JP6973698B1 - セラミックグリーンシート製造用バインダー、スラリー組成物、セラミックグリーンシート及び積層セラミックコンデンサの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
〔2〕前記ブロック共重合体は、(メタ)アクリル系単量体に由来する構造単位を、全構造単位に対して70質量%以上有する、〔1〕のセラミックグリーンシート製造用バインダー。
〔3〕前記ブロック共重合体は、芳香族ビニル単量体に由来する構造単位と、イミド基含有ビニル単量体に由来する構造単位とを有する、〔1〕又は〔2〕のセラミックグリーンシート製造用バインダー。
〔4〕前記ブロック共重合体は、メタクリル酸エステル化合物に由来する構造単位を、全構造単位に対して5質量%以上70質量%以下有する、〔1〕〜〔3〕のいずれかのセラミックグリーンシート製造用バインダー。
〔5〕前記ブロック共重合体は、ガラス転移温度が30℃以上である重合体ブロックと、ガラス転移温度が30℃未満である重合体ブロックとを有する、〔1〕〜〔4〕のいずれかのセラミックグリーンシート製造用バインダー。
〔7〕前記ブロック共重合体は、重量平均分子量(Mw)と数平均分子量(Mn)との比で表される分子量分布(Mw/Mn)が3.0以下である、〔1〕〜〔6〕のいずれかのセラミックグリーンシート製造用バインダー。
〔8〕上記〔1〕〜〔7〕のいずれかのセラミックグリーンシート製造用バインダーと、セラミック粉体とを含む、スラリー組成物。
〔9〕上記〔8〕のスラリー組成物を用いて形成されたセラミックグリーンシート。
〔10〕上記〔9〕のセラミックグリーンシートを用いる、積層セラミックコンデンサの製造方法。
本開示のセラミックグリーンシート製造用バインダーは、セラミック粉体を成形して積層セラミックグリーンシートを製造するために用いられる。本開示のセラミックグリーンシート製造用バインダーは、ビニル単量体に由来する構造単位を主体とし、ポリビニルアセタール構造を実質的に有さず、かつ水素結合性官能基を有するブロック共重合体(以下「ブロック共重合体(P)」ともいう)を含有する。
ブロック共重合体(P)は、ビニル単量体に由来する構造単位を有する。当該ビニル単量体としては、(メタ)アクリル系単量体、芳香族ビニル単量体、イミド基含有ビニル単量体等が挙げられる。
(メタ)アクリル酸の脂肪族環式エステル化合物として、(メタ)アクリル酸シクロヘキシル、(メタ)アクリル酸メチルシクロヘキシル、(メタ)アクリル酸tert−ブチルシクロヘキシル、(メタ)アクリル酸シクロドデシル、(メタ)アクリル酸イソボルニル、(メタ)アクリル酸アダマンチル、(メタ)アクリル酸ジシクロペンテニル及び(メタ)アクリル酸ジシクロペンタニル等を;
(メタ)アクリル酸の芳香族エステル化合物として、(メタ)アクリル酸フェニル、(メタ)アクリル酸ベンジル、(メタ)アクリル酸フェノキシメチル、(メタ)アクリル酸2−フェノキシエチル及び(メタ)アクリル酸3−フェノキシプロピル等を;
(メタ)アクリル酸アルコキシアルキル化合物として、(メタ)アクリル酸メトキシメチル、(メタ)アクリル酸エトキシメチル、(メタ)アクリル酸メトキシエチル、(メタ)アクリル酸エトキシエチル、(メタ)アクリル酸n−プロポキシエチル、(メタ)アクリル酸n−ブトキシエチル、(メタ)アクリル酸メトキシプロピル、及び(メタ)アクリル酸エトキシプロピル等を;
(メタ)アクリル酸ヒドロキシアルキル化合物として、(メタ)アクリル酸2−ヒドロキシエチル、(メタ)アクリル酸3−ヒドロキシプロピル及び(メタ)アクリル酸4−ヒドロキシブチル等を;
(ジ)アルキルアミノアルキル(メタ)アクリレート化合物として、N−[2−(メチルアミノ)エチル](メタ)アクリレート、N−[2−(ジメチルアミノ)エチル](メタ)アクリレート、N−[2−(エチルアミノ)エチル](メタ)アクリレート及びN−[2−(ジエチルアミノ)エチル](メタ)アクリレート等を;
エポキシ基含有(メタ)アクリル酸エステル化合物として、(メタ)アクリル酸グリシジル、4−ヒドロキシブチル(メタ)アクリレートグリシジルエーテル及び3,4−エポキシシクロヘキシルメチル(メタ)アクリレート等を;
ポリオキシアルキレン(メタ)アクリレート化合物として、ポリオキシエチレン(メタ)アクリレート、ポリオキシプロピレン(メタ)アクリレート等を、それぞれ挙げることができる。(メタ)アクリル系単量体としては、これらのうちの1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
