JPWO2010114103A1 - ポリアミック酸アルキルエステルを含有するポリイミド前駆体組成物 - Google Patents
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Abstract
Description
ものである。
ポリイミド前駆体としては、ポリアミック酸やポリアミック酸エステルなどが用いられる。これらはポリイミドよりも溶剤に対する溶解性が高いので、上記のように塗布液を用いてポリイミド膜を得る方法の場合に、ポリイミドの構造、使用する溶剤の種類などを比較的自由に選択できるという利点がある。これらポリイミド前駆体の塗膜は、200〜400℃で焼成されることでイミド化し、ポリイミド膜とすることできる。
一般的には、上記した焼成温度が高いほどポリイミド前駆体からポリイミドへのイミド化率は高くなる。用途によっては、必ずしもポリイミド膜のイミド化率を100%にする必要は無いが、より低い温度で目的とするイミド化率を達成できれば、エネルギーコストの面で有利であり、また、耐熱性の低い基材にもポリイミド膜を形成することができるという利点がある。
さらに、熱によって分解し2級アミンを発生する中性化合物である熱塩基発生剤は、未加熱時にはポリアミック酸のカルボキシル基と塩形成しないため、ポリイミド前駆体組成物の保存安定性がよく、ポリアミック酸の熱イミド化促進剤として有用であることが開示されている(特許文献2参照)。この熱塩基発生剤はポリアミック酸エステルの熱イミド化促進剤としても用いることができるので、ポリイミド前駆体の種類を選ばず用いることができるとも記載されている。
本発明は、下記A成分、B成分、及びこれらを溶解する有機溶剤を含有することを特徴とするポリイミド前駆体組成物にある。
A成分:ポリイミド前駆体であるポリアミック酸エステル。
B成分:以下に示す(a)〜(d)の条件を全て満たす化合物。
(a)少なくとも1個のカルボキシル基を有する。
(b)下記式(N−1)又は(N−2)で表される部分構造を有し、且つ、式(N−1)で表される構造の全ては、少なくとも一箇所が芳香族環又はカルボニル基に結合しているか、若しくはグアニジン骨格の一部であり、式(N−2)で表される構造の全ては、窒素原子の箇所が不飽和結合を有する炭素原子に結合している。ただし、式(N−1)がグアニジン骨格の一部である場合には、グアニジン骨格に含まれる2つの(N−1)構造のうちの少なくとも一方は芳香族環又はカルボニル基に結合している。
(c)上記(N−1)で表される部分構造のうち、少なくとも1個は芳香族環及びカルボニル基に直接結合していない下記式(ND−1)で表される構造の部分構造であるか、或は(N−2)で表される部分構造のうち、少なくとも1個は下記(ND−2)で表される構造の部分構造である。
(d)カルボキシル基1個に対して、上記(c)で定義される(ND−1)又は(ND−2)で表される構造を1個以上有している。
本発明に用いられるA成分のポリアミック酸エステルは、ポリイミドを得るためのポリイミド前駆体であり、下記に示すイミド化反応が可能な部位を有するポリマーである。
式(1)において、Xは4価の有機基であるが、式(1)のエステル基とアミド部位とによるイミド化反応が可能となる構造である必要がある。Xの例としては、下記式(3)で表されるテトラカルボン酸二無水物におけるXの構造が挙げられる。
以下に、式(4)で表される公知のジアミンにおける、Yの代表的な例を示すが、本発明はこれに限定されない。また、式(1)で表されるポリアミック酸エステルは、Yが複数の異なる構造からなる共重合体であっても構わない。
ポリアミック酸エステルの分子量は、本発明のポリイミド前駆体組成物の粘度や、そこから得られるポリイミド膜の物理的な強度に影響を与える。そして、塗布液の粘度は、その塗布作業性や塗膜均一性に影響を与える。このようなことから、良好な塗布作業性及び塗膜均一性という観点では、ポリアミック酸エステルの分子量は重量平均分子量で50万以下が好ましく、より好ましくは30万以下であり、更に好ましくは10万以下である。一方、得られるポリイミド膜に十分な強度を与えるという観点では、上記分子量は重量平均分子量で2千以上が好ましく、より好ましくは5千以上であり、更に好ましくは1万以上である。ポリアミック酸エステルの分子量は、重量平均分子量で2千〜50万であり、より好ましくは5千〜30万、さらに好ましくは1万〜10万である。
ポリアミック酸エステルは、例えば以下に示す(i)〜(iii)の方法で得ることができる。
(i)ポリアミック酸からポリアミック酸エステルを合成する方法
前記式(3)で表されるテトラカルボン酸二無水物と前記式(4)で表されるジアミンとを有機溶剤中で反応させることでポリアミック酸とし、これをエステル化することで合成することができる。
ポリアミック酸をエステル化する反応の具体例としては、ポリアミック酸とエステル化剤を有機溶剤の存在下で−20℃〜150℃、好ましくは0℃〜50℃において、30分〜24時間、好ましくは1〜4時間反応させる方法を挙げることができる。
このエステル化剤としては、精製によって容易に除去できるものが好ましく、N,N−ジメチルホルムアミドジメチルアセタール、N,N−ジメチルホルムアミドジエチルアセタール、N,N−ジメチルホルムアミドジプロピルアセタール、N,N−ジメチルホルムアミドジネオペンチルブチルアセタール、N,N−ジメチルホルムアミドジ−t−ブチルアセタール、1−メチル−3−p−トリルトリアゼン、1−エチル−3−p−トリルトリアゼン、1−プロピル−3−p−トリルトリアゼンなどが挙げられる。エステル化剤の添加量は、ポリアミック酸の繰り返し単位1モルに対して、2〜6モル当量が好ましい。
エステル化反応時の有機溶剤としては、前記ポリアミック酸合成時の有機溶剤を挙げることができる。
