JPWO2008120398A1 - 溶剤に可溶な6,6−ポリイミド共重合体及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

ピロメリット酸ジ無水物(PMDA)、1,4−ジアミノジフェニルエーテル(DADE)、ビフェニルテトラカルボン酸ジ無水物(BPDA)及び2,4−ジアミノトルエン(DAT)の4成分からなる超耐性ポリイミドにおいて、(BPDA):(DADE):(PMDA):(DAT)のモル比が、2:2:m:mである(ここで、mは、3,4又は5の整数である。)前記超耐性ポリイミド溶液を提供する。

Description

従来のポリイミドフィルムは二成分系の重縮合物である。本発明はピロメリット酸ジ無水物(以下、PMDAという)、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル(以下、DADEという)、ビフェニルテトラカルボン酸ジ無水物(以下、BPDAという)及び2,4−ジアミノトルエン(以下、DATという)の4成分よりなる溶媒に可溶な超耐熱性ポリイミドである。
BPDAの代わりにベンゾフェノンテトラカルボン酸ジ無水物(BTDAという)を使用して、同様に、溶媒に可溶な超耐熱性ポリイミドを生成することができる。また、DATの代わりに3,5−ジアミノ安息香酸(以下、DABzという)を使用して、同様の、溶媒に可溶なポリイミドを生成することもできる。
超耐熱性樹脂であるポリイミドフィルムは、1960年デュポン社によって始めて製造され、KAPTONと言われ、ピロメリット酸ジ無水物(PMDAという)及び1,4−ジアミノジフェニルエーテル(DADEという)より構成されている。
ガラス転移温度(Tg)が420℃、熱分解開始温度(Tm)が500℃以上の特性を示し、電気絶縁性、機械的強度、耐薬品性にすぐれたポリマーとして、宇宙航空、車輌用の材料、電子・電気部品、半導体用材料等として広く利用されている(非特許文献1: polyimides; D. Wilson, H. D. Steinberger, R. M. Morgenrother; Blackie, New York (1990))。
1980年、宇部興産株式会社によって製造されたポリイミドフィルム“Upilex”はビフェニルテトラカルボン酸ジ無水物(BPDAという)及び1,4−ジアミノベンゼンより構成され、Tg>500℃、Tm>550℃の耐熱性フィルムである(非特許文献1)。
以後、今日まで、KAPTON、Upilexに対応する耐熱性ポリイミドフィルムは製造されていない。溶媒に難溶のポリイミドであり、PMDA、BPDAに代わるテトラカルボン酸ジ無水物が開発されていない。
KAPTON及びUpilexは有機溶媒に難溶であり、無水の溶媒中で、低温で重合して、ポリアミック酸を合成し、ついで流延、加熱してポリイミドフィルムは製造される。
ポリアミック酸は水で分解し易く、保存安定性が悪い。ポリアミック酸に他の成分を加えると、交換反応が速やかに行われているため、ランダム共重合体となり、改質が困難である。
テトラカルボン酸ジ無水物と芳香族ジアミンとが有機極性溶媒中、加熱され、重縮合して直接ポリイミドが生成することが知られている(特許文献1: H. Itatani, USP 5,202,411 (1993), USP 6,627,307 B1 (2003), USP 6,890,626 B1 (1995))。
触媒としてトルエンスルホン酸が使用されている(特許文献2: A. Berger, USP 4,011,297 (1979), USP 4,359,572 (1983))。
しかし、酸触媒の存在下にポリイミドが合成された場合、フィルム中に触媒が存在して、劣化原因となるため、ポリイミドと触媒の分離操作が必要となる。
PMDAとDADEよりなるポリイミド共重合体は溶媒に難溶であるPMDA−DADE−BPDA−DATの4成分より構成されるポリイミド共重合体は溶液中、酸触媒を用いて遂次反応によって合成を試みたが、溶媒可溶のポリイミド共重合体は得られなかった。新規な三段階重縮合プロセスを採用して、特定のイミドオリゴマー中間体を経ることによって、溶媒可溶の4成分系ポリイミド(PMDA−DADE−BPDA−DATからなるポリイミド)が合成された。
第一段階の重縮合反応は、1モルのBPDAと2モルのDADEの反応(6ヶのベンゼン環を含む成分)によってイミドオリゴマーとし、第二段階反応では4モルのPMDAと2モルのDATとを反応(6ヶのベンゼン環を含む成分)させて、一次中間体を合成する(6,6−ポリイミドオリゴマーと言う)。最後に残りの成分を加えて重縮合を完了するプロセスを採用した。即ち、本発明の主なものは、次の2つである。
(i)(BPDA):(DADE):(PMDA):(DAT)のモル比が、2:2:m:mである(ここで、mは、3,4又は5の整数である。)
(ii)(BTDA):(DADE):(PMDA):(DAT)のモル比が、2:2:m:mである(ここで、mは、3,4又は5の整数である。)
GPCによって分子量が測定され、反応終点が決定される。熱分解開始温度500℃以上、ガラス転位温度は430℃までの間に観測されなかった。DATの代わりにDABzを採用して4成分系の溶媒に可溶なポリイミドが生成する(上記(i)又は(ii)のバリエーション)。熱分解によると、430℃附近で減量が始まり、熱分解開始温度は540℃に上昇した。
溶媒に可溶なポリイミドの合成には、先ず新規な触媒の開発が必要であった。重縮合反応中は触媒として作用し、反応の終点では消失する触媒の開発が行われた(特許文献3: Y. Oie, H. Itatani, USP 5,502,142 (1996))。
ラクトン平衡を利用する触媒を開発した。γ−バレロラクトンとピリジン又はγ−バレロラクトンとN−メチルモルホリンの混合物は、水の存在下に〔酸〕〔塩基〕となり、この系から水を除くと〔ラクトン〕と〔塩基〕になる平衡を利用する(式1)。
Figure 2008120398
反応系中に少量のγ−バレロラクトンとピリジン又はγ−バレロラクトンとN−メチルモルホリンを添加し、180℃に加熱してイミド化反応を行う。
