JPWO2015053299A1 - フェノール樹脂の製造方法、フェノール樹脂、エポキシ樹脂およびエポキシ樹脂組成物 - Google Patents

フェノール樹脂の製造方法、フェノール樹脂、エポキシ樹脂およびエポキシ樹脂組成物 Download PDF

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Abstract

ベンゾキサンテン構造を有するエポキシ樹脂を簡易で安全なプロセスで収率よく製造できる、フェノール樹脂の製造方法、フェノール樹脂、エポキシ樹脂およびそれらを含むエポキシ樹脂組成物を提供する。ジヒドロキシナフタレン類とケトン類を、有機酸触媒下で反応させて、下記式(1)で表されるフェノール樹脂を製造する。【化1】(式中、R1、R2は、水素原子等を表し、kは1〜4の整数を示す。)

Description

本発明は耐熱性が要求される電気電子材料用途に好適なエポキシ樹脂組成物に利用可能であるフェノール樹脂の製造方法、フェノール樹脂、エポキシ樹脂およびそれらを含むエポキシ樹脂組成物に関する。
エポキシ樹脂組成物は作業性及びその硬化物の優れた電気特性、耐熱性、接着性、耐湿性(耐水性)等により電気・電子部品、構造用材料、接着剤、塗料等の分野で幅広く用いられている。
しかし近年、電気・電子分野においてはその発展に伴い、樹脂組成物の高純度化をはじめ耐湿性、密着性、誘電特性、フィラー(無機または有機充填剤)を高充填させるための低粘度化、成型サイクルを短くするための反応性のアップ等の諸特性の一層の向上が求められている。又、構造材としては航空宇宙材料、レジャー・スポーツ器具用途などにおいて軽量で機械物性の優れた材料が求められている(非特許文献1〜2)。特に半導体封止分野、基板(基板自体、もしくはその周辺材料)においては、その半導体の変遷に従い、薄層化、スタック化、システム化、三次元化と複雑になっていき、非常に高いレベルの耐熱性や高流動性といった要求特性が求められる。なお、特にプラスチックパッケージの車載用途への拡大に伴い、耐熱性の向上要求がいっそう厳しくなっている。具体的には、半導体の駆動温度の上昇により、150℃以上の耐熱性が求められるようになってきている。一般にエポキシ樹脂は軟化点が高いと、高い耐熱性を有する傾向があるが、その反面、粘度が上昇するという傾向で封止材には使用が困難となる。また熱分解温度の低下、難燃性の低下が課題となる。
そこで、従来から耐熱性が高いという性能を有するエポキシ樹脂が要求されていた。特許文献1には、フェノール水酸基を導入したキサンテン誘導体を主鎖構造に持ち、エピクロロヒドリン等との反応によるエポキシ化、化学修飾、エポキシ樹脂との反応等が容易になり、また、流動性に富む低分子量の物から、高軟化点の物まで合成可能であり、また該フェノール樹脂をエポキシ樹脂等の硬化剤として用いた場合、接着性を損なうことなく、高Tgの硬化物を得ることができるフェノール樹脂が記載されている。また、耐熱性が良好なエポキシ樹脂として、非特許文献3に示すようなジベンゾキサンテン構造を有するエポキシ樹脂が開発されてきた。しかし、当該エポキシ樹脂は原料のフェノール化合物を得る際の合成過程にステップが多くあり、さらに有害性のあるニクロム酸ナトリウムを使用する。欧州市場では上市された電気電子製品にクロム化合物を使用することが原則禁止されている(非特許文献4)。また合成途中に環状骨格が開裂する恐れなどがあることから、そのような恐れが少なく、安全に製造でき、高収率で製造コストが少ないジベンゾキサンテン構造を有するエポキシ樹脂の製造方法を見出すことが要求されていた。
日本国特許第4998271号公報
"2008年 STRJ報告 半導体ロードマップ専門委員会 平成20年度報告"、第8章、p1−1、[online]、平成21年3月、JEITA (社)電子情報技術産業協会 半導体技術ロードマップ専門委員会、[平成24年5月30日検索]、<http://strj-jeita.elisasp.net/strj/nenjihoukoku-2008.cfm> 高倉信之他、松下電工技報 車関連デバイス技術 車載用高温動作IC、74号、日本、2001年5月31日、35−40頁 阿部恵示他、Polymer Preprints、Vol.37、No.3、773頁 "RoHS(特定有害物質使用制限)指令の概要"、日本貿易振興機構、[平成25年10月10日検索]< http://www.jetro.go.jp/world/europe/eu/qa/01/04J-100602>
エポキシ樹脂は一般的に高Tg化すると、難燃性が低下する。これは架橋密度が向上することによる影響である。しかしながら、難燃性が求められる半導体周辺材料への高Tg化が要求される中、この相反する特性を有する樹脂の開発が急務であった。そこで、このような特性が期待できるベンゾキサンテン構造を有するエポキシ樹脂を簡易で安全なプロセスで収率よく製造できる製造方法を見出すことが急務であった。
本発明はこのような問題を解決すべく検討の結果なされたものであり、ベンゾキサンテン構造を有するエポキシ樹脂を簡易で安全なプロセスで収率よく製造できる、フェノール樹脂の製造方法、フェノール樹脂、エポキシ樹脂およびそれらを含むエポキシ樹脂組成物を提供するものである。
本発明者らは前記課題を解決するために鋭意研究した結果、本発明を完成させるに到った。
すなわち本発明は、下記(1)〜(10)に関する。
(1)ジヒドロキシナフタレン類とケトン類を、有機酸触媒下で反応させて、下記式(1)で表されるフェノール樹脂を製造する方法。
Figure 2015053299
(式中、Rはそれぞれ独立に、水素原子又は炭素数1〜3のアルキル基を表し、Rはそれぞれ独立に、水素原子または炭素数1〜6のアルキル基を表し、kは1〜4の整数を示す。)
(2)有機酸触媒がトルエンスルホン酸、キシレンスルホン酸、シュウ酸からなる群から選択される1種以上の酸成分を含有する、前項(1)に記載のフェノール樹脂の製造方法。