前記式(3)で表されるテトラカルボン酸二無水物から誘導されるビス(クロロカルボニル)ジカルボン酸ジアルキルエステル(以下、酸クロライドともいう)と前記式(4)で表されるジアミンとを有機溶剤中で反応させることで合成することができる。
酸クロライドとジアミンとの反応の具体例としては、塩基と有機溶剤の存在下で−20℃〜150℃、好ましくは0℃〜50℃において、30分〜24時間、好ましくは1〜4時間反応させる方法を挙げることができる。
上記反応に用いる塩基としては、ピリジン、トリエチルアミン、4−ジメチルアミノピリジンなどが挙げられ、中でもピリジンは反応が穏和に進行するために好ましい。塩基の添加量は、反応の進行しやすさ、及び得られたポリアミック酸エステルを精製する際の塩基の除去効率を考慮すると、酸クロライドに対して2〜4倍モルが適当である。
上記反応に用いる有機溶剤は、モノマー及びポリマーの溶解性からN−メチル−2−ピロリドン、γ−ブチロラクトンが好ましく、これらは1種又は2種以上を混合して用いてもよい。合成反応時の濃度は、反応の進行しやすさ、及び生成したポリマーの溶解性を考慮すると1〜30重量%が好ましく、5〜20重量%がより好ましい。また、酸クロライドの加水分解を防ぐため、有機溶剤はできるだけ脱水されていることが良く、窒素雰囲気中で、外気の混入を防ぐのが良い。
前記式(3)で表されるテトラカルボン酸二無水物から誘導されるテトラカルボン酸ジアルキルエステルと前記式(4)で表されるジアミンとを有機溶剤中で脱水縮合反応させることで合成することができる。
テトラカルボン酸ジアルキルエステルとジアミンとの脱水縮合反応の具体例としては、縮合剤、塩基、有機溶剤の存在下で0℃〜150℃、好ましくは0℃〜100℃において、30分〜24時間、好ましくは3〜15時間反応させる方法を挙げることができる。
上記反応に用いる縮合剤としては、トリフェニルホスファイト、ジシクロヘキシルカルボジイミド、1−エチル−3−(3−ジメチルアミノプロピル)カルボジイミド塩酸塩、N,N’−カルボニルジイミダゾール、ジメトキシ−1,3,5−トリアジニルメチルモルホリニウム、O−(ベンゾトリアゾール−1−イル)−N,N,N’,N’−テトラメチルウロニウム テトラフルオロボラート、O−(ベンゾトリアゾール−1−イル)−N,N,N’,N’−テトラメチルウロニウムヘキサフルオロホスファート、(2,3−ジヒドロ−2−チオキソ−3−ベンゾオキサゾリル)ホスホン酸ジフェニルなどを挙げることができる。縮合剤の添加量は、反応の進行しやすさ、及び得られたポリアミック酸エステルを精製する際の縮合剤の除去効率を考慮すると、テトラカルボン酸ジアルキルエステルに対して2〜3倍モルが適当である。
上記反応に用いる塩基としては、ピリジン、トリエチルアミンなどの3級アミンを挙げることができる。塩基の添加量は、反応の進行しやすさ、及び得られたポリアミック酸エステルを精製する際の塩基の除去効率を考慮すると、ジアミンに対して2〜4倍モルが適当である。
また、上記反応において、ルイス酸を添加剤として加えることで反応が効率的に進行する。ルイス酸としては、塩化リチウム、臭化リチウムなどのハロゲン化リチウムが好ましい。ルイス酸の添加量はジアミンの1モルに対して0〜1.0倍モルが好ましい。
本発明に用いられるB成分は、上記したポリアミック酸エステルの熱イミド化を促進する化合物である。この化合物は、上記した(a)〜(d)の条件を全て満たすことが必要である。
これらの特徴により、本発明のB成分は、保護基Dが脱離しない限り、ポリアミック酸エステルのイミド化を促進しない。よって、本発明のポリイミド前駆体組成物は、保存時にイミド化反応が進行することがなく、良好な保存安定性が得られる。
また、ポリアミック酸エステルのイミド化反応は、アミド基の窒素原子からエステル基のカルボニル炭素への求核反応及びそれに続くアルコールの脱離により進行する。よって、ポリアミック酸エステルのイミド化反応においては、アミド基の窒素原子の求核性とエステル基のカルボニル炭素の求電子性がイミド化反応の反応性を大きく左右すると考えられる。本発明のB成分は、カルボキシル基が、上記カルボニル炭素の求電子性を向上させ、脱保護により生成したアミノ基又はイミノ基が、上記窒素原子の求核性を向上させることが可能である。従って、本発明のB成分は、加熱イミド化が進行しにくいポリアミック酸エステルの熱イミド化促進効果が高くなる。
前記の条件(c)で示した(ND−1)又は(ND−2)で表される構造のDは、熱により脱保護されるアミノ基又はイミノ基の保護基である。即ち、本発明のB成分に含まれる−ND−、−NHD、=NDの部分は、加熱により、それぞれ−NH−、−NH2、=NHに変化することを意味する。なお、Dが複数ある場合にその構造はそれぞれ異なっても良い。
更には、(ND−1)で表されるアミノ基は、保護基Dが脱離する前は芳香族環又はカルボニル基が結合していることで塩基性が弱められ、保護基Dが脱離した後は塩基性が強くなることが求められる。従って(ND−1)においては、熱で脱離する保護基Dにアミノ基と結合する芳香族環又はカルボニル基を含有させ、(ND−1)自体は芳香族環及びカルボニル基に直接結合しない構成がとられる。同様に(ND−2)においては、熱で脱離する保護基Dにイミノ基の窒素原子と結合する不飽和結合を有する炭素原子を含有させる構成がとられる。
上記Dの構造としては、下記式(5)で表されるエステル基が好ましい。
(ND−1)又は(ND−2)で表される構造を有する基の好ましい具体例としては、下記式(G−1)〜(G−7)の何れかで表される基を挙げることができる。B成分である化合物において、(G−1)〜(G−7)の何れかで表される基は、カルボキシル基1個に対して1個以上有することが好ましい。