CH2=CR1−C(=O)−O−(R2O)n−R3 …(1)
(式(1)中、R1は、水素原子又はメチル基であり、R2は、炭素数2〜6の直鎖状又は分岐状のアルキレン基であり、R3は、水素原子、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数3〜20のシクロアルキル基、炭素数6〜20のアリール基、又は炭素数7〜20のアラルキル基である。nは0〜50の整数である。nが2以上の場合、式中の複数のR2は、互いに同一でも異なってもよい。)
CH2=C(CH3)−C(=O)−O−(R4O)m−R5 …(2)
(式(2)中、R4は、炭素数2〜6の直鎖状又は分岐状のアルキレン基であり、R5は、水素原子、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数3〜20のシクロアルキル基、炭素数6〜20のアリール基、又は炭素数7〜20のアラルキル基である。mは0〜50の整数である。mが2以上の場合、式中の複数のR4は、互いに同一でも異なってもよい。)
ブロック共重合体(P)は、水素結合性官能基を有する。ブロック共重合体(P)が有する水素結合性官能基としては、例えば、水酸基、アミノ基(1級アミノ基、2級アミノ基及び3級アミノ基を含む)、カルボキシ基、アミド基、チオール基、スルホニル基等が挙げられる。これらのうち、セラミック粉体への吸着性が高く、セラミック粉体の分散安定性を高くできる点で、水酸基、アミノ基及びカルボキシ基が好ましく、水酸基が特に好ましい。
ブロック共重合体(P)は、2個以上の重合体ブロックを有する限り、1分子内における重合体ブロックの数や配列順序等は特に限定されない。ブロック共重合体(P)の具体例としては、例えば、重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)とからなる(AB)ジブロック体、重合体ブロック(A)/重合体ブロック(B)/重合体ブロック(A)からなる(ABA)トリブロック体、重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)と重合体ブロック(C)とからなる(ABC)トリブロック体等が挙げられる。また、ブロック共重合体(P)は、重合体ブロックを4個以上有するポリブロック共重合体であってもよい。これらのうち、セラミック粉体の分散安定性が高く、粘度が十分に低いスラリー組成物を効率的に製造できる点で、ブロック共重合体(P)1分子あたりの重合体ブロックの数は、2個以上7個以下が好ましく、2個以上5個以下がより好ましく、2個又は3個が更に好ましい。
[i]2個以上の重合体ブロックのうち、一部のブロックは水素結合性官能基を有し、残りのブロックは水素結合性官能基を有しない。
[ii]2個以上の重合体ブロックが水素結合性官能基を有し、かつ水素結合性基含有ビニル単量体に由来する構造単位の含有割合が重合体ブロック間で異なる。
[1](メタ)アクリル単位を主体とする第1ブロックと、(メタ)アクリル単位を主体とし、かつ第1ブロックとは単量体組成が異なる第2ブロックと、を含むブロック共重合体。
[2](メタ)アクリル単位を主体とする重合体ブロックと、芳香族ビニル単位及びイミド基含有ビニル単位を有する重合体ブロックと、を含むブロック共重合体。
[1−1](メタ)アクリル単位を主体とする第1ブロックと、(メタ)アクリル単位を主体とする第2ブロックとを含み、第1ブロック及び第2ブロックのうち一方は水素結合性官能基を有し、他方は水素結合性官能基を有しないブロック共重合体。
[1−2](メタ)アクリル単位を主体とする第1ブロックと、(メタ)アクリル単位を主体とする第2ブロックとを含み、第1ブロック及び第2ブロックは共に水素結合性官能基を有し、かつ水素結合性基含有ビニル単量体に由来する構造単位の含有割合が重合体ブロック間で異なるブロック共重合体。
[2−1](メタ)アクリル単位を主体とする重合体ブロックと、芳香族ビニル単位及びイミド基含有ビニル単位を有する重合体ブロックと、を含み、これら重合体ブロックのうち一方は水素結合性官能基を有し、他方は水素結合性官能基を有しないブロック共重合体。
