JPWO2015041325A1 - シリコーン変性エポキシ樹脂およびその組成物と硬化物 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、低ガス透過性、強度に優れた硬化物を与えるシリコーン変性エポキシ樹脂組成物及び当該組成物を硬化することに得られるエポキシ樹脂硬化物を提供することを目的とする。【解決手段】下記式(1)で表されるエポキシ樹脂。【化1】(式中、R1はエステル、エーテル結合を含有してもよい炭素数2〜6のアルキレン基を、R2は炭素数1〜6の一価脂肪族炭化水素基又は炭素数6〜12の一価芳香族炭化水素基を、R3は酸素原子もしくはフェニレン基を、kは平均値で1〜10を、mは0〜2の整数を、nは平均値で0〜10をそれぞれ表す。式中、複数存在するR1〜R3、k、mはそれぞれ同一であっても異なっても構わない。)【選択図】なし

Description

光半導体素子封止用樹脂組成物としては、接着性や機械的強度に優れるビスフェノールA型エポキシ樹脂と、UV吸収の無いエポキシ樹脂、例えば、水添ビスフェノールA型エポキシ樹脂或いは脂環式エポキシ樹脂と、硬化剤および硬化触媒を含む組成物が多用されている。しかし、LED素子の輝度及び出力が高くなるのに伴い、LED素子からの光、熱等によって、変色及びクラックの問題が起きている。
これらの問題を解決するものとして、UV吸収が無く且つ可撓性のある硬化物を与えるシリコーン樹脂にエポキシ基を導入した樹脂が知られており、例えば、グリシジル基、エポキシシクロヘキシル基等の環状エーテル含有基を1個以上有するシリコーン樹脂(特許文献1)やエポキシアルコキシシランとシラノールとの反応生成物(特許文献2)、及び、脂環式エポキシ変性シリコーン樹脂と脂環式エポキシ樹脂を併用したもの(特許文献3)などが知られている。しかし、シリコーン樹脂はエポキシ樹脂に比べてガス透過性が非常に高いため、シリコーン含有量が増えるにつれて、低ガス透過性が必要な用途に用いることが困難になる。そこで、低ガス透過性を有する樹脂組成物として付加反応型フェニル系シリコーン樹脂組成物が開示されている(特許文献4)が、低ガス透過性、接着性と言う面ではまだ満足の行くものではない。
特開2008−45088号公報 特開平7−97433号公報 特開2006−282988号公報 特開2002−265787号公報
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、低ガス透過性、強度に優れた硬化物を与えるシリコーン変性エポキシ樹脂組成物及び当該組成物を硬化することに得られるエポキシ樹脂硬化物を提供することを目的とする。
本発明者らは前記したような実状に鑑み、鋭意検討した結果、本発明を完成させるに至った。
すなわち本発明は、下記(1)〜(8)に関する。
(1)下記式(1)で表されるシリコーン変性エポキシ樹脂。
Figure 2015041325
(式中、Rはエステル、エーテル結合を含有してもよい炭素数2〜6のアルキレン基を、Rは炭素数1〜6の一価脂肪族炭化水素基又は炭素数6〜12の一価芳香族炭化水素基を、Rは酸素原子もしくはフェニレン基を、kは平均値で1〜10を、mは0〜2の整数を、nは平均値で0〜10をそれぞれ表す。式中、複数存在するR〜R、k、mはそれぞれ同一であっても異なっても構わない。)
(2)下記式(2)、下記式(6)に記載の化合物の反応物である、(1)に記載のシリコーン変性エポキシ樹脂。
Figure 2015041325
(式中、mは前記したものと同様の意味を表す。Rはエステル、エーテル結合を含有してもよい炭素数0〜4のアルキレン基を表す。)
Figure 2015041325
(式中、R、R、kはそれぞれ前記したものと同様の意味を表す。)
(3)下記式(2)、下記式(6)及び下記式(8)
Figure 2015041325
(式中、mは前記したものと同様の意味を表す。Rはエステル、エーテル結合を含有してもよい炭素数0〜4のアルキレン基を表す。)
Figure 2015041325
(式中、R、R、kはそれぞれ前記したものと同様の意味を表す。)
Figure 2015041325
(式中、m、Rは前記したものと同様の意味を表す。)
で表される化合物を反応させて得られる(1)に記載のシリコーン変性エポキシ樹脂。
(4)下記式(4)のジオレフィン化合物を酸化することにより得られる(1)に記載のシリコーン変性エポキシ樹脂。
Figure 2015041325
(式中、R〜R、k、m、nはそれぞれ前記したものと同様の意味を表す。)
(5)(1)〜(4)のいずれか一項に記載の(A)シリコーン変性エポキシ樹脂と(B)エポキシ樹脂硬化剤を含有するエポキシ樹脂組成物。
(6)さらに、(C)エポキシ樹脂硬化触媒を含有する(5)に記載のエポキシ樹脂組成物。
(7)(5)記載のエポキシ樹脂硬化剤がアミン系硬化剤、フェノール系硬化剤、酸無水物系硬化剤、多価カルボン酸樹脂のいずれかから選ばれることを特徴とするエポキシ樹脂組成物。
(8)(5)〜(7)のいずれか一項に記載のエポキシ樹脂組成物を硬化してなる硬化物。
実施例1で得られたシリコーン変性エポキシ樹脂(A−1)の1H−NMRスペクトルである。 実施例1で得られたシリコーン変性エポキシ樹脂(A−1)のGPCチャートである。
本発明のシリコーン変性エポキシ樹脂の前駆体であるジオレフィン樹脂を酸化することで本発明のシリコーン変性エポキシ樹脂とすることができる。酸化の手法としては過酢酸等の過酸で酸化する方法、過酸化水素水で酸化する方法、空気(酸素)で酸化する方法などが挙げられるが、これらに限らない。
過酸による酸化エポキシ化の手法としては具体的には日本国特開2006−52187号公報に記載の手法などが挙げられる。使用できる過酸としては、例えばギ酸、酢酸、プロピオン酸、マレイン酸、安息香酸、m−クロロ安息香酸、フタル酸などの有機酸およびそれらの酸無水物が挙げられる。これらの中でも、過酸化水素と反応して有機過酸を生成する効率、反応温度、操作の簡便性、経済性などの観点からは、ギ酸、酢酸、無水フタル酸を使用するのが好ましく、特に反応操作の簡便性の観点から、ギ酸または酢酸を使用するのがより好ましい。
