JPH06200036A - 分子量が制御されたポリシラザンの製造方法 - Google Patents

分子量が制御されたポリシラザンの製造方法

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JPH06200036A
JPH06200036A JP36133792A JP36133792A JPH06200036A JP H06200036 A JPH06200036 A JP H06200036A JP 36133792 A JP36133792 A JP 36133792A JP 36133792 A JP36133792 A JP 36133792A JP H06200036 A JPH06200036 A JP H06200036A
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裕治 田代
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徹 舟山
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ポリシラザンと第1級アミンとを反応溶媒中
でアミン交換反応させることにより、過度に高分子量化
したポリシラザンを所望の分子量レベルまで低分子量化
する。また、該方法によって得られたポリシラザンとア
ンモニアとを反応溶媒中でアミン交換反応させることに
より、過度に低分子量化したポリシラザンを所望の分子
量レベルにまで高分子量化する。 【構成】 容易に、確実に分子量制御を実施できるの
で、例えば厳密な分子量制御を必要とする高純度窒化珪
素繊維用ポリマーの調整や過度に高分子量化し不安定化
したポリシラザンの再生等に非常に有用である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は分子量が制御されたポリ
シラザンの製造方法に関し、特に高純度窒化珪素繊維、
複合材料用マトリックス、電子材料用保護膜及び絶縁膜
等の製造に有用な、分子量が制御されたポリシラザンの
製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】ポリシラザン、特に有機溶媒に可溶なペ
ルヒドロポリシラザンは、窒化珪素前駆体として有用で
あることが知られており、近年その製造に関して数多く
の提案がなされている。例えば、 舟山ら(特開昭60−145903号、特開平1−1
38108号公報) ・SiH2Cl2+2Py→SiH2Cl2・2Py adduct ・SiH2Cl2+2Py adduct+3NH3→−(SiH2NH)n−+2NH4Cl
+2Py D.Seyferthら(USP 4,397,82
8) A.Stock〔Ber.54,(1921),P−
740〕 W.M.Scantlinら(Inorg.Che
m,1972,11) ただ、これらの重合法はいずれも高分子量のペルヒドロ
ポリシラザンに言及した内容であり、その分子量制御、
特に高分子量ポリマーの低分子量化については触れられ
ていない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】一般にアンモニアを用
いたポリシラザンの重合は不均一反応であって、生成ポ
リマーの構造は直鎖構造、環構造等よりなる複雑なもの
である。従って、重合段階での分子量制御は非常に難し
い。特に分子量が上昇しすぎた場合に、ポリマーの基本
結合を変えずに分子量を低下する方法は、未だ知られて
いない。ところが、ポリシラザンの用途によっては、厳
密な分子量制御が要求される場合があり、分子量制御法
の確立が望まれている。
【0004】従って、本発明の目的は、上記の課題を解
決した、即ち、ポリシラザンの分子量制御法、特に過度
