JP6753603B2

JP6753603B2 - 末端変性されたオリゴイミドおよびその製造方法

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Publication number: JP6753603B2
Application number: JP2016171861A
Authority: JP
Inventors: 祐己山田; 達弥森北; 耕竹内; 吉田　猛; 猛吉田; 朗繁田; 良彰越後
Original assignee: Unitika Ltd
Current assignee: Unitika Ltd
Priority date: 2015-09-04
Filing date: 2016-09-02
Publication date: 2020-09-09
Anticipated expiration: 2036-09-02
Also published as: JP7040836B2; JP2020189997A; JP2017048391A; JP2021191878A; JP6953042B2

Description

本発明は、末端変性されたオリゴイミドおよびその製造方法に関するものである。

末端変性されたオリゴイミドの中で、末端基の一部または全部がマレイミド化されたオリゴイミドが知られている。（特許文献１〜３および非特許文献１）これらオリゴイミドは、熱硬化または光硬化することにより、イミド結合に基づく高い耐熱性と良好な機械的特性を有するフィルム等の成形体を得ることができる。また、マレイミド基のビニル基は活性であるため、例えば、ビニルエーテル類、アクリレート類、メタアクリレート類のビニル化合物と共重合でき、これらの共重合体は、様々な耐熱性樹脂や接着剤の原料として有用である。

前記末端マレイミド化オリゴイミドの中で、オリゴイミドを構成するテトラカルボン酸として芳香族テトラカルボン酸、ジアミンとして脂肪族ジアミンを用いたオリゴイミド（以下、「ＭＯＩ」と略記することがある）は、シリコン基板のパシベーション膜、ダイボンディング用接着剤、高周波用基板等用として好適に使用できることが開示されている。（特許文献４〜６）これらのＭＯＩを製造する方法として、従来は、溶媒中で、末端ジアミンとしたオリゴイミドに、無水マレイン酸を反応させて、末端マレアミック酸オリゴイミドを生成させ、末端マレアミック酸をイミド化するに際し、脱水触媒として、硫酸、メタンスルフォン酸、ｐ−トルエンスルフォン酸等ｐＫａが１未満の強酸とトリエチルアミン等脂肪族３級アミンと混合物の共存下、１００℃以上で長時間加熱して、イミド化の際、副生する水を、共沸により除去しつつ、マレアミック酸をイミド化し、末端をマレイミド化する方法（特許文献３、５）や、アミド系溶媒を含む溶媒中で、前記末端マレアミック酸オリゴイミドを前記強酸の共存下、１００℃以上で長時間加熱して、イミド化の際、副生する水を共沸により除去しつつ、末端のマレアミック酸をイミド化する方法（特許文献６）が用いられてきた。さらに、マレアミック酸をマレイミド化する際に、脱水触媒として無水酢酸と塩基性化合物（１−ヒドロキシベンズトリアゾール、トリエチルアミン、酢酸ソーダ等）の混合物を用い、長時間をかけて低温で反応させて、ＭＯＩを製造する方法も開示されている。（特許文献４）

米国特許第５０９６９９８号特開平８−１２９１４号公報米国特許第７２０８５６６号米国特許第６０３４１９５号米国公開特許２０１３／０２２８９０１号国際公開２０１５／０４８５７５号

ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＰＯＬＹＭＥＲＳＣＩＥＮＣＥ：ＰＡＲＴＡ：ＰＯＬＹＭＥＲＣＨＥＭＩＳＴＲＹ，ＶＯＬ．２６，１１６５−１１７８（１９８８）

しかしながら、ＭＯＩを製造するに際し、先ず、芳香族テトラカルボン酸二無水物と脂肪族ジアミンから得られるアミック酸をイミド化して末端ジアミンのオリゴイミドを得た後、これに無水マレイン酸を反応させて、末端マレアミック酸オリゴイミドを生成させ、これをマレイミド化する際に、前記したような、強酸を含む脱水触媒を用い、１００℃以上の温度で、長時間加熱して、マレイミド化するような反応方法では、反応の際、生成するマレイミドが、過剰反応して、ビニル重合やマイケル付加等の副反応を起こしやすく、結果として、生成物の中に、多量の高分子量の副生成物が混在することがあった。特に、ＭＯＩのビニル基が、ビニル重合して生成するＭＯＩの２量体や３量体（以下、「ＭＯＩオリゴマ」と略記することがある）は、ＭＯＩと分離精製することが困難であり、これらの副生成物含有量が低減されたＭＯＩを得ることは難しかった。ＭＯＩオリゴマがＭＯＩ中に多量に混在すると、この溶液からフィルム等を成形した際に、レベリング性が低下するために、フィルムの厚みムラが起こりやすいという問題があった。また、ＭＯＩオリゴマが多量に混在したＭＯＩでは、これを他のビニルモノマと共重合した際に、均一なランダム共重合体や交互共重合体が得られにくいという問題があった。さらに、テトラカルボン酸類として芳香族テトラカルボン酸、ジアミンとして脂肪族ジアミンから得られるマレアミック酸をマレイミド化する際に、脱水触媒として無水酢酸と塩基性化合物の混合物を用い、長時間をかけて低温でイミド化させたとしても、前記した副反応が進行し、ＭＯＩオリゴマ等の副生成物含有量が低減されたＭＯＩを得ることは難しかった。
そこで本発明は、上記課題を解決するものであって、副生成物含有量が低減されたＭＯＩおよびその製造方法の提供を目的とする。

ＭＯＩの^１Ｈ−ＮＭＲにおいて、特定のピークの量的対比を行った場合、その比率を特定の範囲としたＭＯＩは、ＭＯＩオリゴマやその他の副生成物が低減され、前記課題が解決されることを見出し、本発明の完成に至った。

本発明は下記を趣旨とするものである。
＜１＞以下の特徴を有する末端変性されたオリゴイミド。
１）オリゴイミドが芳香族テトラカルボン酸と脂肪族ジアミンとの縮合物からなり、脂肪族ジアミンに対する芳香族テトラカルボン酸のモル比が、０．５以上、０．９以下の範囲である；
２）末端基の一部または全部がマレイミド変性されており、^１Ｈ−ＮＭＲにおいて、マレイミドの窒素原子に直結するメチレン基のプロトンに対応するピークの積分値（Ａ）および末端のマレイミドのビニルプロトンに対応するピークの積分値（Ｂ）を用いて量的対比を行った場合に、Ｂ／Ａが０．８２以上である。
＜２＞アミド系溶媒を含む溶媒中で、芳香族テトラカルボン酸二無水物および無水マレイン酸と、脂肪族ジアミンとを反応させて、末端マレアミック酸のオリゴアミック酸を生成させた後、酸触媒として、脂肪族カルボン酸を用いてイミド化することを特徴とする＜１＞記載のオリゴイミドの製造方法。

本発明のＭＯＩは、レベリング性に優れているので、厚みムラが小さいフィルムを得ることができる。また、本発明のＭＯＩは、ＭＯＩオリゴマが低減化されているので、ビニルエーテル類等他の共重合可能なビニル化合物と共重合して、均一性に優れたランダム共重合や交互共重合体を得ることができる。さらに、本発明のＭＯＩ製造方法においては、末端がマレアミック酸変性されたオリゴアミック酸から一挙にＭＯＩを生成させるようにしたので、イミド化時間を短縮することができる。

実施例１で得られたＭＯＩの^１Ｈ−ＮＭＲチャートである。

本発明のＭＯＩは、オリゴイミドの末端基の一部または全部がマレイミド変性されたものである。ＭＯＩの骨格を成すオリゴイミドは、イミド結合を有するオリゴマであり、芳香族テトラカルボン酸二無水物と脂肪族ジアミンとを脱水縮合することにより得られるものである。

