラヒドロインデン、ジビニルベンゼン、ジビニルビフェニル、ジイソプロペニルビフェニル、ブタジエン、イソプレン等)との重合物、フェノール類とケトン類(アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、アセトフェノン、ベンゾフェノン、フルオレノン等)との重縮合物、フェノール類とビスハロゲノメチルベンゼン類、ビスハロゲノメチルビフェニル類との重縮合物、ビスフェノール類と各種アルデヒドの重縮合物、アルコール類、等をグリシジル化したグリシジルエーテル系エポキシ樹脂、4−ビニル−1−シクロヘキセンジエポキシドや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ラートなどを代表とする脂環式エポキシ樹脂、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン(TGDDM)やトリグリシジル−p−アミノフェノールなどを代表とするグリシジルアミン系エポキシ樹脂、グリシジルエステル系エポキシ樹脂等が挙げられるが、通常用いられるエポキシ樹脂であればこれらに限定されるものではない。これらは単独で用いてもよく、2種以上を用いてもよい。好ましくは、下記式(2)〜(4)で表されるエポキシ樹脂である。しかし、これらに限定されるものではない。
X1における炭素数5〜20の複素環を有する炭化水素基中の複素環としては、例えば、ピリジン環、ピラジン環、ピリミジン環、ピリダジン環、トリアジン環、インドール環、キノリン環、アクリジン環、ピロリジン環、ジオキサン環、ピペリジン環、モルフォリン環、ピペラジン環、カルバゾール環、フラン環、チオフェン環、オキサゾール環、オキサジアゾール環、ベンゾオキサゾール環、チアゾール環、チアジアゾール環、ベンゾチアゾール環、トリアゾール環、イミダゾール環、ベンゾイミダゾール環、ピラン環、ジベンゾフラン環から形成される基等が挙げられる。
R2における炭素数1〜10のアルキル基としては、例えば炭素数1〜10の直鎖状又は分鎖状のアルキル基が挙げられ、具体例は、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、イソブチル基、ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、ヘキシル基、イソヘキシル基、ヘプチル基、イソヘプチル基、オクチル基、ノニル基及びデシル基である。好ましくは、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基又はイソブチル基であり、より好ましくは、メチル基である。
R3における炭素数1〜10のアルキル基として、例えば炭素数1〜10の直鎖状又は分鎖状のアルキル基が挙げられ、具体例は、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、イソブチル基、ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、ヘキシル基、イソヘキシル基、ヘプチル基、イソヘプチル基、オクチル基、ノニル基及びデシル基である。好ましくは、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基又はイソブチル基であり、より好ましくは、メチル基である。
使用できる硬化促進剤の例としては2−メチルイミダゾール、2−エチルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾールなどのイミダゾール類、2−(ジメチルアミノメチル)フェノール、1,8−ジアザ−ビシクロ(5,4,0)ウンデセン−7等の第3級アミン類、トリフェニルホスフィンなどのホスフィン類、オクチル酸スズ等の金属化合物が挙げられる。硬化促進剤はエポキシ樹脂100重量部に対して0.02〜5.0重量部が必要に応じ用いられる。
