JP6764470B2 - マレイミド樹脂、硬化性樹脂組成物およびその硬化物 - Google Patents
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Description
また、近年省エネの必要から飛行機、自動車、列車、船舶等の軽量化が進んでいる。従来は金属材料を用いていたものを、軽量で高強度な炭素繊維複合材料に置き換える検討が輸送機器分野で特に行われている。例えばボーイング787においては複合材料の比率を上げることで軽量化を行い、燃費効率を大幅に改善している。航空分野ではさらなる軽量化のために、エンジン回りの部材にも炭素繊維複合材を導入する動きもあり、当然高いレベルの耐熱性が要求されてきている。自動車分野では一部ではあるが複合材料製のプロペラシャフトを搭載しており、また高級車向けに車体を複合材料で作る動きもある。炭素繊維複合材の分野では、従来はエポキシ樹脂のビスフェノールAジグリシジルエーテルやテトラグリシジルジアミノジフェニルメタンなどと、硬化剤としてジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルホンなどを使用した複合材料が用いられてきたが、より軽量化・高耐熱化を進めるためには複合材料の適用を広げる必要があり、そのための材料としてマレイミド樹脂が一つの手段として検討されている。
このような中、市場で入手可能なマレイミド化合物のビスマレイミド化合物であることが多く、融点が高い結晶であるため溶液の形態として用いる必要がある。しかしこれらは汎用の有機溶剤には溶解し難く、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドンなどの高沸点で吸湿性の溶剤にしか溶解しないなどの欠点を有する。また、ビスマレイミド化合物の硬化物は、耐熱性は良好であるが、脆くて、吸湿量も多いという欠点を有する。
これに対して、特許文献2、特許文献3、特許文献4のように分子量分布を有し、軟化点が比較的低く、溶剤溶解性に優れたマレイミド樹脂も開発されおり、その硬化物は耐熱性を有しながら、可撓性があり、低吸湿性もあることが報告されている。
本発明の目的は、マレイミド樹脂を含有する硬化性樹脂組成物の熱分解性、難燃性、低吸湿性、強度を向上させるために、未閉環のアミック酸量の少ないマレイミド樹脂を提供することにある。
すなわち本発明は
[1]
下記式(1)で表される、酸価が5mgKOH/g以下であるマレイミド樹脂、
[2]
下記式(2)で表される前項[1]に記載のマレイミド樹脂、
[3] 下記式(3)で表される前項[1]に記載のマレイミド樹脂、
[4] 芳香族アミン樹脂とマレイン酸またはマレイン酸無水物とを反応させてアミック酸を生成後、触媒存在下において脱水反応を行い、水洗により過剰のマレイン酸またはマレイン酸無水物を除去した後に、ふたたび触媒存在下において脱水閉環反応する前項[1]〜[3]のいずれか一項に記載のマレイミド樹脂、
[5] 前項[1]〜[4]のいずれか一項に記載のマレイミド樹脂を含有する硬化性樹脂組成物、
[6] 前項[5]に記載の硬化性樹脂組成物を硬化した硬化物、
[7] 芳香族アミン樹脂とマレイン酸またはマレイン酸無水物とを反応させてアミック酸を生成後、触媒存在下において脱水反応を行い、水洗により過剰のマレイン酸またはマレイン酸無水物を除去した後に、ふたたび触媒存在下において脱水閉環反応する下記式(1)で 表されるマレイミド樹脂の製造方法、
に関する。
本発明のマレイミド樹脂は、前駆体として下記式(4)〜下記式(6)の芳香族アミン樹脂を用いることができる。
ビスハロゲノメチルアラルキル誘導体またはアラルキルアルコール誘導体の使用量は、使用されるアニリン誘導体1モルに対して0.05〜0.8モル、好ましくは0.1〜0.6モルである。
アニリン誘導体の種類によっては、ジフェニルアミン誘導体が副生するため、高温・高真空下で、もしくは水蒸気蒸留等の手段を用いて、ジフェニルアミン誘導体を1重量%以下、好ましくは0.5重量%以下、より好ましくは0.2重量%以下まで除去する。
または、マレイン酸無水物をトルエンに溶解し、撹拌下で式(4)〜式(6)の芳香族アミン樹脂のN−メチル−2−ピロリドン溶液を添加してアミック酸を生成し、その後p−トルエンスルホン酸を加えて、還流条件下で生成する水を系内から除去しながら反応を行う。
再脱水閉環反応の時間は通常1〜5時間、好ましくは1〜3時間であり、必要により前述の非プロトン性極性溶剤を添加しても良い。反応終了後、冷却して、水洗水が中性になるまで水洗を繰り返す。その後、加熱減圧下において水を共沸脱水で除いてから、溶剤を留去したり、別の溶剤を加えたりして所望の濃度の樹脂溶液に調整しても良いし、溶剤を完全に留去して固形の樹脂として取り出しても良い。
前述した製造方法により得られた本発明のマレイミド樹脂は、酸価が5mgKOH/g以下である下記式(1)の構造を有する。
具体的には下記式(2)または下記式(3)で表される構造を有するマレイミド樹脂が好ましい。
(式中、複数存在するR1はそれぞれ独立して水素原子、炭素数1〜10のアルキル基もしくは芳香族基を表す。mは1〜4の整数を表し、pは1〜3の整数を表し、nは1〜10の実数を表す。)