反応初期に生成した〔水〕によって〔酸〕+〔塩基〕-が生成し、イミド化反応を促進する。反応系中に加えられていたトルエンによって、反応中に生成する水はトルエン共沸によって系外に除かれる。イミド化反応が終結すると、反応系は無水の状態に近づき、〔酸〕+〔塩基〕-は〔γ−バレロラクトン〕と〔ピリジン〕となり系外に除かれる。かくして、高純度のポリイミド共重合体が得られる。
溶媒に可溶なポリイミドは、重縮合反応を遂次反応にすることによって多成分系のブロック共重合ポリイミドが生成する。酸ジ無水物をA1,A2とし、芳香族ジアミンをB1,B2とすると、下記の式:
Figure 2008120398
の4成分系ブロック共重合ポリイミドが生成する。
PMDAとDADEとを含有する4成分系ブロック共重合ポリイミドは、このような遂次反応を行うと沈殿して、溶媒に可溶なポリイミドが得られなかった。
PMDA−DADE−PMDA成分及びDADE−PMDA−DADE成分が溶媒に難溶である。従って、この難溶性の成分を含まないブロック共重合ポリイミドを合成する必要があった。
新規な重縮合反応として、遂次重縮合反応ではなく、ある特定の成分を生成するための三段添加の重縮合反応を開発した。この結果、PMDA−DADE−BPDA−DATの4成分よりなる溶媒に可溶なポリイミドの合成に成功した。
[6,6−ポリイミド共重合体の用途について]
6,6−ポリイミド共重合体は、溶媒に溶解するポリイミド樹脂であり、保存安定性がよい。金属面にコートして複合材にしたり、銅基板等に用いられる。改質ポリイミドは電着、接着剤として利用することができる。
流延・加熱してフィルムにすることができるが、超耐熱性フィルムとして電子・電気部品、輸送用航空機の材料、半導体等に広く利用することができる。
新しいプロセスにより製造、高性能の品質、低コスト製品の特長を生かして、医療用材料、建材、家庭用高温材料(例えばアイロンの底、なべの内壁、電子レンジの内壁)、テフロンTMの代替等に利用することができる。
aPMDA+bBPDA+cDADE+dDATの組合せ(a,b,c,dはモル数)によるポリイミドの量論関係は、下記の式:
Figure 2008120398
材料の入手し易さ、製品のコスト等を勘棄して、次の条件:
Figure 2008120398
を設定した。
有機極性溶媒(N−メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、スルホラン、ジメチルホルムアミド)の溶液中、γ−バレロラクトンとピリジン又はγ−バレロラクトンとN−メチルモルホリンを添加し、上記4成分を含むポリイミドの生成反応を検討した。
三段添加の重縮合反応を種々検討した結果、或る特定の組成を示す一次重縮合体を経由するポリイミド合成方法によって、目的とする溶媒に可溶なポリイミドが得られた。
(BPDA):(DADE):(PMDA):(DAT)のモル比が、2:2:m:mである(ここで、mは、3,4又は5の整数である。)
で示される。
I−1.(BPDA):(DADE):(PMDA):(DAT)のモル比が、2:2:4:4であるポリイミドについて
第一段階の重縮合反応は2モルのDADEと1モルのBPDAとを有機極性溶媒中、酸触媒の存在下に180℃に加熱してイミド化反応を行い、両末端のジアミンの可溶性オリゴマーを生成する(式5)。反応中に生成する水はトルエンの共沸によって系外に除かれる。
Figure 2008120398
第二段階の反応は4モルのPMDAと2モルのDATとを加えて撹拌する。両末端のPMDAのオリゴマーが生成する(式6)。
Figure 2008120398
この一次中間体に残りの混合物(BPDA+2DAT)を加えて撹拌し、180℃に加熱して重縮合反応を行い、溶媒に可溶なポリイミド共重合体を合成する(式7)。
Figure 2008120398
一次中間体オリゴマーは、第1段目の反応及び第二段目の反応において、それぞれ6ヶのベンゼン環を含む成分の反応である(式8)。
Figure 2008120398
第一段階の反応及び第二段階の反応のために加える成分が含むベンゼン環の数はそれぞれ6であるため、他のポリイミド生成物と区別するため、6,6−ポリイミドと称した。
I−2.(BPDA):(DADE):(PMDA):(DAT)のモル比が、2:2:5:5であるポリイミドについて
第一段階、第二段階の反応で6,6−イミドセグメントを生成し、第三段階で(BPDA+PMDA+3DAT)成分を添加、加熱、撹拌して溶媒に可溶なポリイミド共重合体を得ることができる。
即ち、第一段階の反応は(BPDA+2DADE)成分を有機溶媒中、触媒の存在下に180℃、1時間反応する。ついで、第二段階の反応として、(4PMDA+2DAT)成分を室温で添加、撹拌して、6,6−イミドセグメントを生成する;(BPDA+2DADE)(4PMDA+2DAT)
この液に、(BPDA+PMDA+3DAT)成分を加えて180℃に加熱、撹拌して溶媒に可溶なポリイミド共重合体を得る。
I−3.(BPDA):(DADE):(PMDA):(DAT)のモル比が、2:2:3:3であるポリイミドについて
三段添加反応において、PMDAの一部をBPDAに置換した反応となる。第一段階反応は、(BPDA+2DADE)成分を有機溶媒中、180℃、1時間反応して、イミドオリゴマーを生成する。
第二段階反応では、(3PMDA+BPDA+2DAT)成分を添加して、室温で撹拌して一次イミドセグメントとする(式9):
Figure 2008120398
この液にDATを加えて180℃に加熱、撹拌してポリイミドの共重合体を得ることができる。
生成物は、次式:
Figure 2008120398
実施例では変形体として、次式:
Figure 2008120398
として示す。
このようにして、(BPDA):(DADE):(PMDA):(DAT)のモル比が、2:2:m:mである(ここで、mは、3,4又は5の整数である。)のポリイミド共重合体が得られる。ポリイミド物性表に示すように、ポリイミド液の一部をガラス板上に流延し、90℃で1時間、210℃で1時間赤外線ヒーターで加熱してポリイミドフィルムにした後、熱分析を行った。
