JP6930530B2 - ポリイミド樹脂組成物及びその製造方法、並びにポリイミドフィルム - Google Patents
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Description
[1] 下記一般式(1)で表される構造単位を有する脂環式ポリイミド樹脂と、二酸化チタン、チタン酸バリウム、及び酸化ジルコニウムから選ばれる少なくとも1つの無機粒子とを含み、前記脂環式ポリイミド樹脂のガラス転移温度が260℃以上であるポリイミド樹脂組成物。
本発明のポリイミド樹脂組成物は、下記一般式(1)で表される構造単位を有する脂環式ポリイミド樹脂と、二酸化チタン、チタン酸バリウム、及び酸化ジルコニウムから選ばれる少なくとも1つの無機粒子とを含み、前記脂環式ポリイミド樹脂のガラス転移温度が260℃以上であるポリイミド樹脂組成物である。
なお、ポリイミド樹脂の透明性の観点から、R1は脂環式炭化水素構造のみで構成されることが好ましい。
なお、5−アミノ−1,3,3−トリメチル−1−(4−アミノフェニル)−インダン(以下、「5−アミノ体」ということがある)、及び6−アミノ−1,3,3−トリメチル−1−(4−アミノフェニル)−インダン(以下、「6−アミノ体」ということがある)は、これらの異性体が混在している場合がある、すなわち、アミノ−1,3,3−トリメチル−1−(4−アミノフェニル)−インダンとして使用する場合は、5−アミノ体及び6−アミノ体が混在していることがある。
本発明のポリイミド樹脂組成物は、二酸化チタン、チタン酸バリウム、及び酸化ジルコニウムから選ばれる少なくとも1つの無機粒子を2〜80質量%含有することが好ましく、3〜65質量%含有することがより好ましく、7〜12質量%含有することがさらに好ましい。
また、前記脂環式ポリイミド樹脂と前記無機粒子の合計量に対する前記無機粒子の割合は、屈折率の観点から、40〜80質量%であることが好ましく、50〜70質量%であることがより好ましく、55〜65質量%であることがさらに好ましい。
本発明のポリイミド樹脂組成物の製造方法は、既述の一般式(1)で表される構造単位を有する脂環式ポリイミド樹脂を含むポリイミド樹脂溶液(以後、「ポリイミド樹脂溶液(X)」と呼称することがある)と、二酸化チタン、チタン酸バリウム、及び酸化ジルコニウムから選ばれる少なくとも1つの無機粒子を含む無機粒子分散液(以後、「無機粒子分散液(Y)」と呼称することがある)とを混合する工程を含む。そして、無機粒子分散液(Y)として、固形分濃度が10〜50質量%の分散液を使用する。
したがって、ポリイミド樹脂溶液(X)の溶媒には、脂環式ポリイミド樹脂の合成時に使用される有機溶媒と、必要により脂環式ポリイミド樹脂溶液に添加される有機溶媒と、が含まれる。
無機粒子分散液(Y)の固形分濃度は、10〜50質量%であり、10〜40質量%であることが好ましく、10〜30質量%であることがより好ましく、10〜20質量%であることがさらに好ましい。固形分濃度が10質量%未満では、生産性を低下させてしまう。固形分濃度が50質量%を超えると分散が困難になり沈降が生じやすくなる。
二酸化チタンのチタン源としては、二酸化チタン粉末、チタンアルコキシド、チタンアセチルアセテート、四塩化チタン、硫酸チタン等が挙げられる。
有機酸としては、例えばメタノール、エタノール、2−プロパノール、n−ブタノール、2−ブタノール、酢酸エチル、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等が挙げられるが、特に限定されない。
本発明のポリイミド樹脂組成物は、様々の用途に使用できるが、有機溶剤を除去して得たポリイミドフィルムとして機能を十分に発揮する。このようなポリイミドフィルムは、ポリイミド樹脂を含むポリイミド樹脂組成物の溶液をガラス板、金属板、プラスチックスフィルム等の平滑な支持体上にキャストし、加熱して有機溶剤成分を蒸発させることにより製造できる。すなわち、本発明のポリイミド樹脂組成物の硬化物として、本発明のポリイミドフィルムが得られる。