過酸化水素水によるエポキシ化の手法においては種々の手法が適応できるが、具体的には、日本国特開昭59−108793号公報、日本国特開昭62−234550号公報、日本国特開平5−213919号公報、日本国特開平11−349579号公報、日本国特公平1―33471号公報、日本国特開2001−17864号公報、日本国特公平3−57102号公報等に挙げられるような手法が適応できる。
他にも、非特許文献1(James V.Crivello and Ramesh Narayan、Novel Epoxynorbornane Monomers. 1. Synthesis and Characterization、Macromolecules 1996、29巻、433〜438頁)に記載されている方法も適用することができる。具体的には、オキソンを使用して、オレフィン基をエポキシ化して得ることができる。
以下、本発明のエポキシ樹脂を得るのに特に好ましい方法を例示する。
<(A)シリコーン変性エポキシ樹脂>
まず、本発明のシリコーン変性エポキシ樹脂の前駆体であるジオレフィン化合物、ポリ酸類及び4級アンモニウム塩を有機溶剤と過酸化水素水との二層で反応を行う。
本発明で使用するポリ酸類は、ポリ酸構造を有する化合物であれば特に制限はないが、タングステン又はモリブデンを含むポリ酸類が好ましく、タングステンを含むポリ酸類が更に好ましく、タングステン酸塩類が特に好ましい。
ポリ酸類に含まれる具体的なポリ酸及びポリ酸塩としては、タングステン酸、12−タングストリン酸、12−タングストホウ酸、18−タングストリン酸及び12−タングストケイ酸等から選ばれるタングステン系の酸、モリブデン酸及びリンモリブデン酸等から選ばれるモリブデン系の酸、ならびにそれらの塩等が挙げられる。
これらの塩のカウンターカチオンとしては、アンモニウムイオン、アルカリ土類金属イオン、アルカリ金属イオン等が挙げられる。
具体的にはカルシウムイオン、マグネシウムイオン等のアルカリ土類金属イオン、ナトリウム、カリウム、セシウム等のアルカリ金属イオン等が挙げられるがこれらに限定されない。特に好ましいカウンターカチオンとしては、ナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオン、アンモニウムイオンである。
ポリ酸類の使用量は本発明のジオレフィン化合物におけるオレフィン1モル(官能基当量)に対し、金属元素換算(タングテン酸ならタングステン原子、モリブデン酸ならモリブデン原子のモル数)で1.0〜20ミリモル、好ましくは2.0〜20ミリモル、さらに好ましくは2.5〜10ミリモルである。
4級アンモニウム塩としては、総炭素数が10以上、好ましくは25〜100、より好ましくは25〜55の4級アンモニウム塩が好ましく使用でき、特にそのアルキル鎖が全て脂肪族鎖であるものが好ましい。
具体的にはトリデカニルメチルアンモニウム塩、ジラウリルジメチルアンモニウム塩、トリオクチルメチルアンモニウム塩、トリアルキルメチル(アルキル基がオクチル基である化合物とデカニル基である化合物の混合タイプ)アンモニウム塩、トリヘキサデシルメチルアンモニウム塩、トリメチルステアリルアンモニウム塩、テトラペンチルアンモニウム塩、セチルトリメチルアンモニウム塩、ベンジルトリブチルアンモニウム塩、ジセチルジメチルアンモニウム塩、トリセチルメチルアンモニウム塩、ジ硬化牛脂アルキルジメチルアンモニウム塩などが挙げられるがこれらに限定されない。
またこれら塩のアニオン種は、カルボン酸イオンを使用する。カルボン酸イオンとしては、酢酸イオン、炭酸イオン、ギ酸イオンが好ましい。また、特に酢酸イオンが好ましい。
4級アンモニウム塩の炭素数が100を上回ると、疎水性が強くなりすぎて有機層への溶解性が悪くなる場合がある。一方、4級アンモニウム塩の炭素数が10未満であると、親水性が強くなり、同様に有機層への相溶性が悪くなる場合がある。
4級アンモニウム塩には一般にハロゲンが残存する。本発明においては特に、1質量%以下、より好ましくは1000ppm以下、さらに好ましくは700ppm以下である。総ハロゲン量が1質量%を超える場合、生成物に多量にハロゲンが残存するため好ましくない。
タングステン酸類と4級アンモニウムのカルボン酸塩の使用量は使用するタングステン酸類の価数倍の0.01〜0.8倍当量、あるいは1.1〜10倍当量が好ましい。より好ましくは0.05〜0.7倍当量、あるいは1.2〜6.0倍当量であり、さらに好ましくは0.05〜0.5倍当量、あるいは1.3〜4.5倍当量である。
例えば、タングステン酸であればHWOで2価であるので、タングステン酸1モルに対し、4級アンモニウムのカルボン酸塩は0.02〜1.6モル、もしくは2.2〜20モルの範囲が好ましい。またタングストリン酸であれば3価であるので、同様に0.03〜2.4モル、もしくは3.3〜30モル、ケイタングステン酸であれば4価であるので0.04〜3.2モル、もしくは4.4〜40モルが好ましい。
4級アンモニウムのカルボン酸塩の量が、タングステン酸類の価数倍の1.1倍当量よりも低い場合、エポキシ化反応が進行しづらい(場合によっては反応の進行が早くなる)、また副生成物ができやすいという問題が生じる。10倍当量よりも多い場合、過剰の4級アンモニウムのカルボン酸塩の処理が大変であるばかりか、反応を抑制する働きがあり、好ましくない。
カルボン酸イオンをアニオンとする4級アンモニウム塩は、市販品を使用してもよいし、例えば、原料4級アンモニウム塩を金属水酸化物やイオン交換樹脂で処理し、4級アンモニウムハイドロオキサイドに変換し、さらに各種カルボン酸と反応させるなどの方法により製造してもよい。原料4級アンモニウム塩としては、4級アンモニウムのハロゲン化物や各種金属塩等が挙げられる。また好適な4級アンモニウムハイドロオキサイドがあればそれを用いても構わない。