(3)前記反応において非プロトン極性溶媒を使用し、該溶媒が、ジメチルスルホン、ジメチルスルホキシド、テトラヒドロフラン、ジオキサン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンからなる群から選択される少なくとも1種である前項(1)又は(2)に記載のフェノール樹脂の製造方法。
(4)前項(3)に記載の方法で製造したフェノール樹脂にエピハロヒドリンを反応させて得られるエポキシ樹脂。
(5)前項(3)に記載の方法で製造したフェノール樹脂と、エポキシ樹脂を含有するエポキシ樹脂組成物。
(6)前項(4)に記載のエポキシ樹脂と、硬化剤及び/または硬化促進剤を含有するエポキシ樹脂組成物。
(7)前項(5)または(6)に記載のエポキシ樹脂組成物を硬化して得られる硬化物。
(8)下記式(1)で表されるフェノール化合物と下記式(2)で表されるフェノール化合物を含有するフェノール樹脂。
Figure 2015053299
(式中、Rはそれぞれ独立に、水素原子又は炭素数1〜3のアルキル基を表し、Rはそれぞれ独立に、水素原子または炭素数1〜6のアルキル基を表し、kは1〜4の整数を示す。)
Figure 2015053299
(式(2)中、Rはそれぞれ独立に、水素原子または炭素数1〜6のアルキル基を表し、kは1〜4の整数を示す。)
(9)前項(8)に記載のフェノール樹脂にエピハロヒドリンを反応させて得られるエポキシ樹脂。
(10)重金属成分が100ppm以下である、下記式(1)で表されるフェノール樹脂。
Figure 2015053299
(式中、Rはそれぞれ独立に、水素原子又は炭素数1〜3のアルキル基を表し、Rはそれぞれ独立に、水素原子または炭素数1〜6のアルキル基を表し、kは1〜4の整数を示す。)
本発明のフェノール樹脂の製造方法は、有機酸触媒を使用することで、安全で簡便な手法でベンゾキサンテン構造を有するフェノール樹脂ないしエポキシ樹脂を得ることができる。また、合成する際の反応ステップも少ないことから、反応工程が簡略されるため、製造コストを抑えることができる。また、反応過程で重金属を使用する必要がないことから、環境にやさしいフェノール樹脂ないしエポキシ樹脂を得ることが可能である。
本発明のフェノール樹脂の製造方法は、ジヒドロキシナフタレン類(a)とケトン類(b)を、非プロトン極性溶媒中において有機酸触媒下で反応させるものである。
まず、ジヒドロキシナフタレン類(a)について説明する。ジヒドロキシナフタレン類(a)は下記式(2)で表される化合物である。
Figure 2015053299
(式(2)中、Rはそれぞれ独立に、水素原子または炭素数1〜6のアルキル基を表し、kは1〜4の整数を示す。)
ここで、炭素数1〜6のアルキル基としては、上記の他、ブチル、ペンチル、へキシルなどが挙げられる。
式(2)で表される化合物の具体例としては、例えば、1,4−ジヒドロキシナフタレン、1,3−ジヒドロキシナフタレン、1,4−ジヒドロキシ−5−アルキル−ナフタレン、1,4−ジヒドロキシ−6−アルキル−ナフタレン、1,3−ジヒドロキシ−5−アルキル−ナフタレン、1,3−ジヒドロキシ−6−アルキル−ナフタレン、1,3−ジヒドロキシ−7−アルキル−ナフタレン、1,3−ジヒドロキシ−8−アルキル−ナフタレン等が挙げられる。
次に、ケトン類(b)について説明する。ケトン類としては、下記式(3)で表される化合物である。
Figure 2015053299
(式(3)中、Rはそれぞれ独立に、水素原子又は炭素数1〜3のアルキル基を表す。)
ここで、炭素数1〜3のアルキル基としては、メチル、エチル、プロピルなどが挙げれる。
このようなケトン類の化合物としては、アセトン、シクロヘキサノン、ビシクロヘキサノン、アセトフェノン、ヒドロキシアセトフェノン、ホルムアルデヒド、ヒドロキシベンズアルデヒド、アセトアルデヒド、ベンズアルデヒド、フルフラール等が挙げられ、ホルムアルデヒドが好ましい。
尚、ホルムアルデヒドはパラホルムアルデヒド、ホルマリン等といったホルムアルデヒドの合成等価体も含む概念である。
本発明のフェノール樹脂の製造方法は、酸性条件下での、式(2)で表される化合物の一種以上と式(3)で表される化合物との縮合反応である。
式(3)で表される化合物は式(2)で表される化合物1モルに対して通常0.25〜5.0モルであり、好ましくは0.3〜2.5モルを使用する。
酸性条件下で縮合反応を行う場合、用い得る酸性触媒は有機酸の触媒であり、トルエンスルホン酸、キシレンスルホン酸、シュウ酸等が挙げられる。これらは単独で使用してもよく、複数の種類を併用してもよい。酸性触媒の使用量は、式(3)で表される化合物1モルに対して通常0.001〜15モル、好ましくは0.002〜10モルである。
本発明のフェノール樹脂の製造方法では、必要に応じて溶剤を使用してもよい。用い得る溶剤としては、例えばケトン類のように式(2)で表される化合物との反応性を有するものでなければ特に制限はないが、原料の式(2)で表される化合物を容易に溶解させる点ではアルコール類を溶剤として用いるのが好ましい。
用いることができる溶剤の具体例としては、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどのアルコール類、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ジメチルスルホン、ジメチルスルホキシド、テトラヒドロフラン、ジオキサン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等の非プロトン性極性溶媒等が挙げられる。
溶剤を使用する場合の使用量は特に制限されないが、例えば、式(2)で表される化合物1モルに対し100〜500重量部使用することができる。