式(G−1)において、R3は、水素原子又は炭素数が1〜30の有機基であり、この有機基は置換基を有してもよいアルキル基である。また、R4は、単結合又は炭素数が1〜30の有機基であり、この有機基は、アルキレン基、アルケニレン基、アルキニレン基、及びこれらを組み合わせた基から選ばれ、これらは置換基を有してもよい。ただし、R4が単結合の場合、(G−1)が芳香族環又はカルボニル基に直接結合することは無い。
式(G−2)〜(G−7)において、R5及びR7は、水素原子又は炭素数が1〜30の有機基であり、この有機基は、この有機基はアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、及びアリール基から選ばれ、これらは置換基を有してもよい。また、R6は、単結合又は炭素数が1〜30の有機基であり、この有機基は、アルキレン基、アルケニレン基、アルキニレン基、アリーレン基、及びこれらを組み合わせた基から選ばれ、これらは置換基を有してもよい。
なお、式(G−1)〜(G−7)におけるR3〜R7は、互いに結合して単環又は多環を形成していてもよい。
置換基であるハロゲン基としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子が挙げられる。
置換基であるエステル基としては、−C(O)O−R、又は−OC(O)−Rで表される構造を示すことができる。このRとしては、前述したアルキル基、アルケニル基、アリール基などを例示することができる。これらのRには前述した置換基がさらに置換していてもよい。
置換基であるリン酸エステル基としては、−OP(O)−(OR)2で表される構造を示すことができる。このRは同一でも異なってもよく、前述したアルキル基、アリール基などを例示することができる。これらのRには前述した置換基がさらに置換していてもよい。
置換基であるアミド基としては、−C(O)NH2、又は、−C(O)NHR、−NHC(O)R、−C(O)N(R)2、−NRC(O)Rで表される構造を示すことができる。このRは同一でも異なってもよく、前述したアルキル基、アリール基などを例示することができる。これらのRには前述した置換基がさらに置換していてもよい。
置換基であるアリール基としては、前述したアリール基と同じものを挙げることができる。このアリール基には前述した他の置換基がさらに置換していてもよい。
置換基であるアルキル基としては、前述したアルキル基と同じものを挙げることができる。このアルキル基には前述した他の置換基がさらに置換していてもよい。
置換基であるアルケニル基としては、前述したアルケニル基と同じものを挙げることができる。このアルケニル基には前述した他の置換基がさらに置換していてもよい。
置換基であるアルキニル基としては、前述したアルキニル基と同じものを挙げることができる。このアルキニル基には前述した他の置換基がさらに置換していてもよい。
以下に、(G−1)〜(G−7)で表される基の具体的例を挙げるが、本発明はこれに限定されるものではない。
Tを構成するアルキレン基、アルケニレン基、アルキニレン基、アリーレン基の具体例は前述したものと同様のものを例示することができる。
Tの炭化水素は置換基を有していてもよい。置換基の例としては、ハロゲン原子、水酸基、チオール基、リン酸エステル基、エステル基、チオエステル基、アミド基、ニトロ基、オルガノオキシ基、オルガノシリル基、オルガノチオ基、アシル基、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基が挙げられ、更には置換基によって環構造を形成してもよい。各置換基の具体例としては前述したものと同様のものを例示することができる。加えて、Tの炭化水素の置換基は、下記構造の含窒素複素環であってもよい。
G1及びG2の炭化水素としては、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、及びアリール基を挙げることができ、これらは置換基を有してもよい。アルキル基などの具体例は前述したものと同様のものを例示することができる。また、置換基の具体例としては、前記した式(6)のTの炭化水素における置換基と同様のものを例示できる。
上記(7)又は(8)で表される化合物のうち、下記式(9)又は(10)で表される化合物は、そのカルボキシル基と塩基性発生部位とが、ポリアミック酸エステルのイミド化に関わるカルボニル炭素と窒素原子とに、同時に作用するのに都合がよい位置にあるので、より効率的にイミド化を促進することができ好ましい。
炭素数1〜5のアルキレン基としては、メチレン基、1,1−エチレン基、1,2−エチレン基、1,2−プロピレン基、1,3−プロピレン基、1,4−ブチレン基、1,2−ブチレン基、1,2−ペンチレン基などが挙げられる。また、置換基としては、ハロゲン原子、水酸基、チオール基、リン酸エステル基、エステル基、チオエステル基、アミド基、ニトロ基、オルガノオキシ基、オルガノシリル基、オルガノチオ基、アシル基、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基が挙げられる。各置換基の具体例としては前述したものと同様のものを例示することができる。
以下に、上記式(9)又は(10)で表される化合物の具体例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明のB成分は、前記(c)で定義される(ND−1)又は(ND−2)で表される構造が多いほど、脱保護後の塩基性が高くなり、ポリアミック酸エステルのイミド化促進効果がさらに高まる。よって、熱イミド化促進効果をより高めるという観点からは、カルボキシル基1個に対して、(ND−1)又は(ND−2)で表される構造を2個以上有している化合物がより好ましい。同様の理由により、式(G−1)〜(G−7)から選ばれる少なくとも1種の基は、カルボキシル基1個に対して好ましくは2個以上、より好ましくは2〜4個有する。このような観点から、(B)成分の具体例としては(B−14)〜(B−17)好ましく、特に(B−17)が特に好ましい。
