KR101967155B1 - 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조방법, 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지, 이를 포함하는 조성물 및 이의 용도 - Google Patents

알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조방법, 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지, 이를 포함하는 조성물 및 이의 용도 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에폭시 수지의 합성시에 형성된 히드록시기를 이용하여 1단계 제조방법(one-step reaction)으로 알콕시실릴화로 인한 에폭시 수지의 EEW (Epoxy Equivalent Weight) 증가가 최소화된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지를 제조하는 새로운 방법, 이에 따라 제조된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지, 및 이를 포함하는 조성물, 및 이의 용도 등에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질과 이소시아네이트 알콕시실란을 트리에틸아민, 디이소프로필에틸아민, 피리딘 및 이미다졸로 구성되는 그룹으로부터 선택된 최소 일종의 아민류 염기 촉매 존재 하에서, 반응시키는 단계에 의해, [에폭시기]:[알콕시실릴기]의 몰 농도비인 n:1이 2:1 내지 10:1이고, 상기 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 EEW 증가는 260/n보다 작은 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지가 제조된다. 본 발명에 의한 방법에서, 에폭시 수지 중의 히드록시기에 알콕시실릴기가 도입되어 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지가 제조된다. 따라서, 생성물인 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 EEW의 증가가 최소화되며, 이에 따라, 경화시에, 우수한 물성을 나타낸다.

Description

알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조방법, 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지, 이를 포함하는 조성물 및 이의 용도{Preparing Method of Epoxy Resin Having Alkoxysilyl Group, Epoxy Resin Having Alkoxysilyl Group, Composition comprising the Same, and Use thereof}
본 발명은 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 이용하여 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지를 제조하는 새로운 방법, 이에 따라 제조된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지, 이를 포함하는 조성물 및 이의 용도에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 간단한 1단계 제조방법 (one-step reaction) 으로 알콕시실릴화로 인한 에폭시 수지의 EEW (Epoxy Equivalent Weight)증가가 최소화된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지를 제조하는 새로운 방법, 이에 따라 제조된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지, 이를 포함하는 조성물 및 이의 용도에 관한 것이다.
에폭시 수지는 기계적 특성, 전기 절연성, 내열성, 내수성 및 접착성 등이 우수하기 때문에, 도료, 인쇄 배선 기판, IC 봉지재, 전기, 전자 부품, 접착제 등으로 널리 이용된다.
이러한, 에폭시 수지의 열팽창계수를 낮추는 연구는 지속적으로 진행되고 있지만, 에폭시의 열팽창계수(CTE, Coefficient of Thermal Expansion)는 요구되는 수준에 비해 여전히 크다. 예를 들어, 반도체 패키징에서, 실리콘에 비교하여 에폭시 수지의 CTE가 높아서, 반도체 패키징의 신뢰성 및 가공성이 현저하게 제한된다. 그러므로 개선된 열팽창 특성을 보이는 에폭시 시스템의 개발이 요구된다.
에폭시 수지는 일반적으로 염기 촉매하에서 에피클로히드린과 다관능성 히드록시 화합물(multifunctional hydroxylic compound)의 반응을 통하여 제조한다. 즉 일차적으로 에피클로히드린의 에폭시그룹이 염기 촉매 하에서 히드록시 화합물(hydroxylic compound)과 반응하여 1,2-클로로히드린이 생성되고, 이어지는 디하이드로클로르화(dehydrochlorination) 반응을 통하여 폐환이 진행되면서 에폭시 수지가 생성된다. 그러나 이 같은 에폭시 수지 제조 조건에서 폐환이 되지 못한 1,2-클로로히드린, β-첨가로 인한 1,3-클로로히드린, 생성된 에폭시 고리의 가수분해로 인한 1,2-글리콜과 출발물질인 히드록시 화합물의 반응으로 인한 다량체 생성 등과 같은 부반응이 같이 진행된다. 따라서, 대부분 상용 에폭시 수지는 에폭시 작용기만 갖는 에폭시 수지와 부반응으로 생성되는 히드록시기 및 에폭시기를 갖는 에폭시수지의 혼합물 형태로 존재한다. 하기 반응식 1에 부반응으로 생성된 히드록시기를 포함하는 에폭시 수지를 개략적으로 나타냈으며, 이러한 에폭시 수지도 2이상의 에폭시기를 갖는다.
[반응식 1]
Figure 112017110488644-pat00001
(상기 히드록시기를 갖는 에폭시 수지의 구조는 이해를 돕도록 편의상 간략하게 나타낸 것이다. 부반응으로 형성된 히드록시기를 갖는 관능기는 상기 (1) 내지 (4)로 나타낸 바와 같이 다양하며, 다수의 반복단위를 포함하는 다량체에서 이러한 관능기는 다양한 조합으로 존재할 수 있다. 이러한 내용은 이 기술분야의 당업자에게 자명한 사항으로 상세히 기재하지 않는다.)
그러나, 에폭시 수지가 (에폭시 고리가 되지 못한) 히드록시기를 포함하게 되면, 이로 인하여 에폭시 수지의 EEW가 증가한다. 뿐만 아니라, 히드록시기는 에폭시 경화반응에 참여하지 못하므로, 경화된 에폭시 시스템의 물성을 저하시키는 문제점이 있다.
한편 본 발명의 출원인은 알콕시실릴기를 도입한 새로운 구조의 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지를 개발하였으며 (특허출원 10-2012-0093320, 10-2013-0027308, 10-2013-0078347, 10-2013-0111473, 10-2014-0021884 등), 에폭시 수지에 알콕시실릴기가 도입되면, 에폭시 복합체 형성시, 복합체의 내열특성 향상이 크게 향상됨을 관찰하였다.