熱分解開始温度500℃以上、ガラス転位温度は430℃までの測定領域では観察できなかった。
II.(BPDA):(DADE):(PMDA):(DAT)のモル比が、2:2:m:mである(ここで、mは、3,4又は5の整数である。)のポリイミド
合成反応において、BPDAの代わりにベンゾフェノンテトラカルボン酸ジ無水物(BTDA)を用いて、同様の組成の溶媒に可溶なポリイミドが生成する。
即ち、(BTDA):(DADE):(PMDA):(DAT)のモル比が、2:2:m:mである(ここで、mは、3,4又は5の整数である。)のポリイミドである。
このポリイミドの熱分析の結果、Tmは500℃以上を示し、Tgは430℃までの領域では観察されなかった。
BPDAの代わりにBTDAを用いたポリイミドは、MW(重量平均分子量)/MN(数平均分子量)の比が大きく、一部架橋していると思われる。接着性に優れているため銅基板や複合ポリイミド材料として使用することができる。
下記の構造を有するジアミノトルエン:
Figure 2008120398
及び下記の構造を有する3,5−ジアミノ安息香酸:
Figure 2008120398
はいずれも1,3−フェニレンジアミンの誘導体である。従って、ジアミノトルエンの一部を3,5−ジアミノ安息香酸に置き換えた場合の共重合ポリイミドの物性の変化を検討した。
III.(PMDA−DADE−BPDA−DAT)系及び(PMDA−DADE−BTDA−DAT)系のポリイミドの合成反応における、DATの代用としての3,5−ジアミノ安息香酸(DABz)の使用
(PMDA−DADE−BPDA−DAT)系及び(PMDA−DADE−BTDA−DAT)系のポリイミドの合成反応において、DATの代わりに3,5−ジアミノ安息香酸(DABz)を使用することができる。実験操作は同様である。
実施例に示すように、第二段階におけるDATをDABzに置換する又は第三段階におけるDATをDABzに置換する等々、種々の方法がある。DABzを含む(PMDA−DADE−BPDA−DABz)系及び(PMDA−DADE−BTDA−DABz)系ポリイミド共重合体は、熱分析の測定によると440〜450℃附近で減量が見られる。脱炭酸反応が起こっていると思われる。
その結果、Tmが530〜550℃にまで高くなっている。この系のポリイミド共重合体は、カチオン電着法によるポリイミド塗膜をすることができる。接着性にも優れて、複合材料として使用することもできる。
IV.(PMDA−DADE−BPDA−DAT)系、(PMDA−DADE−BTDA−DAT)系、(PMDA−DADE−BPDA−DABz)系、(PMDA−DADE−BTDA−DABz)系のポリイミド共重合体のGPCによる分子量測定及び熱分析(TG−DTA測定)の結果を表1に示す。
DABzを含むポリイミド共重合体はGPCの測定においてジメチルホルムアミドを展開液として測定した結果、分子量の測定ができなかった。
ジアミノトルエンのメチル基は、アミノ基の隣にあって、ポリイミド結合を生成するとき、分子歪を生ずる。その結果、ポリイミドの共鳴効果が阻害され、更に不安定性が増加する。熱分解開始温度が500℃附近であるのは、主にこのDATの因子によるものと思われる。
DATの一部をDABzにすることによって、カルボン酸基がアミノ基から遠くになり、ポリイミドの立体歪の原因とならない。そのため共鳴効果で安定化する。更に450℃附近で減量がみられるのは、このカルボキシル基によるものと思われる。従って、ユーピレックス型の構造となり、高い熱分解開始温度を示すと思われる。
Figure 2008120398
6,6−ポリイミドフィルムとPMDA−DADEフィルムの特性を比較する。
(A)6,6−ポリイミドの特性
A−1 PMDA−DADE−BPDA−DAT、PMDA−DADE−BTDA−DAT(DATの代わりにDABz)共重合体で溶媒に可溶である。
A−2 酸触媒による脱水−重縮合反応によって直接イミド化する。
A−3 三段階重縮合反応で合成される6,6−イミドセグメントを経て合成される。
A−4 0.1%含水溶媒中で反応が可能であり、GPCによる分子量測定で反応の終点が決定され、再現性が高い。
A−5 イミド共重合体による製膜は、より低温で高速である。フィルムはTm>500℃、Tgは430℃まで観察できない。
A−6 成分の一部を変えて改質することができる。
A−7 ポリイミド共重合体は、室温で長時間安定で、保存安定性が優れる。
(B)PMDA−DADEポリイミド
B−1 PMDA−DADE系の二成分系であり、溶媒に難溶。
B−2 無水の溶媒中、低温での付加重合によって、前駆体のポリアミック酸を合成する。
B−3 ポリアミック酸の加熱脱水反応によってポリイミドを生成する。ポリアミック酸は水で容易に分解する。
B−4 無水の溶媒中で反応が行われる。ポリアミック酸は交換反応しているため分子量の測定はできない。反応の終点は粘度によって決定する。
B−5 製膜は脱溶媒と脱水反応を併用するため、より高温で製膜速度が遅い。フィルムはTm>500℃、Tg=420℃。
B−6 成分の一部を変えると、交換反応によりランダムに共重合体となり改質は困難。
B−7 ポリアミック酸溶液は保存安定性が悪く、冷凍して保存期間は1〜2ヶ月間である。
以下、実施例をあげて本発明を説明するが、PMDA−DADE−BPDA−DAT共重合体、PMDA−DADE−BTDA−DAT共重合体及びDATの代わりにDABzを用いる―6,6−ポリイミド共重合体である。本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
これらの共重合体について機器による分析が行われた。分子量及び分子量分布の測定は、実施例に示すポリイミド溶液の一部をジメチルホルムアルデヒドで稀釈し、高速液体クロマトグラフ(GPC;HLC−8120GPCC(東ソー))を用いて測定した。数平均分子量(Mn)、重量平均分子量(Mw)及びMw/Mnを示す。
熱分析については、ポリイミド液を流延して、90℃×1時間、210℃×1時間で乾燥したフィルムを用いて測定した。