本発明のポリイミド前駆体組成物に含有される有機溶剤(C)は、上記のA成分及びB成分を溶解して塗布液を作製することができるものであれば特に限定されない。
この(C)成分である有機溶剤は、好ましくは、A成分及びB成分の溶解性が高い溶媒(以下、良溶媒と呼ぶ)及び、塗布液の濡れ広がり性を向上させるために良溶媒に混合して用いられる溶媒(以下、塗布性改善溶媒と呼ぶ)に分類することができる。
塗布性改善溶媒としては、例えば上記の良溶媒よりも表面張力が低い溶媒が挙げられる。塗布性改善溶媒の具体例を挙げると、エチルセロソルブ、エチルセロソルブアセテート、ブチルセロソルブ、ブチルセロソルブアセテート、エチルカルビトール、ブチルカルビトール、エチルカルビトールアセテート、エチレングリコール、1−メトキシ−2−プロパノール、1−エトキシ−2−プロパノール、1−ブトキシ−2−プロパノール、1−フェノキシ−2−プロパノール、プロピレングリコールモノアセテート、プロピレングリコールジアセテート、プロピレングリコール−1−モノメチルエーテル−2−アセテート、プロピレングリコール−1−モノエチルエーテル−2−アセテート、ジプロピレングリコール、2−(2−エトキシプロポキシ)プロパノール、乳酸メチルエステル、乳酸エチルエステル、乳酸n−プロピルエステル、乳酸n−ブチルエステル、乳酸イソアミルエステル等が挙げられる。これらの溶媒は2種類上を併用してもよい。
本発明のポリイミド前駆体組成物は、A成分、B成分、及びC成分を含有するが、これらの各成分はいずれも1種類でも2種類以上であってもよい。
A成分の含有量は、B成分の存在下で、C溶剤に成分に溶解する範囲であれば特に限定されない。A成分の含有量は、例えば、ポリイミド前駆体組成物全体の0.1〜30質量%が好ましく、0.5〜20質量%がより好ましく、1〜10質量%が特に好ましい。
B成分の含有量は、得ようとするポリイミド膜のイミド化率、A成分やB成分の種類、熱イミド化する際の焼成温度及び焼成時間などに応じて適宜選択される。即ち、A成分の熱イミド化を促進する効果が得られる範囲であれば、B成分の含有量は特に制限されるものではない。しかし、一般的には、B成分の含有量は、A成分の有する下記式(11)のアミック酸エステル部位(式中、Rは1価の有機基である)1モルに対して、好ましくは0.01モル以上、より好ましくは0.05モル以上、更に好ましくは0.1モル以上が良好である。一方、焼成後の膜中に残留するB成分自体が、ポリイミド膜の諸特性に及ぼす悪影響を最小限に留めるという点から、B成分の含有量は、A成分の有する下記式のアミック酸エステル部位1モルに対して、好ましくは2モル以下、より好ましくは1モル以下、更に好ましくは0.5モル以下が良好である。
本発明のポリイミド前駆体組成物は、シランカップリング剤を含有しても良い。好ましいシランカップリング剤は、下記構造式(12)で表される有機ケイ素化合物である。
これらのシランカップリング剤は、Qで表される有機官能基の種類に応じて、アミン系シランカップリング剤、ビニル系シランカップリング剤、エポキシ系シランカップリング剤、メタクリル系シランカップリング剤、アクリル系シランカップリング剤、ウレイド系シランカップリング剤、スルフィド系シランカップリング剤、メルカプト系シランカップリング剤、イソシアネート系シランカップリング剤、アルデヒド系シランカップリング剤、カルバメート系シランカップリング剤などと呼ばれる。
上記のシランカップリング剤は、式(12)のR13で表した部分が加水分解することでシラノールとなり、このシラノールが無機材料と反応し結合する。一方、式(12)のQで表した有機官能基は、有機材料と反応又は相互作用する。この結果、有機材料と無機材料との密着性が向上する。
一般に、アルコキシシランの加水分解反応は、酸性条件下又は塩基性条件下で促進され、それに続くシラノール基の重縮合反応も速やかに進行する。しかしながら、シラノール基の重縮合反応はpH4付近において抑制されることが知られている。従って、塗布液にポリアミック酸を含有する場合は、そのカルボキシル基の作用により、上記の加水分解は促進されても、続くシラノールの重縮合は抑制される方向にあることになる。一方、ポリアミック酸エステルの場合は、構造中に酸性基を付与しない限りシラノールの重縮合を抑制することができない。従って、何らかの要因によって塗布液に含有されるシランカップリング剤が加水分解されると、ポリアミック酸エステルのみではシラノールの重縮合を抑制することができず、結果として密着性改善効果が弱くなったり、保存安定性が低下したりする。
例えば、ポリアミック酸エステル塗布液に、熱イミド化促進剤として塩基性が強い化合物を添加した場合、その塩基性によってシランカップリング剤の加水分解が促進され、生成したシラノール基は重縮合反応を起こすことになる。逆にこの塩基性が弱いとポリアミック酸エステルのイミド化促進効果はあまり期待できない。また、単に熱イミド化促進剤の塩基性基を、熱で脱離する保護基で保護しただけの中性化合物では、シランカップリング剤の加水分解を促進することはなくても、生成したシラノールの重縮合を抑制することはできない。
本発明のB成分の中でも、保護基Dが脱離した後のpHが6〜8のものは、シランカップリング剤の加水分解反応、及びそれに続くシラノールの重縮合をマイルドに進行させることができる。これによって、保護基Dの脱離後においても、基材と反応するよりも先にシランカップリング剤同士が反応するのを抑制することが可能となる。したがって、上記条件を満たす本発明の(B)成分は、シランカップリング剤の密着性改善が特に効率的に行われるので好ましい。このようなB成分の具体例としては、前記した(B−1)〜(B−4)、(B−12)、(B−16)などが挙げられる。