前記式(1)〜式(3)中のR1における芳香族基としては、フェニル基、ビフェニル基、インデニル基、ナフチル基、アントリル基、フルオレニル基、ピレニル基等の芳香族炭化水素基、フラニル基、チエニル基、チエノチエニル基、ピロリル基、イミダゾリル基、ピリジル基、ピラジル基、ピリミジル基、キノリル基、インドリル基及びカルバゾリル基等が挙げられる。
未閉環のアミック酸などが不純物として含まれると、酸価が5mgKOH/gより多い場合、硬化物の耐熱性が低下し、かつ電気絶縁材として用いた場合配線腐食の問題が生じることがある。
融点や軟化点が高温すぎる場合、後のエポキシ樹脂との混合の際にゲル化の可能性が高くなるため好ましくない。
本発明の硬化性樹脂組成物には、本発明のマレイミド樹脂と架橋反応可能な化合物を含有することができる。当該化合物としては、アミノ基、シアネート基、フェノール性水酸基、アルコール性水酸基、アリル基、メタリル基、アクリル基、メタクリル基、ビニル基、共役ジエン基などのマレイミド樹脂と架橋反応し得る官能基(或いは構造)を有する化合物であれば特に限定されない。
アミン化合物とマレイミド化合物は架橋反応するので、前記式(4)〜式(6)で表される芳香族アミン樹脂を用いても良い。マレイミド樹脂は自己重合も可能なので単独使用も可能である。また、前記式(4)〜式(6)に記載の芳香族アミン樹脂以外のアミン化合物または本発明のマレイミド樹脂以外のマレイミド化合物を併用してもかまわない。
上記フェノール類としては、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が挙げられる。
上記各種アルデヒドとしては、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が挙げられる。
上記各種ジエン化合物としては、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、イソプレン等が挙げられる。
上記ケトン類としてはアセトン、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、ベンゾフェノン等が挙げられる。
また、日本国特開2005−264154号公報に合成方法が記載されているシアネートエステル化合物は、低吸湿性、難燃性、誘電特性に優れているためシアネートエステル化合物として特に好ましい。
また、フェノール類と前記のビスハロゲノメチルアラルキル誘導体またはアラルキルアルコール誘導体とを縮合反応させることにより得られるフェノールアラルキル樹脂を原料とし、エピクロルヒドリンと脱塩酸反応させることにより得られるエポキシ樹脂は、低吸湿性、難燃性、誘電特性に優れているためエポキシ樹脂として特に好ましい。
配合し得るフェノール樹脂としては、従来公知のフェノール樹脂のいずれも使用することができる。フェノール樹脂の具体例としてはビスフェノール類(ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールS、ビフェノール、ビスフェノールAD等)、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、ベンゾフェノン等)との重縮合物、フェノール類と芳香族ジメタノール類(ベンゼンジメタノール、α,α,α’,α’−ベンゼンジメタノール、ビフェニルジメタノール、α,α,α’,α’−ビフェニルジメタノール等)との重縮合物、フェノール類と芳香族ジクロロメチル類(α,α’−ジクロロキシレン、ビスクロロメチルビフェニル等)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、及びこれらの変性物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種以上を用いてもよい。
また、フェノール類と前記のビスハロゲノメチルアラルキル誘導体またはアラルキルアルコール誘導体とを縮合反応させることにより得られるフェノールアラルキル樹脂は、低吸湿性、難燃性、誘電特性に優れているためフェノール樹脂として特に好ましい。
酸無水物基を有する化合物は単独又は2種以上混合して用いることができる。また、酸無水物基とアミンが反応した結果、アミック酸となるが、さらに200℃〜300℃で加熱すると脱水反応によりイミド構造となり、耐熱性に非常に優れた材料となる。
また、前記ワニスを、強化繊維に含浸させて加熱乾燥させることにより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、必要により銅箔などと積層後、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硬化性樹脂組成物を加熱硬化させることにより電気電子用積層板(プリント配線板)や、炭素繊維強化材を得ることができる。
・軟化点 :JIS K−7234に準じた方法で測定
・溶融粘度:コーンプレート法での150℃における粘度
・酸価:JIS K−0070:1992に準じた方法で測定