(TGA−GTA)Thermo Plus Tg 8120(理学電気製品)を用い、昇温速度10℃/1分、600℃まで昇温して、熱分解開始温度(Tm)を測定した。
ガラス転位温度(Tg)はDSC Perkin Elmer PYRIS Diameter DSCを用いた。昇温速度10℃/1分で400℃まで昇温した後、空冷し、再び10℃/1分で昇温し、430℃まで昇温して測定した。
[実施例1]
(BPDA):(DADE):(PMDA):(DAT)のモル比が、2:2:4:4であるポリイミドの製造
ステンレススチール製の碇型撹拌器を取り付けたガラス製のセパラブル3ッ口フラスコに、水分分離トラップを備えた玉付き冷却管を取り付けた。窒素ガスを通しながら、上記フラスコをシリコンオイル浴につけて、加熱、撹拌した。
3,4,3',4'−ビフェニルテトラカルボン酸ジ無水物(以後BPDAという)5.88g(20ミリモル)、4,4'−ジアミノジフェニルエーテル(以後DADEという)8.01g(40ミリモル)、γ−バレロラクトン 1.5g(15ミリモル)、ピリジン 3.5g(44ミリモル)、N−メチルピロリドン(以後NMPという)150g、トルエン 45gを3ッ口セパラブルフラスコに加えた。窒素を通じながら、シリコン浴温度180℃、180rpm回転数で1時間加熱、撹拌した。水−トルエン留分20mlを除く。
1時間180rpmで空冷、撹拌した。ついでピロメリット酸ジ無水物(以後PMDAという)17.45g(80ミリモル)、ついでジアミノトルエン(以後DATという)4.88g(40ミリモル)を加え、ついでNMP 250gを加えて、室温で20分間窒素を通じながら180rpmで撹拌した。
ついで、BPDA 5.88g(20ミリモル)、DAT 4.88g(40ミリモル)、NMP 120g、トルエン 30gを加え、230rpmで30分間撹拌して、180℃のシリコン浴につけ、180rpmで撹拌した。トルエン20mlをぬいた。5時間10分間、180℃、180rpmで反応して10%重量濃度のポリイミド溶液を得た。
反応液の一部をジメチルホルムアミドで稀釈して、高速液体クロマトグラフ(東ソーHL(8120 GPC))で分子量及び分子量分布を測定した。ポリエチレン換算の数平均分子量(Mn)33.470、重量平均分子量(Mw)101.430、Z平均分子量178、642Mw/Mn3.03を得た。
乾燥ポリイミドフィルムの一部をとり、理学電機製熱分析装置Thermo Plus Tg 8120で熱分解開始温度(Tm)を測定、昇温速度 10℃/1分、600℃まで昇温した。Tmは、512.5℃であった。
Perkin Elmer Pyrid Diameter DSCを用いてガラス転位温度(Tg)を測定。昇温速度10℃/1分で400℃まで昇温した。その後、空冷して再び10℃/1分で430℃まで昇温した。Tgは観察されなかった。
[実施例2]
(BPDA):(DADE):(PMDA):(DAT)のモル比が、2:2:5:5であるポリイミドの製造
実施例1と同様に操作して、上記ポリイミド共重合体を合成した。
BPDA 2.9g(10ミリモル)、DADE 4.00g(20ミリモル)、γ−バレロラクトン 1.5g、ピリジン 2.8g、NMP 100g、トルエン 35gを仕込む。窒素気流中、シリコン浴温度180℃、1時間180rpmで撹拌した。シリコン浴を除き、30分間空冷した後、PMDA 8.73g(40ミリモル)、DAT 2.44g(20ミリモル)を加え、ついでNMP 75gを添加して、20分間室温で撹拌した。PMDA 2.18g(10ミリモル)、BPDA 2.94g(10ミリモル)、DAT 3.66g(30ミリモル)を加え、NMP 72gを加えた。180℃、180rpmで窒素気流中で4時間30分間、加熱、撹拌した。10%濃度のポリイミド溶液であるGPCによる分子量を測定した。
Mn 10.300、Mw 66.900 Mw/Mn=6.5 であった。
熱分析を行った。Tm 506.6℃であった。Tgは430℃まで測定したが観測されなかった。
[実施例3]
(BPDA):(DADE):(PMDA):(DAT)のモル比が、2:2:3:3であるポリイミドの製造
実施例1と同様に操作して、上記共重合体を合成した。
BPDA 5.88g(20ミリモル)、DADE 8.00g(40ミリモル)、γ−バレロラクトン 1.5g、ピリジン 3.0g、NMP 150g、トルエン 30gを反応器に仕込む。シリコン浴温度180℃、回転数180rpmで1時間、加熱、撹拌した。30分間空冷後、PMDA 13.10g(60ミリモル)、NMP 100gを加えて、室温で180rpmで撹拌したあと、BPDA 5.88g(20ミリモル)、DAT 7.32g(60ミリモル)及びNMP 112gを加えた。室温で30分間撹拌後、180℃、180rpmで4時間35分加熱、撹拌して、10%濃度の上記ポリイミド溶液を得た。
反応液をジメチルホルムアミドで稀釈して、GPCの測定を行ったが、分子量の測定はできなかった。
熱分析を行って、熱分解開始温度(Tm)は、510.7℃であった。DSCでTgの測定を430℃まで行ったが、Tgは観測できなかった。
[実施例4]
(BTDA):(DADE):(PMDA):(DAT)のモル比が、2:2:4:4であるポリイミド共重合体の製造
実施例1と同様に操作した。BPDAの代わりにベンゾフェノンテトラカルボン酸ジ無水物(BTDA)を使用した。
ステンレススチール製の碇型撹拌器を取り付けたガラス製のセパラブル3ッ口フラスコに、水分分離とラップをつけた玉付冷却管を取り付けた。窒素ガスを通しながら上記フラスコをシリコンオイル浴につけて、加熱、撹拌した。
BTDA 6.44g(20ミリモル)、DADE 8.0g(40ミリモル)、γ−バレロラクトン 1.8g、ピリジン 3.2g、NPM 150g、トルエン 52gを仕込む。室温で30分間180rpmで撹拌後、シリコン浴に反応器をつけて、180℃、180rpm、1時間、加熱、撹拌した。シリコン浴をはずして、30分間空冷後、PMDA 17.44g(80ミリモル)、DAT 44.88g(40ミリモル)、NMP 100gを加えて、15分間撹拌後、撹拌しながらBTDA 6.44g(20ミリモル)、DAT 4.88g(40ミリモル)を加え、更にNMPを103g加えた。