高屈折率の観点から、屈折率nD(波長589.3nmの屈折率)は1.65以上であることが好ましい。脂環式ポリイミド樹脂の屈折率はおおむね1.53〜1.65の範囲であることから、二酸化チタン微粒子による複合効果としては、屈折率nDは1.65以上であることが好ましく、1.7以上であることがより好ましく、1.8以上であることがさらに好ましい。
脂環式ポリイミド樹脂の合成及び二酸化チタン分散液の調製、ポリイミド樹脂組成物の性能の評価は以下の方法によった。
ポリイミド樹脂組成物から得られたポリイミドフィルムの全光線透過率及びヘイズの測定はJIS K7105に準拠し、日本電色工業株式会社製の色彩・濁度同時測定器(COH400)を用いて行った。
エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製の示差走査熱量計装置(DSC6200)を用い、昇温速度10℃/minの条件で、合成した脂環式ポリイミド樹脂のDSC測定を行い、ガラス転移温度を求めた。
脂環式ポリイミド樹脂溶液及び二酸化チタン分散液の固形分濃度の測定は、アズワン株式会社製の小型電気炉MMF―1で試料を300℃×30minで加熱し、加熱前後の試料質量差から算出した。
ポリイミド樹脂組成物から得られたポリイミドフィルムのフィルム厚さの測定は、厚みが10μm以上の場合は、株式会社ミツトヨ製、マイクロメーターを用いて測定した。厚みが10μm未満の場合は、株式会社キーエンス製カラー3Dレーザ顕微鏡VX−8710により算出した。
ポリイミド樹脂組成物から得られた厚み20μmのポリイミドフィルムの屈折率の測定は、株式会社アタゴ製のアッベ屈折計DR−M4/1550を用いて、D線:589nm、温度:23℃で測定した。なお、D線で測定した屈折率をnDと記載する。
ステンレス製半月型撹拌翼、窒素導入管、冷却管を取り付けたディーンスターク、温度計、ガラス製エンドキャップを備えた300mLの5つ口丸底フラスコに、ジアミン成分として1,4−ビス(4−アミノ−α,α−ジメチルベンジル)ベンゼン(三井化学ファイン株式会社製)12.75g(0.037モル)及び4,4’−ビス(4−アミノフェノキシ)ビフェニル(和歌山精化工業株式会社製)13.63g(0.037モル)、有機溶媒としてγ−ブチロラクトン(三菱化学株式会社製)51.56g、イミド化触媒としてトリエチルアミン(関東化学株式会社製)0.374gを投入し、系内温度70℃、窒素雰囲気下、回転数200rpmで撹拌して溶液を得た。これに脂環式テトラカルボン酸成分として1,2,4,5−シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物(三菱ガス化学株式会社製)16.59g(0.074モル)と有機溶媒であるN,N−ジメチルアセトアミド(三菱ガス化学株式会社製)12.89gを一括で添加した後、マントルヒーターで加熱し、約20分かけて反応系内温度を180℃まで上げた。留去される成分を捕集し、回転数を粘度上昇に合わせて調整しつつ、反応系内温度を180℃に保持して5時間還流することでポリイミド溶液を得た。その後、反応系内温度が120℃まで冷却したらN,N−ジメチルアセトアミド(三菱ガス化学株式会社製)96.75gを添加して、さらに約3時間撹拌して均一化し、固形分濃度20質量%のポリイミド樹脂溶液(A)を得た。