に高分子量化したポリシラザンを低分子量化する方法を
提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者は、鋭意検討を
重ねた結果、ポリシラザンに第1級アミンを反応させる
と、アミン交換反応が起こり、ポリシラザンの分子量が
低下すること、及び得られた低分子量化ポリシラザンに
更にアンモニアを反応させるとアミン交換反応が起こ
り、ポリシラザンの分子量が上昇することを見い出し、
本発明に到達した。
【0006】即ち、本発明によれば、ポリシラザンと第
1級アミンとを反応溶媒中でアミン交換反応させること
を特徴とする分子量が制御されたポリシラザンの製造方
法が提供され、また該方法で得られたポリシラザンとア
ンモニアとを反応溶媒中でアミン交換反応させることを
特徴とする分子量が制御されたポリシラザンの製造方法
が提供される。
【0007】以下、本発明について詳述する。一般にポ
リシラザンのアミン交換反応はよく知られているところ
であるが、この反応は殆どがB.J.Aylett(Ch
emistry and Industry,September,18,1965及びUS
P 3,318,823)にみられるように、重合反応として利用
されている。しかし、本発明方法においては、ペルヒド
ロポリシラザン中のNH基(アンモニア由来)と第1級
アミンとのアミン交換反応により、ペルヒドロポリシラ
ザンの低分子量化に利用しようとするものである。
【0008】本発明において分子量制御の対象となる原
料ポリシラザンとしては、従来公知の各種ポリシラザン
が適用されるが、特に以下のようなものが挙げられる。
【0009】〔ベルヒドロポリシラザン、ポリシロキサ
ザン及びポリオルガノ(ヒドロ)シラザン〕 A)主たる繰り返し単位が−〔(SiH2)n(NH)r〕−
(式中、n,rは1、2又は3である。)であるポリシ
ラザン。 B)主たる繰り返し単位が−〔(SiH2)n(NH)r〕−
及び−〔(SiH2)mO〕−(式中、n,m,rは1、2
又は3である。)であるポリシロキサザン。 C)組成式(RSiHNH)x 〔(RSiH)1.5N〕1-x
(式中、Rはそれぞれ独立してアルキル基、アルケニル
基、シクロアルキル基、アリール基、アルキルシリル
基、アルキルアミノ基、アルキルヒドラジン基又はアル
コキシ基を表わし、そして0.4<x<1である。)で
表わされるポリオルガノ(ヒドロ)シラザン。 D)主たる繰り返し単位が−〔(SiH2)n(NH)r〕−
及び−〔(SiR′H)n(NR′)r〕−(式中、R′は
同じでも異なってもよく、水素原子又は上記Rと同じで
あり、n,rは1、2又は3である。)であるポリシラ
ザン。 E)主たる繰り返し単位が−SiH(N<)2−及び−
〔(SiR′H)n(NR′)r〕−(式中、R′は同じで
も異なってもよく、水素原子又は上記Rと同じであり、
n,rは1、2又は3である。)であるポリシラザン。 F)上記Aのポリシラザンを(R1)2NH[式中、R1
それぞれ独立してアルキル基、又は(R2)3N−(式
中、R2はそれぞれ独立してアルキル基又は水素原子で
あるが、少なくとも1個は水素原子でない)である。〕
で表わされるアルキルアミン、アルキルシラザン又はア
ルキルアミノシランと反応して得られる改質ポリシラザ
ン。 G)上記Aのポリシラザンをアルコール、有機酸、エス
テル、ケトン、アルデヒド、イソシアネート、アミド、
又はメルカプタンと反応して得られる改質ポリシラザ
ン。 H)上記Aのポリシラザンを更に架橋、分岐させて得ら
れる、1分子中の−SiH2基と−SiH3基の比が2.
5〜8.4であるシラザン高重合体。
【0010】〔ポリメタロシラザン〕 I)主たる繰り返し単位が−Si(R3)2NR3(式中、
3はそれぞれ独立して水素原子又は上記Rと同じであ
るが、R3のうち少なくとも1個は水素原子である)で