反応温度は通常10〜150℃であり、好ましくは50〜140℃である。反応時間は通常0.5〜20時間であるが、原料化合物の種類によって反応性に差があるため、この限りではない。反応終了後、樹脂として取り出す場合には、反応物を水洗後または水洗無しに、加熱減圧下で反応液から未反応物や溶媒等を除去する。結晶で取り出す場合、大量の水中に反応液を滴下することにより結晶を析出させる。
このようにして得られるフェノール樹脂は、下記式(1)で表される。
Figure 2015053299
(式中、Rは水素原子又は炭素数1〜3のアルキル基を表し、Rはそれぞれ独立して存在し、水素原子または炭素数1〜6のアルキル基を表し、kは1〜4の整数を示す。)
ここで、炭素数1〜3のアルキル基としては、メチル、エチル、プロピルなどが挙げられ、炭素数1〜6のアルキル基としては、上記の他、ブチル、ペンチル、へキシルなどが挙げられる。
また、本発明の方法で製造されたフェノール樹脂においては、上記式(2)で表されるフェノール化合物が残留し得る。ここで、当該フェノール化合物が残留することで、上記式(1)のフェノール化合物と、上記式(2)のフェノール化合物の混合物となる。ここで、上記式(2)で表されるフェノール化合物を主成分として得られたフェノール樹脂中、上記式(2)で表されるフェノール化合物がゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)の測定により算出される含有割合は、1〜20面積%が好ましく、1〜15面積%がより好ましい。
本発明の製造方法においては、有機酸を使用して上記フェノール樹脂を得ているため、得られるフェノール樹脂は重金属成分を実質的に含まないものとなる。ここで、重金属成分を実質的に含まないとは、重金属成分が500ppm以下であることを意味し、100ppm以下であることがより好ましい。
また、水酸基当量は100〜500g/eqであることが好ましく、120〜450g/eqであることが特に好ましい。軟化点は30〜300℃であることが好ましく、70〜250℃であることが特に好ましい。
このように、本発明においては、上記式(1)記載のフェノール樹脂を1段階で得ることができるため、製造コストが少なく、収率よく簡便な方法で、目的とするフェノール樹脂を得ることができる。また、得られるフェノール樹脂においては、クロム等の重金属成分を含まないため、環境にやさしいものである。
次に、本発明のエポキシ樹脂について説明する。
本発明のエポキシ樹脂は、上記製造方法によって得られたフェノール樹脂(以下、単に「フェノール樹脂(A)」または「本発明のフェノール樹脂」とも称する)と溶剤中、エピハロヒドリンとを反応させ、エポキシ化することにより得られる。ここで、フェノール樹脂(A)に、フェノール樹脂(A)以外のフェノール化合物を併用しても良い。
併用できるフェノール樹脂(A)以外のフェノール化合物としては、エポキシ樹脂の原料として通常用いられるフェノール化合物であれば特に制限なく用いることができる。
本発明のエポキシ樹脂としては、優れた融点を示し、なおかつ高い耐熱性を有する硬化物が得られる。
本発明のエポキシ樹脂を得る反応において、エピハロヒドリンとしてはエピクロルヒドリン、α−メチルエピクロルヒドリン、β−メチルエピクロルヒドリン、エピブロモヒドリン等が使用できるが、工業的に入手が容易なエピクロルヒドリンが好ましい。エピハロヒドリンの使用量は、フェノール樹脂(A)の水酸基1モルに対し通常2〜20モル、好ましくは2〜15モル、特に好ましくは2〜8モルである。エポキシ樹脂は、アルカリ金属酸化物の存在下でフェノール化合物とエピハロヒドリンとを付加させ、次いで生成した1,2−ハロヒドリンエーテル基を開環させてエポキシ化する反応により得られる。この際、エピハロヒドリンを上記のように通常より顕著に少ない量で使用することで、エポキシ樹脂の分子量を延ばすとともに分子量分布を広げることができる。この結果、得られるエポキシ樹脂は、比較的低い軟化点を有する樹脂状物として系中から取り出せ、優れた溶剤溶解性を示す。
また、エポキシ化の際に、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどのアルコール類、ジメチルスルホン、ジメチルスルホキシド、テトラヒドロフラン、ジオキサン等の非プロトン性極性溶媒などを添加して反応を行うことが反応進行上好ましい。中でも、アルコール類が好ましく、アルコール溶剤の極性により、エポキシ化時のイオン反応を効率良く進行することができ、高純度でエポキシ樹脂を得ることができる。用い得るアルコール溶剤としては、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールが好ましい。中でも、エポキシ樹脂との相溶性の観点から、メタノールを用いることが特に好ましい。
上記アルコール類を使用する場合、その使用量はエピハロヒドリンの使用量に対し通常2〜50質量%、好ましくは4〜35質量%である。また非プロトン性極性溶媒を用いる場合はエピハロヒドリンの使用量に対し通常5〜100質量%、好ましくは10〜80質量%である。
上記エポキシ化反応においてはアルカリ金属水酸化物が使用できる。
エポキシ化反応に使用できるアルカリ金属水酸化物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が挙げられ、これらは固形物をそのまま使用しても、あるいはその水溶液を使用してもよい。水溶液を使用する場合は、該アルカリ金属水酸化物の水溶液を連続的に反応系内に添加すると共に、減圧下または常圧下で連続的に留出させた水及びエピハロヒドリンの混合液から分液により水を除去し、エピハロヒドリンのみを反応系内に連続的に戻す方法でもよい。アルカリ金属水酸化物の使用量は、本発明のフェノール樹脂の水酸基1モルに対して通常0.9〜3.0モル、好ましくは1.0〜2.5モル、より好ましくは1.0〜2.0モル、特に好ましくは1.0〜1.3モルである。