緩衝液としてはいずれも用いることができるが、本反応においてはリン酸塩水溶液を用いるのが好ましい。そのpHとしてはpH4〜10の間に調整されたものが好ましく、より好ましくはpH5〜9である。pH4未満の場合、エポキシ基の加水分解反応、重合反応が進行しやすくなる。またpH10を超える場合、反応が極度に遅くなり、反応時間が長すぎるという問題が生じる。
特に本発明においては触媒であるタングステン酸類を溶解した際に、pH5〜9の間になるように調整されることが好ましい。
緩衝液の使用方法は、例えば好ましい緩衝液であるリン酸−リン酸塩水溶液の場合は過酸化水素に対し、0.1〜10モル%当量のリン酸(あるいはリン酸二水素ナトリウム等のリン酸塩)を使用し、塩基性化合物(たとえば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム等)でpH調整を行うという方法が挙げられる。ここでpHは過酸化水素を添加した際に前述のpHになるように添加することが好ましい。また、リン酸二水素ナトリウム又はリン酸水素二ナトリウム等を用いて調整することも可能である。好ましいリン酸塩の濃度は0.1〜60質量%、好ましくは5〜45質量%である。
また、本反応においては緩衝液を使用せず、pH調整無しに、リン酸水素二ナトリウム、リン酸二水素ナトリウム、リン酸ナトリウムあるいはトリポリリン酸ナトリウム等(またはその水和物)のリン酸塩を直接添加しても構わない。工程の簡略化、という意味合いではpH調整のわずらわしさが無く、直接の添加が特に好ましい。この場合のリン酸塩の使用量は、過酸化水素に対し、通常0.1〜5モル%当量、好ましくは0.2〜4モル%当量、より好ましくは、0.3〜3モル%当量である。この際、過酸化水素に対し、5モル%当量を超えるとpH調整が必要となり、0.1モル%当量未満の場合、生成したエポキシ樹脂の加水分解物が進行しやすくなる、あるいは反応が遅くなる等の弊害が生じる。
本反応は過酸化水素を用いて酸化エポキシ化を行う。本反応に使用する過酸化水素としては、その取扱いの簡便さから過酸化水素濃度が10〜40質量%の濃度である水溶液が好ましい。濃度が40質量%を超える場合、取扱いが難しくなる他、生成したシリコーン変性エポキシ樹脂の分解反応も進行しやすくなることから好ましくない。
本反応は有機溶剤を使用する。使用する有機溶剤の量としては、反応基質であるジオレフィン化合物1に対し、質量比で0.3〜10であり、好ましくは0.3〜5、より好ましくは0.5〜2.5である。質量比で10を超える場合、反応の進行が極度に遅くなることから好ましくない。使用できる有機溶剤の具体的な例としてはヘキサン、シクロヘキサン、ヘプタン等のアルカン類、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素化合物、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール、ヘキサノール、シクロヘキサノール等のアルコール類が挙げられる。また、場合によっては、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロペンタノン、アノン等のケトン類、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル類、酢酸エチル、酢酸ブチル、蟻酸メチル等のエステル化合物、アセトニトリル等のニトリル化合物等も使用可能である。
具体的な反応操作方法としては、例えばバッチ式の反応釜で反応を行う際は、ジオレフィン化合物、過酸化水素(水溶液)、ポリ酸類(触媒)、緩衝液、4級アンモニウム塩及び有機溶剤を加え、二層で撹拌する。撹拌速度に特に指定は無い。過酸化水素の添加時に発熱する場合が多いことから、各成分を添加した後に過酸化水素を徐々に添加する方法でも構わない。
反応温度は特に限定されないが0〜90℃が好ましく、さらに好ましくは0〜75℃、特に15℃〜60℃が好ましい。反応温度が高すぎる場合、加水分解反応が進行しやすく、反応温度が低いと反応速度が極端に遅くなる。
また反応時間は反応温度、触媒量等にもよるが、工業生産という観点から、長時間の反応は多大なエネルギーを消費することになるため好ましくはない。好ましい範囲としては1〜48時間、好ましくは3〜36時間、さらに好ましくは4〜24時間である。
反応終了後、過剰な過酸化水素のクエンチ処理を行う。クエンチ処理は、塩基性化合物を使用して行なうことが好ましい。また、還元剤と塩基性化合物を併用することも好ましい。好ましい処理方法としては塩基性化合物でpH6〜12に中和調整後、還元剤を用い、残存する過酸化水素をクエンチする方法が挙げられる。pHが6未満の場合、過剰の過酸化水素を還元する際の発熱が大きく、分解物を生じる可能性がある。
還元剤としては亜硫酸ナトリウム、チオ硫酸ナトリウム、ヒドラジン、シュウ酸、ビタミンC等が挙げられる。還元剤の使用量としては過剰分の過酸化水素もモル数に対し、通常0.01〜20倍モル、より好ましくは0.05〜10倍モル、さらに好ましくは0.05〜3倍モルである。
塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム等の金属水酸化物、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム等の金属炭酸塩、リン酸ナトリウム、リン酸水素ナトリウム等のリン酸塩、イオン交換樹脂、アルミナ等の塩基性固体が挙げられる。