合成例1で使用したものと同様の300mLの5つ口丸底フラスコに、ジアミン成分として1,4−ビス(4−アミノ−α,α−ジメチルベンジル)ベンゼン(三井化学ファイン株式会社製)19.05g(0.055モル)、アミノ−1,3,3−トリメチル−1−(4−アミノフェニル)−インダン(日本純良薬品株式会社製、5−アミノ体(47モル%)と6−アミノ体(53モル%)の混合物)6.31g(0.024モル)、有機溶媒としてγ−ブチロラクトン(三菱化学株式会社製)42.12g、イミド化触媒としてトリエチルアミン(関東化学株式会社製)4.0g、1,4−ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン(東京化成株式会社製)0.018gを投入し、系内温度70℃、窒素雰囲気下、回転数200rpmで撹拌して溶液を得た。これに脂環式テトラカルボン酸成分として1,2,4,5−シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物(三菱ガス化学株式会社製)17.71g(0.079モル)とγ−ブチロラクトン10.53gを一括で添加した後、マントルヒーターで加熱し、約20分かけて反応系内温度を190℃まで上げた。留去される成分を捕集し、回転数を粘度上昇に合わせて調整しつつ、反応系内温度を190℃に保持して5時間還流することでポリイミド溶液を得た。その後、反応系内温度が120℃まで冷却したらN,N−ジメチルアセトアミド(三菱ガス化学株式会社製)108.26gを添加して、さらに約3時間撹拌して均一化し、固形分濃度20質量%のポリイミド樹脂溶液(B)を得た。
合成例1で使用したものと同様の2Lのガラス製5つ口丸底フラスコに、ジアミン成分として2,2’−ジメチルベンジジン(和歌山精化工業株式会社製)20.04g(0.094モル)及び2,2’−ビス(トリフルオロメチル)ベンジジン(和歌山精化工業株式会社製)7.56g(0.024モル)、有機溶媒としてγ−ブチロラクトン(三菱化学株式会社製)52.85g、イミド化触媒としてトリエチルアミン(関東化学株式会社製)6.00gを投入し、系内温度70℃、窒素雰囲気下、回転数200rpmで撹拌して溶液を得た。これに脂環式テトラカルボン酸成分として1,2,4,5−シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物(三菱ガス化学株式会社製)26.45g(0.118モル)と有機溶媒であるN,N−ジメチルアセトアミド(三菱ガス化学株式会社製)13.26gを一括で添加した後、マントルヒーターで加熱し、約20分かけて反応系内温度を190℃まで上げた。留去される成分を捕集し、回転数を粘度上昇に合わせて調整しつつ、反応系内温度を190℃ に保持して5時間還流することでポリイミド溶液を得た。その後、反応系内温度が120℃まで冷却したらN,N−ジメチルアセトアミド(三菱ガス化学株式会社製)133.13gを添加して、さらに約3時間撹拌して均一化し、固形分濃度20質量%のポリイミド樹脂溶液(C)を得た。
二酸化チタン粉末(S−TAF1500シリーズ(富士チタン工業株式会社製 平均一次粒子径:20〜30nm))850g、顔料分散剤(DISPALON:DA325(楠本化成株式会社製))85g、及びGBL(三菱化学株式会社製)3850gを混合した。混合液を、ビーズミル(日本コークス工業株式会社製・MSCミル)を用いて、1時間15分間分散させて、固形分濃度が18質量%の二酸化チタン微粒子分散液1を得た。この分散液の一部を採取して粒子径分布を測定したところ、平均二次粒子径(D50)は152.7nmとなり、十分に均質な分散液が得られたことが確認された。
二酸化チタン粉末(S−TAF1500シリーズ(富士チタン工業株式会社製 平均一次粒子径:20〜30nm))850g、顔料分散剤(DISPALON:DA325(楠本化成株式会社製))85g、及びGBL(三菱化学株式会社製)3850gを混合した。混合液を、ビーズミル(日本コークス工業株式会社製・MSCミル)を用いて、11時間分散させて、固形分濃度が18質量%の二酸化チタン微粒子分散液2を得た。この分散液の一部を採取して粒子径分布を測定したところ、平均二次粒子径(D50)は38.9nmとなり、十分に均質な分散液が得られたことが確認された。