상기 특허출원 10-2013-0027308 및 10-2013-0078347에서는 출발물질의 방향족 알코올의 일부분만 에폭시화하여, 히드록시기를 포함하는 에폭시 수지를 합성(이하 '히드록시기를 포함한 에폭시수지 중간체'이라고 명칭함) 한 후, 잔존하는 히드록시기를 이소시아네이트계 알콕시실란과 반응시켜 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지를 제조하는 방법을 사용하였다. 그러나, 상기 방법은 '히드록시기를 포함한 에폭시 수지 중간체' 합성시, 중간체의 구조를 제어하기가 어려운 문제점이 있었다. 예를 들어, OH기가 잔존하도록 에피클로히드린의 양을 줄이는 경우에는, 잔존하는 방향족 OH기가 에폭시기를 공격하여 반응함으로써 분자량이 증대되고, 이에 따라, EEW (Epoxy Equivalent Weight, 에폭시 수지의 총 분자량을 에폭시 작용기의 수로 나눈값)가 증대되는 문제가 있다. 또한 이 문제를 해결하기 위해서 에피클로히드린을 다량 첨가하면, OH기가 모두 반응하여 '히드록시기를 포함한 에폭시 수지 중간체'를 제조하기가 어렵다.
기출원된 알콕시실릴화 에폭시 수지의 제조방법 중 특허출원 10-2013-0111473 및 10-2014-0021884에서, 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지는 에폭시 수지의 에폭시기를 개환하고, 개환시 생긴 2차 OH기에 알콕시실릴기를 도입하여 제조한다. 상기 기출원에 의한 ortho-크레졸노블락 에폭시 수지를 이용한 알콕시실릴화 에폭시 수지의 제조방법의 반응을 하기 반응식 2에 개략적으로 나타내었다.
[반응식 2]
Figure 112017110488644-pat00002
상기 반응식 2에 도시한 바와 같이, 상기 기출원의 방법으로 제조된, 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지는 (1) 에폭시 고리 개환으로 인하여 에폭시 수지의 에폭시기가 소비되고, (2) 개환을 위해 사용되는 반응물(개환제)이 에폭시 수지 구조에 부가됨에 따라, 최종적으로 합성되는 알콕시실릴기화 에폭시 수지의 EEW 값이 증가한다. 이와 같은 에폭시 수지의 EEW의 증대는 에폭시 수지의 경화속도 및 경화도에 영향을 준다. 예를 들어 EEW가 200g/Eq인 에폭시 수지를 이용하여 [에폭시기] 대 [알콕시실릴기]의 몰농도 비율이 4:1의 알콕시실릴화 에폭시 수지를 고리개환방법으로 합성하면, EEW > 324g/Eq 인 에폭시 수지가 얻어진다. 실릴화 비율이 2:1로 증가하면, 알콕시실릴에폭시 수지의 EEW > 450g/Eq 수준으로 초기 에폭시 수지에 비해 130%이상 증가한다. 또한, 이어지는 2단계 알콕시실릴화반응의 부반응 억제를 위하여 1단계 링오픈단계에서 사용하는 강염기(예를 들어 NaOH)를 깨끗이 제거해야 하는 번거로움이 있다.
따라서, 상기한 종래의 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조방법에 비하여 간단할 뿐만 아니라, 알콕시실릴화로 인한 에폭시 수지의 EEW 증가가 최소화되는, 기존 방법의 문제점을 개선할 수 있는 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조방법이 요구된다.
또한, EEW의 증가가 최소화되고, 경화시 우수한 경화특성을 나타내는 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조방법 및 이러한 물성을 나타내는 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지가 요구된다.
따라서, 본 발명은 에폭시 수지 제조공정 중에 형성된 히드록시기를 이용하여 에폭시 복합체에서 우수한 내열특성, 즉, 저 CTE 특성을 나타내는 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조방법 및 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지를 제공하는 것이다. 즉, 에폭시 수지 내의 (에폭시 고리로 폐환되지 못하여 형성된) 히드록시기를 실란커플링제와 반응시켜 반응성 알콕시실릴기로 전환하여, 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지를 합성한다. 또한, 이에 따라, EEW의 증가가 최소화된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지가 얻어진다.
본 발명에 의하면, 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 알콕시실릴기로 전환하여, (1) 무기물과의 계면반응이 진행되고, (2) 에폭시 경화반응에 참여하는 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조방법이 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 단순한 1단계 합성방법 (one-step reaction)으로 알콕시실릴화로 인한 에폭시 수지의 EEW 증가를 최소화할 수 있는, 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조방법이 제공된다.
나아가, 본 발명에 의하면, EEW의 증가가 최소화되고, 우수한 경화특성을 나타내는 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지가 제공된다. 또한, 이러한 본 발명의 에폭시 수지를 포함하는 조성물, 전자재료 및 경화물이 제공된다.
본 발명의 1 견지에 의하면, 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조방법으로서,
에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질(이하, '히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질'이라 하기도 한다)과 하기 화학식 1의 이소시아네이트 알콕시실란을 트리에틸아민, 디이소프로필에틸아민, 피리딘 및 이미다졸로 구성되는 그룹으로부터 선택된 최소 일종의 아민류 염기 촉매 존재 하에서, 반응시키는 단계를 포함하며,
상기 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지에서 [에폭시기]:[알콕시실릴기]의 몰농도비인 n:1은 2:1 내지 10:1이며,
상기 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 EEW 증가는, 상기 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질의 EEW값에 비하여, 260/n (n은 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 알콕시실릴기 1 몰에 대한 대한 에폭시기의 몰비로 2 내지 10의 범위이다) 보다 작은, 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조방법이 제공된다.
[화학식 1]
OCN(CH2)3SiR1R2R3
(식에서, 상기 R1 내지 R3 중 적어도 하나는 탄소수 1 내지 5 알콕시기이고, 나머지는 탄소수 1 내지 10 알킬기이다.)