用いうる添加剤の具体例としては、ポリブタジエン及びこの変性物、アクリロニトリル共重合体の変性物、ポリフェニレンエーテル、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリイミド、フッ素樹脂、マレイミド系化合物、シアネートエステル系化合物、シリコーンゲル、シリコーンオイル、並びにシリカ、アルミナ、炭酸カルシウム、石英粉、アルミニウム粉末、グラファイト、タルク、クレー、酸化鉄、酸化チタン、窒化アルミニウム、アスベスト、マイカ、ガラス粉末等の無機充填材、シランカップリング剤のような充填材の表面処理剤、離型剤、カーボンブラック、フタロシアニンブルー、フタロシアニングリーン等の着色剤が挙げられる。
用いうるマレイミド化合物の具体例としては、4,4’−ジフェニルメタンビスマレイミド、ポリフェニルメタンマレイミド、m−フェニレンビスマレイミド、2,2’−ビス〔4−(4−マレイミドフェノキシ)フェニル〕プロパン、3,3’−ジメチル−5,5’−ジエチル−4,4’−ジフェニルメタンビスマレイミド、4−メチル−1,3−フェニレンビスマレイミド、4,4’−ジフェニルエーテルビスマレイミド、4,4’−ジフェニルスルフォンビスマレイミド、1,3−ビス(3−マレイミドフェノキシ)ベンゼン、1,3−ビス(4−マレイミドフェノキシ)ベンゼンなどが挙げられるがこれらに限定されるものではない。これらは単独で用いてもよく、2種以上併用してもよい。
マレイミド系化合物を配合する際は、必要により硬化促進剤を配合するが、前記のエポキシ樹脂の硬化促進剤や、有機過酸化物、アゾ化合物などのラジカル重合開始剤などが挙げられる。
用いられる溶剤としては、例えばγ−ブチロラクトン類、N−メチルピロリドン、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,N−ジメチルイミダゾリジノン等のアミド系溶剤、テトラメチレンスルフォン等のスルフォン類、ジエチ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ジエチルエーテル、プロピレングリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルモノアセテート、プロピレングリコールモノブチルエーテル等のエーテル系溶剤、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン等のケトン系溶剤、トルエン、キシレンなどの芳香族系溶剤が挙げられる。溶剤は、得られたワニス中の溶剤を除く固形分濃度が通常10〜80重量%、好ましくは20〜70重量%となる範囲で使用する。
また、ワニス状のエポキシ樹脂組成物を、強化繊維に含浸させて加熱乾燥させることにより本発明のプリプレグを得ることもできる。
上記のプリプレグを所望の形に裁断、積層後、積層物にプレス成形法やオートクレーブ成形法、シートワインディング成形法などで圧力をかけながらエポキシ樹脂組成物を加熱硬化させることにより繊維強化複合材料を得ることができる。
また、プリプレグの積層時に銅箔や有機フィルムを積層することもできる。
なお、アミン当量、軟化点、ICI溶融粘度は以下の条件で測定した。
・アミン当量
JIS K−7236 付属書Aに記載された方法に準拠した方法で測定し、単位はg/eq.である。
・軟化点
JIS K−7234に準拠した方法で測定し、単位は℃である。
・ICI溶融粘度
JIS K 7117−2に準拠した方法で測定し、単位はPa・sである。
温度計、冷却管、ディーンスターク共沸蒸留トラップ、撹拌機を取り付けたフラスコにo−トルイジン428部とトルエン240部を仕込み、室温で35%塩酸63部を1時間で滴下した。滴下終了後加熱して共沸してくる水とトルエンを冷却・分液した後、有機層であるトルエンだけを系内に戻して脱水を行った。次いで4,4’−ビス(クロロメチル)ビフェニル126部を60〜70℃に保ちながら1時間かけて添加し、更に同温度で2時間反応を行った。反応終了後、昇温をしながらトルエンを留去して系内を205〜210℃とし、この温度で12時間反応を行った。その後冷却しながら30%水酸化ナトリウム水溶液223部を系内が激しく還流しないようにゆっくりと滴下し、80℃以下で留去したトルエンを系内に戻し、70℃〜80℃で静置した。分離した下層の水層を除去し、反応液の水洗を洗浄液が中性になるまで繰り返した。次いで油層から加熱減圧下において過剰のo−トルイジンとトルエンを留去することにより本発明の芳香族アミン樹脂182部(A1)を得た。芳香族アミン樹脂(A1)の軟化点は59℃、溶融粘度は0.04Pa・s、アミン当量は203g/eqであった。
