KR100233328B1 - 열잠재성 촉매형 경화제인 n-벤질-퀴녹살리늄-헥사플루오로안티모네이트에 의해 경화된 열잠재성 및 내열성의 이관능성 에폭시 수지 경화물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 촉매형 경화제로서 벤질기를 갖는 퀴녹살리늄염을 이관능성 및 다관능성 에폭시 수지 및 그와 유사한 열경화성 수지에 첨가하는 것을 특징으로 하는 고내열성 에폭시 수지 조성물의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라 얻어진 에폭시 수지 조성물은 함침성, 가공성, 내충격성, 내약품성, 전기 절연성 및 접착성 등에서도 매우 우수하다.

Description

열잠재성 촉매형 경화제인 N-벤질-퀴녹살리늄-헥사플루오로안티모네이트에 의해 경화된 열잠재성 및 내열성의 이관능성 에폭시 수지 경화물

본 발명은 고내열성 에폭시 수지 조성물의 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 가공성이 좋은 상태에서 단시간에 경화가 가능한 잠재성 촉매로서 벤질기를 갖는 퀴녹살리늄염을 경화제로 사용하여 에폭시의 경화시 에폭시 단량체의 열적 특성 저하를 방지하고, 고온에서도 사용이 가능한 에폭시 수지 조성물의 제조방법에 관한 것이다.

열경화성 수지 중의 하나인 에폭시 수지는 내열성, 기계적 특성, 전기절연성, 접착성 및 내후성 등이 우수한 고분자 물질로서 도료, 전기 절연 재료, 염화비닐의 안정화제, 코팅용, 그리고 섬유강화 복합재료의 매트릭스 수지로 사용되고 있음은 주지의 사실이며, 하나의 수지로 이만큼 폭넓은 용도를 갖게 된 에폭시 수지의 공업적 발전은 그 경화 기술의 개발과 더불어 달성되었다고 해도 과언이 아닐 정도로 경화제의 에폭시 수지에 미치는 영향은 크다고 하겠다.

특히 에폭시 수지는 삼차원 망목상 구조를 가지기 위해서도 거의 필수적으로 경화제를 사용하게 되는데 이 경화제의 특성에 따라 내열성 및 최종 기계적 특성이 달라지게 된다. 그러한 경화제로서 많은 경우에 아민 화합물처럼 인체에 유해한 성분을 가진 경화제가 빈번히 사용되어 많은 문제를 야기시키고 있으며, 그와 같은 경화제와 경우에 따라서는 촉진제, 가소제, 충전제, 이형제, 난연제, 희석제, 염료 등과 같은 첨가제의 사용은 에폭시 수지의 물성을 크게 떨어뜨린다.

또한 아민류와 같은 (예를들어, DDS: 4,4-디아미노디페닐설폰) 경화제 사용시 그 점도가 높아서 가공성이 현저하게 떨어져 성형품 제조에 많은 어려움을 가져왔다.

최근 전기 및 전자산업이 급속히 발전하는 과정에서 성능이 우수한 집적회로의 개발은 동시에 이를 탑재하는 고성능 인쇄회로 기판용 재료의 개발을 필요로 하게 되었으며, 더욱이 고밀도 배선화가 가능하며 전기 절연성, 유전성, 내열성, 칫수안정성이 탁월한 재료에 대한 개발이 요구되어 지고 있다. 그 한 예로 180℃이상에서도 그 내열 특성이 전혀 변하지 않는 재료에 대한 요구는 차세대 산업이라 불리우는 LCD(Liquid Crystal Displays), FED(Field Emission Displays), PDP(Plasma Display Panel) 등과 같은 대형 평판 디스플레이 산업에 더욱 필요하지만, 아직까지 기존 에폭시 수지에 대한 고온에서의 열안정성에 대한 불확신과 FR-5와 같은 고내열 에폭시 수지나 비스말레이미드 트리아진 수지 또는 폴리이미드 수지와 같은 재료들이 아직까지 가격이 비싸 원가상승의 요인으로 현재 수요가 주춤하고 있는 상태이다.

따라서 본 발명은, 에폭시 수지 조성물의 제조시, 매우 소량의 촉매형 경화제 사용으로 인하여 에폭시 수지 자체의 물성을 증진시키며, 경우에 따라서는 기존의 고내열성 경화제 첨가에 의하여 더욱 향상된 고내열성을 보장하거나 다른 열경화성 및 열가소성 매트릭스 수지에 첨가하여 내열성 등의 물성을 증진시킨 에폭시 수지 조성물의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적은 촉매형 경화제로서 벤질기를 갖는 퀴녹살리늄염을 이관능성 및 다관능성 에폭시 수지 및 그와 유사한 열경화성 수지에 첨가함으로써 달성될 수 있다.