本発明のポリイミド前駆体組成物にシランカップリング剤を含有させる方法としては、上記のようにポリアミック酸エステルの溶液に添加する又は添加した後に反応させる方法以外に、ポリアミック酸エステルの合成時にシランカップリング剤を原料モノマーの一部として使用する方法であってもよい。前述したように、ポリアミック酸エステルは、テトラカルボン酸二無水物、酸クロライド、テトラカルボン酸ジアルキルエステル、ジアミンなどを原料モノマーとして合成することができる。従って、シランカップリング剤の有機官能基として、これらの原料モノマーと反応性を有する構造を適宜選択することで、シランカップリング剤を含有するポリアミック酸エステルを得ることができる。
本発明のポリイミド前駆体組成物は、架橋剤や界面活性剤など、上記以外の各種添加剤を含有しても構わない。また、ポリアミック酸エステル以外のポリマーを含有させてもよい。かかるポリアミック酸エステル以外のポリマーとしては、本発明のポリイミド前駆体組成物から得られるポリイミド膜を液晶配向膜として用いる場合には、テトラカルボン酸二無水物とジアミンから得られるポリアミック酸、前記ポリアミック酸を脱水閉環して得られるポリイミド、ポリエステル、ポリアミド、ポリシロキサン、ポリアセタール、ポリアクリレート、ポリ(メタ)アクリレート、セルロース誘導体、ポリスチレン誘導体、ポリ(スチレン−フェニルマレイミド)誘導体などを挙げることができる。これらのうち、ポリアミック酸又はポリイミドが好ましく、ポリアミック酸が特に好ましい。
以下に本発明のポリイミド前駆体組成物の調整方法の一例を示すが、本発明の組成物はこの調製方法よって得られたものに限定されるものではない。
本発明のA成分であるポリアミック酸エステルの粉末を前記の良溶媒に溶解させてポリアミック酸エステルの溶液とする。ポリアミック酸エステルの粉末を溶解する際に加熱してもよい。加熱温度は、20℃〜150℃が好ましく、20℃〜80℃が特に好ましい。さらに、前記の塗布性改善溶媒を加える場合には、この溶液に加えればよい。シランカップリング剤を添加する場合には、塗布性改善溶媒を加える前に添加することが好ましい。このようにして調製された溶液に、本発明のB成分を加えることで本発明のポリイミド前駆体組成物を得ることができる。B成分を加える際には、B成分の保護基Dが脱離するのを防ぐため、溶液の温度を0℃〜40℃、好ましくは10℃〜25℃としながら加えるのが好ましい。
以下に、本発明のポリイミド前駆体組成物を用いてポリイミド膜を作製する方法の一例を示すが、本発明の組成物の使用方法はこれに限定されるものではない。
本発明のポリイミド前駆体組成物は、基材に塗布し、乾燥、焼成することでポリイミド膜を作製することができる。薄膜を作製する場合は、本発明のポリイミド前駆体組成物をメンブランフィルターなどでろ過してから用いることが好ましい。
本発明のポリイミド膜を塗布する基材としては、特に限定されないが、例えば、ガラス基板、窒化珪素基板、アクリル基板やポリカーボネート基板等のプラスチック基板、シリコンウエハー、ITO電極、アルミ電極等の電極が形成された基板等が挙げられる。
塗布方法としては、スピンコート法、印刷法、インクジェット法などが挙げられる。
ポリイミド前駆体組成物を塗布した後の乾燥、焼成工程は、任意の温度と時間を選択することができる。通常は、含有される有機溶剤を除去するために50℃〜120℃で1分〜10分乾燥させ、その後150℃〜300℃で5分〜120分焼成される。
以下に実施例を挙げ、本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
ポリアミック酸エステルの分子量はGPC(常温ゲル浸透クロマトグラフィー)装置によって測定し、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド換算値として数平均分子量(以下、Mnとも言う。)と重量平均分子量(以下、Mwとも言う。)を算出した。
GPC装置:Shodex社製(GPC−101)
カラム:Shodex社製(KD803、KD805の直列)
カラム温度:50℃
溶離液:N,N−ジメチルホルムアミド(添加剤として、臭化リチウム−水和物(LiBr・H2O)が30mmol/L、リン酸・無水結晶(o−リン酸)が30mmol/L、テトラヒドロフラン(THF)が10ml/L)
流速:1.0ml/分
検量線作成用標準サンプル:東ソー社製 TSK 標準ポリエチレンオキサイド(重量平均分子量(Mw) 約900,000、150,000、100,000、30,000)、及び、ポリマーラボラトリー社製 ポリエチレングリコール(ピークトップ分子量(Mp) 約12,000、4,000、1,000)。測定は、ピークが重なるのを避けるため、900,000、100,000、12,000、1,000の4種類を混合したサンプル、及び150,000、30,000、4,000の3種類を混合したサンプルの2サンプルを別々に測定。
装置:NICOLET5700(Thermo ELECTRON製)Smart Orbitアクセサリー。
測定法:ATR法。
撹拌装置付きの300mL四つ口フラスコを窒素雰囲気とし、パラフェニレンジアミン3.00g(27.74mmol)をとり、N−メチル−2−ピロリドン(以下、NMPと略す)を172.8g、ピリジン 5.16g加え、撹拌して溶解させた。次にこの溶液を撹拌しながらジメチル2,4−ビス(クロロカルボニル)シクロブタン−1,3−ジカルボキシレートを8.08g(27.19mmol)添加し、水冷下2時間反応させた。
得られた反応溶液を、909gの水に投入し、析出した白色沈殿をろ取し、続いて、909g の水で1回、909g のメタノールで1回、227g のメタノールで3回洗浄した後、乾燥させることで白色のポリアミック酸エステル(PAE−1)の粉末8.16gを得た。このポリアミック酸エステルの分子量はMn=15,689、Mw=42,335であった。PAE−1を構成する繰り返し単位の分子量は332.31となるので、1gのPAE−1に含まれるアミック酸エステル基は6.02mmolとなる。
