JPWO2019116940A1 - ポリイミド樹脂、ポリイミドワニス及びポリイミドフィルム - Google Patents
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Abstract
Description
[1]
テトラカルボン酸二無水物に由来する構成単位A及びジアミンに由来する構成単位Bを有するポリイミド樹脂であって、
構成単位Aが下記式(a−1)で表される化合物に由来する構成単位(A−1)と、下記式(a−2)で表される化合物に由来する構成単位(A−2)と、下記式(a−3)で表される化合物に由来する構成単位(A−3)とを含み、
構成単位Bが下記式(b−1)で表される化合物に由来する構成単位(B−1)を含む、ポリイミド樹脂。
構成単位A中における構成単位(A−1)の比率が10〜80モル%であり、
構成単位A中における構成単位(A−2)の比率が10〜80モル%であり、
構成単位A中における構成単位(A−3)の比率が10〜80モル%である、上記[1]に記載のポリイミド樹脂。
[3]
構成単位B中における構成単位(B−1)の比率が50モル%以上である、上記[1]又は[2]に記載のポリイミド樹脂。
[4]
上記[1]〜[3]のいずれかに記載のポリイミド樹脂が有機溶媒に溶解してなるポリイミドワニス。
[5]
上記[1]〜[3]のいずれかに記載のポリイミド樹脂を含む、ポリイミドフィルム。
本発明のポリイミド樹脂は、テトラカルボン酸二無水物に由来する構成単位A及びジアミンに由来する構成単位Bを有するポリイミド樹脂であって、構成単位Aが下記式(a−1)で表される化合物に由来する構成単位(A−1)と、下記式(a−2)で表される化合物に由来する構成単位(A−2)と、下記式(a−3)で表される化合物に由来する構成単位(A−3)とを含み、構成単位Bが下記式(b−1)で表される化合物に由来する構成単位(B−1)を含む。
構成単位Aは、ポリイミド樹脂に占めるテトラカルボン酸二無水物に由来する構成単位であり、式(a−1)で表される化合物に由来する構成単位(A−1)と、式(a−2)で表される化合物に由来する構成単位(A−2)と、式(a−3)で表される化合物に由来する構成単位(A−3)とを含む。構成単位(A−1)によって、無色透明性及び寸法安定性が向上し、構成単位(A−2)によって、レーザー剥離性及び耐有機溶媒性が向上し、構成単位(A−3)によって、無色透明性が向上する。
式(a−1)で表される化合物は、ノルボルナン−2−スピロ−α−シクロペンタノン−α’−スピロ−2’’−ノルボルナン−5,5’’,6,6’’−テトラカルボン酸二無水物である。
式(a−3)で表される化合物は、1,2,4,5−シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物である。
構成単位A中における構成単位(A−2)の比率は、好ましくは10〜80モル%であり、より好ましくは20〜60モル%であり、更に好ましくは25〜50モル%であり、特に好ましくは27.5〜45モル%である。
構成単位A中における構成単位(A−3)の比率は、好ましくは10〜80モル%であり、より好ましくは25〜65モル%であり、更に好ましくは30〜55モル%であり、特に好ましくは32.5〜50モル%である。
構成単位A中における構成単位(A−1)〜(A−3)の合計の比率は、好ましくは50モル%以上であり、より好ましくは70モル%以上であり、更に好ましくは90モル%以上であり、特に好ましくは99モル%以上である。構成単位(A−1)〜(A−3)の合計の比率の上限値は特に限定されず、即ち、100モル%である。構成単位Aは構成単位(A−1)と、構成単位(A−2)と、構成単位(A−3)とのみからなっていてもよい。
なお、本明細書において、芳香族テトラカルボン酸二無水物とは芳香環を1つ以上含むテトラカルボン酸二無水物を意味し、脂環式テトラカルボン酸二無水物とは脂環を1つ以上含み、かつ芳香環を含まないテトラカルボン酸二無水物を意味し、脂肪族テトラカルボン酸二無水物とは芳香環も脂環も含まないテトラカルボン酸二無水物を意味する。
構成単位Aに任意に含まれる構成単位(即ち、構成単位(A−1)〜(A−3)以外の構成単位)は、1種でもよいし、2種以上であってもよい。
構成単位Bは、ポリイミド樹脂に占めるジアミンに由来する構成単位であって、式(b−1)で表される化合物に由来する構成単位(B−1)を含む。構成単位(B−1)によって、機械的特性及び寸法安定性が向上する。
式(b−1)で表される化合物は、2,2’−ビス(トリフルオロメチル)ベンジジンである。