이와같이, 벤질기를 갖는 퀴녹살리늄염을 이관능성 및 다관능성 에폭시 수지 및 그와 유사한 열경화성 수지에 첨가하면 일차적으로 삼차원 망목상 구조물의 전구물질을 형성하여 경화온도 상승시 열적 안정성을 나타내게 되며 그 결과 얻어진 경화 조성물은 기존의 열경화성 수지의 내열성 보다 30% 내지 300% 더 높은 내열성을 나타내게 된다는 사실이 밝혀졌다.

또한, 기존의 경화제없이 본 발명에 따른 경화제 자체만으로의 경화시 60 내지 180℃에서 물과 같은 매우 낮은 점도를 이루어, 그 수지 함침성 및 가공성을 뛰어나게 한다는 사실도 밝혀졌다.

기존 에폭시 수지 및 그와 유사한 경화성 수지의 경화 기술에서 본 발명에 따른 촉매형 경화제를 사용하면 아민류 경화제 사용으로 인한 인체 및 환경유해성을 대폭 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 벤질기를 갖는 퀴녹살리늄염과 함께 기존의 아민류와 같은 경화제를 첨가하면 고내열성, 고내충격성, 고내약품성, 고전기절연성, 고접착성을 갖는 열경화성 에폭시 수지 조성물 및 그와 유사한 구조를 가진 수지 조성물을 얻을 수 있다.

기존의 경화제 없이 본 발명에 따른 벤질기를 갖는 퀴녹살리늄염 0.01% 내지 5%를 첨가하면 에폭시 수지 및 그와 유사한 구조를 가지는 수지의 자가 촉매화 반응을 촉진시키게 된다.

본 발명에 따른 벤질기를 갖는 퀴녹살리늄염의 첨가에 따라 에폭시 수지 및 그와 유사한 구조를 갖는 수지가 60℃에서 360℃까지 일정한 선팽창 계수를 가져서 그 온도에서 열안정성을 보이며 동시에 기계적 특성을 유지하게된다.

또한, 본 발명에 따른 벤질기를 갖는 퀴녹살리늄염의 첨가에 따라 열분해온도가 이관능성 및 다관능성에 따라 250℃ 이상의 온도에서 열분해 개시온도가 시작된다.

수지의 점도가 어느 시점에서 급격히 상승하는 반응을 일으켜 고체상 물질이 되었으나 이 온도에서 반응하는 동안 기존의 에폭시 및 그와 유사한 구조를 갖는 수지에서 보이는 수축 현상이 일어나지 않고 오히려 0.01 내지 15%의 부피증가를 일으켜 가공제조시 칫수특성이 좋은 성형조건을 만족시킨다.

본 발명에서 사용된 경화제로서의 촉매는 벤질기를 갖는 퀴녹살리늄염으로 현재까지 활성이 높다고 알려진 N-벤질 퀴녹살리늄염, 바람직하기로는 N-벤질-퀴녹살리늄-헥사플루오로안티모네이트이다.

이 N-벤질-퀴녹살리늄-헥사플루오로안티모네이트는 벤질 브로마이드와 퀴녹살린을 상온에서 반응시킨 후 생성된 불용의 벤질 퀴녹살리늄염을 여과하고 수용액에 녹인다음 NaSbF₆를 첨가하여 생성된 백색 고체를 여과하고 메탄올로부터 재결정에 의하여 정제 및 건조를 통하여 한국화학연구소에서 제조한 것으로 이하의 구조식으로 표시된다 :

상기 식에서, R은 수소 원자 또는 알콕시기이다.

본 발명에 따른 N-벤질-퀴녹살리늄-헥사플루오로안티모네이트는 이하의 물성을 갖는다:

융점 : 146.1-148.2℃

본 발명에 따른 촉매형 경화제는, 기존 아민류의 경화제를 사용하여 제조된 에폭시 수지보다 장기간 보존이 가능하고 단시간 내에 경화 반응을 시작하며 내열성이 우수하고, 흡습성이 낮으며 내수성과 내약품성이 우월하다.