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372部とトルエン200部を仕込み、1,4−ビスクロロメチルベンゼン88部を60〜70℃に保ちながら1時間かけて添加し同温度で2時間反応を行った。次いで35%塩酸104部を60〜70℃に保ちながら1時間で滴下した。滴下終了後、昇温をしながら水、トルエンを留去して系内を205〜210℃とし、この温度で10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277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℃以下で昇温時に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。次いでロータリーエバポレーターで油層から加熱減圧下(200℃、0.6KPa)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(a1)138部を得た。芳香族アミン樹脂(a1)中のジフェニルアミンは2.0%であった。
得られた樹脂を、再びロータリーエバポレーターで加熱減圧下(200℃、4KPa)において水蒸気吹き込みの代わりに水を少量づつ滴下した。その結果、芳香族アミン樹脂(A1)131部を得た。得られた芳香族アミン樹脂(A1)は室温で高粘調な液状であり、アミン当量は150g/eq、ジフェニルアミンは0.1%以下であった。
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372部とトルエン200部を仕込み、4,4’−ビス(クロロメチル)ビフェニル125部を60〜70℃に保ちながら1時間かけて添加し同温度で2時間反応を行った。次いで35%塩酸104部を60〜70℃に保ちながら1時間で滴下した。滴下終了後、昇温をしながら水、トルエンを留去して系内を205〜210℃とし、この温度で10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277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℃以下で昇温時に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。次いでロータリーエバポレーターで油層から加熱減圧下(200℃、0.6KPa)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(a2)173部を得た。芳香族アミン樹脂(a2)中のジフェニルアミンは2.0%であった。
得られた樹脂を、再びロータリーエバポレーターで加熱減圧下(200℃、4KPa)において水蒸気吹き込みの代わりに水を少量づつ滴下した。その結果、芳香族アミン樹脂(A2)166部を得た。得られた芳香族アミン樹脂(A2)の軟化点は56℃、溶融粘度は0.035Pa・s、アミン当量は、195g/eq、ジフェニルアミンは0.1%以下であった。
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無水マレイン酸147部とトルエン200部、メタンスルホン酸4部を仕込み、加熱還流状態とした。次に、芳香族アミン樹脂(A1)150部をN−メチル−2−ピロリドン95部とトルエン95部に溶解した樹脂溶液を、還流状態を保ちながら3時間かけて滴下した。この間、還流条件で共沸してくる縮合水とトルエンをディーンスターク共沸蒸留トラップ内で冷却・分液した後、有機層であるトルエンは系内に戻し、水は系外へ排出した。樹脂溶液の滴下終了後、還流状態を保ち、脱水操作をしながら2時間反応を行った。
反応終了後、水洗を4回繰り返してメタンスルホン酸及び過剰の無水マレイン酸を除去し、70℃以下の加熱減圧下においてトルエンと水の共沸により、水を系内から除去した。次いで、メタンスルホン酸2部を加え、加熱還流状態で2時間反応を行った。反応終了後、水洗水が中性になるまで4回水洗を繰り返したのち、70℃以下の加熱減圧下においてトルエンと水の共沸により、水を系内から除去したのち、トルエンを完全に留去することにより本発明のマレイミド樹脂(M1)を得た。得られたマレイミド樹脂の軟化点は94℃、溶融粘度は4Pa・s、酸価は1.9mgKOH/g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無水マレイン酸147部とトルエン200部、メタンスルホン酸4部を仕込み、加熱還流状態とした。次に、芳香族アミン樹脂(A2)195部をN−メチル−2−ピロリドン95部とトルエン95部に溶解した樹脂溶液を、還流状態を保ちながら3時間かけて滴下した。この間、還流条件で共沸してくる縮合水とトルエンをディーンスターク共沸蒸留トラップ内で冷却・分液した後、有機層であるトルエンは系内に戻し、水は系外へ排出した。樹脂溶液の滴下終了後、還流状態を保ち、脱水操作をしながら2時間反応を行った。