また、エポキシ化反応において、特にフレーク状の水酸化ナトリウムを用いることで、水溶液とした水酸化ナトリウムを使用するよりも得られるエポキシ樹脂に含まれるハロゲン量を顕著に低減させることが可能となる。更にこのフレーク状の水酸化ナトリウムは、反応系内に分割添加されることが好ましい。分割添加を行なうことで、反応温度の急激な減少を防ぐことができ、これにより不純物である1,3−ハロヒドリン体やハロメチレン体の生成を防止することができる。
エポキシ化反応を促進するために、テトラメチルアンモニウムクロライド、テトラメチルアンモニウムブロマイド、トリメチルベンジルアンモニウムクロライド等の4級アンモニウム塩を触媒として添加することが好ましい。4級アンモニウム塩の使用量としては、フェノール樹脂(A)の水酸基1モルに対し通常0.1〜15gであり、好ましくは0.2〜10gである。
反応温度は通常30〜90℃であり、好ましくは35〜80℃である。反応時間は通常0.5〜10時間であり、好ましくは1〜8時間である。中でも、アルコール溶剤を用いた場合、50℃〜90℃が好ましく、60〜85℃がより好ましく、70〜80℃が特に好ましい。
反応終了後、反応物を水洗後、または水洗無しに加熱減圧下で反応液からエピハロヒドリンや溶媒等を除去する。また得られたエポキシ樹脂中に含まれるハロゲン量をさらに低減させるために、回収した本発明のエポキシ樹脂をトルエン、メチルイソブチルケトンなどの溶剤に溶解し、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物の水溶液を加えて反応を行ない、閉環を確実なものにすることも出来る。この場合、アルカリ金属水酸化物の使用量は、フェノール樹脂(A)の水酸基1モルに対して通常0.01〜0.3モル、好ましくは0.05〜0.2モルである。反応温度は通常50〜120℃、反応時間は通常0.5〜2時間である。
反応終了後、生成した塩を濾過、水洗などにより除去し、更に加熱減圧下で溶剤を留去することにより本発明のエポキシ樹脂が得られる。また、本発明のエポキシ樹脂が結晶として析出する場合は、大量の水に生成した塩を溶解した後に、本発明のエポキシ樹脂の結晶を濾取してもよい。
このようにして得られるエポキシ樹脂は、上記式(1)で表されるフェノール化合物のグリシジル化物が得られることとなるが、原料とするフェノール樹脂に上記式(2)で表されるフェノール化合物が含有されていた場合には、上記式(2)で表されるフェノール化合物のグリシジル化物も得られることとなる。よって、少なくとも2種類のエポキシ樹脂の混合物となる。ここで、得られたエポキシ樹脂において、その樹脂中、上記式(2)で表されるフェノール化合物のグリシジル化物がゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)の測定により算出される含有割合は、1〜25面積%が好ましく、1〜20面積%がより好ましい。
上記の通りフレーク状の水酸化ナトリウムを使用して得られる本発明のエポキシ樹脂の全ハロゲン量は1800ppm以下が通常であり、1600ppm以下であることが好ましく、さらに好ましくは1300ppm以下である。全ハロゲン量が多すぎるものは硬化物の硬化物性に悪影響を及ぼすことに加えて、未架橋の末端として残ることから、硬化時の融解状態時の分子同士の配向が進まずに硬化物性の低下につながる。
以下、本発明のエポキシ樹脂組成物について記載する。本発明のエポキシ樹脂組成物は、本発明のエポキシ樹脂及び本発明のフェノール樹脂の少なくともどちらか1つを必須成分として含有する。
本発明のエポキシ樹脂組成物において、本発明のエポキシ樹脂を必須成分として含有する場合には、本発明のエポキシ樹脂は単独でまたは他のエポキシ樹脂と併用して使用することが出来る。
他のエポキシ樹脂の具体例としては、ビスフェノール類(ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールS、ビフェノール、ビスフェノールAD及びビスフェノールI等)やフェノール類(フェノール、アルキル置換フェノール、芳香族置換フェノール、ナフトール、アルキル置換ナフトール、ジヒドロキシベンゼン、アルキル置換ジヒドロキシベンゼン及びジヒドロキシナフタレン等)と各種アルデヒド(ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、アルキルアルデヒド、ベンズアルデヒド、アルキル置換ベンズアルデヒド、ヒドロキシベンズアルデヒド、ナフトアルデヒド、グルタルアルデヒド、フタルアルデヒド、クロトンアルデヒド及びシンナムアルデヒド等)との重縮合物、キシレン等の芳香族化合物とホルムアルデヒドの重縮合物とフェノール類との重縮合物、フェノール類と各種ジエン化合物(ジシクロペンタジエン、テルペン類、ビニルシクロヘキセン、ノルボルナジエン、ビニルノルボルネン、テトラヒドロインデン、ジビニルベンゼン、ジビニルビフェニル、ジイソプロペニルビフェニル、ブタジエン及びイソプレン等)との重合物、フェノール類とケトン類(アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、アセトフェノン及びベンゾフェノン等)との重縮合物、フェノール類と芳香族ジメタノール類(ベンゼンジメタノール及びビフェニルジメタノール等)との重縮合物、フェノール類と芳香族ジクロロメチル類(α,α’−ジクロロキシレン及びビスクロロメチルビフェニル等)との重縮合物、フェノール類と芳香族ビスアルコキシメチル類(ビスメトキシメチルベンゼン、ビスメトキシメチルビフェニル及びビスフェノキシメチルビフェニル等)との重縮合物、ビスフェノール類と各種アルデヒドの重縮合物、並びにアルコール類等をグリシジル化したグリシジルエーテル系エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、グリシジルアミン系エポキシ樹脂、グリシジルエステル系エポキシ樹脂等が挙げられるが、通常用いられるエポキシ樹脂であればこれらに限定されるものではない。これらは、1種類のみ使用しても、2種以上を併用してもよい。