또한 앞에서 기술하였듯이 본 발명의 촉매형 경화제 만으로도 경화가 가능하며 아민류와 같이 인체에 해로운 가스가 경화중에 생기지 않으므로 기존의 전기. 전자부품의 봉지제, 인쇄 기판 원자재, 절연재, 접착제, 섬유보강 프리프레그(Prepreg) 등의 제품 제조시 환경 청정 첨가제로서의 대체 역할도 기대된다. 그리고 경우에 따라서는, 본 발명의 촉매형 경화제가 난연제, 중량제, 정전기 방지제, 계면활성제, 안료, 도료, 염료등의 용도로 사용되는 수지 배합에 대하여 경화촉진제로서 혼합 사용이 가능하다.

본 발명의 실시예와 비교예는 다음과 같고, 이로 인해 본 발명이 제한되지 않는다.

[실시예 1]

다관능성 에폭시 수지 YH-300[국도화학(주) 제품]에 본 발명의 촉매형 경화제를 1중량%로 첨가하여 상온, 즉 25℃하여 상온, 즉 25℃에서 일광이 들어오는 조건하에서 1주일 방치한 결과 딱딱하고 탄성이 있는 고체 물질을 수득하였다. 승온 속도를 분당 10℃로 유지하면서 분당 50㎤로 보내는 질소 분위기에서 실시한 중량 변화 측정을 위한 시험을 열분석기기(Thermo-Gravimetric Analysis, TGA)로 분석할 때, 262℃의 열분해 개시온도를 나타내었다. 일반적인 삼관능성 및 사관능성과 같은 다관능성 에폭시 수지의 내열도가 150-250℃인 것을 감안하면 약 30-75%의 내열도 증가를 나타내었다.

이와같은 결과를 추적 및 분석하기 위하여, 본 실험에서 사용된 수지(YH-300)에 위와같은 경화제 첨가 조건으로 130℃에서 10분간 유지시켜서 얻은 시료를 NMR과 FTIR 분석기기를 이용하여 분석한 결과 원래의 조성물로부터 새로운 물질이 얻어졌음을 확인하였다.

본 실험에서 이 물질을 에폭시 수지(YH-300)로부터 얻어진 최종 경화물을 형성하는 전구물질이라 칭한다. 이것으로 인한 결과는 경화반응 도중에 미리 고온에서의 열적 안정성을 가지는 경화물의 전구물질을 형성시켜 그보다 고온에서의 최종 경화조건을 만족시키고 이로 인하여 얻어진 열분해 개시온도를 대폭 향상시켰다는 점이다.

[실시예 2]

중점도 타입의 이관능성 에폭시 수지(YD-128, 국도화학 제품)에 본 발명의 촉매형 경화제를 1중량%로 첨가하여 상온, 즉 25℃에서 일광이 들어오는 조건에서 3일 방치한 결과 딱딱하고 탄성이 있는 고체 물질을 수득하였다. 이 중합체의 열분해 개시온도는 실시예 1에서와 동일한 방법으로 측정한 결과 350℃로 나타내었다. 일반적인 이관능성과 같은 다관능성 에폭시 수지의 내열도가 90-150℃인 것을 감안하면 130-290%의 내열도 증가를 나타내었다.

이와같은 결과를 추적 및 분석하기 위하여, 본 실험에서 사용된 수지(YD-128)에 위와같은 경화제 첨가 조건으로 130℃에서 10분간 유지시켜서 얻은 시료를 NMR과 FTIR 분석기기를 이용하여 분석한 결과 원래의 조성물로부터 새로운 물질이 얻어졌음을 확인하였다.

본 실험에서 이 물질을 본 에폭시 수지(YD-128)로부터 얻어진 최종 경화물을 형성하는 전구물질이라 칭한다. 이로부터 얻은 결과는 경화반응 도중에 미리 고온에서의 열적 안정성을 가지는 경화물의 전구물질을 형성시켜 그보다 고온에서의 최종 경화조건을 만족시키고 이로 인하여 얻어진 열분해 개시온도를 대폭 향상시켰다는 점이다.

[실시예 2]

이관능성 에폭시 수지 LY556(시바 가이기사 제품)에 본 발명의 촉매형 경화제를 1중량%로 첨가하여 170℃에서 1시간 유지시키면 탄성이 있는 중합체가 얻어진다. 이 중합체의 열분해 개시온도는 실시예 1에서와 동일한 방법으로 측정한 결과 337℃로 나타내었다. 일반적인 이관능성과 같은 다관능성 에폭시 수지의 내열도가 90-150℃인 것을 감안하면 120-270%의 내열도 증가를 나타내었다.