[2−2](メタ)アクリル単位を主体とする重合体ブロックと、芳香族ビニル単位及びイミド基含有ビニル単位を有する重合体ブロックと、を含み、これら重合体ブロックは共に水素結合性官能基を有し、かつ水素結合性基含有ビニル単量体に由来する構造単位の含有割合が重合体ブロック間で異なるブロック共重合体。
ブロック共重合体(P)は、分子量分布が十分に小さいブロック共重合体(P)を得ることができる点で、リビングラジカル重合法により上記単量体を重合して製造することが好ましい。例えば溶液重合法による場合、有機溶媒及び単量体を反応器に仕込み、重合制御剤及びラジカル重合開始剤を添加して、好ましくは加熱して共重合することにより、目的とするブロック共重合体(P)を得ることができる。各原料の仕込み方法は、全ての原料を一括して仕込むバッチ式の初期一括仕込みでもよく、少なくとも一部の原料を連続的に反応器中に供給するセミ連続仕込みでもよく、全原料を連続供給し、同時に反応器から連続的に生成物を抜き出す連続重合方式でもよい。
本開示のスラリー組成物は、セラミックグリーンシートの製造に用いられる重合体組成物であり、ブロック共重合体(P)と、セラミック粉体とを含む。セラミック粉体としては、セラミックコンデンサの誘電体層を構成する材料として公知のものを使用でき、例えば、チタン酸バリウム、酸化チタン、アルミナ、ジルコニア、酸化亜鉛、ケイ酸アルミニウム、窒化ケイ素等の誘電体粉体が挙げられる。スラリー組成物におけるブロック共重合体(P)の含有量は、セラミック粉体100質量部に対して、好ましくは1〜70質量部であり、より好ましくは3〜50質量部である。
本開示のセラミックグリーンシートは、ブロック共重合体(P)及びセラミック粉体を含むスラリー組成物を用いて製造される。また、得られたセラミックグリーンシートを積層することにより、上記のスラリー組成物により誘電体層が形成された積層セラミックコンデンサを製造することができる。セラミックグリーンシート及び積層セラミックコンデンサを製造する方法は特に限定されず、公知の方法により行うことができる。
得られた重合体について、以下の条件にてゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)測定を行い、ポリスチレン換算による数平均分子量(Mn)及び重量平均分子量(Mw)を得た。また、得られたMn及びMwの値から分子量分布(Mw/Mn)を算出した。
○測定条件
カラム:東ソー(株)製TSKgel SuperMultiporeHZ−M×4本
溶媒:テトラヒドロフラン
温度:40℃
検出器:RI
流速:600μL/min
重合体ブロックのガラス転移温度(Tg)は、重合体ブロックを構成する各モノマーのホモポリマーのガラス転移温度に基づき、下記数式(4)で表されるFoxの式により算出した。
1/Tg=(W1/Tg1)+(W2/Tg2)+・・・・+(Wn/Tgn)
…(4)
なお、数式(4)は、Tgの算出対象の重合体が、モノマー1、モノマー2、…及びモノマーn(nは整数)からなる共重合体である場合の算出式である。数式(4)中、W1、W2、…及びWnは、重合体ブロック中における各モノマーの質量分率を示し、Tg1、Tg2、…及びTgnは、各モノマーのホモポリマーのガラス転移温度(単位:K)を示す。
<製造例1>重合体Aの製造
・第1重合工程(重合体ブロック(A)の製造)
撹拌機、温度計、還流冷却器及び窒素導入管を装着したフラスコに、アクリル酸メチル(以下「MA」ともいう)19.5部、アクリル酸n−ブチル(以下「BA」ともいう)10.5部、アクリル酸2−ヒドロキシエチル(以下「HEA」ともいう)70部、2−{[(2−カルボキシエチル)スルファニルチオカルボニル]スルファニル}プロパン酸(以下「CBSTSP」ともいう)1.60部、2,2’−アゾビス(2−メチルブチロニトリル)(以下「ABN−E」ともいう)0.14部、及びアセトニトリル184部を仕込み、窒素バブリングで十分脱気し、70℃の恒温槽で重合を開始した。5時間後、室温まで冷却して重合を停止した。ガスクロマトグラフィー(GC)測定により残存モノマー量を測定し、モノマー重合率及びブロック組成を算出したところ、各モノマー重合率は、MA38%、BA33%、HEA42%であり、ブロック組成は表2に示す通りであった。なお、ブロック組成は、モノマー重合率から算出した(以下同じ)。GPC測定(ポリスチレン換算)により重合体の分子量を測定したところ、Mn5,600、Mw6,100、Mw/Mn1.08であった。