他のエポキシ樹脂を併用する場合、本発明のエポキシ樹脂組成物中の全エポキシ樹脂成分に占める本発明のエポキシ樹脂の割合は30質量%以上が好ましく、40質量%以上がより好ましく、70質量%以上が更に好ましく、特に好ましくは100質量%(他のエポキシ樹脂を併用しない場合)である。ただし、本発明のエポキシ樹脂をエポキシ樹脂組成物の改質剤として使用する場合は、全エポキシ樹脂中で1〜30質量%となる割合で添加する。
本発明のエポキシ樹脂組成物において、本発明のエポキシ樹脂を必須成分として含有する場合には、硬化剤を用いることが好ましい。この場合、用い得る硬化剤としては、前述の本発明のフェノール樹脂であっても良く、その他の硬化剤であっても良い。その他の硬化剤としては、例えばアミン系化合物、酸無水物系化合物、アミド系化合物及びフェノール系化合物等が挙げられる。これら他の硬化剤の具体例を下記(a)〜(e)に示す。
(a)アミン系化合物 ジアミノジフェニルメタン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、ジアミノジフェニルスルホン、イソホロンジアミン及びナフタレンジアミン等
(b)酸無水物系化合物 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、ヘキサヒドロ無水フタル酸及びメチルヘキサヒドロ無水フタル酸等
(c)アミド系化合物 ジシアンジアミド、若しくはリノレン酸の2量体とエチレンジアミンより合成されるポリアミド樹脂等、
(d)フェノール系化合物 多価フェノール類(ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールS、フルオレンビスフェノール、テルペンジフェノール、4,4’−ジヒドロキシビフェニル、2,2’−ジヒドロキシビフェニル、3,3’,5,5’−テトラメチル−(1,1’−ビフェニル)−4,4’−ジオール、ハイドロキノン、レゾルシン、ナフタレンジオール、トリス−(4−ヒドロキシフェニル)メタン及び1,1,2,2−テトラキス(4−ヒドロキシフェニル)エタン等);フェノール類(例えば、フェノール、アルキル置換フェノール、ナフトール、アルキル置換ナフトール、ジヒドロキシベンゼン及びジヒドロキシナフタレン等)と、アルデヒド類(ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、ベンズアルデヒド、p−ヒドロキシベンズアルデヒド、o−ヒドロキシベンズアルデヒド及びフルフラール等)、ケトン類(p−ヒドロキシアセトフェノン及びo−ヒドロキシアセトフェノン等)、若しくはジエン類(ジシクロペンタジエン及びトリシクロペンタジエン等)との縮合により得られるフェノール樹脂;前記フェノール類と、置換ビフェニル類(4,4’−ビス(クロルメチル)−1,1’−ビフェニル及び4,4’−ビス(メトキシメチル)−1,1’−ビフェニル等)、若しくは置換フェニル類(1,4−ビス(クロロメチル)ベンゼン、1,4−ビス(メトキシメチル)ベンゼン及び1,4−ビス(ヒドロキシメチル)ベンゼン等)等との重縮合により得られるフェノール樹脂;前記フェノール類及び/又は前記フェノール樹脂の変性物;テトラブロモビスフェノールA及び臭素化フェノール樹脂等のハロゲン化フェノール類
(e)その他 イミダゾール類、BF アミン錯体、グアニジン誘導体
これら他の硬化剤の中ではジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルホン及びナフタレンジアミンなどのアミン系化合物、並びにカテコールとアルデヒド類、ケトン類、ジエン類、置換ビフェニル類又は置換フェニル類との縮合物などの活性水素基が隣接している構造を有する硬化剤がエポキシ樹脂の配列に寄与するため好ましい。
他の硬化剤は単独で用いてもよく、複数を併用してもよい。
なお、本発明のエポキシ樹脂組成物において、本発明のフェノール樹脂を硬化剤として用いる場合には、本発明のフェノール樹脂以外に、その他の硬化剤を併用して用いてもよい。併用して用いられる硬化剤としては、例えば、前述と同様の、アミン系化合物、酸無水物系化合物、アミド系化合物及びフェノール系化合物等が挙げられる。
他の硬化剤を併用する場合、本発明のエポキシ樹脂組成物中の全硬化剤成分に占める本発明のフェノール樹脂の割合は20質量%以上が好ましく、30質量%以上がより好ましく、70質量%以上が更に好ましいく、特に好ましくは100質量%(他の硬化剤を併用しない場合)である。
本発明のエポキシ樹脂組成物において、本発明のフェノール樹脂を含む全硬化剤の使用量は、全エポキシ樹脂のエポキシ基1当量に対して0.5〜2.0当量が好ましく、0.6〜1.5当量が特に好ましい。
本発明のエポキシ樹脂組成物には、必要により硬化促進剤を添加しても良い。硬化促進剤の具体例としては、トリフェニルフォスフィン、ビス(メトキシフェニル)フェニルフォスフィン等のフォスフィン類、2―メチルイミダゾール、2−エチルイミダゾール、2―エチル,4―メチルイミダゾール等のイミダゾール類、2−(ジメチルアミノメチル)フェノール、トリスジメチルアミノメチルフェノール、ジアザビシクロウンデセン等の3級アミン類、テトラブチルアンモニウム塩、トリイソプロピルメチルアンモニウム塩、トリメチルデカニルアンモニウム塩、セチルトリメチルアンモニウム塩などの4級アンモニウム塩、トリフェニルベンジルフォスフォニウム塩、トリフェニルエチルフォスフォニウム塩、テトラブチルフォスフォニウム塩などの4級フォスフォニウム塩(4級塩のカウンターイオンはハロゲン、有機酸イオン、水酸化物イオンなど、特に指定は無いが、特に有機酸イオン、水酸化物イオンが好ましい。)、オクチル酸スズ等の金属化合物等が例示される。
硬化促進剤の使用量は、エポキシ樹脂100重量部当たり、通常0.2〜5.0重量部、好ましくは、0.2〜4.0重量部である。