表わされるポリシラザンと、M(OR4)m(式中、Mは元
素周期律表の第2A族から第5A族及び第2B族から第
5B族までの元素から選ばれる元素であり、R4はそれ
ぞれ独立に水素原子、炭素数1〜20個のアルキル基、
又はアリール基を表わすが、少なくとも1個のR4は水
素原子でなく、mはMの原子値である)で表わされるメ
タルアルコキシドを反応させて得られるポリメタロシラ
ザン。
【0011】〔ポリボロシラザン〕 J)主たる繰り返し単位が−〔(SiH2)n(NH)r〕−
(式中、n,rは1、2又は3である。)と−B(N
<)2であるポリボロシラザン。 K)主たる繰り返し単位が−Si(R3)2NR3−(式
中、R3は上記と同じである。)で表わされ、架橋結合
【化1】 (式中、R5はそれぞれ独立に水素原子、ハロゲン原
子、炭素原子数1〜20個を有するアルキル基、アルケ
ニル基、シクロアルキル基、アリール基、アルコキシ
基、アルキルアミノ基、水酸基、又はアミノ基であり、
6はR5のうち窒素原子を有する基の窒素原子に結合し
ている残基であり、最後の化学式では各3個の窒素原子
及び硼素原子からなる合計6個のうち少なくとも2個が
架橋に使われ、残りの原子にはR5が結合することがで
きる。)を有するポリボロシラザン。
【0012】〔ポリホスホシラザン〕 L)主たる繰り返し単位が−Si(R3)2NR3−(式
中、R3は上記と同じである。)で表わされ、架橋結合
【化2】 (式中、R5は上記と同じであり、R6はR5のうち窒素
原子を有する基の窒素原子に結合している残基であり、
最後の化学式では結合手のうち少なくとも2個が架橋に
使われ、残りの原子にはR5が結合することができ
る。)を有するポリホスホシラザン。
【0013】〔ポリシラザン類と熱可塑性珪素含有ポリ
マーとの熱硬化性共重合体〕 M)主たる繰り返し単位が−〔(SiH2)n(NH)r〕−
(式中、n,rは1、2又は3である。)であるポリシ
ラザンと熱可塑性珪素含有ポリマーとを共重合してなる
熱硬化性共重合体。 N)主たる繰り返し単位が−〔(SiH2)n(NH)r〕−
(式中、n,rは1、2又は3である。)であるポリシ
ラザンと金属化合物の反応生成物と、熱可塑性珪素含有
ポリマーとを共重合してなる熱硬化性共重合体。 O)上記I,J,Kに記載したポリボロシラザンと熱可
塑性珪素含有ポリマーとを共重合してなる熱硬化性共重
合体。 P)上記ポリマーの共重合体。
【0014】本発明においては、以上のようなポリシラ
ザンを反応溶媒中で第1級アミンと反応させてアミン交
換反応をさせる。この場合の第1級アミンの具体例とし
ては、例えば、メチルアミン、エチルアミン、プロピル
アミン、イソプロピルアミン、ブチルアミン、イソブチ
ルアミン、アミルアミン、ヘキシルアミン、ヘプチルア
ミン、オクチルアミン等のアルキルアミン類や、アニリ
ン、トルイジン、ベンジルアミン、ナフチルアミン等の
芳香族アミン類が挙げられる。
【0015】また、反応溶媒としては、塩基性溶媒、非
塩基溶媒のいずれもが使用できる。塩基性溶媒として
は、原料ポリシラザンを分解しないものであれば任意の
ものが使用できる。このようなものとしては、例えば、
トリメチルアミン、トリエチルアミン等のトリアルキル
アミン類やピリジン、ピコリン、ジメチルアニリン、ピ
ラジン、ピリミジン、ピリダジン及びこれらの誘導体等
の第3級アミン類が挙げられる。また、非塩基性溶媒と
しては、例えば、脂肪族炭化水素、脂環式炭化水素、芳
香族炭化水素の炭化水素溶媒、ハロゲン化メタン、ハロ
ゲン化エタン、ハロゲン化ベンゼン等のハロゲン化炭化
水素、脂肪族エーテル、脂環式エーテル等のエーテル類
が使用できる。
【0016】本発明の実施に当っては、原料ポリシラザ
ンの溶媒中濃度は0.05〜50重量%、好ましくは
0.5〜20重量%である。ポリシラザンの濃度が0.