その使用量としては水、あるいは有機溶剤(例えば、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素、メチルイソブチルケトン、メチルエチルケトン等のケトン類、シクロヘキサン、ヘプタン、オクタン等の炭化水素、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール類等の各種溶剤)に溶解するものであれば、その使用量は過剰分の過酸化水素のモル数に対し、通常0.01〜20倍モル、より好ましくは0.05〜10倍モル、さらに好ましくは0.05〜3倍モルである。これらは水、あるいは前述の有機溶剤の溶液として添加しても単体で添加しても構わない。
水や有機溶剤に溶解しない固体塩基を使用する場合、系中に残存する過酸化水素の量に対し、質量比で1〜1000倍の量を使用することが好ましい。より好ましくは10〜500倍、さらに好ましくは10〜300倍である。水や有機溶剤に溶解しない固体塩基を使用する場合は、後に記載する水層と有機層の分離の後、処理を行っても構わない。
過酸化水素のクエンチ後(もしくはクエンチを行う前に)、この際、有機層と水層が分離しない、もしくは有機溶剤を使用していない場合は前述の有機溶剤を添加して操作を行い、水層より反応生成物の抽出を行う。この際使用する有機溶剤は、原料ジオレフィン化合物に対して質量比で0.5〜10倍、好ましくは0.5〜5倍である。この操作を必要に応じて数回繰り返した後に有機層を分離し、必要に応じて該有機層を水洗して精製する。
得られた有機層は必要に応じてイオン交換樹脂や金属酸化物(特に、シリカゲルやアルミナ等が好ましい)、活性炭(中でも特に薬品賦活活性炭が好ましい)、複合金属塩(中でも特に塩基性複合金属塩が好ましい)、粘度鉱物(中でも特にモンモリロナイト等層状粘度鉱物が好ましい)等により、不純物を除去し、さらに水洗及びろ過等を行った後、溶剤を留去し、目的とするエポキシ化合物を得る。場合によってはさらにカラムクロマトグラフィーや蒸留により精製しても構わない。
また、本発明のシリコーン変性エポキシ樹脂(A)の前駆体であるジオレフィン化合物は一般式(4)
Figure 2015041325
(式中、Rはエステル、エーテル結合を含有してもよい炭素数0〜6のアルキル基を、Rは炭素数1〜6のアルキル基もしくは芳香族基を、Rは酸素原子もしくはフェニレン基を、k平均値で1〜10を、mは0〜2の整数を、nは平均値で0〜10をそれぞれ表す。式中、複数存在するR〜R、k、m、はそれぞれ同一であっても異なっても構わない。)
で表される。
ここで、Rはエステル、エーテル結合を含有してもよい炭素数2〜6のアルキレン基である。具体的には、エチレン基、プロピレン基、イソプロピレン基、ブチレン基、イソブチレン基、ペンチレン基、ヘキシル基、エチレンエステル基、プロピレンエステル基、ブチレンエステル基、ペンチレンエステル基、イソプロピレンエステル基、イソブチレンエステル基、エチレンエーテル基、プロピレンエーテル基、ブチレンエーテル基、ペンチレンエーテル基、ヘキシレンエーテル基等が挙げられる。これらアルキレン基の中でも、硬化物の低ガス透過性、強度の観点からエチレン基、プロピレン基が特に好ましい。
は炭素数1〜6の一価脂肪族炭化水素基又は炭素数6〜12の一価芳香族炭化水素基であり、炭素数1〜12の一価脂肪族炭化水素基の具体例としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、t−ブチル基、ヘプチル基、2−エチルヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基等のアルキル基などの飽和一価脂肪族炭化水素基、ビニル基、アリル基、イソプロペニル基、ブテニル基等のアルケニル基などの不飽和一価脂肪族炭化水素基などが挙げられ、好ましくはメチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、t−ブチル基、ヘプチル基であり、更に好ましくはメチル基である。また、炭素数6〜12の一価芳香族炭化水素基の具体例としては、フェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基等のアリール基や、ベンジル基、2−フェニルエチル基、2−フェニルプロピル基等のアラルキル基であり、好ましくはフェニル基、ベンジル基、2−フェニルエチル基、2−フェニルプロピル基であり、更に好ましくはフェニル基である。
は酸素原子もしくはフェニレン基である。この中でも低ガス透過性の観点からフェニレン基が好ましい。
mは0〜2の整数であり、好ましくは1または2である。nは平均値で0〜10であり、好ましくは0〜5、さらに好ましくは0〜2である。kは平均値で1〜10であり、硬化物の低ガス透過性の観点から好ましくは1〜2である。
(A)成分のシリコーン変性エポキシ樹脂の具体的な例としては、下記式(5)が挙げられるジオレフィン化合物のエポキシ化物である。(下記式において、Meはメチル基を示す。)
Figure 2015041325
(式中、R、R、k、nは上記と同じ意味をそれぞれ表す。)
また、ジオレフィン体は、例えば、下記一般式(6)
Figure 2015041325
(式中、R、R、kは上記と同じ)
で示される分子中の末端にSiH基を有する有機ケイ素化合物の1種以上と、下記一般式(8)
Figure 2015041325
(式中、Rはエステル、エーテル結合を含有してもよい炭素数0〜4のアルキレン基である。)
で示される末端アルケニル基を有する化合物を、白金触媒存在下、ヒドロシリル化反応によって製造することができる。
末端アルケニル基を有する化合物の具体例としては、下記式(9)〜(11)
Figure 2015041325
で表される化合物を挙げることができる。
このようにして、上記式(4)記載のジオレフィン体を得ることができる。
その後得られたジオレフィン体を前述したジオレフィン樹脂の酸化方法で酸化することにより、本発明のシリコーン変性エポキシ樹脂を得ることができる。
また、別の手法として、本発明のシリコーン変性エポキシ樹脂は下記式(2)
Figure 2015041325
(式中、R、mは前記と同じ)