본 발명의 제 2견지에 의하면, 제1 견지에 있어서, 상기 에폭시 수지 합성시 형성된 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질은 하기 화학식 (AS) 내지 (IS)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 일종인 방법이 제공된다.
Figure 112017110488644-pat00003
(상기 화학식 BS에서 S는
Figure 112017110488644-pat00004
이며,
화학식 DS에서 t는
Figure 112017110488644-pat00005
이며,
화학식 AS 내지 DS에서 n은 1 이상의 정수이며,
화학식 ES에서, -q-는 -CH2-이거나 직접 결합(direct linkage)이며,
화학식 GS에서 R은 수소, 히드록시기, C1 내지 C10의 알킬기 또는 C6 또는 C10의 방향족기이며,
상기 화학식 AS 내지 IS에서, K 중 적어도 하나는 -CH2CHOHCH2OH (화학식 (S11)), -CH2CHOHCH2Cl (화학식 (S12)), 및 -CH(CH2OH)(CH2Cl) (화학식 (S13))으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 히드록시기를 갖는 구조이고 나머지는 하기 화학식 (E1)의 에폭시기를 갖는 구조이다.
Figure 112017110488644-pat00006
Figure 112017110488644-pat00007
상기 화학식 AS 내지 IS 구조는, K 중 어느 하나의 위치에서 하기 화학식 LG1의 히드록시기를 갖는 연결기로 연결될 수 있다.
Figure 112017110488644-pat00008
제 3 견지에 의하면, 상기 제 1견지에 있어서, 상기 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질의 히드록시기 1 당량에 대하여, 상기 화학식 1의 이소시아네이트 알콕시실란은 1 당량으로 반응된다. 제4견지에 의하면, 상기 제 1 견지에 있어서, 상기 아민류 염기 촉매는 상기 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질의 히드록시기 1당량에 대하여 0.5 내지 1 당량으로 사용될 수 있다. 제5견지에 의하면, 상기 제 1 견지에 있어서, 상기 반응시키는 단계는 90℃ 내지 150℃ 온도에서 수행될 수 있다. 제6견지에 의하면, 상기 제 1 견지에 있어서, 상기 반응시키는 단계는 72시간 내지 120시간 동안 수행될 수 있다.
제7견지에 의하면, 상기 제 1 견지에 있어서, 상기 본 발명의 방법에서 제조되는 제조되는 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지는 하기 화학식 (AF) 내지 (IF)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 일종일 수 있다.
Figure 112017110488644-pat00009
화학식 BF에서 S는
Figure 112017110488644-pat00010
이며,
화학식 DF에서 t는
Figure 112017110488644-pat00011
이며,
화학식 AF 내지 DF 에서 n은 1 이상의 정수이며,
화학식 EF에서, -q-는 -CH2-이거나 직접 결합(direct linkage)이며,
화학식 GF에서 R은 수소, 히드록시기, C1-C10 알킬기 또는 C6 또는 C10 방향족기이며,
상기 화학식 AF 내지 IF에서, M 중 적어도 하나는 -CH2CHOXCH2OX (화학식 (S21)), -CH2CHOXCH2Cl (화학식 (S22))및 -CH(CH2OX)(CH2Cl) (화학식 (S23))으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 알콕시실릴기를 갖는 구조이고, 나머지는 하기 화학식 (E1)의 에폭시기를 갖는 구조이다.
Figure 112017110488644-pat00012
단, 상기 화학식 (S21) 내지 (S23)에서, 상기 X는 CONH(CH2)3SiR1R2R3이고, R1 내지 R3 중 적어도 하나는 탄소수 1 내지 5 알콕시기이고, 나머지는 탄소수 1 내지 10 알킬기이다.
Figure 112017110488644-pat00013
상기 화학식 AF 내지 IF의 구조는 M 중 어느 하나의 위치에서 하기 화학식 LG2의 알콕시실릴기를 갖는 연결기에 의해 서로 연결될 수 있다.
Figure 112017110488644-pat00014
상기 화학식 LG2에서, 상기 R1 내지 R3 중 적어도 하나는 탄소수 1 내지 5 알콕시기이고, 나머지는 탄소수 1 내지 10 알킬기일 수 있다.
제8견지에 의하면, 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지로서, 상기 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지에서 [에폭시기]:[알콕시실릴기]의 몰농도비인 n:1은 2:1 내지 10:1인 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지가 제공된다. 제 9견지에 의하면, 제8견지에 있어서, 상기 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지는 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질로부터 제조되며, 상기 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 EEW 증가는, 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질의 EEW값에 비하여, 260/n (n은 상기 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 알콕시실릴기 1 몰에 대한 대한 에폭시기의 몰비로 2 내지 10의 범위이다) 보다 작다. 제 10견지에 의하면, 상기 제8 견지 및 제9 견지에 있어서, 상기 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지는 하기 화학식 (AF) 내지 (IF)로 구성되는 그룹으로부터 나타내어질 수 있으며, 화학식 (AF) 내지 (IF)는 상기 정의한 바와 같다.
제 11 견지에 의하면, 본 발명의 상기 제 8견지 내지 제9견지 중 어떠한 견지에서 제공되는 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지, 경화제 및 충전제를 포함하는 에폭시 수지 조성물이 제공된다. 상기 에폭시 수지 조성물은 본 발명에서 제공되는 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지를 1종 이상 포함할 수 있다.
제 12 견지에 의하면, 제 11견지의 상기 에폭시 수지 조성물을 경화시켜서 얻어지는 경화물이 제공된다.