撹拌装置付きの300mL四つ口フラスコを窒素雰囲気とし、パラフェニレンジアミンを3.00g(27.74mmol)とり、NMPを185.3 g、ピリジンを508 g(64.25mmol)加え、撹拌して溶解させた。次にこの溶液を撹拌しながら、ジメチル1,3−ビス(クロロカルボニル)−1,3−ジメチルシクロブタン−2,4−ジカルボキシレートを8.70g(26.77mmol)添加し、水冷下2時間反応させた。
得られた反応溶液を、975gの水に撹拌しながら投入し、析出した白色沈殿をろ取し、続いて、975g の水で1回、975g のメタノールで1回、244g のメタノールで3回洗浄した後、乾燥することで白色のポリアミック酸エステル(PAE−2)の粉末8.52gを得た。このポリアミック酸エステルの分子量はMn=16,421、Mw=35,361であった。PAE−2を構成する繰り返し単位の分子量は360.36となるので、1gのPAE−2に含まれるアミック酸エステル基は5.55mmolとなる。
撹拌装置付きの300mL四つ口フラスコを窒素雰囲気とし、4,4’−オキシジアニリンを4.00g(19.98mmol)とり、NMPを157.7g、ピリジンを3.64gを加え、撹拌して溶解させた。次にこの溶液を撹拌しながらジメチル2,4−ビス(クロロカルボニル)シクロブタン−1,3−ジカルボキシレートを5.70g(19.18mmol)添加し、水冷下2時間反応させた。
得られた反応溶液を、830gの水に投入し、析出した白色沈殿をろ取し、続いて、830gの水で1回、830gのエタノールで1回、207gのエタノールで3回洗浄した後、乾燥することで白色のポリアミック酸エステル(PAE−3)の粉末7.36gを得た。このポリアミック酸エステルの分子量はMn=16,619、Mw=37,951であった。PAE−3を構成する繰り返し単位の分子量は424.40となるので、1gのPAE−3に含まれるアミック酸エステル基は4.71mmolとなる。
合成例1で得られたPAE−1の粉末3.40gを三角フラスコにとり、NMPを30.7g加え、室温で24時間撹拌し溶解させた。この溶液に NMPを0.30g、及びブチルセロソルブ(以下、BCSと略す)を13.60gを加え、30分間撹拌してポリアミック酸エステル溶液(A1)を調製した。
上記のポリアミック酸エステル溶液(A1)6.04gに、のB成分として、N−α−(9−フルオレニルメトキシカルボニル)−N−t−ブトキシカルボニル−L−ヒスチジン(以下、Fmoc−Hisと略す)を0.0895g(アミック酸エステル基1モルに対して0.1モル当量)加え、室温で30分攪拌し、Fmoc−Hisを完全に溶解させて、ポリイミド前駆体組成物(A1−b1)を得た。
B成分として、N−α, N−ω1, N−ω2−トリ−t−ブトキシカルボニル−L−アルギニン(以下、Boc−Argと略す)をアミック酸エステル基1モルに対して0.1モル当量使用した以外は、実施例1と同様の操作で、ポリイミド前駆体組成物(A1−b2)を得た。
B成分として、N−α, im−ジ−t−ブトキシカルボニル−L−ヒスチジン(以下、Boc−Hisと略す)をアミック酸エステル基1モルに対して0.1モル当量使用した以外は、実施例1と同様の操作で、ポリイミド前駆体組成物(A1−b3)を得た。
B成分として、N−α−(9−フルオレニルメトキシカルボニル)− N−ε−t−ブトキシカルボニル−L−リシン(以下、Fmoc−Lysと略す)をアミック酸エステル基1モルに対して0.1モル当量使用した以外は、実施例1と同様の操作で、ポリイミド前駆体組成物(A1−b4)を得た。
実施例1で得られたポリイミド前駆体組成物(A1−b1)を1.0μmのメンブランフィルターで濾過した後、ガラス基板上にスピンコートし、温度80℃のホットプレート上で5分間の乾燥後、230℃で10分間焼成し、膜厚100nmのポリイミド膜を得た。このポリイミド膜を削り取り、ATR法でFT−IRスペクトルを測定し、イミド化率を算出し、表1に示す。
焼成時間を20分間とした以外は、実施例5と同様の操作でポリイミド膜を作製し、FT−IRスペクトルを測定し、イミド化率を算出した。結果を表1に示す。
実施例2〜4で得られたポリイミド前駆体組成物(A1−b2)〜(A1−b4)を用い、実施例5又は実施例6と同様の操作でポリイミド膜を作製し、FT−IRスペクトルを測定し、イミド化率を算出した。結果を表1に示す。
実施例1で調製したポリアミック酸エステル溶液(A1)を用い、実施例5又は実施例6と同様の操作でポリイミド膜を作製し、FT−IRスペクトルを測定し、イミド化率を算出した。結果を表1に示す。
B成分に替えて、N−α,im−ジ−t−ブトキシカルボニル−L−ヒスチジンメチルエステル(以下、Boc−His−OMeと略す)をアミック酸エステル基1モルに対して0.1モル当量使用した以外は、実施例1と同様の操作で、ポリイミド前駆体組成物(A1−c1)を得た。このポリイミド前駆体組成物(A1−c1)を用い、実施例5又は実施例6と同様の操作でポリイミド膜を作製し、FT−IRスペクトルを測定し、イミド化率を算出した。結果を表1に示す。
合成例2で得られたPAE−2の粉末5.00 gを三角フラスコにとり、ジメチルホルムアミドを45.00g加え、室温で24時間撹拌し溶解させた。この溶液にγ−ブチロラクトンを16.67 g、BCSを16.67g加え、30分間撹拌してポリアミック酸溶液(A2)を調製した。
上記のポリアミック酸エステル溶液(A2)6.09gに、B成分として、Fmoc−Hisを0.102g(アミック酸エステル基1モルに対して0.1モル当量)加え、室温で30分攪拌し、Fmoc−Hisを完全に溶解させて、ポリイミド前駆体組成物(A2−b1)を得た。