次いで、MA90部、BA210部、メタクリル酸メチル(以下「MMA」ともいう)300部、ABN−E1.20部、及びアセトニトリル280部を仕込み、窒素バブリングで十分脱気し、80℃の恒温槽で重合を再開始した。5時間後、室温まで冷却して重合を停止し、ブロック共重合体(これを「重合体A」とする)を含む溶液を得た。ガスクロマトグラフィー(GC)測定により残存モノマー量を測定し、モノマー重合率及びブロック組成を算出したところ、各モノマー重合率は、MA(第1重合工程残存分及び第2重合工程追加分)88%、BA(第1重合工程残存分及び第2重合工程追加分)87%、MMA>99%、HEA(第1重合工程残存分)90%であり、ブロック組成は表2に示す通りであった。GPC測定(ポリスチレン換算)によりブロック共重合体の分子量を測定したところ、Mn60,000、Mw114,800、Mw/Mn1.91であった。
フラスコに仕込む原料の種類及び仕込み量を表1に記載の通り変更するとともに、重合温度を適宜調整した以外は製造例1と同様の操作を行い、ブロック共重合体である重合体B、E〜G、I、Jを得た。重合体B、E〜G、I、Jにおけるブロック組成及び分子量の分析結果を表2に示す。
・第1重合工程(重合体ブロック(A)の製造)
撹拌機、温度計、還流冷却器及び窒素導入管を装着したフラスコに、N−フェニルマレイミド(以下「PhMI」ともいう)61.5部、スチレン(以下「St」ともいう)38.5部、CBSTSP2.29部、ABN−E0.15部、及びアセトニトリル268部を仕込み、窒素バブリングで十分脱気し、70℃の恒温槽で重合を開始した。5時間後、室温まで冷却して重合を停止した。ガスクロマトグラフィー(GC)測定により残存モノマー量を測定し、モノマー重合率及びブロック組成を算出したところ、各モノマー重合率は、PhMI>98%、St>98%であり、ブロック組成は表2に示す通りであった。GPC測定(ポリスチレン換算)により重合体の分子量を測定したところ、Mn7,900、Mw9,200、Mw/Mn1.17であった。
次いで、MA114部、BA266部、MMA328部、ABN−E1.40部、及びアセトニトリル267部を仕込み、窒素バブリングで十分脱気し、80℃の恒温槽で重合を再開始した。5時間後、室温まで冷却して重合を停止した。ガスクロマトグラフィー(GC)測定により残存モノマー量を測定し、モノマー重合率及びブロック組成を算出したところ、各モノマー重合率は、MA85%、BA85%、MMA>99%であり、ブロック組成は表2に示す通りであった。GPC測定(ポリスチレン換算)によりブロック共重合体の分子量を測定したところ、Mn46,300、Mw82,600、Mw/Mn1.78であった。
次いで、MA7.41部、BA17.3部、HEA115部、ABN−E0.46部、及びアセトニトリル236部を仕込み、窒素バブリングで十分脱気し、70℃の恒温槽で重合を再開始した。5時間後、室温まで冷却して重合を停止し、ブロック共重合体(これを「重合体C」とする)を含む溶液を得た。ガスクロマトグラフィー(GC)測定により残存モノマー量を測定し、モノマー重合率及びブロック組成を算出したところ、各モノマー重合率は、MA(第2重合工程残存分及び第3重合工程追加分)83%、BA(第2重合工程残存分及び第3重合工程追加分)76%、HEA87%であり、ブロック組成は表2に示す通りであった。GPC測定(ポリスチレン換算)によりブロック共重合体の分子量を測定したところ、Mn55,400、Mw119,200、Mw/Mn2.15であった。
フラスコに仕込む原料の種類及び仕込み量を表1に記載の通り変更するとともに、重合温度を適宜調整した以外は製造例3と同様の操作を行い、ブロック共重合体である重合体D、Hを得た。重合体D、Hにおけるブロック組成及び分子量の分析結果を表2に示す。
MA:アクリル酸メチル(10℃)
BA:アクリル酸n−ブチル(−48℃)
EA:アクリル酸エチル(−21℃)
MMA:メタクリル酸メチル(108℃)
HEA:アクリル酸2−ヒドロキシエチル(−15℃)
PhMI:N−フェニルマレイミド(344℃)
St:スチレン(98℃)
ABN−E:2,2’−アゾビス(2−メチルブチロニトリル)
CBSTSP:2−{[(2−カルボキシエチル)スルファニルチオカルボニル]スルファニル}プロパン酸
DBTTC:S,S−ジベンジルトリチオカーボネート
<実施例1〜8及び比較例1、2>