05未満ではアミン交換速度が遅く、また逆に50%超
過では分子間重合が著しくなり、好ましくない。反応温
度は、−78℃〜300℃、好ましくは−20〜180
℃であり、−78℃より低温では溶媒の選択が制限され
るし、逆に300℃超過では分子間重合が促進される。
また、第1級アミンの使用量は、ポリシラザン1モル
(平均モル)に対するモル比で、0.05〜50、好ま
しくは0.1〜20の範囲であり、0.05未満ではア
ミン交換速度が遅く、逆に50超過では分子量低下のコ
ントロールが困難となる。反応雰囲気としては、窒素等
の不活性ガス雰囲気が好ましい。なお、反応時間は、出
発原料のポリシラザンの種類、濃度及び有機溶媒の種
類、濃度、第1級アミンの塩基度及び使用量、反応温度
等により異なるが、一般的に3〜10時間の範囲とすれ
ば充分である。
【0017】本発明の方法は、過度に高分子量化したポ
リシラザン中のNH基(アンモニア由来)と第1級アミ
ンとのアミン交換反応により、ポリシラザンの低分子量
化を達成するものであるが、特に第1級アミンが交換反
応を超こす際に、ポリシラザンの主骨格結合の切断を伴
うことにより、ポリシラザンの分子量が低下するものと
推定される。この反応は基本的に平衡反応であり、生成
する低級アミンを系外に除去することにより、反応はス
ムーズに進行する。ただ、密閉系の反応においても一部
アミン交換が起こり、分子量は低下する。
【0018】なお、本発明方法により分子量制御された
(低分子量化された)ポリシラザンに、アンモニアを反
応させると、該ポリシラザン中の第1級アミンとアンモ
ニアとのアミン交換反応が起こって、ポリシラザンの分
子量が上昇する。即ち、本発明方法によって得られた分
子量制御されたポリシラザンに対し、高分子量化の要求
が生じた際には、それに応じることができる。
【0019】この高分子化の方法は、分子量制御された
ポリシラザンとアンモニアとを反応溶媒中でアミン交換
反応させる。この場合の反応は、前記低分子量化の反応
の場合と比べると、第1級アミンの代わりにアンモニア
を使用すること以外、反応条件は殆ど同じと考えてよ
い。
【0020】
【実施例】以下、実施例により本発明を更に詳細に説明
するが、本発明の技術的範囲がこれらにより限定される
ものではない。
【0021】参考例1 内容積11の四つ口フラスコにガス吹きこみ管、メカニ
カルスターラー、ジュワーコンデンサーを装置した。反
応器内部を脱酸素した乾燥窒素で置換した後、四つ口フ
ラスコに脱気した乾燥ピリジン490mlを入れ、これ
を氷冷した。次にジクロロシラン51.6gを加える
と、白色固体状のアダクト(SiH2Cl2・2C5
5N)が生成した。反応混合物を氷冷し、撹拌しなが
ら、水酸化ナトリウム管及び活性炭管を通して、精製し
たアンモニア51.0gを吹き込んだ。
【0022】反応終了後、反応混合物を遠心分離し、乾
燥ピリジンを用いて洗浄した後、更に窒素雰囲気下で濾
過し、濾液850mlを得た。濾液5mlから溶媒を減
圧留去すると、樹脂固体ペルヒドロポリシラザン0.1
02gが得られた。得られたポリマーの数平均分子量は
GPCにより測定したところ、980であった。
【0023】次にこのポリマーのピリジン溶液(ペルヒ
ドロポリシラザンの濃度:5.04重量%)100ml
を内容積300mlの耐圧反応容器に入れ、精製した無
水アンモニア2.8g(0.165mol)を加えて密
閉系で100℃で3時間撹拌しながら反応を行なった。
この間大量の気体が発生した。反応前後で圧力は1.2
kg/cm2上昇した。室温に冷却後、乾燥o−キシレ
ン200mlを加え、圧力3〜5mmHg、温度50〜
70℃で溶媒を除いたところ、5.22gの白色粉末が
得られた。この粉末は、トルエン、テトラヒドロフラ
ン、クロロホルム及びその他の有機溶媒に可溶であっ
た。
【0024】前記重合体粉末の数平均分子量は、GPC