二酸化チタン粉末(TTO−55シリーズ(石原産業株式会社製 平均一次粒子径:30〜35nm))850g、顔料分散剤(DISPALON:DA325(楠本化成株式会社製))255g、及びGBL(三菱化学株式会社製)3850gを混合した。混合液を、ビーズミル(日本コークス工業株式会社製・MSCミル)を用いて、1時間分散させて、固形分濃度が17質量%の二酸化チタン微粒子分散液3を得た。この分散液の一部を採取して粒子径分布を測定したところ、平均二次粒子径(D50)は153.0nmとなり、十分に均質な分散液が得られたことが確認された。
二酸化チタン粉末(TTO−55シリーズ(石原産業株式会社製 平均一次粒子径:30〜35nm))9g、顔料分散剤(DISPALON:DA325(楠本化成株式会社製))2.7g、ジルコニアビーズ(φ0.3mm(株式会社ニッカトー製))50g、及びGBL(三菱化学株式会社製)41gを混合した。混合液を、ペイントシェーカー(レッドデビル社製)を用いて、3時間分散させて、固形分濃度が17質量%の二酸化チタン微粒子分散液4を得た。この分散液の一部を採取して粒子径分布を測定したところ、平均二次粒子径(D50)は155.0nmとなり、十分に均質な分散液が得られたことが確認された。
なお、二酸化チタン分散液5は、二酸化チタン粉末(平均一次粒子径:20〜50nm)を固形分濃度が30質量%となるように分散媒(DMAc)中に分散させて調製した。平均二次粒子径(D50)は、150〜200nmであった。
また、二酸化チタン分散液6は、二酸化チタン粉末(平均一次粒子径:100nm)を固形分濃度が22.5質量%となるように分散媒(GBL)中に分散させて調製した。平均二次粒子径(D50)は、187nmであった。
さらに、二酸化チタン分散液7は、二酸化チタン粉末(平均一次粒子径:50nm)を固形分濃度が23.3質量%となるように分散媒(GBL)中に分散させて調製した。平均二次粒子径(D50)は、50nmであった。
ステンレス製半月型撹拌翼、窒素導入管、温度計、ガラス製エンドキャップを備えた300mlの4つ口丸底フラスコに、合成例1で合成したポリイミド樹脂溶液(A)(固形分20質量%)50g、GBL(三菱化学株式会社製)50gを投入し、系内温度40℃、窒素雰囲気下、回転数200rpmで撹拌し希釈ポリイミド樹脂溶液(A’)(固形分濃度10質量%)を得た。次に、この希釈ポリイミド樹脂溶液(A’)(固形分濃度10質量%)40gと調製例1で調製した二酸化チタン分散液1(固形分18質量%)33.3gとをT.K.HOMODISPER Model 2.5(プライミクス株式会社製)を用いて、回転数2000rpmで5分間混練した。これにより得られた混合液をガラス基板にスピンコートにより塗布した。
実施例1で使用したものと同様に、ステンレス製半月型撹拌翼、窒素導入管、温度計、ガラス製エンドキャップを備えた300mlの4つ口丸底フラスコに、合成例1で合成したポリイミド樹脂溶液(A)(固形分20質量%)50g、GBL(三菱化学株式会社製)50gを投入し、系内温度40℃、窒素雰囲気下、回転数200rpmで撹拌し希釈ポリイミド樹脂溶液(A’)(固形分濃度10質量%)を得た。次に、この希釈ポリイミド樹脂溶液(A’)(固形分濃度10質量%)40gと調製例2で調製した二酸化チタン分散液2(固形分18質量%)33.3gとをT.K.HOMODISPER Model 2.5(プライミクス株式会社製)を用いて、回転数2000rpmで5分間混練した。これにより得られた混合液をガラス基板にスピンコートにより塗布した。