제 13 견지에 의하면, 제 11 견지의 상기 에폭시 수지 조성물을 포함하는 전자재료가 제공된다. 제 14 견지에 의하면, 상기 제 13 견지에 있어서, 상기 전자재료는 기판, 필름, 프리프레그, 적층판, 배선판, 반도체 장치, 및 패키징 재료로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
본 발명에 의한 방법에서, 대부분의 상용 에폭시 수지에 존재하는 히드록시기에 알콕시실릴기가 도입되어 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지가 제조된다. 또한 본 발명에 의한 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조방법에 의해 에폭시 수지 합성시에 형성되는 결점구조인 히드록시기에 반응성 작용기인 알콕시실릴기를 부여함으로써 에폭시 수지의 물성을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 의한 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조방법은 1단계 방법(one-step reaction)으로써, 상기한 본 출원인의 종래기술 (특허출원 제10-2013-0111473 및 제10-2014-0021884)에 비해서 제조방법이 간단하다. 나아가, 종래기술과 달리, 출발물질의 에폭시기가 소비되지 않고, 개환제와 같은 별도의 반응물이 첨가되지 않음으로, 알콕시실릴화로 인한 EEW의 증가가 최소화된다. 또한, 종래 기술에서와 같이, 각 반응단계에 사용된, 강염기 및 반응물 (예를 들어, 개환제 등)이 최종물에 존재하지 않도록 주의 깊게 제거해야 할 필요가 없으므로 전반적인 반응공정이 매우 간편하고 단순해진다.
더욱이, 본 발명에 의한 방법으로 제조된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지는, 에폭시 수지의 경화반응시, 알콕시실릴기가 에폭시 경화반응 (에폭시 수지의 에폭시기 및 경화제의 작용기와의 반응) 및 충전제와의 계면반응에 참여한다. 뿐만 아니라, EEW 증가의 최소화로 인한 우수한 물성으로, 에폭시 경화물 및/또는 복합체에서 우수한 경화특성을 나타낸다.
본 발명에 의한 방법으로 제조된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지는 EEW 증가의 최소화 및 에폭시기와 알콕시실릴기의 적정한 비율로 인해, 경화물 및/또는 복합체에서, 우수한 내열특성, 즉, 낮은 CTE를 나타낸다.
또한, 본 발명에 의한 방법으로 제조된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지는 EEW 증가가 최소화되어, 기존의 개환반응을 통하여 제조된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지에 비해 경화속도가 향상된다. 따라서 본 발명의 에폭시 수지는 기존의 개환반응을 통하여 제조된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지에 비해 낮아진 경화온도에서 효율적인 경화가 용이하게 진행된다.
도 1은 물성예 1과 비교물성예 1 및 2의 열팽창특성(온도변화에 따른 치수변화)를 나타내는 도면이다.
본 발명은 에폭시 수지에 존재하는 히드록시기를 반응성 알콕시실릴기로 전환하여 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지를 제조하는 간단하고 효율적인 방법을 제공하는 것으로, 본 발명에 의하면, 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지는 에폭시 수지중의 히드록시기와 이소시아네이트 알콕시실란의 반응에 의해 제조된다.
상기 기술한 바와 같이, 활성수소화합물 (예, 다가페놀)과 에피클로히드린의 반응으로 제조되는 종래 에폭시 수지는 일반적으로 에폭시기(epoxide group) 뿐만 아니라 부반응으로 생성되는 히드록시기(OH기)를 갖는다. 한편, 에폭시기는 경화반응에 참여하지만, OH기는 경화반응에 참여하지 않으므로, 에폭시 수지 경화물의 물성에 부정적인 영향을 줄 수 있다.
따라서, 본 발명의 제조방법에서는 에폭시 수지 제조시, 부반응으로 형성된 히드록시기를 알콕시실릴화하여 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지를 제조한다. 즉, 하기 반응식 3 및 4의 메커니즘에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조방법에서는, 에폭시 수지 중의 히드록시기가 알콕시실릴화된다.
[반응식 3]
Figure 112017110488644-pat00015
[반응식 4]
Figure 112017110488644-pat00016
상기 반응식 3은 본 발명에 의한 방법에서 히드록시기가 알콕시실릴화되는 메커니즘을 간략하게 나타낸 것이며, 반응식 4는 에폭시 수지의 구체적인 히드록시기를 갖는 구조 부분이 알콕시실릴화되는 메커니즘을 예를 들어 나타낸 것이다. 본 발명의 방법에 의해, 상기 반응식 4에 구체적으로 나타낸 히드록시기를 갖는 구조 부분뿐만 아니라, 일반적인 에폭시 수지 합성에 있어서, 형성되는 히드록시기를 갖는 어떠한 구조 부분이 알콕시실릴화될 수 있다.
본 발명의 방법에 의한 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지는 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질과 이소시아네이트 알콕시실란을 반응시키는 단계에 의해 상기 히드록시기가 알콕시실릴화되어 제조된다. 따라서, 본 발명에 의하면, 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질과 이소시아네이트 알콕시실란을 트리에틸아민, 디이소프로필에틸아민, 피리딘 및 이미다졸로 구성되는 그룹으로부터 선택된 최소 일종의 아민류 염기 촉매 존재하에서, 반응시키는 단계를 포함하는, 바람직하게는 반응시키는 단계로 구성되는, 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조방법이 제공된다.
한편, 본 명세서에서, 사용된 용어 '에폭시 수지'은 에폭시 작용기를 2이상 갖는 것으로, 이 기술분야에서 일반적으로 알려져 있는 에폭시 수지를 포함하는 의미로 사용된다.
본 발명의 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조에 사용되는 상기 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질은 적어도 하나의 히드록시기 및 2개 이상의 에폭시기를 갖는 에폭시 수지를 말한다.