上記で製造した各ブロック共重合体(重合体A〜J)をバインダー樹脂として用い、スラリー組成物を調製した。また、調製したスラリー組成物を用いてセラミックグリーンシートを製造し評価した。スラリー組成物の調製方法、並びに実施例及び比較例における評価項目は以下の通りである。
セラミック粉体として粒子径0.1μmチタン酸バリウム(堺化学工業(株)製「BT−01」)100部、分散剤(日油(株)製「マリアリムSC−0505K」1部、並びに溶剤としてトルエン56部及びエタノール14部を、粒子径0.1mmのジルコニアビーズ100部と共に、ビーズミル(アイメックス(株)製「イージーナノ RMB」)を用いて500rpmで5時間攪拌した後、ジルコニアビーズをろ別し、チタン酸バリウム分散液を調製した。この分散液171部に対し、バインダー樹脂10部、並びに表3に記載の量のトルエン及びエタノールを加えた後、自転公転ミキサーを用いて2000rpmで5分間攪拌して、スラリー組成物を調製した。
バインダー樹脂の熱分解性について、各バインダー樹脂を試料として用い、試料を所定温度まで昇温し、500℃に到達した時点での質量残分率を評価した。具体的には、熱分析装置(日立ハイテクサイエンス(株)製TGDTA6300)を用いて、試料5〜8mgを、窒素ガスフロ−下で30℃から600℃まで10℃/分の昇温速度で昇温してその間の質量変化を測定し、500℃に到達した時点での質量残分率を求めた。
上記で得られたスラリー組成物を25℃に調整した後、B型粘度計を用いて、ローター回転速度6rpmにおける粘度を測定した。
上記で得られたスラリー組成物を、乾燥後のグリーンシート厚みが100μmになるように、可変式アプリケーターを用いて離型処理済みPETフィルム上に塗工し、通風乾燥機内で100℃×15分間の乾燥を行うことによりセラミックグリーンシートを作製した。作製したセラミックグリーンシートから4cm×1cmの試験片を切り出し、引張試験機にて、引張速度10mm/minで常態(25℃)でのセラミックグリーンシートの引張物性を測定し、破断時の伸び(%)、最大強度(MPa)及び抗張積(破断時の伸び(%)×最大強度(MPa))を求めた。
Claims (10)
- ブロック共重合体を含むセラミックグリーンシート製造用バインダーであって、
前記ブロック共重合体は、ビニル単量体に由来する構造単位を主体とし、ポリビニルアセタール構造を実質的に有さず、かつ水素結合性官能基を有する、セラミックグリーンシート製造用バインダー。 - 前記ブロック共重合体は、(メタ)アクリル系単量体に由来する構造単位を、全構造単位に対して70質量%以上有する、請求項1に記載のセラミックグリーンシート製造用バインダー。
- 前記ブロック共重合体は、芳香族ビニル単量体に由来する構造単位と、イミド基含有ビニル単量体に由来する構造単位とを有する、請求項1又は2に記載のセラミックグリーンシート製造用バインダー。
- 前記ブロック共重合体は、メタクリル酸エステル化合物に由来する構造単位を、全構造単位に対して5質量%以上70質量%以下有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載のセラミックグリーンシート製造用バインダー。
- 前記ブロック共重合体は、ガラス転移温度が30℃以上である重合体ブロックと、ガラス転移温度が30℃未満である重合体ブロックとを有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載のセラミックグリーンシート製造用バインダー。
- 前記ブロック共重合体は、水素結合性官能基を有するビニル単量体に由来する構造単位を、全構造単位に対して5質量%以上25質量%以下有する、請求項1〜5のいずれか一項に記載のセラミックグリーンシート製造用バインダー。
- 前記ブロック共重合体は、重量平均分子量(Mw)と数平均分子量(Mn)との比で表される分子量分布(Mw/Mn)が3.0以下である、請求項1〜6のいずれか一項に記載のセラミックグリーンシート製造用バインダー。
- 請求項1〜7のいずれか一項に記載のセラミックグリーンシート製造用バインダーと、セラミック粉体とを含む、スラリー組成物。
- 請求項8に記載のスラリー組成物を用いて形成されたセラミックグリーンシート。
- 請求項9に記載のセラミックグリーンシートを用いる、積層セラミックコンデンサの製造方法。
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