の末端アルケニル基を含有するエポキシ基含有化合物を上記と同様、分子中の末端にSiH基を有する有機ケイ素化合物の1種以上とヒドロシリル化反応することでも得られる。
ここで、Rはエステル、エーテル結合を含有してもよい炭素数0〜4のアルキレン基であり、具体的には、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、イソプロピレン基、メチルエステル基、メチルエーテル基などである。
式(2)で表される化合物としては下記式(12)〜(14)
Figure 2015041325
で表される末端アルケニル基を含有するエポキシ基含有化合物を挙げることができる。
ここで、末端にSiH基を有する有機ケイ素化合物は、上記式(6)の化合物と上記式(8)の化合物を反応させることで得ることができる。ここで、上記式(6)をそのまま使用することもできる。このような化合物としては、例えば、下記式(3)
Figure 2015041325
(式中、R、R、k、m、nはそれぞれ前記したものと同様の意味を表す。)
で表される化合物が挙げられる。
この場合、末端にSiH基を有する有機ケイ素化合物と末端アルケニル基を有する化合物との反応割合としては、SiH基/アルケニル基のモル比(H/Vi)が0.1〜3.0、特に0.5〜1.5となる割合で反応させることが好ましい。なお、ヒドロシリル化反応は、従来公知の方法に従えばよい。
ここで、本発明のエポキシ樹脂を得る際には、末端アルケニル基を含有するエポキシ基含有化合物を上記と同様、上記式(6)で表される化合物に上記式(8)で表される化合物を反応させて中間体を得た後、上記式(2)で表される化合物を反応させてエポキシ樹脂を得ても構わないし、上記式(6)、上記式(8)、上記式(2)で表される化合物を一度に反応させて目的とするエポキシ樹脂を得ても構わない。或いは、式(6)で表される化合物と、式(2)で表される化合物を反応させて目的とするエポキシ樹脂を得ても構わない。
尚、末端アルケニル基を含有するエポキシ基含有化合物は、上記末端アルケニル基を有する化合物を前述したジオレフィン樹脂の酸化方法で酸化することにより、得ることができる。
<(B)硬化剤>
硬化剤としては、エポキシ基と反応性の官能基を有する硬化剤が使用される。例えば、アミン系硬化剤、フェノール系硬化剤、酸無水物系硬化剤、多価カルボン酸樹脂が挙げられ、そのうち酸無水物系硬化剤、多価カルボン酸樹脂が好ましい。酸無水物系硬化剤としては、無水フタル酸、無水マレイン酸、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、3−メチル−ヘキサヒドロ無水フタル酸、4−メチル−ヘキサヒドロ無水フタル酸、3−メチル−ヘキサヒドロ無水フタル酸と4−メチル−ヘキサヒドロ無水フタル酸との混合物、テトラヒドロ無水フタル酸、無水ナジック酸、無水メチルナジック酸、ノルボルナン−2,3−ジカルボン酸無水物、メチルノルボルナン−2,3−ジカルボン酸無水物、2,4−ジエチルグルタル酸無水物などを挙げることができ、これらのうち、ヘキサヒドロ無水フタル酸及びその誘導体が好ましい。
次に、多価カルボン酸樹脂について説明する。
多価カルボン酸樹脂(B)は少なくとも2つ以上のカルボキシル基を有し、脂肪族炭化水素基またはシロキサン骨格を主骨格とすることを特徴とする化合物である。本発明においては多価カルボン酸樹脂とは単一の構造を有する多価カルボン酸化合物だけでなく、置換基の位置が異なる、あるいは置換基の異なる複数の化合物の混合体、すなわち多価カルボン酸組成物も含包し、本発明においてはそれらをまとめて多価カルボン酸樹脂と称す。
多価カルボン酸樹脂(B)としては、特に2〜6官能のカルボン酸が好ましく、炭素数5以上の2〜6官能の多価アルコールまたはシロキサン構造を有する多価アルコールと酸無水物との反応により得られた化合物がより好ましい。さらには上記酸無水物が飽和脂肪族環状酸無水物であるポリカルボン酸が好ましい。
2〜6官能の多価アルコールとしてはアルコール類としては、アルコール性水酸基を有する化合物であれば特に限定されないがエチレングリコール、プロピレングリコール、1,3−プロパンジオール、1,2−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、シクロヘキサンジメタノール、2,4−ジエチルペンタンジオール、2−エチル−2−ブチル−1.3−プロパンジオール、ネオペンチルグリコール、トリシクロデカンジメタノール、ノルボルネンジオール等のジオール類、グリセリン、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、トリメチロールブタン、2−ヒドロキシメチル−1,4−ブタンジオール等のトリオール類、ペンタエリスリトール、ジトリメチロールプロパン等のテトラオール類、ジペンタエリスリトールなどのヘキサオール類等が挙げられる。
特に好ましいアルコール類としては炭素数が5以上のアルコールであり、特に1,6-ヘキサンジオール、1,4−シクロヘキサンジメタノール、1,3−シクロヘキサンジメタノール、1,2−シクロヘキサンジメタノール、2,4−ジエチルペンタンジオール、2−エチル−2−ブチル−1,3−プロパンジオール、ネオペンチルグリコール、トリシクロデカンジメタノール、ノルボルネンジオール等の化合物が挙げられ、中でも2−エチル−2−ブチル−1,3−プロパンジオール、ネオペンチルグリコール、2,4−ジエチルペンタンジオール、1,4−シクロヘキサンジメタノール、トリシクロデカンジメタノール、ノルボルネンジオール等の分岐鎖状構造や環状構造を有するアルコール類がより好ましい。高い照度保持率を付与する観点から、2,4−ジエチルペンタンジオール、トリシクロデカンジメタノールが特に好ましい。
シロキサン構造を有する多価アルコールは特に限定されないが、例えば下記式で表されるシリコーンオイルを使用することができる。
Figure 2015041325