상기 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질은, 부반응 없이 합성된 에폭시 수지 (즉, 히드록시기를 갖지 않고 에폭시기만을 갖는 에폭시 수지)의 EEW 보다 5% 이상의 큰 EEW를 갖는 히드록시기를 갖는 에폭시 수지라면 어떠한 것이라도 사용될 수 있다. 예를 들어, 오르소-크레졸 노볼락 에폭시 수지가 부반응 없이 합성되는 경우, 에폭시 수지의 EEW는 176 g/Eq.이며, 만약 오르소-크레졸 노볼락 에폭시 수지의 EEW가 이보다 5% 이상 큰 경우 (즉, 184.8 g/Eq. 이상인 경우), 본 발명의 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조에 사용될 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 방법에 반응물로는 EEW가 100 내지 400 g/Eq., 바람직하게는 100 내지 300 g/Eq.인 것이 사용될 수 있다. 즉, EEW 값은 에폭시 수지의 분자구조에 따라 결정되는 것으로, 상기 EEW 범위의 히드록시기를 갖는 에폭시 수지는 분자당 어느 정도의 히드록시기를 갖는 것으로, 이러한 히드록시기를 알콕시실릴화하여 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지를 제조할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이, 에폭시 수지의 제조시, 일반적으로 부반응도 함께 진행되며, 따라서, 대부분 상용 에폭시 수지는 에폭시 작용기만 갖는 에폭시 수지과 부반응으로 생성되는 히드록시기 및 에폭시기를 갖는 에폭시 수지의 혼합물 형태로, 또한, 에폭시기 및/또는 히드록시기를 갖는 여러 가지 반복단위가 다양한 조합으로 연결된 다양한 다량체 및/또는 단량체의 조합 형태로 존재하며, 본 발명에 의한 알콕시실릴기 제조방법에는 이러한 상용 에폭시 수지 (시판되는 에폭시 수지), 구체적으로는 에폭시 수지가 그대로 사용될 수 있다. 이러한 상용 에폭시 수지는 기술분야의 기술자에게 일반적인 기술 상식으로서 상세히 기재하지 않는다.
예를 들어, 상기 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질은 비스페놀, 비페닐, 나프탈렌, 벤젠, 이소시아누레이트, 트리페닐메탄, 1,1,2,2-테트라페닐에탄, 테트라페닐메탄, 4,4′-디아미노디페닐메탄, 아미노페놀, 지환족, 지방족, 또는 노볼락 유니트를 가질 수 있다.
구체적으로 상기 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질은 하기 화학식 (AS) 내지 (IS)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 일종일 수 있다.
Figure 112017110488644-pat00017
(상기 화학식 BS에서 S는
Figure 112017110488644-pat00018
이며,
화학식 DS에서 t는
Figure 112017110488644-pat00019
이며,
화학식 AS 내지 DS에서 n은 1 이상의 정수이며, 바람직하게는 1 내지 30의 정수이다.
화학식 ES에서, -q-는 -CH2-이거나 직접 결합(direct linkage)이며,
화학식 GS에서 R은 수소, 히드록시기, C1 내지 C10의 알킬기 또는 C6 또는 C10의 방향족기이며,
상기 화학식 AS 내지 IS에서, K 중 적어도 하나는 히드록시기를 갖는 구조이고 나머지는 하기 화학식 (E1)의 에폭시기를 갖는 구조이고, 바람직하게는 적어도 2개는 하기 화학식 (E1)의 에폭시기를 갖는 구조이며,
상기 히드록시기를 갖는 구조는 -CH2CHOHCH2OH (화학식 (S11)), -CH2CHOHCH2Cl (화학식 (S12)), 및 -CH(CH2OH)(CH2Cl) (화학식 (S13))으로 구성되는 그룹으로부터 선택된다.
Figure 112017110488644-pat00020
Figure 112017110488644-pat00021
상기 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질은 히드록시기를 갖는 에폭시 수지인 한 제한되지 않으며, 단량체, 다량체, 또는 단량체와 다량체가 혼재하는 형태 등일 수 있다. 상기 단량체는 단일의 단량체 뿐만 아니라, 동일하거나 다른 단량체가 혼재하는 형태를 또한 포함하는 의미로 사용된다. 상기 다량체 또한, 같거나 다른 어떠한 반복단위의 어떠한 조합으로 된 다량체 혹은 이들이 혼재하는 형태를 포함하는 의미로 사용된다.
상기 화학식 AS 내지 IS로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 일종의 구조는 2 이상이 연결될 수 있으며, 이 경우에, 해당 구조의 어떠한 K 위치에서 하기 화학식 LG1의 히드록시기를 갖는 연결기로 연결된 다량체일 수 있으며, 화학식 LG1의 연결기 중의 히드록시기 또한 알콕시실릴화될 수 있다. 예를 들어, 화학식 AS 구조가 2개 연결되는 경우에, 하나의 AS 구조의 K 중 어느 하나의 위치와 다른 AS 구조의 K 중 어느 하나의 위치에서, 하기 화학식 LG1의 구조에 의해 연결된다.
Figure 112017110488644-pat00022
상기 이소시아네이트 알콕시실란은 하기 화학식 1로 나타낼 수 있다.
[화학식 1]
OCN(CH2)3SiR1R2R3
상기 R1 내지 R3 중 적어도 하나는 탄소수 1 내지 5개의 알콕시기, 바람직하게는 탄소수 1 내지 3개의 알콕시기이고, 나머지는 탄소수 1 내지 10개의 알킬기이다.
한편, 상기 히드록시기의 알콕시실릴화 반응의 낮은 반응성으로 인하여, 상기 반응은 염기 촉매 존재하에서 행한다. 사용가능한 염기 촉매의 예로는 이로서 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어 아민류가 사용될 수 있으며, 구체적으로는 트리에틸아민, 디이소프로필에틸아민, 피리딘 및 이미다졸 등이 사용될 수 있다. NaOH, KOH와 같은 강염기는 에폭시 고리 개환 반응 및 이소시아네이트 알콕시실란과 반응하여 부반응이 일어나기 때문에 사용할 수 없다.