이와같은 결과를 추적 및 분석하기 위하여, 본 실험에서 사용된 수지(LY-556)에 위와같은 경화제 첨가 조건으로 130℃에서 10분간 유지시켜서 얻은 시료를 NMR과 FTIR 분석기기를 이용하여 분석한 결과 원래의 조성물로부터 새로운 물질이 얻어졌음을 확인하였다.

본 실험에서 이 물질을 에폭시 수지(LY-556)로부터 얻어진 최종 경화물을 형성하는 전구물질이라 칭한다. 이로부터 얻은 결과는 경화반응 도중에 미리 고온에서의 열적 안정성을 가지는 경화물의 전구물질을 형성시켜 그보다 고온에서의 최종 경화조건을 만족시키고 이로 인하여 얻어진 열분해 개시온도를 대폭 향상시켰다는 점이다.

[실시예 4]

시바 가이기사의 이관능성 에폭시 수지 LY5082에 본 발명의 촉매형 경화제를 1중량%로 첨가하여 170℃에서 1시간 유지시키면 탄성이 있는 중합체가 얻어진다. 이 중합체의 열분해 개시온도는 실시예 1에서와 동일한 방법으로 측정한 결과 284℃를 나타내었다. 일반적인 이관능성과 같은 다관능성 에폭시 수지의 내열도가 90-150℃인 것을 감안하면 90-210%의 내열도 증가를 나타내었다.

이와같은 결과를 추적 및 분석하기 위하여, 본 실험에서 사용된 수지(LY-5082)에 위와같은 경화제 첨가 조건으로 130℃에서 10분간 유지시켜서 얻은 시료를 NMR과 FTIR 분석기기를 이용하여 분석한 결과 원래의 조성물로부터 새로운 물질이 얻어졌음을 확인하였다.

본 실험에서 이 물질을 에폭시 수지(LY-5082)로부터 얻어진 최종 경화물을 형성하는 전구물질이라 칭한다. 이로부터 얻은 결과는 경화반응 도중에 미리 고온에서의 열적 안정성을 가지는 경화물의 전구물질을 형성시켜 그보다 고온에서의 최종 경화조건을 만족시키고 이로 인하여 얻어진 열분해 개시온도를 대폭 향상시켰다는 점이다.

[비교예 1]

실시예 3에서 사용한 시바 가이기사의 이관능성 에폭시 수지 LY556에 본 발명의 촉매형 경화제를 1중량%로 첨가하여 170℃에서 1시간 유지시키면 탄성이 있는 중합체가 얻어진다. 승온 속도를 분당 10℃로 유지하면서 분당 50㎠로 보내는 질소 분위기에서 실시한 열용량, 엔탈피 변화 측정을 위한 시험을 열분석기기(Differential Scanning Analysis, DSC)로 분석할 때, 200℃의 열분해 개시온도 전후에서 삼차원 망목상 구조를 형성하는 반응을 나타내었다. 전형적인 에폭시 수지의 열경화 반응을 관찰하면 온도 상승으로 삼차원 망목상 구조를 형성한 후 이어서 완전경화를 이루고 계속되는 온도상승에 따라 열분해 반응이 일어나는 것을 볼 수 있다. 이같은 관찰결과는 실시예 3에서 관찰된 결과와 마찬가지로 상당한 내열 특성이 상승되었음을 보여준다.

[비교예 2]

시바 가이기사의 삼관능성 에폭시 수지 MY0510과 사관능성 에폭시 수지 MY721에 본 발명의 촉매형 경화제를 1중량%로 첨가하여 170℃ 또는 190℃에서 한시간 유지시켜도 액상으로 남아있는다. 비교예 1에서 실시한 방법으로 관찰한 결과, MY0510의 경우 283℃를 전후하여 삼차원 망복상 구조를 형성하는 반응이 나타났고 즉시 열분해가 일어났다. MY721의 경우 삼차원 망목상 구조를 형성하는 반응이 나타나지 않고 그대로 열분해만 진행되었다. 전형적인 에폭시 수지의 열경화 반응을 살펴보면 온도상승이 우선 삼차원 망목상 구조를 형성시키고 난 후 계속되는 온도 상승에 따라 어느 시점에서 열분해 반응이 일어나는 것을 보면, 본 촉매형 경화제는 주로 선형 구조를 가지는 에폭시의 내열 특성을 주로 향상시키는 것을 보여준다.