(式中、Aはエーテル結合を介しても良い炭素総数1〜10アルキレン基を表し、Aはメチル基又はフェニル基を表す。また、nは繰り返し数であり平均値を意味し、1〜100である。)
酸無水物としては特にメチルテトラヒドロ無水フタル酸、無水メチルナジック酸、無水ナジック酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、ブタンテトラカルボン酸無水物、ビシクロ[2,2,1]ヘプタン−2,3−ジカルボン酸無水物、メチルビシクロ[2,2,1]ヘプタン−2,3−ジカルボン酸無水物、シクロヘキサン−1,3,4−トリカルボン酸−3,4−無水物等が好ましく、中でもメチルヘキサヒドロ無水フタル酸、シクロヘキサン−1,3,4−トリカルボン酸−3,4−無水物が好ましい。ここで、硬度を上げるためには、シクロヘキサン−1,3,4−トリカルボン酸−3,4−無水物が好ましく、照度保持率を上げるためにはメチルヘキサヒドロ無水フタル酸無水物が好ましい。
付加反応の条件としては特に指定はないが、具体的な反応条件の1つとしては酸無水物、多価アルコールを無触媒、無溶剤の条件下、40〜150℃で反応させ加熱し、反応終了後、そのまま取り出す。という手法である。ただし、本反応条件に限定されない。
このようにして得られるポリカルボン酸として特に下記式
Figure 2015041325
(式中、複数存在するAは、水素原子、メチル基、カルボキシル基の少なくとも1種を表す。Aは前述の多価アルコール由来の炭素数2〜20の鎖状、環状の脂肪族基である。mは2〜4である。)
で表される化合物が好ましい。
本発明の樹脂組成物は酸無水物を含有することが好ましい。酸無水物としては具体的には無水フタル酸、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸、無水マレイン酸、テトラヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、無水メチルナジック酸、無水ナジック酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、ブタンテトラカルボン酸無水物、ビシクロ[2,2,1]ヘプタン−2,3−ジカルボン酸無水物、メチルビシクロ[2,2,1]ヘプタン−2,3−ジカルボン酸無水物、シクロヘキサン−1,3,4−トリカルボン酸−3,4−無水物、等の酸無水物が挙げられる。
特にメチルテトラヒドロ無水フタル酸、無水メチルナジック酸、無水ナジック酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、ブタンテトラカルボン酸無水物、ビシクロ[2,2,1]ヘプタン−2,3−ジカルボン酸無水物、メチルビシクロ[2,2,1]ヘプタン−2,3−ジカルボン酸無水物、シクロヘキサン−1,3,4−トリカルボン酸−3,4−無水物等が好ましい。
特に好ましくは下記式
Figure 2015041325
(式中、存在するAは、水素原子、メチル基、カルボキシル基の少なくとも1種以上を表す。)
で表されるヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、シクロヘキサン−1,3,4−トリカルボン酸−3,4−無水物が好ましく、中でもメチルヘキサヒドロ無水フタル酸、シクロヘキサン−1,3,4−トリカルボン酸−3,4−無水物が好ましい。
多価カルボン酸樹脂(B)と酸無水物は併用することが好ましく、併用する場合、その使用比率が下記範囲であることが好ましい。
Figure 2015041325
ただし、W1は多価カルボン酸樹脂(B)の配合質量部、W2は酸無水物の配合質量部を示す。W1/(W1+W2)の範囲として、より好ましくは、0.05〜0.60、さらに好ましくは0.10〜0.55、特に好ましくは0.15〜0.4である。0.05を下回ると、硬化時に酸無水物の揮発が多くなる傾向が強く、好ましくない。0.70を越えると高い粘度となり、取り扱いが難しくなる。酸無水物を含有させない(少量残存する場合は除く)場合、その形状は固形もしくは固形に近い状態、もしくは結晶となるため、問題はない。
多価カルボン酸樹脂(B)と酸無水物を併用する場合、多価カルボン酸樹脂(B)の製造時に過剰の酸無水物の中で製造し、多価カルボン酸(B)と酸無水物の混合物を作るという手法も操作の簡便性の面から好ましい。
(B)成分の硬化剤の配合量は、(A)成分中のエポキシ基の合計1モルに対して、エポキシ基と反応性を有する官能基(酸無水物系硬化剤の場合には−CO−O−CO−で表される酸無水物基)が0.3〜1.0モルとなる量、好ましくは0.4〜0.8モルとなる量である。エポキシ基と反応性を有する官能基が0.3モル以上であれば、硬化物の耐熱性、透明性が向上するため、望ましく、1.0モル以下であれば硬化物の機械特性が向上するため、好ましい。ここで、「エポキシ基と反応性を有する官能基」とは、アミン系硬化剤が有するアミノ基、フェノール系硬化剤が有するフェノール性水酸基、酸無水物系硬化剤が有する酸無水物基、多価カルボン酸樹脂が有するカルボキシル基である。
<(C)硬化触媒>
硬化触媒としては、テトラブチルホスホニウム・O,O−ジエチルホスホロジチオエート、テトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボレートなどの第四級ホスホニウム塩、トリフェニルフォスフィン、ジフェニルフォスフィン等の有機フォスフィン系硬化触媒、1,8−ジアザビシクロ(5,4,0)ウンデセン−7、トリエタノールアミン、ベンジルジメチルアミン等の三級アミン系硬化触媒、1,8−ジアザビシクロ(5,4,0)ウンデセン−7 フェノール塩、1,8−ジアザビシクロ(5,4,0)ウンデセン−7 オクチル酸塩、1,8−ジアザビシクロ(5,4,0)ウンデセン−7 p−トルエンスルホン酸塩、1,8−ジアザビシクロ(5,4,0)ウンデセン−7 ギ酸塩等の第四級アンモニウム塩、オクチル酸亜鉛、ナフチル酸亜鉛等の有機カルボン酸塩、アルミニウムビスエチルアセトアセテート・モノアセチルアセトネート、アルミニウムエチルアセトアセテート・ジイソプロピレート等のアルミキレート化合物、2−メチルイミダゾール、2−フェニル−4−メチルイミダゾールなどのイミダゾール類などを挙げられ、望ましくは第四級ホスホニウム塩、第四級アンモニウム塩である。