이들 염기 촉매는 단독으로 혹은 2가지 이상이 함께 사용될 수 있다. 염기 촉매는 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질의 히드록시기 1당량에 대하여 0.5 당량 내지 1당량으로 사용하는 것이 반응효율 측면에서 좋다. 염기촉매가 0.5 당량 미만이면 반응에 대한 촉매작용이 불충분할 수 있으며, 1 당량의 양으로 첨가함으로써 의도하는 촉매 작용을 나타내며, 더 이상의 과량은 불필요하다.
상기 반응에서, 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질과 이소시아네이트 알콕시실란은 에폭시 수지 중의 히드록시기와 알콕시실란기가 화학양론에 따라 당량비로 반응하므로, 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질의 히드록시기 1 당량에 대하여, 이소시아네이트 알콕시실란을 1 당량으로 반응시킨다. 히드록시기와 알콕시실란기가 화학양론에 따라 당량비로 반응하므로, 에폭시 수지의 히드록시기 1 당량에 대하여, 이소시아네이트 알콕시실란을 1 당량으로 반응시킴으로써, 에폭시 수지 중의 모든 히드록시기가 알콕시실릴화된다. 따라서, 에폭시 수지 중에 히드록시기가 남지 않고, 잔류 이소시아네이트 알콕시실란의 제거를 위한 별도의 공정단계를 필요로 하지 않는다.
상기 반응의 반응온도 및 반응시간은 반응물에 따라 다르지만, 에폭시 수지의 히드록시기는 저온에서는 반응속도 (반응성)가 현저하게 느리므로, 반응온도가 90℃ 보다 낮은 경우는 바람직하지 않다. 또한, 반응온도가 150℃를 초과하면 반응시간 동안 반응물의 열적 안정성이 떨어질 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 상기 반응은 90℃ 내지 150℃의 온도에서 행한다.
반응시간은 72시간 내지 120시간, 바람직하게는 96시간 내지 120시간 동안 반응시킨다. 72시간 미만이면 히드록시기의 알콕시실릴화가 불충분하며 120시간을 초과하면 더 이상의 추가반응이 진행되지 않으므로 바람직하지 않다. 따라서, 72시간 내지 120시간 반응시킴으로써, 히드록시기의 미반응 또는 불필요한 반응의 지속없이, 히드록시기가 알콕시실릴화된다.
상기 반응에서 용매는 필요에 따라 임의로 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 반응에서 별도의 용매 없이도 반응온도에서 반응물의 점도가 반응이 진행되기에 적합하면 용매를 사용하지 않을 수 있다. 즉, 반응물의 혼합 및 교반이 용매 없이 원활하게 진행될 수 있을 정도로 반응물의 점도가 낮아지면 별도의 용매를 필요로 하지 않으며, 이는 당업자가 용이하게 판단할 수 있다. 용매를 사용할 경우에, 가능한 용매로는 반응물을 잘 용해할 수 있으며, 반응에 어떠한 악영향을 미치지 않고 반응 후에 쉽게 제거될 수 있는 한 어떠한 비양성자성 용매(aprotic solvent)가 사용될 수 있다. 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 톨루엔, 아세토니트릴, THF(tetra hydro furan), MEK(methyl ethyl ketone), DMF(dimethyl formamide), DMSO(dimethyl sulfoxide), 메틸렌 클로라이드(MC) 등이 사용될 수 있다. 이들 용매는 단독으로 혹은 2가지 이상이 함께 사용될 수 있다.
용매의 사용양은 특히 한정하는 것은 아니며, 반응물이 충분히 용해되고 반응에 바람직하지 않은 영향을 미치지 않는 범위에서 적합한 양으로 사용될 수 있으며, 이 기술분야의 기술자는 이를 고려하여 적합하게 선택할 수 있다.
상기 본 발명에 의한 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조방법에서는, 별도의 에폭시 개환반응 없이, 에폭시 수지 중에 존재하는 히드록시기를 이용하여 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지가 얻어진다.
이러한, 본 발명의 방법은 1단계 반응(one-step reaction)으로 반응이 간단하다. 또한 기존 제조방법과 달리, 반응물의 에폭시기가 소비되지 않는다. 뿐만 아니라, 개환반응을 위한 별도의 반응물이 사용되지 않으며, 따라서, 이러한 반응물이 최종 에폭시 수지의 구조에 포함되지 않기 때문에, 알콕시실릴화로 인한 에폭시 수지의 EEW 값의 증가가 최소화된다. 또한, 개환반응을 위한 별도의 반응물 및 강염기 등을 제거하기 위한 공정을 필요로 하지 않는 것으로, 전반적인 공정이 용이하고 단순화된다. 특히 강염기가 잔류하는 경우, 2단계 알콕시실란커플링제의 반응에 영향을 주므로, 1단계 반응에 사용한 염기를 철저히 제거해야 하는 번거로움이 있다.
즉, 본 발명의 방법에 의해 제조되는 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지에서 알콕시실릴화로 인하여, 출발물질인 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지에 비하여 증가하는 에폭시 수지의 EEW (ΔEEW)는 260/n (여기서 n은 2 내지 10의 범위로서, 후술하는 바와 같이, 생성되는 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 알콕시실릴기 1 몰에 대한 에폭시기의 몰 농도이다) 보다 작다. 즉, 출발물질인 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지의 EEW 값을 기준으로, 생성되는 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 EEW의 증가가 출발물질인 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질의 EEW 값에 비하여, 260/n 미만으로 증가하는 경우에, 본 발명에 의한 방법으로 제조된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지가 분자당 에폭시기의 당량이 높고 따라서, 우수한 경화특성, 가교도, 내열특성, 낮은 온도에서의 경화성 등을 나타낸다.