芳香族テトラカルボン酸二無水物としては、芳香環を有するテトラカルボン酸二無水物であれば制限はないが、例えば、ピロメリット酸二無水物（ＰＭＤＡ）、１，２，３，４−ベンゼンテトラカルボン酸二無水物、３，３′，４，４′−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、２，３，３′，４′−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、３，３′，４，４′−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、３，３′，４，４′−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、３，３′，４，４′−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、３，３′，４，４′−ビフェニルエーテルテトラカルボン酸二無水物（４，４′−オキシジフタル酸二無水物）、２，３′，４，４′−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸二無水物、３，３′，４，４′−ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物、２，３，３′，４′−ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物、２，３，６，７−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、１，２，５，６−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、１，４，５，８−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、２，３，６，７−アントラセンテトラカルボン酸二無水物、１，２，７，８−フェナンスレンテトラカルボン酸二無水物等が挙げられ、ＰＭＤＡが好ましく用いられる。

脂肪族ジアミンとしては、主鎖にアルキレン基を有するジアミンであれば制限はないが、例えば、ヘキサメチレンジアミン、ヘプタメチレンジアミン、オクタメチレンジアミン、ノナメチレンジアミン、デカメチレンジアミン、ドデカメチレンジアミン、２，１１−ジアミノドデカン、ダイマジアミン等の脂肪族ジアミンが挙げられ、ダイマジアミンが好ましく用いられる。ダイマジアミンは、コグニスジャパン社製、商品名「バーサミン５５１」、「バーサミン５５２」、クローダ社製、商品名「プリアミン１０７４」、「プリアミン１０７５」等の市販品が用いられる。これら脂肪族ジアミン類は、単独、または２種以上を組み合わせて用いられる。

本発明のＭＯＩを構成するオリゴイミドは、芳香族テトラカルボン酸二無水物と脂肪族ジアミンとの縮合物からなり、脂肪族ジアミンに対する芳香族テトラカルボン酸のモル比が、０．５以上、０．９以下の範囲であり、０．５５以上、０．８５以下とすることが好ましい。このようなモル比とすることにより、良好な成形性と高い耐熱性を同時に確保できる。

本発明のＭＯＩは、末端基の一部または全部がマレイミド変性されており、^１Ｈ−ＮＭＲにおいて、ピーク１の積分値（Ａ）およびピーク２の積分値（Ｂ）を用いて量的対比を行った場合に、Ｂ／Ａが０．８２以上である。Ｂ／Ａは０．８５以上であることが好ましく、０．８７以上であることがより好ましい。このようにすることにより、前記したＭＯＩ中のＭＯＩオリゴマの低減化されるので、フィルム等を成形した際のレベリング性を確保でき、フィルムの厚みムラを解消することができる。また、ビニルエーテル類等他の共重合可能なビニル化合物と共重合して、均一性に優れたランダム共重合や交互共重合体を得ることができる。なお、ＭＯＩ中に含有されているＭＯＩオリゴマは、^１Ｈ−ＮＭＲにおいて、芳香族テトラカルボン酸とイミド結合を形成するメチレン基のプロトンに対応するピーク（以下、ピーク３と略記することがある）の積分値（Ｃ）および末端のマレイミドがビニル重合した際やその他の副反応で生成するコハク酸イミド誘導体のメチレン基のプロトン（以下、ピーク４と略記することがある）等を反映するピークの積分値（Ｄ）を用いて量的対比を行うことにより評価することができる。このＤ／Ｃは、Ｂ／Ａと相関しているパラメータであり、本発明のＭＯＩにおいては、Ｄ／Ｃが０．２５以下であることが好ましく、０．２３以下であることがより好ましい。

＜^１Ｈ−ＮＭＲ測定条件＞
装置：核磁気共鳴装置（日本電子社製型番：ＥＣＡ５００）
周波数：５００．１６ＭＨｚ
基準物質：テトラメチルシラン
測定温度：２５℃
溶媒：重水素化クロロホルム