本発明のエポキシ樹脂組成物(以下、硬化性樹脂組成物とも称する)は必要に応じて無機充填材を含有させることができる。
本発明のエポキシ樹脂組成物が含有する無機充填材は、公知のものであれば何ら制限はない。無機充填材の具体例としては、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化チタン、酸化亜鉛、炭化タングステン、アルミナ、酸化マグネシウム等の無機粉末充填材、合成繊維、セラミックス繊維等の繊維質充填材、着色剤等が挙げられる。これら無機充填材の形状は、粉末(塊状、球状)、単繊維、長繊維等いずれであってもよいい。
本発明のエポキシ樹脂組成物における無機充填材の使用量は、エポキシ樹脂組成物中の樹脂成分100質量部に対して通常2〜1000質量部である。これら無機充填材は1種のみを使用しても、2種類以上を併用してもよい。
本発明のエポキシ樹脂組成物には、必要に応じてシランカップリング剤、離型剤及び顔料等種々の配合剤、各種熱硬化性樹脂並びに各種熱可塑性樹脂等を添加することができる。熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂の具体例としては、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、マレイミド樹脂、シアナート樹脂、イソシアナート化合物、ベンゾオキサジン化合物、ビニルベンジルエーテル化合物、ポリブタジエンおよびこの変性物、アクリロニトリル共重合体の変性物、インデン樹脂、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンエーテル、ポリアセタール、ポリスチレン、ポリエチレン、ジシクロペンタジエン樹脂等が挙げられる。熱硬化性樹脂、または熱可塑性樹脂は本発明のエポキシ樹脂組成物中において60質量%以下を占める量が用いられる。
本発明のエポキシ樹脂組成物は、上記各成分を均一に混合することにより得られ、その好ましい用途としては半導体封止材やプリント配線板等が挙げられる。
本発明のエポキシ樹脂組成物は従来知られているのと同様の方法で容易にその硬化物とすることが出来る。例えば、本発明のエポキシ樹脂組成物の必須成分であるエポキシ樹脂、硬化剤、並びに必要により硬化促進剤、配合剤、各種熱硬化性樹脂や各種熱可塑性樹脂等を、必要に応じて押出機、ニーダ又はロール等を用いて均一になるまで充分に混合して得られた本発明のエポキシ樹脂組成物を、溶融注型法あるいはトランスファー成型法やインジェクション成型法、圧縮成型法などによって成型し、更にその融点以上で2〜10時間加熱することにより本発明のエポキシ樹脂組成物の硬化物を得ることが出来る。前述の方法でリードフレーム等に搭載された半導体素子を封止することにより、本発明のエポキシ樹脂組成物を半導体封止用途に用いることができる。
また、本発明のエポキシ樹脂組成物は溶剤を含むワニスとすることもできる。該ワニスは、例えば、エポキシ樹脂、硬化剤のうち、少なくとも一方に本発明のエポキシ樹脂、もしくは本発明のフェノール樹脂を含み、必要に応じて熱伝導率が20W/m・K以上の無機充填材などのその他の成分を含む混合物を、トルエン、キシレン、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン、シクロペンタノン、N,N’−ジメチルホルムアミド、N,N’−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジエチルエーテル等のグリコールエーテル類、酢酸エチル、酢酸ブチル、メチルセロソルブアセテート、エチルセロソルブアセテート、ブチルセロソルブアセテート、カルビトールアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、グルタル酸ジアルキル、コハク酸ジアルキル、アジピン酸ジアルキル等のエステル類、γ−ブチロラクトン等の環状エステル類、石油エーテル、石油ナフサ、水添石油ナフサ及びソルベントナフサ等の石油系溶剤等の有機溶剤と混合することにより得ることが出来る。溶剤の量はワニス全体に対し通常10〜95質量%、好ましくは15〜85質量%である。
上記のようにして得られるワニスをガラス繊維、カーボン繊維、ポリエステル繊維、ポリアミド繊維、アルミナ繊維及び紙などの繊維基材に含浸させた後に加熱によって溶剤を除去すると共に、本発明のエポキシ樹脂組成物を半硬化状態とすることにより、本発明のプリプレグを得ることが出来る。尚、ここで言う「半硬化状態」とは、反応性の官能基であるエポキシ基が一部未反応で残っている状態を意味する。該プリプレグを熱プレス成型して硬化物を得ることが出来る。
以下、本発明を実施例で更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。合成例、実施例、比較例において部は質量部を意味する。
なお、水酸基当量、エポキシ当量、軟化点、ICI溶融粘度は以下の条件で測定した。
・水酸基当量
JIS K−7236に記載された方法で測定し、単位はg/eq.である。
・エポキシ当量
JIS K−7236に記載された方法で測定し、単位はg/eq.である。
・軟化点
JIS K−7234に準拠した方法で測定し、単位は℃である。
・ICI溶融粘度
JIS K 7117−2に準拠した方法で測定し、単位はPa・sである。
(フェノール樹脂の合成)
(合成例1)
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ジヒドロキシナフタレン150部、アセトン49部、メチルイソブチルケトン235部、p−トルエンスルホン酸1.78部を加え、撹拌下で溶解し、120℃にまで昇温した。10時間加熱還流した後、洗浄水が中性になるまで水洗を行い、得られた溶液から、ロータリーエバポレーターを用いて減圧下にメチルイソブチルケトン等を留去することで本発明のフェノール樹脂(PH1)145部を得た。得られたフェノール樹脂(PH1)の水酸基当量は167g/eq.であった。