180℃、180rpmで3時間20分間、加熱、撹拌して、12%濃度のポリイミド溶液を得た。
GPCの測定により、ポリスチレン換算の分子量は、 Mn 12,300、Mw 117.800 Mw/Mn=9.6 であった。
TG−GTAによる熱分析により、熱分解開始温度(Tm)509.5℃、DSC測定を430℃まで行ったが、Tgは観察されなかった。
[実施例5]
(BTDA):(DADE):(PMDA):(DAT)のモル比が、2:2:5:5であるポリイミド共重合体の製造
実施例4と同様に操作した。セパラブル3ッ口フラスコにBTDA 3.22g(10ミリモル)、DADE 4.00g(20ミリモル)、γ−バレロラクトン 0.9g、ピリジン 1.8g、NMP 80g、トルエン 30gを仕込む。室温、窒素気流中30分間撹拌した。ついで、反応器をシリコン浴につけて、180℃、180rpm、1時間窒素気流中で加熱、撹拌する。シリコン浴を下げて、20分間空冷後、PMDA 8.72g(40ミリモル)、DAT 2.44g(20ミリモル)、NMP 100gを加え、室温で30分間撹拌後、BTDA 3.22g(10ミリモル)、PMDA 2.18g(10ミリモル)、DAT 3.66g(30ミリモル)及びNMP 67gを加えて、加熱180℃、撹拌180rpmで4時間30分間反応して10%濃度のポリイミド溶液を得た。
反応液の一部をとり、ポリスチレン換算の分子量を測定した。
数平均分子量(Mn)は、6.770、重量平均分子量(Mw)は、85.800
w/Mnは、 12.7 であった。熱分析を行った結果、熱分解開始温度は、506.6℃であった。DSCで430℃まで測定したが、ガラス転位温度(Tg)は観測されなかった。
[実施例6]
(BTDA):(DADE):(PMDA):(DAT)のモル比が、2:2:3:3であるポリイミド共重合体の製造
実施例4と同様に操作した。
BTDA 6.44(20ミリモル)、DADE 8.00g(40ミリモル)、γ−バレロラクトン 1.5g、ピリジン 3.0g、NMP 150g、トルエン 30gを3ッ口フラスコに仕込む。室温で30分間、180rpmで撹拌後、180℃、180rpmで1時間加熱、撹拌した。トルエン 20mlを除く。25分間空冷後、PMDA 13.10g(60ミリモル)、NMP 100gを加え、室温で25分間撹拌し、BTDA 6.44g(20ミリモル)、DAT 7.32g(60ミリモル)、NMP 122gを加え、180℃、180rpmで4時間35分間、加熱、撹拌した。10%濃度のポリイミド溶液を得た。
反応液の一部をとり、GPCによって分子量を測定した。
数平均分子量(Mn)は、97.000、重量平均分子量(Mw)は、288.400
w/Mnは、29.8 であった。
ポリイミドフィルムの熱分析を行った結果、熱分解開始温度は、505.7℃であった。ガラス転位温度は430℃まで測定したが観察できなかった。
[実施例7]
(BPDA):(DADE):(PMDA):(DABz):(DAT)のモル比が、2:2:4:2:2であるポリイミド共重合体の製造
DATの代わりに一部DABzにしてポリイミド共重合体を合成した。実施例1と同様に操作した。
BPDA 2.94g(10ミリモル)、DADE 4.0g(20ミリモル)、γ−バレロラクトン 0.9g、ピリジン 1.8g、NMP 100g、トルエン 30gを反応器に仕込む。180℃、180rpmで1時間、加熱、撹拌した。室温で30分間撹拌した後、PMDA 8.72g(40ミリモル)を加え、室温で200rpm30分間撹拌し、ついでDABz 3.04g(20ミリモル)、NMP 83g加え、180rpmで1時間撹拌した。ついで、BPDA 2.94g(10ミリモル)、DAT 2.44g(20ミリモル)を加え、NMP 34g、トルエン 20gを加え、30分間、室温で撹拌後、シリコンバスで180℃、180rpm、4時間30分間反応した。10%濃度のポリイミド溶液を得た。
DMF溶液に稀釈した試料で分子量を測定したが、対応する吸収が得られなかった。
フィルムの熱分析を行った。TGA−GTAによる熱分析を行った。昇温速度は、10℃/1分で600℃まで昇温した。450℃で重量の減少が認められた。熱分解開始温度(Tm)は544.4℃であった。
[実施例8]
(BPDA):(DADE):(PMDA) :(DAT):(DABz)のモル比が、2:2:4:2:2であるポリイミド共重合体の製造
実施例7と同様に操作した。
反応器に、BPDA 2.94g(10ミリモル)、DADE 4.0g(20ミリモル)、γ−バレロラクトン 0.9g、ピリジン 1.8g、NMP 100g、トルエン 30gを仕込む。室温で撹拌した後、シリコン浴中で加熱した。180℃、180rpmで1時間、加熱、撹拌し、30分間空冷する。PMDA 4.82g(40ミリモル)、DAT 2.44g(20ミリモル)、NMP 83gを加え、180rpmで1時間撹拌した。ついで、BPDA 2.94g(10ミリモル)、DABz 3.04g(20ミリモル)、NMP 34gを加え、30分間室温で撹拌後、シリコン浴中で180℃、180rpmで3時間30分間、加熱、撹拌した。10%濃度のポリイミド溶液を得た。
GPCの測定を試みたが、分子量の測定はできなかった。
フィルムの熱分析を行った。TG−GTAによる熱分析によって、445℃に減量が認められた。熱分解開始温度(Tm)は539.5℃であった。
DSCによる測定を430℃まで行ったがTgは観察されなかった。
[実施例9]
(BPDA):(DADE):(PMDA):(DABz):(DAT)のモル比が、2:2:5:2:3であるポリイミド共重合体の製造
実施例7と同様に操作した。
反応器中に、BPDA 2.94g(10ミリモル)、DADE 4.0g(20ミリモル)、γ−バレロラクトン 1.5g、ピリジン 2.8g、NMP 100g、トルエン 35gを仕込む。室温で撹拌後、シリコン浴中で180℃、180rpm、1時間、加熱、撹拌した。空冷後、PMDA 8.73g(40ミリモル)、DABz 3.04g(20ミリモル)、NMP 75gを添加し、室温で20分間撹拌する。ついで、PMDA 2.18g(10ミリモル)、BPDA 2.94g(10ミリモル)、DAT 3.66g(30ミリモル)及びNMP 77gを加え、室温で20分間撹拌後、180℃、180rpmで4時間15分間、加熱、撹拌して、10%濃度のポリイミド溶液を得た。