本発明のＭＯＩは、例えば、以下のようなプロセスで製造することができる。すなわち、先ず、溶媒中で、ジアミンとテトラカルボン酸二無水物を反応させて、末端ジアミンのオリゴアミック酸（オリゴイミド前駆体）を生成させ、しかる後、無水マレイン酸を反応させて、末端がマレアミック酸変性されたオリゴアミック酸を生成させる。しかる後、酸触媒を用いて、マレアミック酸およびオリゴアミック酸のアミック酸部分を、一括してイミド化することにより、ＭＯＩ溶液とすることができる。ここで、テトラカルボン酸二無水物は、ジアミン１モルに対し、０．５モル以上、０．９モル以下用いることが好ましい。また、無水マレイン酸は、ジアミン１モルおよび用いたテトラカルボン酸二無水物Ｘモルに対し、２＊（１−Ｘ）モル以上、４＊（１−Ｘ）モル以下用いることが好ましい。イミド化の際の反応温度としては、１５０℃以下とすることが好ましく、１３０℃以下とすることがより好ましい。また、イミド化の際の反応時間としては、２時間以上、１０時間以下とすることが好ましく、４時間以上、８時間以下とすることがより好ましい。反応時間が１０時間を超えると、ビニル重合体の生成等副反応が起こりやすくなることがある。また、２時間未満では、イミド化が充分に進まないことがある。イミド化反応に際しては、イミド化により生成する水を反応系外に留去しつつ反応を行うことができる。前記のようにして得られたＭＯＩ溶液に、貧溶媒等を加え、再沈殿後、乾燥することにより、本発明のＭＯＩを粉体として単離することができる。

前記ＭＯＩ製造プロセスにおいて、イミド化の際、酸触媒として、弱酸性（ｐＫａが１以上）である脂肪族カルボン酸を用いることが好ましい。脂肪族カルボン酸の使用量は、原料であるジアミン１モルに対し、０．１モル以上、３．０モル以下とすることが好ましく、０．２モル以上、２．５モル以下とすることがより好ましい。ここで、脂肪族カルボン酸としては、酢酸、プロピオン酸、マレイン酸、コハク酸、リンゴ酸、フマル酸等が用いられ、マレイン酸が好ましく用いられる。このように、脱水触媒として、弱酸である有機カルボン酸を特定量使用することにより、本発明のＭＯＩを、容易に製造することができる。なお、酸触媒としては、前記した遊離したカルボン酸以外に、加水分解して遊離カルボン酸を生成する無水酢酸や無水マレイン酸などを用いても良い。

反応の際用いる溶媒としては、生成物であるＭＯＩを溶解する溶媒であれば、制限はないが、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）等のアミド系溶媒、トルエン、キシレン等の炭化水素系溶媒、グライム、ジグライム等のエーテル系溶媒が好ましく用いられる。これらの溶媒は、単独、または２種以上を組み合わせて用いられる。これらの中で、アミド系溶媒と炭化水素系溶媒とからなる混合溶媒が好ましく用いられる。

反応の際の固形分濃度としては、５〜８０質量％とすることが好ましく、１０〜７０質量％とすることがより好ましい。

以下に、実施例を挙げて、本発明をさらに詳細に説明する。なお本発明は実施例により限定されるものではない。

＜実施例１＞
水分離器付き還流冷却器、攪拌機、温度計を備えたガラス製反応容器に、窒素雰囲気下、ダイマジアミン（クローダジャパン株式会社製「プリアミン１０７５」、分子量：５４９）：１．０モル、トルエンとＤＭＡｃとからなる混合溶媒（質量比：トルエン／ＤＭＡｃ＝８０／２０）を投入して攪拌した。得られた溶液に、室温（２０℃）で、ＰＭＤＡ：０．６６モル、続いて無水マレイン酸：０．６８モルを加え、室温で１時間撹拌し、８０℃で３時間加熱した後、冷却して、末端がマレアミック酸変性されたオリゴアミック酸溶液（固形分濃度：３０質量％）を得た。次に、この溶液に、マレイン酸（ｐＫａ＝１．９、６．１）２．００モルを加え、得られた溶液を、攪拌しながら昇温して内容物を加熱還流させた。反応により生成する水を共沸分離しながら約１１５℃で６時間還流を続けたのち、冷却して、橙黄色溶液を得た。その後、得られた溶液を、水系溶媒で洗浄することにより、ＭＯＩ溶液を得た。続いて、この溶液を、メタノール溶液に中に投入して、ＭＯＩを再沈殿させ、これを濾過、洗浄、乾燥することにより、ＭＯＩ粉体（ＭＯＩ−１）を得た。ＭＯＩ−１の^１Ｈ−ＮＭＲを前記した条件で測定した結果を図１に示す。図１に示すように、ＭＯＩ−１の主成分は、末端がマレイミド化されたオリゴイミドであることが確認された。この^１Ｈ−ＮＭＲチャートで認められたピーク１（δ：３．５ＰＰＭ多重線）の積分値（Ａ）とピーク２（δ：６．７ＰＰＭ単線）との積分値（Ｂ）とを用いて、量的対比を行った結果、Ｂ／Ａは０．８３であった。また、この^１Ｈ−ＮＭＲにおいて、ピーク３（δ：３．７ＰＰＭ多重線）の積分値（Ｃ）とピーク４（δ：２．５ＰＰＭブロード）との積分値（Ｄ）とを用いて、量的対比を行った結果、Ｄ／Ｃは０．２１であった。