(合成例2)
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1,4−ジヒドロキシナフタレン50部、シクロヘキサノン14部、メチルイソブチルケトン84部、p−トルエンスルホン酸0.6部を加え、撹拌下で溶解し、120℃にまで昇温した。10時間加熱還流した後、洗浄水が中性になるまで水洗を行い、得られた溶液から、ロータリーエバポレーターを用いて減圧下にメチルイソブチルケトン等を留去することで本発明のフェノール樹脂(PH2)55部を得た。得られたフェノール樹脂(PH2)の水酸基当量は201g/eq.、軟化点64℃、ICI粘度0.01Pa・sであった。
(合成例3)
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1,4−ジヒドロキシナフタレン32部、ビシクロヘキサノン8.7部、メチルイソブチルケトン53部、p−トルエンスルホン酸0.4部を加え、撹拌下で溶解し、120℃にまで昇温した。10時間加熱還流した後、洗浄水が中性になるまで水洗を行い、得られた溶液から、ロータリーエバポレーターを用いて減圧下にメチルイソブチルケトン等を留去することで本発明のフェノール樹脂(PH3)35部を得た。得られたフェノール樹脂(PH3)の水酸基当量は156g/eq.であった。
(合成例4)
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1,4−ジヒドロキシナフタレン50部、アセトフェノン17部、メチルイソブチルケトン88部、p−トルエンスルホン酸0.6部を加え、撹拌下で溶解し、120℃にまで昇温した。10時間加熱還流した後、洗浄水が中性になるまで水洗を行い、得られた溶液から、ロータリーエバポレーターを用いて減圧下にメチルイソブチルケトン等を留去することで本発明のフェノール樹脂(PH4)60部を得た。得られたフェノール樹脂(PH4)の水酸基当量は140g/eq.であった。
(合成例5)
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1,4−ジヒドロキシナフタレン100部、o−ヒドロキシアセトフェノン38部、メチルイソブチルケトン180部、p−トルエンスルホン酸0.5部を加え、撹拌下で溶解し、120℃にまで昇温した。10時間加熱還流した後、洗浄水が中性になるまで水洗を行い、得られた溶液から、ロータリーエバポレーターを用いて減圧下にメチルイソブチルケトン等を留去することで本発明のフェノール樹脂(PH5)125部を得た。得られたフェノール樹脂(PH5)の水酸基当量は155g/eq.であった。
(合成例6)
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1,4−ジヒドロキシナフタレン100部、3−ヒドロキシベンズアルデヒド60部、メチルイソブチルケトン210部、p−トルエンスルホン酸0.6部を加え、撹拌下で溶解し、120℃にまで昇温した。10時間加熱還流した後、洗浄水が中性になるまで水洗を行い、得られた溶液から、ロータリーエバポレーターを用いて減圧下にメチルイソブチルケトン等を留去することで本発明のフェノール樹脂(PH6)115部を得た。得られたフェノール樹脂(PH6)の水酸基当量は180g/eq.であった。
(エポキシ樹脂の合成)
(実施例1及び比較例1)
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本発明のフェノール樹脂(PH1)100部、エピクロロヒドリン390部(7モル当量 対 フェノール樹脂)、メタノール117部を加え、撹拌下で溶解し、70〜75℃にまで昇温した。次いでフレーク状の水酸化ナトリウム27部を90分かけて分割添加した後、更に75℃で75分反応を行った。反応終了後,水80部で水洗を行い、油層からロータリーエバポレーターを用いて減圧下、過剰のエピクロルヒドリン等の溶剤類を留去した。残留物にメチルイソブチルケトン255部を加え溶解し、75℃にまで昇温した。撹拌下で30重量%の水酸化ナトリウム水溶液9.6部を加え、1時間反応を行った後、油層の洗浄水が中性になるまで水洗を行い、得られた溶液から、ロータリーエバポレーターを用いて減圧下にメチルイソブチルケトン等を留去することでエポキシ樹脂(EP1)120部を得た。得られたエポキシ樹脂(EP1)のエポキシ当量は207g/eq.、軟化点135℃、150℃におけるICI溶融粘度は0.02Pa・sであった。
前記で得られたエポキシ樹脂(EP1)ないし比較用のエポキシ樹脂(EP2)を、硬化剤(P1)、フィラー(無機充填材)、ワックス、カップリング剤、硬化促進剤(C1)を表1の割合(当量)で配合し、ミキシングロールを用いて均一に混合・混練し、硬化性樹脂組成物を得た。この硬化性樹脂組成物をミキサーにて粉砕し、更にタブレットマシーンにてタブレット化した。このタブレット化された硬化性樹脂組成物をトランスファー成型(175℃×60秒)し、更に脱型後160℃×2時間+180℃×6時間の条件で硬化、評価用試験片を得た。この評価用試験片を用いて、耐熱性と難燃性を以下の要領で測定、評価した。試験結果を表1に示す。
<耐熱性試験>
・DMA:JIS K−7244に準拠
<難燃性試験>
・難燃性の判定:UL94に準拠して行った。ただし、サンプルサイズは幅12.5mm×長さ150mmとし、厚さは0.8mmで試験を行った。
・残炎時間:5個1組のサンプルに10回接炎したあとの残炎時間の合計。
Figure 2015053299
EP2:日本化薬社製 NC3000
P1:三井化学社製 ミレックスXLC−3L
溶融シリカ:瀧森工業社製 MSR−2212
ワックス:カルナバ1号
C1:トリフェニルフォスフィン(北興化学社製 TPP)
カップリング剤:信越化学工業社製 KBM−303
無機充填材:溶融シリカ 瀧森製 MSR−2122 対樹脂83wt%