GPCの測定によって分子量は求められなかった。
TG−GTAの測定を10℃/1分で600℃まで行った。458.3℃で減量が認められ、熱分解開始温度(Tm)は553.6℃であった。
DSCによる測定を430℃まで行ったがTgは観察されなかった。
[実施例10]
(BTDA):(DADE):(PMDA):(DABz):(DAT)のモル比が、2:2:4:2:2であるポリイミド共重合体の製造
BPDAの代わりにベンゾフェノンテトラカルボン酸ジ無水物(BTDA)を用いて、実施例7と同様に操作した。
反応器中に、BTDA 6.44g(20ミリモル)、DADE 8.0g(40ミリモル)、γ−バレロラクトン 1.8g、ピリジン 3.6g、NMP 150g、トルエン 35gを仕込む。室温で撹拌後、180℃、180rpmで1時間、加熱、撹拌した。30分間空冷、撹拌後、PMDA 17.44g(80ミリモル)、DABz 6.48g(40ミリモル)、NMP 131gを加えて、室温で30分間撹拌する。ついで、BTDA 6.44g(20ミリモル)、DAT 4.88g(40ミリモル)、NMP 100gを加え、180℃、180rpmで3時間25分間、加熱、撹拌して、10%濃度のポリイミド溶液を得た。
分子量測定はできなかった。熱分析を行った。TGA−GTA測定を600℃まで行った。445℃で減量が認められた。熱分解開始温度(Tm)は536.3℃であった。
DSCによる測定を430℃まで行ったがTgは観察されなかった。
本発明は、新しい製造プロセス、高性能ポリマー、低コスト製品の特徴を生かし、用途範囲が広くなり、医療用材料、建材、家庭用品で高温用部材、テフロンTMの代替品として使用することができる。
【0007】
(BPDA+2DADE)(3PMDA+BPDA+2DAT);(イミドセグメント)
[0047]
この液にDATを加えて180℃に加熱、撹拌してポリイミドの共重合体を得ることができる。
生成物は、次式:
[0048]
[数10]
Figure 2008120398
[0049]
実施例では変形体として、次式:
[0050]
[数11]
Figure 2008120398
[0051]
として示す。
[0052]
このようにして、(BPDA):(DADE):(PMDA):(DAT)のモル比が、2:2:m:mである(ここで、mは、3,4又は5の整数である。)のポリイミド共重合体が得られる。ポリイミド物性表に示すように、ポリイミド液の一部をガラス板上に流延し、90℃で1時間、210℃で1時間赤外線ヒーターで加熱してポリイミドフィルムにした後、熱分析を行った。
[0053]
熱分解開始温度500℃以上、ガラス転位温度は430℃までの測定領域では観察できなかった。
II.(BTDA):(DADE):(PMDA):(DAT)のモル比が、2:2:m:mである(ここで、mは、3,4又は5の整数である。)のポリイミド
合成反応において、BPDAの代わりにベンゾフェノンテトラカルボン酸ジ無水物(BTDA)を用いて、同様の組成の溶媒に可溶なポリイミドが生成する。
[0054]
即ち、(BTDA):(DADE):(PMDA):(DAT)のモル比が、2:2:m:mである(ここで、mは、3,4又は5の整数である。)のポリイミドである。
[0055]
このポリイミドの熱分析の結果、Tは500℃以上を示し、Tは430℃までの領域では観察されなかった。
[0056]
BPDAの代わりにBTDAを用いたポリイミドは、M(重量平均分子量)/M(数平均分子量)の比が大きく、一部架橋していると思われる。接着性に優れているため銅
【0010】
Figure 2008120398
[0068]
6,6−ポリイミドフィルムとPMDA−DADEフィルムの特性を比較する。
(A)6,6−ポリイミドの特性
A−1 PMDA−DADE−BPDA−DAT、PMDA−DADE−BTDA−DAT(DATの代わりにDABz)共重合体で溶媒に可溶である。
[0069]
A−2 酸触媒による脱水−重縮合反応によって直接イミド化する。
[0070]
A−3 三段階重縮合反応で合成される6,6−イミドセグメントを経て合成される。
[0071]
A−4 0.1%含水溶媒中で反応が可能であり、GPCによる分子量測定で反応の終点が決定され、再現性が高い。
【0013】
子量(M)33.470、重量平均子量(M)101.430、Z平均分子量178、642M/M3.03を得た。
[0090]
乾燥ポリイミドフィルムの一部をとり、理学電機製熱分析装置Thermo Plus Tg 8120で熱分解開始温度(Tm)を測定、昇温速度 10℃/1分、600℃まで昇温した。Tmは、512.5℃であった。
[0091]
Perkin Elmer Pyrid Diameter DSCを用いてガラス転移温度(Tg)を測定。昇温速度10℃/1分で400℃まで昇温した。その後、空冷して再び10℃/1分で430℃まで昇温した。Tgは観察されなかった。
[実施例2]
(BPDA):(DADE):(PMDA):(DAT)のモル比が、2:2:5:5であるポリイミドの製造
実施例1と同様に操作して、上記ポリイミド共重合体を合成した。
[0092]
BPDA 2.9g(10ミリモル)、DADE 4.00g(20ミリモル)、γ−バレロラクトン 1.5g、ピリジン 2.8g、NMP 100g、トルエン 35gを仕込む。窒素気流中、シリコン浴温度180℃、1時間180rpmで撹拌した。シリコン浴を除き、30分間空冷した後、PMDA 8.73g(40ミリモル)、DAT 2.44g(20ミリモル)を加え、ついでNMP 75gを添加して、20分間室温で撹拌した。PMDA 2.18g(10ミリモル)、BPDA 2.94g(10ミリモル)、DAT 3.136g(30ミリモル)を加え、NMP 72gを加えた。180℃、180rpmで窒素気流中で4時間30分間、加熱、撹拌した。10%濃度のポリイミド溶液であるGPCによる分子量を測定した。