実施例1で使用したものと同様に、ステンレス製半月型撹拌翼、窒素導入管、温度計、ガラス製エンドキャップを備えた300mlの4つ口丸底フラスコに、合成例1で合成したポリイミド樹脂溶液(A)(固形分20質量%)50g、GBL(三菱化学株式会社製)50gを投入し、系内温度40℃、窒素雰囲気下、回転数200rpmで撹拌し希釈ポリイミド樹脂溶液(A’)(固形分濃度10質量%)を得た。次に、この希釈ポリイミド樹脂溶液(A’)(固形分濃度10質量%)40gと調製例3で調製した二酸化チタン分散液3(固形分17質量%)35.1gとをT.K.HOMODISPER Model 2.5(プライミクス株式会社製)を用いて、回転数2000rpmで5分間混練した。これにより得られた混合液をガラス基板にスピンコートにより塗布した。
実施例1で使用したものと同様に、ステンレス製半月型撹拌翼、窒素導入管、温度計、ガラス製エンドキャップを備えた300mlの4つ口丸底フラスコに、合成例1で合成したポリイミド樹脂溶液(A)(固形分20質量%)50g、GBL(三菱化学株式会社製)50gを投入し、系内温度40℃、窒素雰囲気下、回転数200rpmで撹拌し希釈ポリイミド樹脂溶液(A’)(固形分濃度10質量%)を得た。次に、この希釈ポリイミド樹脂溶液(A’)(固形分濃度10質量%)40gと二酸化チタン分散液5の20gとをT.K.HOMODISPER Model 2.5(プライミクス株式会社製)を用いて、回転数2000rpmで5分間混練した。これにより得られた混合液をガラス基板にスピンコートにより塗布した。
実施例1で使用したものと同様に、ステンレス製半月型撹拌翼、窒素導入管、温度計、ガラス製エンドキャップを備えた300mlの4つ口丸底フラスコに、合成例1で合成したポリイミド樹脂溶液(A)(固形分20質量%)50g、GBL(三菱化学株式会社製)50gを投入し、系内温度40℃、窒素雰囲気下、回転数200rpmで撹拌し希釈ポリイミド樹脂溶液(A’)(固形分濃度10質量%)を得た。次に、この希釈ポリイミド樹脂溶液(A’)(固形分濃度10質量%)40gと二酸化チタン分散液6の20gとをT.K.HOMODISPER Model 2.5(プライミクス株式会社製)を用いて、回転数2000rpmで5分間混練した。これにより得られた混合液をガラス基板にスピンコートにより塗布した。
実施例1で使用したものと同様に、ステンレス製半月型撹拌翼、窒素導入管、温度計、ガラス製エンドキャップを備えた300mlの4つ口丸底フラスコに、合成例1で合成したポリイミド樹脂溶液(A)(固形分20質量%)50g、GBL(三菱化学株式会社製)50gを投入し、系内温度40℃、窒素雰囲気下、回転数200rpmで撹拌し希釈ポリイミド樹脂溶液(A’)(固形分濃度10質量%)を得た。次に、この希釈ポリイミド樹脂溶液(A’)(固形分濃度10質量%)40gと二酸化チタン分散液7の20gとをT.K.HOMODISPER Model 2.5(プライミクス株式会社製)を用いて、回転数2000rpmで5分間混練した。これにより得られた混合液をガラス基板にスピンコートにより塗布した。
実施例1で使用したものと同様に、ステンレス製半月型撹拌翼、窒素導入管、温度計、ガラス製エンドキャップを備えた300mlの4つ口丸底フラスコに、合成例2で合成したポリイミド樹脂溶液(B)(固形分20質量%)50g、GBL(三菱化学株式会社製)50gを投入し、系内温度40℃、窒素雰囲気下、回転数200rpmで撹拌し希釈ポリイミド樹脂溶液(B’)(固形分濃度10質量%)を得た。次に、この希釈ポリイミド樹脂溶液(B’)(固形分濃度10質量%)40gと二酸化チタン分散液3(固形分17質量%)35.1gとをT.K.HOMODISPER Model 2.5(プライミクス株式会社製)を用いて、回転数2000rpmで5分間混練した。これにより得られた混合液をガラス基板にスピンコートにより塗布した。