なお、本明細書において、芳香族ジアミンとは芳香環を1つ以上含むジアミンを意味し、脂環式ジアミンとは脂環を1つ以上含み、かつ芳香環を含まないジアミンを意味し、脂肪族ジアミンとは芳香環も脂環も含まないジアミンを意味する。
構成単位Bに任意に含まれる構成単位(即ち、構成単位(B−1)以外の構成単位)は、1種でもよいし、2種以上であってもよい。
引張弾性率は、好ましくは2.5GPa以上であり、より好ましくは3.0GPa以上であり、更に好ましくは3.2GPa以上である。
ガラス転移温度(Tg)は、好ましくは320℃以上であり、より好ましくは340℃以上であり、更に好ましくは350℃以上である。
イエローインデックス(YI)は、厚さ10μmのフィルムとした際に、好ましくは2.9以下であり、より好ましくは2.7以下であり、更に好ましくは2.5以下である。
線熱膨張係数(CTE)は、100〜250℃のCTEとして、好ましくは25ppm/℃以下であり、より好ましくは20ppm/℃以下であり、更に好ましくは12ppm/℃以下である。
波長308nmにおける光線透過率は、厚さ10μmのフィルムとした際に、好ましくは1.0%以下であり、より好ましくは0.6%以下であり、更に好ましくは0.4%以下である。波長308nmにおける光線透過率が小さいほど、波長308nmのXeClエキシマレーザーによるレーザー剥離性に優れる。
なお、本発明における引張弾性率、引張強度、ガラス転移温度(Tg)、全光線透過率、イエローインデックス(YI)、線熱膨張係数(CTE)、波長308nmにおける光線透過率は、具体的には実施例に記載の方法で測定することができる。
本発明のポリイミド樹脂は、上述の構成単位(A−1)を与える化合物、上述の構成単位(A−2)を与える化合物、及び上述の構成単位(A−3)を与える化合物を含有するテトラカルボン酸成分と、上述の構成単位(B−1)を与える化合物を含むジアミン成分とを反応させることにより製造することができる。
同様に、構成単位(A−2)を与える化合物としては、式(a−2)で表される化合物が挙げられるが、それに限られず、同じ構成単位を与える範囲でその誘導体であってもよい。当該誘導体としては、式(a−2)で表されるテトラカルボン酸二無水物に対応するテトラカルボン酸及び当該テトラカルボン酸のアルキルエステルが挙げられる。構成単位(A−2)を与える化合物としては、式(a−2)で表される化合物(即ち、二無水物)が好ましい。
同様に、構成単位(A−3)を与える化合物としては、式(a−3)で表される化合物が挙げられるが、それに限られず、同じ構成単位を与える範囲でその誘導体であってもよい。当該誘導体としては、式(a−3)で表されるテトラカルボン酸二無水物に対応するテトラカルボン酸及び当該テトラカルボン酸のアルキルエステルが挙げられる。構成単位(A−3)を与える化合物としては、式(a−3)で表される化合物(即ち、二無水物)が好ましい。
テトラカルボン酸成分は、構成単位(A−2)を与える化合物を、好ましくは10〜80モル%含み、より好ましくは20〜60モル%含み、更に好ましくは25〜50モル%含み、特に好ましくは27.5〜45モル%含む。
テトラカルボン酸成分は、構成単位(A−3)を与える化合物を、好ましくは10〜80モル%含み、より好ましくは25〜65モル%含み、更に好ましくは30〜55モル%含み、特に好ましくは32.5〜50モル%含む。
テトラカルボン酸成分は、構成単位(A−1)を与える化合物、構成単位(A−2)を与える化合物、及び構成単位(A−3)を与える化合物を合計で、好ましくは50モル%以上含み、より好ましくは70モル%以上含み、更に好ましくは90モル%以上含み、特に好ましくは99モル%以上含む。構成単位(A−1)を与える化合物、構成単位(A−2)を与える化合物、及び構成単位(A−3)を与える化合物の合計の含有量の上限値は特に限定されず、即ち、100モル%である。テトラカルボン酸成分は構成単位(A−1)を与える化合物と、構成単位(A−2)を与える化合物と、構成単位(A−3)を与える化合物とのみからなっていてもよい。
テトラカルボン酸成分に任意に含まれる化合物(即ち、構成単位(A−1)〜(A〜3)のいずれかを与える化合物以外の化合物)は、1種でもよいし、2種以上であってもよい。
ジアミン成分に任意に含まれる化合物(即ち、構成単位(B−1)を与える化合物以外の化合物)は、1種でもよいし、2種以上であってもよい。