により測定したところ3810であった。また、そのI
Rスペクトル(溶媒:o−キシレン)の分析の結果、波
数(cm-1)3350及び1175のNHに基づく吸
収;2170のSiHに基づく吸収;1020〜820
のSiH及びSiNSiに基づく吸収を示すことが確認
された。更に、前記重合体粉末の1HNMRスペクトル
(CDCl2,TMS)を分析したところ、いずれも幅
広い吸収を示している。即ち、δ4.8(br,SiH
2)、δ4.4(br,SiH3),δ1.5(br,N
H)の吸収が観測された。(SiH2)/(SiH3)=
4.1であった。
【0025】参考例2 内容積2000mlの四つ口フラスコにコンデンサー、
シーラムキャップ、温度計、及びマグネティックスター
ラーを装置した。反応器内部を乾燥窒素で置換した後、
四つ口フラスコに参考例1と同様の方法で得られたペル
ヒドロポリシラザンの溶液(ペルヒドロポリシラザンの
濃度:5.0重量%)500gを入れ、撹拌しながらチ
タンテトライソプロポキシド3.5g(12.5mmo
l)を乾燥キシレン6.5mlに溶解させたものを注射
器を用いて加えた。反応溶液は無色から淡褐色、紫色、
黒色へと変化した。反応終了後、溶媒を減圧留去する
と、ポリヒドロチタノシラザンが暗褐色固体として得ら
れた。収率は84.0%であった。生成したポリヒドロ
チタノシラザンの数平均分子量は、2400であった。
【0026】実施例1 参考例1で得られたポリシラザンのキシレン溶液(ペル
ヒドロポリシラザン濃度:5.04重量%)100ml
を、内容積500℃の三つ口フラスコに採取した。次
に、窒素雰囲気下エチルアミンをポリシラザンの珪素換
算量に対しモル比で0.1mol添加し、60℃で3時
間反応させた。反応終了後、得られたポリマーの数平均
分子量をGPCにより測定したところ、2000であっ
た。また、このポリマーをIR測定したところ、299
0、2930、2880、1460、1380にCHに
基づく吸収が確認された。また、1HNMRからはδ
2.7(br,CH2)の吸収を確認した。
【0027】実施例2 参考例1で得られたポリシラザンのキシレン溶液(ペル
ヒドロポリシラザン濃度:5.04重量%)100ml
を、内容積500ccの三つ口フラスコに採取した。次
に、窒素雰囲気下エチルアミンをポリシラザンの珪素換
算量に対しモル比で0.5mol添加し、60℃で3時
間反応させた。反応終了後、得られたポリマーの数平均
分子量をGPCにより測定したところ、1700であっ
た。また、このポリマーをIR測定したところ、299
0、2930、2880、1460、1380にCHに
基づく吸収が確認された。また、1HNMR(CDCl3
溶媒)からはδ2.7(br,CH2)の吸収を確認し
た。
【0028】実施例3 参考例1で得られたポリシラザンのピリジン溶液(ペル
ヒドロポリシラザン濃度:5.04重量%)100ml
を、内容積500ccの三つ口フラスコに採取した。次
に、窒素雰囲気下エチルアミンをポリシラザンの珪素換
算量に対しモル比で1mol添加し、60℃で3時間反
応させた。反応終了後、得られたポリマーの数平均分子
量をGPCにより測定したところ、1100であった。
このポリマーをIR測定したところ、2990、293
0、2880、1460、1380にCHに基づく吸収
が確認された。また、1HNMR(CDCl3溶媒)から
はδ2.7(br,CH2)の吸収を確認した。
【0029】実施例4 参考例1で得られたポリシラザンのピリジン溶液(ペル
ヒドロポリシラザン濃度:5.04重量%)100ml
を、内容積500ccの三つ口フラスコに採取した。次
に、窒素雰囲気下ブチルアミンをポリシラザンの珪素換
算量に対しモル比で1mol添加し、100℃で3時間
反応させた。反応終了後、得られたポリマーの数平均分
子量をGPCにより測定したところ、1400であっ
た。また、このポリマーをIR測定したところ、299