B成分として、Boc−Argをアミック酸エステル基1モルに対して0.1モル当量使用した以外は、実施例13と同様の操作で、ポリイミド前駆体組成物(A2−b2)を得た。
B成分として、Boc−Hisをアミック酸エステル基1モルに対して0.1モル当量使用した以外は、実施例13と同様の操作で、ポリイミド前駆体組成物(A2−b3)を得た。
B成分として、Fmoc−Lysをアミック酸エステル基1モルに対して0.1モル当量使用した以外は、実施例13と同様の操作で、ポリイミド前駆体組成物(A2−b4)を得た。
実施例13〜16で得られたポリイミド前駆体組成物(A2−b1)〜(A2−b4)を用い、実施例5又は実施例6と同様の操作でポリイミド膜を作製し、FT−IRスペクトルを測定し、イミド化率を算出した。結果を表2に示す。
実施例13で調製したポリアミック酸エステル溶液(A2)を用い、実施例5又は実施例6と同様の操作でポリイミド膜を作製し、FT−IRスペクトルを測定し、イミド化率を算出した。結果を表2に示す。
B成分に替えて、Boc−His−OMeをアミック酸エステル基1モルに対して0.1モル当量使用した以外は、実施例13と同様の操作で、ポリイミド前駆体組成物(A2−c1)を得た。このポリイミド前駆体組成物(A2−c1)を用い、実施例5又は実施例6と同様の操作でポリイミド膜を作製し、FT−IRスペクトルを測定し、イミド化率を算出した。結果を表2に示す。
B成分に替えて、N−(t−ブトキシカルボニル)−2,6−ジメチルピペリジン(以下、Boc−Pと略す)をアミック酸エステル基1モルに対して1モル当量又は2モル当量使用した以外は、実施例13と同様の操作で、ポリイミド前駆体組成物(A2−c2)及び(A2−c3)を得た。このポリイミド前駆体組成物を用い、実施例6と同様の操作でポリイミド膜を作製し、FT−IRスペクトルを測定し、イミド化率を算出した結果を表2に示す。
B成分に替えて、p−ヒドロキシフェニル酢酸(以下、p−HPA)をアミック酸エステル基1モルに対して1モル当量使用した以外は、実施例13と同様の操作で、ポリイミド前駆体組成物(A2−c4)を得た。このポリイミド前駆体組成物を用い、実施例6と同様の操作でポリイミド膜を作製し、FT−IRスペクトルを測定し、イミド化率を算出した。結果を表2に示す。
合成例3で得られたPAE−3の粉末4.03gを三角フラスコにとり、NMPを39.91gを加え、室温で24時間撹拌し、溶解させた。この溶液にシランカップリング剤として、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン(以下、GPSと略す)の0.2質量%NMP溶液を4.04g加え、50℃で24時間加熱撹拌した。得られた溶液にNMPを5.69g、BCSを13.41g加え、30分間撹拌してポリアミック酸エステル溶液(A3S)を調製した。
上記のポリアミック酸エステル溶液(A3S)8.32gに、B成分として、Fmoc−Hisを0.578g(アミック酸エステル基1モルに対して0.5モル当量)加え、室温で30分攪拌し、Fmoc−Hisを完全に溶解させて、ポリイミド前駆体組成物(A3S−b1)を得た。
B成分として、Boc−Argをアミック酸エステル基1モルに対して0.5モル当量使用した以外は、実施例25と同様の操作で、ポリイミド前駆体組成物(A3S−b2)を得た。
B成分として、Boc−Hisをアミック酸エステル基1モルに対して0.5モル当量使用した以外は、実施例25と同様の操作で、ポリイミド前駆体組成物(A3S−b3)を得た。
B成分として、Fmoc−Lysをアミック酸エステル基1モルに対して0.5モル当量使用した以外は、実施例25と同様の操作で、ポリイミド前駆体組成物(A3S−b4)を得た。
B成分として、N−t−ブトキシカルボニル−グリシン(以下、Boc−Glyと略す)をアミック酸エステル基1モルに対して0.5モル当量使用した以外は、実施例25と同様の操作で、ポリイミド前駆体組成物(A3S−b5)を得た。
実施例25〜29で得られたポリイミド前駆体組成物(A3S−b1)〜(A3S−b5)を用い、焼成時間を30分とした以外は実施例5と同様の操作でポリイミド膜を作製し、FT−IRスペクトルを測定し、イミド化率を算出した。結果を表3に示す。
実施例25で調製したポリアミック酸エステル溶液(A3S)を用い、焼成時間を30分とした以外は実施例5と同様の操作でポリイミド膜を作製し、FT−IRスペクトルを測定し、イミド化率を算出した。結果を表2に示す。
B成分に替えて、4−ヒドロキシピリジン(以下、4−HPと略す)をアミック酸エステル基1モルに対して0.5モル当量使用した以外は、実施例25と同様の操作で、ポリイミド前駆体組成物(A3S−c1)を得た。このポリイミド前駆体組成物を用い、焼成時間を30分とした以外は実施例5と同様の操作でポリイミド膜を作製し、FT−IRスペクトルを測定し、イミド化率を算出した。結果を表2に示す。
B成分に替えて、N−アセチルグリシン(以下、A−Gly)と略す)をアミック酸エステル基1モルに対して0.5モル当量使用した以外は、実施例25と同様の操作で、ポリイミド前駆体組成物(A3S−c2)を得た。このポリイミド前駆体組成物を用い、焼成時間を30分とした以外は実施例5と同様の操作でポリイミド膜を作製し、FT−IRスペクトルを測定し、イミド化率を算出した。結果を表2に示す。
[比較例15]
B成分に替えて、N−フェニルグリシン(以下、P−Gly)と略す)をアミック酸エステル基1モルに対して0.5モル当量使用した以外は、実施例25と同様の操作で、ポリイミド前駆体組成物(A3S−c3)を得た。このポリイミド前駆体組成物を用い、焼成時間を30分とした以外は実施例5と同様の操作でポリイミド膜を作製し、FT−IRスペクトルを測定し、イミド化率を算出した。結果を表2に示す。
[比較例16]