＜実施例２＞
ＤＭＡｃをＮＭＰとしたこと以外は、実施例１と同様に行い、ＭＯＩ粉体（ＭＯＩ−２）を得た。ＭＯＩ−２の^１Ｈ−ＮＭＲを測定し、ピーク１とピーク２の積分値を用いて、量的対比を行った結果、Ｂ／Ａは０．８５であった。

＜実施例３＞
ＰＭＤＡ、無水マレイン酸、マレイン酸の使用量を、それぞれ、０．８０モル、０．４２モル、１．８０モルとしたこと以外は、実施例１と同様に行い、ＭＯＩ粉体（ＭＯＩ−３）を得た。ＭＯＩ−３の^１Ｈ−ＮＭＲを測定し、ピーク１とピーク２の積分値を用いて、量的対比を行った結果、Ｂ／Ａは０．９１であった。

＜比較例１＞
国際公開２０１５／０４８５７５号の実施例１記載の方法に準拠して、ＭＯＩ粉体（ＭＯＩ−４）を得た。
この方法の前記した本願実施例との主な相違点は、以下の通りである。
１）イミド化のための脱水触媒として、強酸性を示すメタンスルフォン酸（ｐＫａ＝−１．９）を用いる。
２）マレアミック酸部分のイミド化時間が１８時間である。
ＭＯＩ−５の^１Ｈ−ＮＭＲを測定し、ピーク１とピーク２の積分値を用いて、量的対比を行った結果、Ｂ／Ａは０．８１であった。また、この^１Ｈ−ＮＭＲにおいて、ピーク３とピーク４の積分値を用いて、量的対比を行った結果、Ｄ／Ｃは０．２８であった。

＜比較例２＞
米国公開特許第２０１３／０２２８９０１号の実施例１および米国特許第７２０８５６６号の実施例５記載の方法に準拠して、ＭＯＩ粉体（ＭＯＩ−５）を得た。
この方法の前記した本願実施例との主な相違点は以下の通りである。
１）イミド化のための脱水触媒として、強酸性を示すメタンスルフォン酸（ｐＫａ＝−１．９）と弱塩基であるトリエチルアミンとの混合物を用い、メタンスルフォン酸をトリエチルアミンの２倍モル以上用いる。
２）溶媒としてトルエンのみを用いる。
３）マレアミック酸部分のイミド化時間が１２時間である。
ＭＯＩ−４の^１Ｈ−ＮＭＲを測定し、ピーク１とピーク２の積分値を用いて、量的対比を行った結果、Ｂ／Ａは０．７５であった。

＜比較例３＞
米国特許第６０３４１９５号の実施例１記載の方法に準拠して、ＭＯＩ粉体（ＭＯＩ−６）を得た。
この方法の前記した本願実施例との主な相違点は、以下の通りである。
１）イミド化のための脱水触媒として、無水酢酸と塩基性化合物（１−ヒドロキシベンズトリアゾール）の混合物を用いる。
２）イミド化温度が室温である。
３）イミド化時間が２４時間である。
ＭＯＩ−６の^１Ｈ−ＮＭＲを測定し、ピーク１とピーク２の積分値を用いて、量的対比を行った結果、Ｂ／Ａは０．６７であった。