具体的な反応方法としては、(1)テトラカルボン酸成分、ジアミン成分、及び反応溶剤を反応器に仕込み、室温〜80℃で0.5〜30時間撹拌し、その後に昇温してイミド化反応を行う方法、(2)ジアミン成分及び反応溶剤を反応器に仕込んで溶解させた後、テトラカルボン酸成分を仕込み、必要に応じて室温〜80℃で0.5〜30時間撹拌し、その後に昇温してイミド化反応を行う方法、(3)テトラカルボン酸成分、ジアミン成分、及び反応溶剤を反応器に仕込み、直ちに昇温してイミド化反応を行う方法等が挙げられる。
エーテル系溶剤の具体例としては、1,2−ジメトキシエタン、ビス(2−メトキシエチル)エーテル、1,2−ビス(2−メトキシエトキシ)エタン、ビス〔2−(2−メトキシエトキシ)エチル〕エーテル、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン等が挙げられる。
また、カーボネート系溶剤の具体的な例としては、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等が挙げられる。
上記反応溶剤の中でも、アミド系溶剤又はラクトン系溶剤が好ましい。また、上記の反応溶剤は単独で又は2種以上混合して用いてもよい。
塩基触媒としては、ピリジン、キノリン、イソキノリン、α−ピコリン、β−ピコリン、2,4−ルチジン、2,6−ルチジン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、トリエチレンジアミン、イミダゾール、N,N−ジメチルアニリン、N,N−ジエチルアニリン等の有機塩基触媒、水酸化カリウムや水酸化ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸水素ナトリウム等の無機塩基触媒が挙げられる。
また、酸触媒としては、クロトン酸、アクリル酸、トランス−3−ヘキセノイック酸、桂皮酸、安息香酸、メチル安息香酸、オキシ安息香酸、テレフタル酸、ベンゼンスルホン酸、パラトルエンスルホン酸、ナフタレンスルホン酸等が挙げられる。上記のイミド化触媒は単独で又は2種以上を組み合わせて用いてもよい。
上記のうち、取り扱い性の観点から、塩基触媒を用いることが好ましく、有機塩基触媒を用いることがより好ましく、トリエチルアミンを用いることが更に好ましく、トリエチルアミンとトリエチレンジアミンを組み合わせて用いること特に好ましい。
本発明のポリイミドワニスは、本発明のポリイミド樹脂が有機溶媒に溶解してなるものである。即ち、本発明のポリイミドワニスは、本発明のポリイミド樹脂及び有機溶媒を含み、当該ポリイミド樹脂は当該有機溶媒に溶解している。
有機溶媒はポリイミド樹脂が溶解するものであればよく、特に限定されないが、ポリイミド樹脂の製造に用いられる反応溶剤として上述した化合物を、単独又は2種以上を混合して用いることが好ましい。
本発明のポリイミドワニスは、重合法により得られるポリイミド樹脂が反応溶剤に溶解したポリイミド溶液そのものであってもよいし、又は当該ポリイミド溶液に対して更に希釈溶剤を追加したものであってもよい。
また、本発明のポリイミドワニスは、ポリイミドフィルムの要求特性を損なわない範囲で、無機フィラー、接着促進剤、剥離剤、難燃剤、紫外線安定剤、界面活性剤、レベリング剤、消泡剤、蛍光増白剤、架橋剤、重合開始剤、感光剤等各種添加剤を含んでもよい。
本発明のポリイミドワニスの製造方法は特に限定されず、公知の方法を適用することができる。
本発明のポリイミドフィルムは、本発明のポリイミド樹脂を含む。したがって、本発明のポリイミドフィルムは、機械的特性及び耐熱性が良好であって、更に無色透明性、熱に対する寸法安定性、レーザー剥離性及び耐有機溶媒性に優れる。本発明のポリイミドフィルムが有する好適な物性値は上述の通りである。
本発明のポリイミドフィルムの製造方法には特に制限はなく、公知の方法を用いることができる。例えば、本発明のポリイミドワニスを、ガラス板、金属板、プラスチックなどの平滑な支持体上に塗布、又はフィルム状に成形した後、該ワニス中に含まれる反応溶剤や希釈溶剤等の有機溶媒を加熱により除去する方法等が挙げられる。前記支持体の表面には、必要に応じて、予め離形剤を塗布しておいてもよい。
ワニス中に含まれる有機溶媒を加熱により除去する方法としては、以下の方法が好ましい。即ち、120℃以下の温度で有機溶媒を蒸発させて自己支持性フィルムとした後、該自己支持性フィルムを支持体より剥離し、該自己支持性フィルムの端部を固定し、用いた有機溶媒の沸点以上の温度で乾燥してポリイミドフィルムを製造することが好ましい。また、窒素雰囲気下で乾燥することが好ましい。乾燥雰囲気の圧力は、減圧、常圧、加圧のいずれでもよい。自己支持性フィルムを乾燥してポリイミドフィルムを製造する際の加熱温度は、ポリイミドフィルムに耐有機溶媒性を付与する観点から、320℃以上とすることが好ましく、340℃以上とすることがより好ましい。加熱温度の上限については特に限定されないが、400℃以下とすることが好ましい。