구체적으로, 생성되는 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 작용기 비율, 즉 [에폭시기]:[알콕시실릴기]의 몰 농도비가 n:1 (n은 2 내지 10의 수)인 경우에, 생성물인 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지에서 EEW의 증가는, 반응물인 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질의 EEW 값을 기준으로, 증가치가 260/n 보다 작다. 예를들어, n:1=2:1이면 EEW 증가는 <130, n:1=4:1이면 EEW 증가는 <65, n:1=10:1이면 EEW 증가는 <26이다.
이와 같이, EEW의 증가가 최소화됨에 따라, 얻어지는 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지는 우수한 경화물성을 나타낸다.
또한, 본 발명의 방법에 의해 제조되는 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지에서, [에폭시기]:[알콕시실릴기]의 몰 농도비, n:1은 2:1 내지 10:1인 것이 바람직하다. 알콕시실릴기의 비율이 2:1보다 크면 알콕시실릴기로 인한 더 이상의 물성 향상을 기대하기 어렵다는 점에서 바람직하지 않고, 알콕시실릴기의 비율이 10:1보다 작으면, 알콕시실릴기 도입으로 인한 물성 개선효과가 미비할 뿐만 아니라 실제 합성도 어렵다.
본 발명에 의한 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조방법으로 제조되는 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지는 구체적으로는 하기 화학식 (AF) 내지 (IF)으로 나타내어지는 것일 수 있다. 즉, 본 발명에 의한 제조 방법에 의해 하기 화학식 (AF) 내지 (IF)로부터 선택되는 일종의 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지가 제조된다.
Figure 112017110488644-pat00023
화학식 BF에서 S는
Figure 112017110488644-pat00024
이며,
화학식 DF에서 t는
Figure 112017110488644-pat00025
이며,
화학식 AF 내지 DF 에서 n은 1 이상의 정수이며, 바람직하게는 1 내지 30의 정수이며,
화학식 EF에서, -q-는 -CH2-이거나 직접 결합(direct linkage)이며,
화학식 GF 에서 R은 수소, 히드록시기, C1-C10 알킬기 또는 C6 또는 C10 방향족기이며,
상기 화학식 AF 내지 IF에서, M 중 적어도 하나는 -CH2CHOXCH2OX (화학식 (S21)), -CH2CHOXCH2Cl (화학식 (S22))및 -CH(CH2OX)(CH2Cl) (화학식 (S23))으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 알콕시실릴기를 갖는 구조이고, 나머지는 하기 화학식 (E1)의 에폭시기를 갖는 구조, 바람직하게 적어도 2개는 하기 화학식 (E1)의 에폭시기를 갖는 구조이다.
Figure 112017110488644-pat00026
단, 상기 화학식 (S21) 내지 (S23)에서, 상기 X는 CONH(CH2)3SiR1R2R3이고, R1 내지 R3 중 적어도 하나는 탄소수 1 내지 5 알콕시기이고, 나머지는 탄소수 1 내지 10 알킬기이다.
Figure 112017110488644-pat00027
상기 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지는 단량체, 다량체, 또는 단량체와 다량체가 혼재하는 형태 등일 수 있다. 상기 단량체는 단일의 단량체뿐만 아니라, 동일하거나 다른 단량체가 혼재하는 형태를 또한 포함하는 의미로 사용된다. 상기 다량체 또한, 같거나 다른 어떠한 반복단위의 어떠한 조합으로 된 다량체 혹은 이들이 혼재하는 형태를 포함하는 의미로 사용된다.
상기 화학식 AF 내지 IF로 구성되는 그룹으로부터 선택된 일종의 구조가 2이상 연결되는 경우에, 해당 구조는 M 중 어느 하나의 위치에서 하기 화학식 LG2의 알콕시실릴기를 갖는 연결기에 의해 서로 연결될 수 있다. 예를 들어, 화학식 AF 구조가 2개 연결되는 경우에, 하나의 AF 구조의 M 중 어떠한 하나의 위치에서 다른 AF 구조의 M 중 어떠한 하나의 위치와, 하기 화학식 LG2의 구조에 의해 연결된다.
Figure 112017110488644-pat00028
(단, 화학식 LG2 에서, 상기 R1 내지 R3 중 적어도 하나는 탄소수 1 내지 5 알콕시기이고, 나머지는 탄소수 1 내지 10 알킬기임.)
상기 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질로서 사용되는 상용 에폭시 수지 (예를 들어, 시판되는 에폭시 수지)는 에폭시기만 갖는 에폭시 수지과 부반응으로 생성되는 히드록시기 및 에폭시기를 갖는 에폭시 수지의 혼합물 형태로 존재한다. 따라서, 이러한, 히드록시기를 갖는 에폭시 수지로부터 제조되는 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지는 에폭시기만을 갖는 에폭시 수지 및 알콕시실릴기와 에폭시기를 갖는 에폭시 수지의 혼합물 형태로 존재할 수 있다.
이러한, 본 발명에 의한 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조방법에서, 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지는, (1) 에폭시 수지 중 부반응으로 형성된 히드록시기가 반응성 알콕시실릴기로 전환되고, (2)에폭시 수지가 적용되는 경화반응에서 경화제와 반응하는 에폭시기가 손실되지 않은 상태로 알콕시실릴기가 도입되므로, 제조되는 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 EEW의 증가가 최소화 된다. 이에 따라, 경화시에 우수한 물성을 나타낸다.
상기 본 발명에 의한 방법으로 제조된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지는 종래 에폭시 수지가 사용되던 어떠한 분야, 적용처 및 용도에 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 상기 본 발명에 의한 방법으로 제조된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지를 포함하는 에폭시 조성물이 제공된다.