＜比較例４＞
実施例１で得られたＭＯＩ−１をソルベントナフサ中に再溶解し、この溶液を１５５℃で５時間加熱した後、メタノール中で再沈殿、乾燥することにより、ＭＯＩ粉体（ＭＯＩ−７）を得た。
ＭＯＩ−７の^１Ｈ−ＮＭＲを測定し、ピーク１とピーク２の積分値を用いて、量的対比を行った結果、Ｂ／Ａは０．７２であった。また、この^１Ｈ−ＮＭＲにおいて、ピーク３とピーク４の積分値を用いて、量的対比を行った結果、Ｄ／Ｃは０．３３であった。

＜実施例５＞
ＭＯＩ１〜７のそれぞれ１００質量部をトルエン１００質量部に溶解し、熱重合開始剤であるジクミルパーオキサイド０．７質量部を加え、精密濾過後、固形分濃度が５０質量％の塗膜形成用ＭＯＩワニス１〜７を得た。これらのワニスをそれぞれ、基材である平滑な銅箔上にフィルムアプリケーターを用いて塗布し、その塗膜を、窒素ガス雰囲気下、８０℃で２０分間、２００℃で６０分間、加熱処理して、厚みが約３０μｍのＭＯＩフィルム（ＭＯＩフィルム１〜７）からなる被膜を形成した。これらの被膜（銅箔を含む）を１０ｃｍ平方に切り出した後、任意の９か所（約３ｃｍ間隔）のフィルム厚みを測定した。その結果、実施例１〜３のＭＯＩ粉体から得られたＭＯＩフィルム１〜３は、その厚みの変動幅が平均値に対し±５％以下であったのに対し、比較例１〜４のＭＯＩ粉体から得られたＭＯＩフィルム４〜７は前記変動幅が±５％を超えていた。

前記評価結果から、本発明のＭＯＩから得られるフィルムは、厚みムラが小さく、本発明のＭＯＩは、レベリング性が優れていることが明らかである。また、本発明のＭＯＩは、ＭＯＩオリゴマが低減化されているので、ビニルエーテル類等他の共重合可能なビニル化合物と共重合して、均一性に優れたランダム共重合や交互共重合体を得ることができる。さらに、本発明のＭＯＩ製造方法においては、末端がマレアミック酸変性されたオリゴアミック酸から一挙にＭＯＩを生成させるようにしたので、イミド化時間が短縮され、副生成物の生成を抑制することができる。

本発明のＭＯＩは、ＭＯＩオリゴマ等の副生成物含有量が低減化されており、レベリング性が良好であるので、シリコン基板のパシベーション膜、ダイボンディング用接着剤、高周波用基板等用として好適に使用できる。また、ビニルエーテル類、アクリレート類、メタアクリレート類のビニル化合物と均一な共重合を製造することができ、これらの共重合体は、様々な耐熱性樹脂や接着剤の原料として有用である。

Claims

以下の特徴を有する末端変性されたオリゴイミド。
１）オリゴイミドが芳香族テトラカルボン酸と脂肪族ジアミンとの縮合物からなり、脂肪族ジアミンに対する芳香族テトラカルボン酸のモル比が、０．５以上、０．９以下の範囲である；
２）末端基の一部または全部がマレイミド変性されており、^１Ｈ−ＮＭＲにおいて、マレイミドの窒素原子に直結するメチレン基のプロトンに対応するピークの積分値（Ａ）および末端のマレイミドのビニルプロトンに対応するピークの積分値（Ｂ）を用いて量的対比を行った場合に、Ｂ／Ａが０．８２以上である。
アミド系溶媒を含む溶媒中で、芳香族テトラカルボン酸二無水物および無水マレイン酸と、脂肪族ジアミンとを反応させて、末端マレアミック酸のオリゴアミック酸を生成させた後、酸触媒として、脂肪族カルボン酸を用いてイミド化することを特徴とする請求項１記載のオリゴイミドの製造方法。