温度計、冷却管、ディーンスターク共沸蒸留トラップ、撹拌機を取り付けたフラスコに2,6−ジメチルアニリン484部とトルエン240部を仕込み、次いで4,4’−ビス(クロロメチル)ビフェニル126部を55〜60℃に保ちながら1時間かけて添加し、更に80〜85℃で1時間、120℃で1時間反応を行った。反応終了後、昇温をしながらトルエンを留去して系内を207〜210℃とし、この温度で5時間反応を行った。その後冷却しながら30%水酸化ナトリウム水溶液139部を系内が激しく還流しないようにゆっくりと滴下し、80℃以下で留去したトルエンを系内に戻し、70℃〜80℃で静置した。分離した下層の水層を除去し、反応液の水洗を洗浄液が中性になるまで繰り返した。次いで油層から加熱減圧下において過剰の2,6−ジメチルアニリンとトルエンを留去することにより本発明の芳香族アミン樹脂182部(A2)を得た。芳香族アミン樹脂(A2)の軟化点は136℃、溶融粘度は0.04Pa・s、アミン当量は211g/eqであった。
温度計、冷却管、ディーンスターク共沸蒸留トラップ、撹拌機を取り付けたフラスコに2,3−ジメチルアニリン242部とトルエン120部を仕込み、次いで4,4’−ビス(クロロメチル)ビフェニル63部を55〜60℃に保ちながら1時間かけて添加し、更に80〜85℃で2時間、120℃で1時間反応を行った。反応終了後、昇温をしながらトルエンを留去して系内を205〜210℃とし、この温度で24時間反応を行った。その後冷却しながら30%水酸化ナトリウム水溶液72部を滴下し、80℃以下で留去したトルエンを系内に戻し、70℃〜80℃で静置した。分離した下層の水層を除去し、反応液の水洗を洗浄液が中性になるまで繰り返した。次いで油層から加熱減圧下において過剰の2,3−ジメチルアニリンとトルエンを留去することにより本発明の芳香族アミン樹脂97部(A3)を得た。芳香族アミン樹脂(A3)の軟化点は75℃、溶融粘度は0.09Pa・s、アミン当量は217g/eqであった。
温度計、冷却管、ディーンスターク共沸蒸留トラップ、撹拌機を取り付けたフラスコに2,5−ジメチルアニリン485部とトルエン240部を仕込み、次いで4,4’−ビス(クロロメチル)ビフェニル126部を55〜60℃に保ちながら1時間かけて添加し、更に80〜85℃で1時間、120℃で1時間反応を行った。反応終了後、昇温をしながらトルエンを留去して系内を207〜210℃とし、この温度で30時間反応を行った。その後冷却しながら30%水酸化ナトリウム水溶液143部を滴下し、80℃以下で留去したトルエンを系内に戻し、70℃〜80℃で静置した。分離した下層の水層を除去し、反応液の水洗を洗浄液が中性になるまで繰り返した。次いで油層から加熱減圧下において過剰の2,5−ジメチルアニリンとトルエンを留去することにより本発明の芳香族アミン樹脂202部(A4)を得た。芳香族アミン樹脂(A4)の軟化点は79℃、溶融粘度は0.14Pa・s、アミン当量は217g/eqであった。
温度計、冷却管、ディーンスターク共沸蒸留トラップ、撹拌機を取り付けたフラスコに2,6−ジエチルアニリン478部とトルエン200部を仕込み、次いで4,4’−ビス(クロロメチル)ビフェニル100部を55〜60℃に保ちながら1時間かけて添加し、更に80〜85℃で1時間、120℃で1時間反応を行った。反応終了後、昇温をしながらトルエンを留去して系内を207〜210℃とし、この温度で14時間反応を行った。その後冷却しながら30%水酸化ナトリウム水溶液119部を滴下し、80℃以下で留去したトルエンを系内に戻し、70℃〜80℃で静置した。分離した下層の水層を除去し、反応液の水洗を洗浄液が中性になるまで繰り返した。次いで油層から加熱減圧下において過剰の2,6−ジエチルアニリンとトルエンを留去することにより本発明の芳香族アミン樹脂182部(A5)を得た。芳香族アミン樹脂(A5)の軟化点は115℃、溶融粘度は0.03Pa・s、アミン当量は236g/eqであった。