ポリイミドフィルムの厚みは、ポリイミドワニスの固形分濃度や粘度を調整することにより、容易に制御することができる。
実施例及び比較例で得たポリイミドワニスの固形分濃度及びポリイミドフィルムの各物性は以下に示す方法によって測定した。
ポリイミドワニスの固形分濃度の測定は、アズワン株式会社製の小型電気炉「MMF−1」で試料を320℃×120minで加熱し、加熱前後の試料の質量差から算出した。
(2)フィルム厚さ
フィルム厚さは、株式会社ミツトヨ製のマイクロメーターを用いて測定した。
(3)引張強度、引張弾性率
測定はJIS K7127に準拠し、東洋精機株式会社製の引張試験機「ストログラフVG−1E」を用いて行った。
(4)ガラス転移温度(Tg)
株式会社日立ハイテクサイエンス製の熱機械的分析装置「TMA/SS6100」を用いて、引張モードで試料サイズ2mm×20mm、荷重0.1N、昇温速度10℃/minの条件でTg以上まで昇温して残留応力を取り除き、その後同条件で50℃から400℃までTMA測定を行い、Tgを求めた。
(5)全光線透過率、イエローインデックス(YI)
測定はJIS K7361−1に準拠し、日本電色工業株式会社製の色彩・濁度同時測定器「COH400」を用いて行った。
(6)線熱膨張係数(CTE)
株式会社日立ハイテクサイエンス製の熱機械的分析装置「TMA/SS6100」を用いて、引張モードで試料サイズ2mm×20mm、荷重0.1N、昇温速度10℃/minの条件でTMA測定を行い、100〜250℃のCTEを求めた。
(7)波長308nmにおける光線透過率
株式会社島津製作所製の紫外可視近赤外分光光度計「UV−3100PC」を用いて測定した。
(8)耐有機溶媒性
得られたフィルムを有機溶媒に所定の時間浸漬し、耐有機溶媒性を評価した。なお、有機溶媒としては、フォトレジスト層を除去する剥離液であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)と2−アミノエタノールの混合溶媒(質量比1:1にて混合)を使用した。
耐有機溶媒性の評価基準は、以下の通りとした。
E:有機溶媒に浸漬して10分未満でフィルム表面が溶解した。
D:有機溶媒に浸漬して10分以上20分未満でフィルム表面が溶解した。
C:有機溶媒に浸漬して20分以上30分未満でフィルム表面が溶解した。
B:有機溶媒に浸漬して30分以上40分未満でフィルム表面が溶解した。
A:有機溶媒に浸漬して40分経過後もフィルム表面が溶解せず変化がなかった。
実用上の観点からは、フィルム表面が10分以上溶解せず変化しないことが望ましく、上記の評価Eは不合格レベルである。
<酸二無水物>
CpODA:ノルボルナン−2−スピロ−α−シクロペンタノン−α’−スピロ−2’’−ノルボルナン−5,5’’,6,6’’−テトラカルボン酸二無水物(JXエネルギー株式会社製;式(a−1)で表される化合物)
BPDA:3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(三菱化学株式会社製;式(a−2)で表される化合物)
HPMDA:1,2,4,5−シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物(三菱ガス化学株式会社製;式(a−3)で表される化合物)
<ジアミン>
TFMB:2,2’−ビス(トリフルオロメチル)ベンジジン(和歌山精化工業株式会社製;式(b−1)で表される化合物)
ステンレス製半月型撹拌翼、窒素導入管、冷却管を取り付けたディーンスターク、温度計、ガラス製エンドキャップを備えた1Lの5つ口丸底フラスコに、TFMBを32.024g(0.100モル)と、γ−ブチロラクトン(三菱化学株式会社製)を73.799g投入し、系内温度70℃、窒素雰囲気下、回転数200rpmで撹拌して溶液を得た。
この溶液に、CpODAを11.531g(0.030モル)と、BPDAを8.826g(0.030モル)と、HPMDAを8.967g(0.040モル)と、γ−ブチロラクトン(三菱化学株式会社製)を18.450gとを一括で添加した後、イミド化触媒としてトリエチルアミン(関東化学株式会社製)を5.06g及びトリエチレンジアミン(東京化成工業株式会社製)を0.056g投入し、マントルヒーターで加熱し、約20分かけて反応系内温度を190℃まで上げた。留去される成分を捕集し、回転数を粘度上昇に合わせて調整しつつ、反応系内温度を190℃に保持して5時間還流した。