[0093]
Mn 10.300、Mw 66.900 Mw/Mn=6.5 であった。
[0094]
熱分析を行った。Tm 506.6℃であった。Tgは430℃まで測定したが観測されなかった。
[参考例1]
(BPDA):(DADE):(PMDA):(DAT)のモル比が、2:2:3:3であるポリイミドの製造
実施例1と同様に操作して、上記共重合体を合成した。
[0095]
BPDA 5.88g(20ミリモル)、DADE 8.00g(40ミリモル)、γ−バレロラクトン

Claims (22)

  1. ビフェニルテトラカルボン酸ジ無水物(BPDA)、4,4'−ジアミノジフェニルエーテル(DADE)、ピロメリット酸ジ無水物(PMDA)及び2,4−ジアミノトルエン(DAT)の4成分からなる、溶媒に可溶の超耐性ポリイミド共重合体において、(BPDA):(DADE):(PMDA):(DAT)のモル比が、2:2:m:mである(ここで、mは、3,4又は5の整数である。)前記超耐性ポリイミド共重合体。
  2. (a)ビフェニルテトラカルボン酸ジ無水物(1モル当量)と4,4'−ジアミノジフェニルエーテル(2モル当量)とを有機極性溶媒中で、触媒の存在下160〜200℃で反応させて、両末端アミンのオリゴマーを生成する、第一段階、
    (b)ピロメリット酸ジ無水物(3モル当量)、ビフェニルテトラカルボン酸ジ無水物(1モル当量)、2,4−ジアミノトルエン(2モル当量)を加えて撹拌・溶解させ、両末端をピロメリット酸ジ無水物のイミドオリゴマーにする、第二段階、及び
    (c)2,4−ジアミノトルエン(1モル当量)を添加し、加熱し、重縮合して溶媒に可溶なポリイミド共重合体を合成することからなる第三段階からなる、mが3である場合の請求項1記載の超耐性ポリイミド共重合体の製造方法。
  3. (a)ビフェニルテトラカルボン酸ジ無水物(1モル当量)と4,4'−ジアミノジフェニルエーテル(2モル当量)とを有機極性溶媒中で、触媒の存在下160〜200℃で反応させて、両末端アミンのオリゴマーを生成する、第一段階、
    (b)ピロメリット酸ジ無水物(4モル当量)と2,4−ジアミノトルエン(2モル当量)とを加えて撹拌・溶解させ、両末端をピロメリット酸ジ無水物のイミドオリゴマーにする、第二段階、及び
    (c)ビフェニルテトラカルボン酸ジ無水物(1モル当量)と2,4−ジアミノトルエン(2モル当量)を添加し、加熱し、重縮合して溶媒に可溶なポリイミド共重合体を合成することからなる第三段階からなる、mが4である場合の請求項1記載の超耐性ポリイミド共重合体の製造方法。
  4. (a)ビフェニルテトラカルボン酸ジ無水物(1モル当量)と4,4'−ジアミノジフェニルエーテル(2モル当量)とを有機極性溶媒中で、触媒の存在下160〜200℃で反応させて、両末端アミンのオリゴマーを生成する、第一段階、
    (b)ピロメリット酸ジ無水物(4モル当量)と2,4−ジアミノトルエン(2モル当量)とを加えて撹拌・溶解させ、両末端をピロメリット酸ジ無水物のイミドオリゴマーにする、第二段階、及び
    (c)ビフェニルテトラカルボン酸ジ無水物(1モル当量)、ピロメリット酸ジ無水物(1モル当量)及び2,4−ジアミノトルエン(3モル当量)を添加し、加熱し、重縮合して溶媒に可溶なポリイミド共重合体を合成することからなる第三段階からなる、mが5である場合の請求項1記載の超耐性ポリイミド共重合体の製造方法。
  5. 前記重縮合反応において、N−メチルピロリドン、スルホラン、ジメチルアセトアミド又はジメチルホルムアミドを溶媒として用い、γ−バレロラクトンとピリジン、又はγ−バレロラクトンとN−メチルモルホリンを触媒として少量添加し、160〜200℃に加熱、撹拌し、溶媒中にトルエンを添加して、トルエンの共沸によって生成する水を除去することによって溶媒に可溶なポリイミド共重合体を生成する、請求項2〜4いずれか記載の製造方法。
  6. ベンゾフェノンテトラカルボン酸ジ無水物(BTDA)、4,4'−ジアミノジフェニルエーテル(DADE)、ピロメリット酸ジ無水物(PMDA)及び2,4−ジアミノトルエン(DAT)の4成分のみからなる溶媒に可溶な超耐性ポリイミド共重合体において、(BTDA):(DADE):(PMDA):(DAT)のモル比が、2:2:m:mである(ここで、mは、3,4又は5の整数である。)前記超耐性ポリイミド共重合体。
  7. (a)ベンゾフェノンテトラカルボン酸ジ無水物(1モル当量)と4,4'−ジアミノジフェニルエーテル(2モル当量)とを有機極性溶媒中で、触媒の存在下160〜200℃で反応させて、両末端アミンのオリゴマーを生成する、第一段階、
    (b)ピロメリット酸ジ無水物(3モル当量)、ベンゾフェノンテトラカルボン酸ジ無水物(1モル当量)、2,4−ジアミノトルエン(2モル当量)を加えて撹拌・溶解させ、両末端をピロメリット酸ジ無水物のイミドオリゴマーにする、第二段階、及び
    (c)2,4−ジアミノトルエン(1モル当量)を添加し、加熱し、重縮合して溶媒に可溶なポリイミド共重合体を合成することからなる第三段階からなる、mが3である場合の請求項6記載の超耐性ポリイミド共重合体の製造方法。
  8. (a)ベンゾフェノンテトラカルボン酸ジ無水物(1モル当量)と4,4'−ジアミノジフェニルエーテル(2モル当量)とを有機極性溶媒中で、触媒の存在下160〜200℃で反応させて、両末端アミンのオリゴマーを生成する、第一段階、
    (b)ピロメリット酸ジ無水物(4モル当量)と2,4−ジアミノトルエン(2モル当量)とを加えて撹拌・溶解させ、両末端をピロメリット酸ジ無水物のイミドオリゴマーにする、第二段階、及び
    (c)ベンゾフェノンテトラカルボン酸ジ無水物(1モル当量)と2,4−ジアミノトルエン(2モル当量)を添加し、加熱し、重縮合して溶媒に可溶なポリイミド共重合体を合成することからなる第三段階からなる、mが4である場合の請求項6記載の超耐性ポリイミド共重合体の製造方法。