0、2930、2880、1460、1380にCHに
基づく吸収が確認された。1HNMRからは、δ2.7
(br,CH2)の吸収を確認した。
【0030】実施例5 参考例1で得られたポリシラザンのキシレン溶液(ペル
ヒドロポリシラザン濃度:5.04重量%)100ml
を、内容積500ccの三つ口フラスコに採取した。次
に、窒素雰囲気下アニリンをポリシラザンの珪素換算量
に対しモル比で1mol添加し、100℃で6時間反応
させた。反応終了後、得られたポリマーの数平均分子量
をGPCにより測定したところ、1500であった。こ
のポリマーをIR測定したところ、3050、755、
695(波数cm-1)にCHに基づく吸収が確認され
た。また、1HNMRからはδ7.2(br,CH)、
δ6.7(br,CH)の吸収が確認された。
【0031】実施例6 参考例2で得られたメタロシラザンのキシレン溶液(メ
タロシラザン濃度:5重量%)100mlを、内容積5
00ccの三つ口フラスコに採取した。次に、窒素雰囲
気下エチルアミンをメタロシラザンの珪素換算量に対し
モル比で1mol添加し、60℃で3時間反応させた。
反応終了後、得られたポリマーの数平均分子量をGPC
により測定したところ、1600であった。
【0032】実施例7 実施例3で得られたポリシラザンのピリジン溶液(ペル
ヒドロポリシラザン濃度:5.04重量%)100ml
を、内容積300mlの耐圧反応容器に入れ、精製した
無水アンモニア17g(1.0mol)を加えて、密閉
系で100℃で3時間反応させた。反応後、得られたポ
リマーの数平均分子量は3200であった。
【0033】これらの実施例の結果を表1に示す。
【表1】
【0034】
【発明の効果】請求項1の分子量が制御されたポリシラ
ザンの製造方法は、ポリシラザンと第1級アミンとを反
応溶媒中でアミン交換反応させるという構成としたこと
から、過度に高分子量化したポリシラザンを所望の分子
量レベルにまで容易に低分子量化することができる。そ
の結果、本方法は、例えば厳密な分子量制御を必要とす
る高純度窒化珪素繊維用ポリマーの調整に非常に有用で
ある。また、過度に高分子量化し不安定化したポリシラ
ザンの再生等に非常に有用であり、これによりポリマー
の歩留り向上につながる。
【0035】請求項2の分子量が制御されたポリシラザ
ンの製造方法は、請求項1で得られたポリシラザンとア
ンモニアとを反応溶媒中でアミン交換反応させるという
構成としたことから、過度に低分子量化したポリシラザ
ンを所望の分子量レベルにまで容易に高分子量化するこ
とができる。
【0036】請求項3の分子量が制御されたポリシラザ
ンの製造方法は、原料ポリシラザンとして特定構造のポ
リマーを選択したことから、より確実に所望の分子量レ
ベルにまで低分子量化することができるという効果が加
わる。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ポリシラザンと第1級アミンとを反応溶
    媒中でアミン交換反応させることを特徴とする分子量が
    制御されたポリシラザンの製造方法。
  2. 【請求項2】 請求項1で得られたポリシラザンとアン
    モニアとを反応溶媒中でアミン交換反応させることを特
    徴とする分子量が制御されたポリシラザンの製造方法。
  3. 【請求項3】 前記ポリシラザンが、ペルヒドロポリシ
    ラザン、ポリボロシラザン、ポリオルガノ(ヒドロ)シ
    ラザン、ポリシロキサザン、ポリメタロシラザン、ポリ
    ホスホシラザン及びこれらのポリシラザン類と熱可塑性
    珪素含有ポリマーとの熱硬化性共重合体から選ばれた少
    なくとも一種である請求項1記載の分子量が制御された
    ポリシラザンの製造方法。
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