その後、γ−ブチロラクトン(三菱化学株式会社製)を164.99g添加して、反応系内温度を120℃まで冷却した後、更に約3時間撹拌して均一化し、固形分濃度10質量%のポリイミドワニスを得た。続いてガラス板上へ、得られたポリイミドワニスを塗布し、ホットプレートで80℃、20分間保持し、その後、窒素雰囲気下、熱風乾燥機中350℃で30分加熱し溶媒を蒸発させ、厚み10μmのフィルムを得た。結果を表1に示す。
CpODAの量を0.030モルから0.025モルに変更し、BPDAの量を0.030モルから0.035モルに変更した以外は、実施例1と同様の方法によりポリイミドワニスを作製し、固形分濃度10質量%のポリイミドワニスを得た。得られたポリイミドワニスを用いて、実施例1と同様の方法によりフィルムを作製し、厚み20μmのフィルムを得た。結果を表1に示す。
BPDAの量を0.030モルから0.035モルに変更し、HPMDAの量を0.040モルから0.035モルに変更した以外は、実施例1と同様の方法によりポリイミドワニスを作製し、固形分濃度10質量%のポリイミドワニスを得た。得られたポリイミドワニスを用いて、実施例1と同様の方法によりフィルムを作製し、厚み14μmのフィルムを得た。結果を表1に示す。
酸二無水物としてCpODAを0.100モルのみ使用した以外は、実施例1と同様の方法によりポリイミドワニスを作製し、固形分濃度10質量%のポリイミドワニスを得た。得られたポリイミドワニスを用いて、実施例1と同様の方法によりフィルムを作製し、厚み14μmのフィルムを得た。結果を表1に示す。
ステンレス製半月型撹拌翼、窒素導入管、冷却管を取り付けたディーンスターク、温度計、ガラス製エンドキャップを備えた500mLの5つ口丸底フラスコに、TFMBを32.024g(0.100モル)と、N,N−ジメチルホルムアミド(三菱ガス化学株式会社製)を73.993g投入し、系内温度50℃、窒素雰囲気下、回転数200rpmで撹拌して溶液を得た。
この溶液に、BPDAを29.420g(0.100モル)と、N,N−ジメチルホルムアミド(三菱ガス化学株式会社製)を18.498gとを一括で添加した後、約20分かけて溶解し、回転数を粘度上昇に合わせて調整しつつ、室温で5時間撹拌した。
その後、N,N−ジメチルホルムアミド(三菱ガス化学株式会社製)を165.442g添加して、約1時間撹拌して均一化し、固形分濃度20質量%のポリアミック酸ワニスを得た。続いてガラス板上へ、得られたポリアミック酸ワニスを塗布し、ホットプレートで80℃、20分間保持し、その後、窒素雰囲気下、熱風乾燥機中350℃で30分加熱することで、ポリアミック酸をイミド化するとともに、ワニス中の溶媒を蒸発させ、厚み7μmのフィルムを得た。結果を表1に示す。
酸二無水物としてHPMDAを0.100モルのみ使用した以外は、実施例1と同様の方法によりポリイミドワニスを作製し、固形分濃度10質量%のポリイミドワニスを得た。得られたポリイミドワニスを用いて、実施例1と同様の方法によりフィルムを作製し、厚み10μmのフィルムを得た。結果を表1に示す。
一方、比較例1のポリイミドフィルムはレーザー剥離性が大きく劣り、耐有機溶媒性も実用上不合格のレベルである。比較例2のポリイミドフィルムは無色透明性が少し劣っており、熱に対する寸法安定性は大きく劣る。比較例3のポリイミドフィルムは熱に対する寸法安定性及びレーザー剥離性が大きく劣る。
Claims (5)
- 構成単位A中における構成単位(A−1)の比率が10〜80モル%であり、
構成単位A中における構成単位(A−2)の比率が10〜80モル%であり、
構成単位A中における構成単位(A−3)の比率が10〜80モル%である、請求項1に記載のポリイミド樹脂。 - 構成単位B中における構成単位(B−1)の比率が50モル%以上である、請求項1又は2に記載のポリイミド樹脂。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のポリイミド樹脂が有機溶媒に溶解してなるポリイミドワニス。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のポリイミド樹脂を含む、ポリイミドフィルム。
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