  9. (a)ベンゾフェノンテトラカルボン酸ジ無水物(1モル当量)と4,4'−ジアミノジフェニルエーテル(2モル当量)とを有機極性溶媒中で、触媒の存在下160〜200℃で反応させて、両末端アミンのオリゴマーを生成する、第一段階、
    (b)ピロメリット酸ジ無水物(4モル当量)と2,4−ジアミノトルエン(2モル当量)とを加えて撹拌・溶解させ、両末端をピロメリット酸ジ無水物のイミドオリゴマーにする、第二段階、及び
    (c)ベンゾフェノンテトラカルボン酸ジ無水物(1モル当量)、ピロメリット酸ジ無水物(1モル当量)及び2,4−ジアミノトルエン(3モル当量)を添加し、加熱し、重縮合して溶媒に可溶なポリイミド共重合体を合成することからなる第三段階からなる、mが5である場合の請求項6記載の超耐性ポリイミド共重合体の製造方法。
  10. ピロメリット酸ジ無水物(PMDA)、4,4'−ジアミノジフェニルエーテル(DADE)、ビフェニルテトラカルボン酸ジ無水物(BPDA)及び3,5−ジアミノ安息香酸(DABz)及び3,5−ジアミノトルエン(DABz)の5成分のみからなる溶媒に可溶な超耐性ポリイミド共重合体において、(BPDA):(DADE):(PMDA):((DAT)と(DABz)の分子の数の合計)のモル比が、2:2:m:mである(ここで、mは、3,4又は5の整数である。)前記超耐性ポリイミド共重合体。
  11. (a)ビフェニルテトラカルボン酸ジ無水物(1モル当量)と4,4'−ジアミノジフェニルエーテル(2モル当量)とを有機極性溶媒中で、触媒の存在下160〜200℃で反応させて、両末端アミンのオリゴマーを生成する、第一段階、
    (b)ピロメリット酸ジ無水物(4モル当量)と3,5−ジアミノ安息香酸(2モル当量)とを加えて撹拌・溶解させ、両末端をピロメリット酸ジ無水物のイミドオリゴマーにする、第二段階、及び
    (c)ビフェニルテトラカルボン酸ジ無水物(1モル当量)と2,4−ジアミノトルエン(2モル当量)を添加し、加熱し、重縮合して溶媒に可溶なポリイミド共重合体を合成することからなる第三段階からなる、mが4である場合の請求項10記載の超耐性ポリイミド共重合体の製造方法。
  12. (a)ビフェニルテトラカルボン酸ジ無水物(1モル当量)と4,4'−ジアミノジフェニルエーテル(2モル当量)とを有機極性溶媒中で、触媒の存在下160〜200℃で反応させて、両末端アミンのオリゴマーを生成する、第一段階、
    (b)ピロメリット酸ジ無水物(4モル当量)と2,4−ジアミノトルエン(2モル当量)とを加えて撹拌・溶解させ、両末端をピロメリット酸ジ無水物のイミドオリゴマーにする、第二段階、及び
    (c)ビフェニルテトラカルボン酸ジ無水物(1モル当量)と3,5−ジアミノ安息香酸(2モル当量)を添加し、加熱し、重縮合して溶媒に可溶なポリイミド共重合体を合成することからなる第三段階からなる、mが4である場合の請求項10記載の超耐性ポリイミド共重合体の製造方法。
  13. (a)ビフェニルテトラカルボン酸ジ無水物(1モル当量)と4,4'−ジアミノジフェニルエーテル(2モル当量)とを有機極性溶媒中で、触媒の存在下160〜200℃で反応させて、両末端アミンのオリゴマーを生成する、第一段階、
    (b)ピロメリット酸ジ無水物(4モル当量)と3,5−ジアミノ安息香酸(2モル当量)とを加えて撹拌・溶解させ、両末端をピロメリット酸ジ無水物のイミドオリゴマーにする、第二段階、及び
    (c)ビフェニルテトラカルボン酸ジ無水物(1モル当量)、ピロメリット酸ジ無水物(1モル当量)及び2,4−ジアミノトルエン(3モル当量)を添加し、加熱し、重縮合して溶媒に可溶なポリイミド共重合体を合成することからなる第三段階からなる、mが5である場合の請求項10記載の超耐性ポリイミド共重合体の製造方法。
  14. ピロメリット酸ジ無水物(PMDA)、1,4−ジアミノジフェニルエーテル(DADE)、ベンゾフェノンテトラカルボン酸ジ無水物(BTDA)、2,4−ジアミノトルエン(DAT)及び3,5−ジアミノ安息香酸(DABz)の5成分のみからなる溶媒に可溶な超耐性ポリイミド共重合体において、(BTDA):(DADE):(PMDA):((DAT)と(DABz)の分子の数の合計)のモル比が、2:2:m:mである(ここで、mは、3,4又は5の整数である。)前記超耐性ポリイミド共重合体。
  15. (a)ベンゾフェノンテトラカルボン酸ジ無水物(1モル当量)と4,4'−ジアミノジフェニルエーテル(2モル当量)とを有機極性溶媒中で、触媒の存在下160〜200℃で反応させて、両末端アミンのオリゴマーを生成する、第一段階、
    (b)ピロメリット酸ジ無水物(4モル当量)と3,5−ジアミノ安息香酸(2モル当量)とを加えて撹拌・溶解させ、両末端をピロメリット酸ジ無水物のイミドオリゴマーにする、第二段階、及び
    (c)ベンゾフェノンテトラカルボン酸ジ無水物(1モル当量)と2,4−ジアミノトルエン(2モル当量)を添加し、加熱し、重縮合して溶媒に可溶なポリイミド共重合体を合成することからなる第三段階からなる、mが4である場合の請求項11記載の超耐性ポリイミド共重合体の製造方法。
  16. 請求項1に記載のポリイミド共重合体を流延し、250℃以上に加熱して生成した超耐性ポリイミドフィルム。
  17. 請求項6に記載のポリイミド共重合体を流延し、250℃以上に加熱して生成した超耐性ポリイミドフィルム。
  18. 請求項10に記載のポリイミド共重合体を流延し、250℃以上に加熱して生成した超耐性ポリイミドフィルム。
  19. 請求項14に記載のポリイミド共重合体を流延し、250℃以上に加熱して生成した超耐性ポリイミドフィルム。
  20. 熱分解開始温度が、500℃以上であり、ガラス転移温度が430℃以上である請求項16又は17記載の超耐性ポリイミドフィルム。
  21. 340℃附近で減量し、熱分解開始温度が、530℃以上であり、ガラス転移温度が430℃以上である請求項18又は19記載の超耐性ポリイミドフィルム。
  22. 電着用材料又は接着用材料として使用する請求項10記載の超耐性ポリイミドフィルム。
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