B成分に替えて、L−グリシンをアミック酸エステル基1モルに対して0.5モル当量使用した以外は、実施例25と同様の操作でポリイミド前駆体組成物を調製したが、L−グリシンは完全に溶解せず、均一な溶液を得ることができなかった。
[比較例17]
B成分に替えて、L−アルギニンをアミック酸エステル基1モルに対して0.5モル当量使用した以外は、実施例25と同様の操作でポリイミド前駆体組成物を調製したが、L−アルギニンは完全に溶解せず、均一な溶液を得ることができなかった。
[比較例18]
B成分に替えて、L−ヒスチジンをアミック酸エステル基1モルに対して0.5モル当量使用した以外は、実施例25と同様の操作でポリイミド前駆体組成物を調製したが、L−ヒスチジンは完全に溶解せず、均一な溶液を得ることができなかった。
[比較例19]
B成分に替えて、L−リシンをアミック酸エステル基1モルに対して0.5モル当量使用した以外は、実施例25と同様の操作でポリイミド前駆体組成物を調製したが、L−リシンは完全に溶解性せず、均一な溶液を得ることができなかった。
ポリイミド膜作製用の塗布液として、実施例25〜29で得られたポリイミド前駆体組成物(A3S−b1)〜(A3S−b5)、実施例25で調製したポリアミック酸エステル溶液(A3S)、比較例13〜15で調製したポリイミド前駆体組成物(A3S−c1)〜(A3S−c3)、PAE−3とNMPとBCSのみからなるポリアミック酸エステル溶液(A3)を用い、各塗布液から得られるポリイミド膜の、無機基材との密着性を以下のようにして評価した。
塗布液を1.0μmのメンブランフィルターで濾過した後、窒素珪素基板上にスピンコートし、温度80℃のホットプレート上で5分間の乾燥後、230℃で20分間焼成することで膜厚100nmのポリイミド膜を作製する。焼成後のポリイミド膜を室温まで冷却しクロスカット試験を行う。また、同様にして窒素珪素基板上に作製したポリイミド膜を、温度70℃、湿度80%の環境下に24時間放置(高温高湿試験)した後にクロスカット試験を行う。
JIS K 5600に従って、ポリイミド膜にカッターナイフで2mm間隔にキズを入れて100個のマス目を作成し、その上からセロハンテープを圧着し瞬間的に引き剥がしてポリイミド膜の窒素珪素基板からの剥がれ状態を調べた。100個のマス目で剥がれが全く無い場合は100/100、逆に全てがはがれた場合は0/100とする。
このクロスカット試験の結果を表4に示す。
なお、2009年4月2日に出願された日本特許出願2009−089871号の明細書、特許請求の範囲、及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。
Claims (12)
- 下記のA成分、B成分、及びこれらを溶解する有機溶剤(C)成分を含有することを特徴とするポリイミド前駆体組成物。
A成分:ポリイミド前駆体であるポリアミック酸エステル。
B成分:以下に示す(a)〜(d)の条件を全て満たす化合物。
(a)少なくとも1個のカルボキシル基を有する。
(b)下記式(N−1)又は(N−2)で表される部分構造を有し、且つ、式(N−1)で表される構造の全ては、少なくとも一箇所が芳香族環又はカルボニル基に結合しているか、若しくはグアニジン骨格の一部であり、式(N−2)で表される構造の全ては、窒素原子の箇所が不飽和結合を有する炭素原子に結合している。ただし、式(N−1)がグアニジン骨格の一部である場合には、グアニジン骨格に含まれる2つの(N−1)構造のうちの少なくとも一方は芳香族環又はカルボニル基に結合している。
(c)上記(N−1)で表される部分構造のうち、少なくとも1個は芳香族環及びカルボニル基に直接結合していない下記式(ND−1)で表される構造の部分構造であるか、或は(N−2)で表される部分構造のうち、少なくとも1個は下記(ND−2)で表される構造の部分構造である。
(式(ND−1)及び(ND−2)は化合物中の2価の構造を表し、Dは熱により水素原子に置き換わる保護基である。)
(d)カルボキシル基1個に対して、上記(c)で定義される(ND−1)又は(ND−2)で表される構造を1個以上有している。 - 式(5)で表されるエステル基が、tert−ブトキシカルボニル基又は9−フルオレニルメトキシカルボニル基である請求項2に記載のポリイミド前駆体組成物。
- B成分が、カルボキシル基1個に対して、下記式(G−1)〜(G−7)の何れかの基を1個以上有する化合物である、請求項1〜3の何れかに記載のポリイミド前駆体組成物。
R3は、水素原子又は炭素数が1〜30の有機基であり、この有機基は置換基を有してもよいアルキル基である。
R4は、単結合又は炭素数が1〜30の有機基であり、この有機基は、アルキレン基、アルケニレン基、アルキニレン基、及びこれらを組み合わせた基から選ばれ、これらは置換基を有してもよい。ただし、R4が単結合の場合、(G−1)が芳香族環又はカルボニル基に直接結合することは無い。
R5及びR7は、水素原子又は炭素数が1〜30の有機基であり、この有機基は、この有機基はアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、及びアリール基から選ばれ、これらは置換基を有してもよい。
R6は、単結合又は炭素数が1〜30の有機基であり、この有機基は、アルキレン基、アルケニレン基、アルキニレン基、アリーレン基、及びこれらを組み合わせた基から選ばれ、これらは置換基を有してもよい。
R3〜R7は、互いに結合して単環又は多環を形成していてもよい。) - シランカップリング剤を含有する請求項1〜8のいずれかに記載のポリイミド前駆体組成物。
- 請求項1〜10のいずれかに記載のポリイミド前駆体組成物を膜状化し、焼成して得られるポリイミド膜。
- 液晶表示素子における液晶配向膜である請求項11に記載のポリイミド膜。
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