[비교예 3]

실시예 4에서 사용한 시바 가이기사의 이관능성 에폭시 수지 LY5082에 본 발명의 촉매형 첨가제를 1중량%로 첨가하여 170℃에서 1시간 유지시키면 탄성이 있는 중합체가 얻어진다. 비교예 1에서 실시한 방법으로 관찰한 결과, 열분해 개시온도가 193℃를 전후로 삼차원 망목상 구조를 형성하는 반응이 나타났다. 전형적인 에폭시 수지의 열경화 반응을 살펴보면 온도 상승이 우선 삼차원 망목상 구조를 일으키고 난 후 계속되는 온도상승에 따라 어느 시점에서 열분해 반응이 일어나는 것을 보면, 실시예 4에서 관찰된 결과와 마찬가지로 상당한 내열 특성이 향상되었음을 보여준다.

[비교예 4]

실시예 4와 비교예 3에서 사용한 시바 가이기사의 이관능성 에폭시 수지 LY5082에 본 발명의 촉매형 경화제를 1중량%로 첨가하여 170℃에서 1시간 유지시키면 중합체가 얻어진다. 승온 속도를 분당 10℃를 유지하며 분당 50㎠로 보내는 질소분위기에서 실시한 기계적 특성의 변화를 측정하는 열분석기기(Thermo-Mechanical Analysis, TMA)를 사용하여 온도에 따른 선팽창 계수를 측정하였다. 이때 100℃에서 250℃까지 일정한 값 1.779 × 10^-4K^-1를 나타내었다. 이 사실은 250℃까지의 열안정성을 나타내며 격렬한 분해온도는 최소한 그 보다 훨씬 높은 온도임을 나타내며, 이는 곧 실시예 4와 비교예 3의 데이터 결과를 비교 확인해 주었다.

[비교예 5]

실시예 3과 비교예 1에서 실시한 시바 가이기사의 이관능성 에폭시 수지 LY556에 본 촉매형 경화제를 1중량%로 첨가하여 170℃에서 1시간 유지시키면 중합체가 얻어진다. 승온 속도를 분당 5℃로 유지하고, 온도에 따른 점도변화와 선팽창계수를 분석할 수 있는 RDA로 측정한 결과, 140℃를 전후하여 수지의 점도가 거의 물과 같은 수준으로 저하하였다. 그리고 계속하여 온도의 상승에 따라 190℃ 전후에서 점도가 급격히 상승하여 탄성률이 높은 고체상 물질이 얻어졌다. 여기서 특기할 사항은 일반적인 에폭시 수지의 경화반응시 발생되는 부피 수축이 발생되지 않았으며 오히려 약간의 부피증가 현상을 보였다는 점이다.

[비교예 6]

실시예 4와 비교예 3, 비교예 4에서 실시한 시바 가이기사의 이관능성 에폭시 수지 LY5082에 본 촉매형 경화제를 1중량%로 첨가하여 170℃에서 1시간 유지시키면 중합체가 얻어진다. 비교예 5에서와 같은 방법으로 측정한 결과, 120℃를 전후하여 수지의 점도가 거의 물과 같은 수준으로 저하하였다. 그리고 계속하여 온도의 상승에 따라 190℃ 전후에서 점도가 급격히 상승하여 탄성률이 높은 고체상 물질이 얻어졌다. 여기서 또한, 일반적인 에폭시 수지의 경화반응시 발생되는 부피수축이 발생되지 않았으며 오히려 약간의 부피증가 현상을 보였다.

Claims (2)

1. 열경화성 촉매형 경화제로서 N-벤질-퀴녹살리늄-헥사플루오로안티모네이트 0.01 내지 5중량%를 이관능성 에폭시 수지에 첨가한 후 120 내지 140℃로 승온하여 낮은 점도를 갖는 전구물질을 형성하고, 이를 다시 170 내지 190℃로 승온하여, 경화과정에서 부피가 팽창하는 것을 특징으로 하는 열잠재성 및 내열성 에폭시 수지 경화물.
2. 제1항에 있어서, 상기 N-벤질-퀴녹살리늄-헥사플루오로안티모네이트에 기존의 아민류와 같은 경화제를 더 부가하는 것을 특징으로 하는 열잠재성 및 내열성 에폭시 수지 경화물.