温度計、冷却管、ディーンスターク共沸蒸留トラップ、撹拌機を取り付けたフラスコにアニリン559部とトルエン500部を仕込み、室温で35%塩酸167部を1時間で滴下した。滴下終了後加熱して共沸してくる水とトルエンを冷却・分液した後、有機層であるトルエンだけを系内に戻して脱水を行った。次いで4,4’−ビス(クロロメチル)ビフェニル251部を60〜70℃に保ちながら1時間かけて添加し、更に同温度で2時間反応を行った。反応終了後、昇温をしながらトルエンを留去して系内を190〜200℃とし、この温度で15時間反応をした。その後冷却しながら30%水酸化ナトリウム水溶液500部を系内が激しく還流しないようにゆっくりと滴下し、80℃以下で留去したトルエンを系内に戻し、70℃〜80℃で静置した。分離した下層の水層を除去し、反応液の水洗を洗浄液が中性になるまで繰り返した。次いで油層から加熱減圧下において過剰のアニリンとトルエンを留去することにより芳香族アミン樹脂335部(C1)を得た。芳香族アミン樹脂(C1)の軟化点は59℃、溶融粘度は0.05Pa・s、アミン当量は196g/eqであった。
実施例1〜5で得られた芳香族アミン樹脂とエポキシ樹脂を表1の割合(重量部)で配合し、金属容器中で加熱溶融混合してそのまま金型に流し込み、160℃で2時間、更に180℃で8時間硬化させた。このようにして得られた硬化物の物性を以下の項目について測定した結果を表1に示す。
・ ガラス転移温度:TMA法(熱機械測定装置:TA−insturuments製 Q400EM)で昇温速度2℃/minで測定。
・ 吸湿率:121℃/100%で24時間後の重量増加率。試験片は直径50mm×厚み4mmの円盤。
・ 収縮率:JIS K−6911(成形収縮率)に準拠した方法で測定した。
比較合成例1で得られた芳香族アミン樹脂(C1)およびジアミノジフェニルメタン(DDM)とエポキシ樹脂を用い、実施例と同様に樹脂成形体を調製し、硬化物の物性を測定した。結果を表1に示す。
(E1):RE−310S(日本化薬(株)製 エポキシ当量184g/eq)
(A1):実施例1で合成した芳香族アミン樹脂
(A2):実施例2で合成した芳香族アミン樹脂
(A3):実施例3で合成した芳香族アミン樹脂
(A4):実施例4で合成した芳香族アミン樹脂
(A5):実施例5で合成した芳香族アミン樹脂
(C1):比較合成例1で合成した芳香族アミン樹脂
(DDM):ジアミノジフェニルメタン
実施例1〜5、比較合成例1で得られた芳香族アミン樹脂を使用し、各種のエポキシ樹脂、硬化促進剤を表2の割合(重量部)で配合し、ミキシングロールで混練、タブレット化後、トランスファー成形で樹脂成形体を調製し、160℃で2時間、更に180℃で6時間硬化させた。このようにして得られた硬化物の物性を以下の項目について測定した結果を表2に示す。
(E2):EOCN−1020−70(日本化薬(株)製 エポキシ当量198g/eq)
(E3):NC−3000(日本化薬(株)製 エポキシ当量277g/eq)
なお、本願は、2015年1月21日付で出願された日本国特許出願(2015−009036)に基づいており、その全体が引用により援用される。また、ここに引用されるすべての参照は全体として取り込まれる。
Claims (6)
- 前記式(1)におけるnの平均値(A)が1≦A≦2を表す請求項1に記載のエポキシ樹脂組成物。
- 下記式(2)および/または下記式(3)で表されるエポキシ樹脂を含有する請求項1又は2に記載のエポキシ樹脂組成物。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載のエポキシ樹脂組成物を強化繊維に含浸してなるプリプレグ。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載のエポキシ樹脂組成物を硬化してなる硬化物。
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