硬化促進剤使用量:
耐熱性の評価に使用する試料ではエポキシ樹脂重量に対し1%とし、難燃性の評価に使用する試料ではエポキシ樹脂重量に対し2%とした。
ワックス使用量:0.3重量% 対組成物
カップリング剤使用量:0.4重量% 対フィラー
エポキシ樹脂・硬化剤比率:1.0等当量
表1の結果からみて明らかな通り、比較例1に対し、難燃性に優れたエポキシ樹脂と比較して、同等の難燃性を有していた。さらに、比較例1に対し、高い耐熱性を保持していることから、本発明のエポキシ樹脂においては高い耐熱性と難燃性を両立させることができる。
(実施例2及び比較例2)
前記で得られたフェノール樹脂(PH1)ないし比較用のフェノール樹脂(PH7)を硬化剤として、エポキシ樹脂(EP2)、フィラー、ワックス、カップリング剤、硬化促進剤(C1)を表2の割合(当量)で配合し、ミキシングロールを用いて均一に混合・混練し、硬化性樹脂組成物を得た。この硬化性樹脂組成物をミキサーにて粉砕し、更にタブレットマシーンにてタブレット化した。このタブレット化された硬化性樹脂組成物をトランスファー成型(175℃×60秒)し、更に脱型後160℃×2時間+180℃×6時間の条件で硬化、評価用試験片を得た。この評価用試験片を用いて、耐熱性、破壊靱性、吸水率、誘電正接を測定、評価した。試験結果も表2に示す。なお、物性値の測定は以下の方法で行った。
・耐熱性(DMA):JIS K−7244に準拠
・破壊靱性(K1C):JIS K−6911に準拠
・吸水率:直径5cm×厚み4mmの円盤状の試験片を100℃の水中で24時間煮沸した後の重量増加率(%)
・誘電率、誘電正接:JIS K−6911に準拠
Figure 2015053299
EP2:日本化薬株式会社製 NC3000
PH7:明和化成工業株式会社製 フェノールノボラック
ワックス:カルナバ1号
C1:トリフェニルフォスフィン(北興化学株式会社製 TPP)
カップリング剤:信越化学工業社製 KBM−303
無機充填材:溶融シリカ 瀧森製 MSR−2122 対樹脂83wt%
硬化促進剤使用量:
エポキシ樹脂重量に対し1%とした。
ワックス使用量:0.3重量% 対組成物
カップリング剤使用量:0.4重量% 対フィラー
エポキシ樹脂・硬化剤比率:1.0等当量
表2より本発明のエポキシ樹脂硬化物は、一般的なエポキシ樹脂硬化物と比較して優れた耐熱性を有する。さらに、高い耐熱性を持ちながら比較例2に対し、靱性、吸湿性、誘電特性に優れることが明らかである。
本発明を特定の態様を参照して詳細に説明したが、本発明の精神と範囲を離れることなく様々な変更および修正が可能であることは、当業者にとって明らかである。
なお、本出願は、2013年10月11日付で出願された日本国特許出願(特願2013−213868)に基づいており、その全体が引用により援用される。また、ここに引用されるすべての参照は全体として取り込まれる。
本発明の方法で製造されるフェノール樹脂は、エポキシ樹脂組成物に用いることができ、該エポキシ樹脂組成物の硬化物は優れた耐熱性、難燃性を示すことから、半導体封止材料、プリプレグを始めとする各種複合材料、接着剤、塗料等に使用する場合に有用である。

Claims (10)

  1. ジヒドロキシナフタレン類とケトン類を、有機酸触媒下で反応させて、下記式(1)で表されるフェノール樹脂を製造する方法。
    Figure 2015053299
    (式中、Rはそれぞれ独立に、水素原子又は炭素数1〜3のアルキル基を表し、Rはそれぞれ独立に、水素原子または炭素数1〜6のアルキル基を表し、kは1〜4の整数を示す。)
  2. 有機酸触媒がトルエンスルホン酸、キシレンスルホン酸、シュウ酸からなる群から選択される1種以上の酸成分を含有する、請求項1に記載のフェノール樹脂の製造方法。
  3. 前記反応において非プロトン極性溶媒を使用し、該溶媒が、ジメチルスルホン、ジメチルスルホキシド、テトラヒドロフラン、ジオキサン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンからなる群から選択される少なくとも1種である請求項1又は請求項2に記載のフェノール樹脂の製造方法。
  4. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法で製造したフェノール樹脂にエピハロヒドリンを反応させて得られるエポキシ樹脂。
  5. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法で製造したフェノール樹脂と、エポキシ樹脂とを含有するエポキシ樹脂組成物。
  6. 請求項4に記載のエポキシ樹脂と、硬化剤及び/または硬化促進剤とを含有するエポキシ樹脂組成物。
  7. 請求項5又は請求項6に記載のエポキシ樹脂組成物を硬化して得られる硬化物。
  8. 下記式(1)で表されるフェノール化合物と下記式(2)で表されるフェノール化合物を含有するフェノール樹脂。
    Figure 2015053299
    (式中、Rはそれぞれ独立に、水素原子又は炭素数1〜3のアルキル基を表し、Rはそれぞれ独立に、水素原子または炭素数1〜6のアルキル基を表し、kは1〜4の整数を示す。)
    Figure 2015053299
    (式(2)中、Rはそれぞれ独立に、水素原子または炭素数1〜6のアルキル基を表し、kは1〜4の整数を示す。)
  9. 請求項8に記載のフェノール樹脂にエピハロヒドリンを反応させて得られるエポキシ樹脂。
  10. 重金属成分が100ppm以下である、下記式(1)で表されるフェノール樹脂。
    Figure 2015053299
    (式中、Rはそれぞれ独立に、水素原子又は炭素数1〜3のアルキル基を表し、Rはそれぞれ独立に、水素原子または炭素数1〜6のアルキル基を表し、kは1〜4の整数を示す。)
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