(C)硬化触媒の配合量は(A)成分と(B)成分の合計100質量部に対して0.01〜3質量部、好ましくは0.05〜1.5質量部である。硬化触媒の配合量が前記下限値より少ないと、エポキシ樹脂と硬化剤との反応を促進させる効果が十分ではないおそれがある。逆に、硬化触媒の配合量が前記上限値より多いと、硬化時やリフロー試験時の変色の原因となるおそれがある。
<(D)酸化防止剤>
酸化防止剤としては、亜リン酸化合物、ヒンダードフェノール系酸化防止剤等があり、ヒンダードフェノール系酸化防止剤が好ましい。また、紫外線吸収剤としては、ヒンダードアミン系紫外線吸収剤が好ましい。(D)成分の配合量は、(A)成分100質量部に対して、0.1〜0.5質量部、好ましくは0.1〜0.3質量部である。酸化防止剤の配合量が前期上限値を超えると、残存した酸化防止剤が硬化後の樹脂の表面に析出するため好ましくなく、前期下限値未満では耐熱性、透明性が低下する。
<その他の成分>
上記各成分に加えて、慣用の添加剤、例えば、紫外線吸収剤、劣化防止剤、蛍光体、熱可塑剤、希釈剤などを必要に応じて併用しても差し支えない。
本発明の光半導体素子封止用樹脂組成物は、上記各成分および必要により各種の添加剤を配合して、溶解または溶融混合することで製造することができる。溶融混合は、公知の方法でよく、例えば、上記の成分をリアクターに仕込み、バッチ式にて溶融混合してもよく、また上記の各成分をニーダーや熱三本ロールなどの混練機に投入して、連続的にて溶融混合することができる。(C)硬化触媒は、(B)硬化剤に予め加熱溶解混合し、混合の最終段階で(A)成分、(D)成分等と分散混合することが好ましい。
以下、本発明を合成例、実施例により更に詳細に説明する。尚、本発明はこれら合成例、実施例に限定されるものではない。なお、合成例、実施例中の各物性値は以下の方法で測定した。ここで、部は特に断りのない限り質量部を表す。
○GPC:GPCは下記条件にて測定した。
GPCの各種条件
メーカー:ウォーターズ
カラム:SHODEX GPC LF−G(ガードカラム)、KF−603、KF−602.5、KF−602、KF−601(2本)
流速:0.4ml/min.
カラム温度:40℃
使用溶剤:THF(テトラヒドロフラン)
検出器:RI(示差屈折検出器)
○NMR:日本電子株式会社製 JNM−ECS400を用いて、重クロロホルム溶媒で測定した。
○エポキシ当量:JIS K7236に記載の方法で測定した。
[合成例1]ジオレフィン化合物1の合成
1Lのセパラブルフラスコに5−ビニル−2−ノルボルネン(1.3mоl、156g)、トルエン200g、0.5質量%塩化白金酸トルエン溶液0.20gを加え、内温を80℃まで上昇させた。次に1,4−ビス(ジメチルシリル)べンゼン(1mоl、194g)を混合した溶液を1時間かけて滴下した。滴下終了後、110℃で4時間反応させた。得られたトルエン溶液を減圧蒸留することで下記化合物(15)を主成分とするジオレフィン化合物1を得た。得られたジオレフィン化合物1を1H−NMRにて確認したところ、オレフィン当量は0.319mol/100gであった。
Figure 2015041325
(GPCの面積比から式中n=0.93)
実施例1;シリコーン変性エポキシ樹脂の合成
撹拌装置、還流冷却管を備えたフラスコに、合成例1で得られたジオレフィン化合物1を157部(オレフィン当量0.319mol/100g)、トルエン150部、トリオクチルメチルアンモニウムアセテート5.4部(ライオンアクゾ製50質量%キシレン溶液、TOMAA−50)、水9部、12−タングストリン酸2.6部、タングステン酸ナトリウム0.9部、リン酸二水素ナトリウム1.4部を加え、50±3℃に昇温攪拌しながら、35質量%過酸化水素水63部を加え、そのまま50±3℃で24時間攪拌した。1H−NMRにて反応の進行を確認したところ、反応終了後のオレフィンからエポキシへのコンバージョン率は>99%であり、原料オレフィンピークは消失(1%以下)していた。
ついで30質量%水酸化ナトリウム水溶液でpH9とした後、20質量%チオ硫酸ナトリウム水溶液25部を加え30分攪拌を行い、静置した。2層に分離した有機層を取り出し、ここに活性炭(味の素ファインテクノ製CP)12.5部を加え、室温で4時間攪拌後、ろ過した。得られたろ液の有機溶剤を留去することで、下記式(16)
Figure 2015041325
(GPCの面積比から式中n=0.93)
を主成分とする本発明のシリコーン変性エポキシ樹脂(A−1)を162部得た。
1H−NMRの測定結果より、式(16)の骨格の化合物を>98%含有していることを確認した。さらに、GPC測定においては純度>99%であった。エポキシ当量はJIS K7236に記載の方法では正確に測定することができなかった(オレフィン当量から計算した理論エポキシ当量は330g/eq)。シリコーン変性エポキシ樹脂(A−1)の1H−NMRスペクトルを図1に、GPCチャートを図2にそれぞれ示す。
比較例で使用したエポキシ樹脂は以下のとおりである。
[比較例1]
・3’−4’-エポキシシクロヘキシルメチル 3,4-エポキシシクロヘキサンカルボキシレート(ダイセル化学工業(株)社製、CEL2021P)
[比較例2]
[脂環式エポキシ基を含有するオルガノポリシロキサンの合成]