反応終了後、水洗を4回繰り返してメタンスルホン酸及び過剰の無水マレイン酸を除去し、70℃以下の加熱減圧下においてトルエンと水の共沸により、水を系内から除去した。次いで、メタンスルホン酸2部を加え、加熱還流状態で2時間反応を行った。反応終了後、水洗水が中性になるまで4回水洗を繰り返したのち、70℃以下の加熱減圧下においてトルエンと水の共沸により、水を系内から除去したのち、トルエンを完全に留去することにより本発明のマレイミド樹脂(M2)を得た。得られたマレイミド樹脂の軟化点は109℃、溶融粘度は5Pa・s、酸価は1.6mgKOH/g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トルエン400部とN−メチル−2−ピロリドン100部を仕込み、芳香族アミン樹脂(A1)150部を加えて溶解させた。次いで、50〜60℃に保ちながらマレイン酸無水物147部を1時間かけて分割添加した。その後、80℃で2時間反応し、メタンスルホン酸2部を加えて110〜120℃で14時間反応を行った。この間、還流条件で共沸してくる縮合水とトルエンをディーンスターク共沸蒸留トラップ内で冷却・分液した後、有機層であるトルエンは系内に戻し、水は系外へ排出した。反応終了後、水洗を7回繰り返したのち、加熱減圧下においてトルエンを完全に留去して比較用のマレイミド樹脂(C1)を得た。得られたマレイミド樹脂の軟化点は95℃、溶融粘度は5Pa・s、酸価は8.1mgKOH/g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トルエン400部とN−メチル−2−ピロリドン100部を仕込み、芳香族アミン樹脂(A1)195部を加えて溶解させた。次いで、50〜60℃に保ちながらマレイン酸無水物147部を1時間かけて分割添加した。その後、80℃で2時間反応し、メタンスルホン酸2部を加えて110〜120℃で14時間反応を行った。この間、還流条件で共沸してくる縮合水とトルエンをディーンスターク共沸蒸留トラップ内で冷却・分液した後、有機層であるトルエンは系内に戻し、水は系外へ排出した。反応終了後、水洗を7回繰り返したのち、加熱減圧下においてトルエンを完全に留去して比較用のマレイミド樹脂(C2)を得た。得られたマレイミド樹脂の軟化点は119℃、溶融粘度は6Pa・s、酸価は6mgKOH/gであった。
実施例1及び2、比較例1及び2で得られたマレイミド樹脂(M1)、(M2)および(C1)、(C2)を使用し、各種のエポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤を表1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、200℃で2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。
・Td5(5%熱重量減少温度):得られた硬化物を粉砕し粉状にしたものを100メッシュパス、200メッシュオンのサンプルを用い、TG−DTAにより熱分解温度を測定。サンプル量10mg、昇温速度10℃/min、空気量200ml/hrで測定し、重量が5%減少した温度。
・難燃性試験:サンプルサイズは幅12.5mm、長さ150mm、厚さ0.8mmを使用し、トータルの残炎時間を測定。
・曲げ強度:JIS K−6911に準拠して測定。
・吸湿率:85℃/85%および121℃/100%での24時間後の重量増加率。試験片は直径50mm×厚み4mmの円盤。
・硬化収縮:JIS K−6911に準拠して測定。
E1:NC−3000−L(日本化薬製 エポキシ当量270g/eq)
P1:カヤハードGPH−65(日本化薬製 水酸基当量200g/eq)
2E4MZ:2−エチル−4−メチルイミダゾール(東京化成工業社製)
なお、本出願は、2016年3月29日付で出願された日本国特許出願(特願2016−065226)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 (5)
- 芳香族アミン樹脂とマレイン酸またはマレイン酸無水物とを反応させてアミック酸を生成後、触媒存在下において脱水反応を行い、水洗により過剰のマレイン酸またはマレイン酸無水物を除去した後に、ふたたび触媒存在下において脱水閉環反応する下記式(1)で表されるマレイミド樹脂の製造方法。
(式中、Xは炭素数6〜18の芳香族炭化水素基を表す。複数存在するR1はそれぞれ独立して水素原子、炭素数1〜10のアルキル基もしくは芳香族基を表す。mは1〜4の整数を表し、pは1〜3の整数を表し、nは1〜10の実数を表す。) - 前記式(1)で表されるマレイミド樹脂が、下記式(2)で表されるマレイミド樹脂である、請求項1に記載のマレイミド樹脂の製造方法。
(式中、複数存在するR1はそれぞれ独立して水素原子、炭素数1〜10のアルキル基もしくは芳香族基を表す。mは1〜4の整数を表し、pは1〜3の整数を表し、nは1〜10の実数を表す。) - 前記式(1)で表されるマレイミド樹脂が、下記式(3)で表されるマレイミド樹脂である、請求項1に記載のマレイミド樹脂の製造方法。
(式中、複数存在するR1はそれぞれ独立して水素原子、炭素数1〜10のアルキル基もしくは芳香族基を表す。mは1〜4の整数を表し、pは1〜3の整数を表し、nは1〜10の実数を表す。) - 請求項1〜3のいずれか一項に記載のマレイミド樹脂の製造方法を利用した硬化性樹脂組成物の製造方法。
- 請求項4に記載の硬化性樹脂組成物の製造方法によって得られる硬化性樹脂組成物を硬化させるステップを含む、硬化物の製造方法。
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