実施例1で使用したものと同様に、ステンレス製半月型撹拌翼、窒素導入管、温度計、ガラス製エンドキャップを備えた300mlの4つ口丸底フラスコに、合成例3で合成したポリイミド樹脂溶液(C)(固形分20質量%)50g、GBL(三菱化学株式会社製)50gを投入し、系内温度40℃、窒素雰囲気下、回転数200rpmで撹拌し希釈ポリイミド樹脂溶液(C’)(固形分濃度10質量%)を得た。次に、この希釈ポリイミド樹脂溶液(C’)(固形分濃度10質量%)40gと二酸化チタン分散液3(固形分17質量%)35.1gとをT.K.HOMODISPER Model 2.5(プライミクス株式会社製)を用いて、回転数2000rpmで5分間混練した。これにより得られた混合液をガラス基板にスピンコートにより塗布した。
実施例1で使用したものと同様に、ステンレス製半月型撹拌翼、窒素導入管、温度計、ガラス製エンドキャップを備えた300mlの4つ口丸底フラスコに、合成例1で合成したポリイミド樹脂溶液(A)(固形分20質量%)50g、GBL(三菱化学株式会社製)50gを投入し、系内温度40℃、窒素雰囲気下、回転数200rpmで撹拌し希釈ポリイミド樹脂溶液(A’)(固形分濃度10質量%)を得た。次に、この希釈ポリイミド樹脂溶液(A’)(固形分濃度10質量%)40gと調製例4で調製した二酸化チタン分散液4(固形分17質量%)35.1gとをT.K.HOMODISPER Model 2.5(プライミクス株式会社製)を用いて、回転数2000rpmで5分間混練した。これにより得られた混合液をガラス基板にスピンコートにより塗布した。
Claims (9)
- 前記脂環式ポリイミド樹脂と前記無機粒子の合計量に対する前記無機粒子の割合が、55〜80質量%である、請求項1記載のポリイミド樹脂組成物。
- 脂環式ポリイミド樹脂のテトラカルボン酸成分が、1,2,3,4−シクロブタンテトラカルボン酸、1,2,4,5−シクロペンタンテトラカルボン酸、1,2,4,5−シクロヘキサンテトラカルボン酸、ビシクロ[2.2.2]オクタ−7−エン−2,3,5,6−テトラカルボン酸、ジシクロヘキシルテトラカルボン酸、及び、これらの位置異性体からなる群より選ばれたテトラカルボン酸に由来する請求項1又は2に記載のポリイミド樹脂組成物。
- 前記脂環式ポリイミド樹脂のジアミン成分が、1,4−ビス(4−アミノ−α,α−ジメチルベンジル)ベンゼン、4,4’−ビス(4−アミノフェノキシ)ビフェニル、5−アミノ−1,3,3−トリメチル−1−(4−アミノフェニル)−インダン、6−アミノ−1,3,3−トリメチル−1−(4−アミノフェニル)−インダン、2,2’−ジメチルベンジジン、2,2’−ビス(トリフルオロメチル)ベンジジンからなる群より選ばれたジアミンに由来する請求項1〜4のいずれか1項に記載のポリイミド樹脂組成物。
- 前記ポリイミド樹脂溶液の溶媒が、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、γ−ブチロラクトン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホルアミド、テトラメチレンスルホン、p−クロロフェノール、m−クレゾール、2−クロロ−4−ヒドロキシトルエン、1,3−ジオキソランより選ばれる1種以上である請求項6に記載のポリイミド樹脂組成物の製造方法。
- 前記無機粒子分散液の分散媒が、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N,2−トリメチルプロピオンアミド、γ−ブチロラクトン、ジメチルスルホキシド、シクロペンタノン、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アセテートより選ばれるいずれかを含み、前記分散液中の前記分散媒の割合が60質量%以上である請求項6又は7に記載のポリイミド樹脂組成物の製造方法。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載のポリイミド樹脂組成物の硬化物からなるポリイミドフィルム。
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