反応器にMeO(Me)SiO(MeSiO)Si(Me)OMe(mは1〜8の整数で、平均は1.5)(1.0mol、306g)、β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン(信越化学工業(株)製、KBM―303)(1.0mol、246g)、イソプロピルアルコール500gを仕込んだ後、水酸化テトラメチルアンモニウムの25質量%水溶液12g、水110gを添加し室温で3時間攪拌した。次いで、系内にトルエン500mlを入れ、リン酸二水素ナトリウム水溶液で中和した。分液漏斗を用いて分離した有機層(トルエン溶液)を熱水にて洗浄した後、減圧下トルエンを溜去したところ、下記平均組成式(20)で示される構造を有する、シリコーン変性エポキシ樹脂(A−3)を得た。シリコーン変性エポキシ樹脂(A−3)のGPCで測定されたポリスチレン換算の重量平均分子量は4300であり、エポキシ当量(滴定法(JIS K7236)により測定、以下同様)は403g/eqであった。
Figure 2015041325
[合成例2]
[硬化剤として使用した多価カルボン酸樹脂と酸無水物化合物の混合物の合成]
撹拌機、還流冷却管、撹拌装置を備えたフラスコに、窒素パージを施しながらトリシクロデカンジメタノール15部、メチルヘキサヒドロフタル酸無水物(新日本理化(株)製、リカシッドMH)70部、シクロヘキサン−1,2,4−トリカルボン酸-1,2-無水物(三菱ガス化学製 H−TMAn)15部を加え、40℃で3時間反応後、70℃で1時間加熱撹拌を行った。GPCによりトリシクロデカンジメタノールの1面積%以下を確認し、多価カルボン酸樹脂と酸無水物化合物の混合物である硬化剤(B)が100部得られた。得られた無色の液状樹脂であり、GPCによる純度は多価カルボン酸樹脂(下記式P)が37面積%、シクロヘキサン−1,2,4−トリカルボン酸-1,2-無水物が11面積%、メチルヘキサヒドロフタル酸無水物が52面積%であった。また、官能基当量は171g/eq.であった。
Figure 2015041325
−組成物の調製−
下記表1に示す配合(質量部)で樹脂組成物を調製した。その結果、実施例2及び3、比較例1〜2のエポキシ樹脂組成物を得た。これらの表中の各成分は以下のとおりである。また、表中、空欄は「0」を意味する。
(C)硬化触媒:第四級ホスホニウム塩(サンアプロ(株)製、U−CAT5003)
(D)酸化防止剤:ペンタエリスリトールテトラキス[3−(3’,5’−ジ−t−ブチル−4’−ヒドロキシフェニル)プロピオナート](株式会社ADEKA社製、アデカスタブAO−60)
−組成物及び硬化物の特性評価−
得られた組成物及び硬化物の特性評価を以下の方法で行なった。硬化は、組成物を100℃で1時間、次いで150℃で4時間加熱して行なった。結果を表1に示す。
(1)粘度
東機産業製E型回転粘度計にて、23℃で測定した。
(2)硬度
JIS K6301に準拠して棒状硬化物について測定した(タイプD)。
(3)TMA(Tg,CTE)
5mm×15mm、厚さ4mmを有する試験片を用いてエスアイアイ・ナノテクノロジー社製TMA/SS−6100を用いて測定した。
(4)水蒸気透過率
厚さ0.5mmを有する各硬化物の水蒸気透過率をJIS K 7129に準拠して測定した。
Figure 2015041325
表1の結果から明らかなように実施例2及び3の組成物は低ガス透過性、強度に優れる。一方、比較例1の組成物は強度に優れているものの、低ガス透過性では劣る。また、比較例2のシリコーン変性エポキシ樹脂は低ガス透過性、強度とも劣る。

Claims (8)

  1. 下記式(1)で表されるシリコーン変性エポキシ樹脂。
    Figure 2015041325
    (式中、Rはエステル、エーテル結合を含有してもよい炭素数2〜6のアルキレン基を、Rは炭素数1〜6の一価脂肪族炭化水素基又は炭素数6〜12の一価芳香族炭化水素基を、Rは酸素原子もしくはフェニレン基を、kは平均値で1〜10を、mは0〜2の整数を、nは平均値で0〜10をそれぞれ表す。式中、複数存在するR〜R、k、mはそれぞれ同一であっても異なっても構わない。)
  2. 下記式(2)、下記式(6)に記載の化合物の反応物である、請求項1に記載のシリコーン変性エポキシ樹脂。
    Figure 2015041325
    (式中、mは前記したものと同様の意味を表す。Rはエステル、エーテル結合を含有してもよい炭素数0〜4のアルキレン基を表す。)
    Figure 2015041325
    (式中、R、R、kはそれぞれ前記したものと同様の意味を表す。)
  3. 下記式(2)、下記式(6)及び下記式(8)
    Figure 2015041325
    (式中、mは前記したものと同様の意味を表す。Rはエステル、エーテル結合を含有してもよい炭素数0〜4のアルキレン基を表す。)
    Figure 2015041325
    (式中、R、R、kはそれぞれ前記したものと同様の意味を表す。)
    Figure 2015041325
    (式中、m、Rは前記したものと同様の意味を表す。)
    で表される化合物を反応させて得られる請求項1に記載のシリコーン変性エポキシ樹脂。
  4. 下記式(4)のジオレフィン化合物を酸化することにより得られる請求項1に記載のシリコーン変性エポキシ樹脂。
    Figure 2015041325
    (式中、R〜R、k、m、nはそれぞれ前記したものと同様の意味を表す。)
  5. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の(A)シリコーン変性エポキシ樹脂と(B)エポキシ樹脂硬化剤を含有するエポキシ樹脂組成物。
  6. さらに、(C)エポキシ樹脂硬化触媒を含有する請求項5に記載のエポキシ樹脂組成物。
  7. 請求項5記載のエポキシ樹脂硬化剤がアミン系硬化剤、フェノール系硬化剤、酸無水物系硬化剤、多価カルボン酸樹脂のいずれかから選ばれることを特徴とするエポキシ樹脂組成物。
  8. 請求項5〜7のいずれか一項に記載のエポキシ樹脂組成物を硬化してなる硬化物。
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