상기 조성물은 전자재료용, 예를 들어, 이로써 한정하는 것은 아니지만, 반도체 기판, 예를 들어, IC 기판이나 본 발명의 조성물로 된 기재층에 금속층이 배치된 적층판, 프리프레그, 봉지재료(패키징 재료), 프린트 배선기판, 전자부품, 접착제, 도료, 복합 재료 등 각종 용도로 사용될 수 있다. 또한, 상기 조성물은 경화성 조성물 및/또는 충전제를 포함하는 경화성 조성물일 수 있다.
상기 조성물을 본 발명의 방법으로 제조된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지를 포함하는 한, 종래 이 기술분야에 알려져 있는 어떠한 종류 및/또는 배합의 에폭시 조성물이 포함되는 것으로 이해되며, 에폭시 조성물을 구성하는 경화제, 경화촉진제(촉매), 충전제(예를 들어, 무기입자 및/또는 섬유), 기타 통상의 에폭시 수지 및 기타 첨가제의 종류 및 배합비를 한정하는 것은 아니다.
상기 본 발명의 방법으로 제조된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지를 포함하는 조성물에서, 본 발명의 방법으로 제조된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지는 적어도 일종 이상이 포함될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 화학식 (AF) 내지 (IF)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 일종의 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지가 포함될 수 있다. 에폭시 조성물에 다양한 에폭시 수지를 함께 사용함으로써, 에폭시 조성물의 물성을 조절할 수 있다.
나아가, 이 기술분야에서, 에폭시 조성물, 경화물 및/또는 복합체는 이들의 적용처 및/또는 용도에 따라, 물성제어 측면에서 다양한 종류의 종래의 에폭시 수지가 함께 사용될 수 있다.
상기 종래의 에폭시 수지는 특히 한정하는 것은 아니며 종래 이 기술분야에 알려져 있는 어떠한 에폭시 수지일 수 있으며, 예를 들어, 글리시딜에테르계 에폭시 수지, 글리시딜계 에폭시 수지, 글리시딜아민계 에폭시 수지, 및 글리시딜에스테르계 에폭시 수지로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 일종일 수 있다. 나아가, 상기 종래의 에폭시 수지는 코어구조로 비스페놀, 비페닐, 나프탈렌, 벤젠, 티오디페놀, 플루오렌(fluorene), 안트라센, 이소시아누레이트, 트리페닐메탄, 1,1,2,2-테트라페닐에탄, 테트라페닐메탄, 4,4'-디아미노디페닐메탄, 아미노페놀, 지환족, 지방족 또는 노볼락 유니트를 갖는 글리시딜에테르계 에폭시 수지, 글리시딜계 에폭시 수지, 글리시딜아민계 에폭시 수지, 및 글리시딜 에스테르계 에폭시 수지로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 일종일 수 있다.
이로써 한정하는 것은 아니지만 예를 들어, 본 발명의 일 견지에 의한 어떠한 에폭시 조성물은 에폭시 수지의 총 중량을 기준으로 본 발명의 에폭시 수지 1 내지 100wt% 및 종래의 에폭시 수지 0 내지 99wt%; 예를 들어, 본 발명의 에폭시 수지 10 내지 100wt% 및 종래의 에폭시 수지 0 내지 90wt%; 예를 들어, 본 발명의 에폭시 수지 30 내지 100wt% 및 종래의 에폭시 수지 0 내지 70wt%, 예를 들어, 본 발명의 에폭시 수지 50 내지 100wt% 및 종래의 에폭시 수지 0 내지 50wt%, 예를 들어, 본 발명의 에폭시 수지 10 내지 100wt% 미만 및 종래의 에폭시 수지 0 초과 내지 90wt%; 예를 들어, 본 발명의 에폭시 수지 30 내지 100wt% 미만 및 종래의 에폭시 수지 0 초과 내지 70wt%; 예를 들어, 본 발명의 에폭시 수지 50 내지 100wt% 미만 및 종래의 에폭시 수지 0 초과 내지 50wt%를 포함할 수 있다.
상기 에폭시 조성물은 충전제(예를 들어, 무기입자 및/또는 섬유)를 또한, 추가로 포함할 수 있다.
무기입자로는 종래 에폭시 수지의 물성을 보강하기 위해 사용되는 것으로 알려져 있는 어떠한 무기입자가 사용될 수 있으며, 이로써 한정하는 것은 아니지만, 실리카(예를 들어, 용융 실리카 및 결정성 실리카 포함), 지르코니아, 티타니아, 알루미나, 질화규소 및 질화알루미늄으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 일종의 금속산화물, 및 실세스퀴옥산으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 일종이 사용될 수 있다. 상기 무기입자는 단독으로 또는 2종 이상의 혼합물로 사용될 수 있다.
실리카를 특히 다량 배합하는 경우에는, 용융 실리카를 이용하는 것이 바람직하다. 용융 실리카는 파쇄상이나 구상의 어느 쪽도 사용 가능하지만, 용융 실리카의 배합량을 높이고, 또한 성형 재료의 용융 점도의 상승을 억제하기 위해서는, 구상의 것을 이용하는 것이 바람직하다.
상기 무기입자로는 이로써 한정하는 것은 아니지만, 복합체의 사용용도, 구체적으로는 무기입자의 분산성 등을 고려하여, 입자크기가 0.5㎚ 내지 수십 ㎛(예를 들어, 50㎛ 내지 100㎛)인 무기입자가 사용될 수 있다. 무기입자는 에폭시 수지에 분산되므로 입자크기에 따른 분산성의 차이로 인하여 상기한 크기의 무기입자가 함께 사용되는 것이 바람직하다. 뿐만아니라, 무기입자의 배합량을 높이기 위해서는, 무기입자의 입자 크기분포를 넓게 하여 배합하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 견지에 의한 에폭시 조성물에서 상기 에폭시 수지에 대하여 무기입자는 에폭시 복합체의 CTE 감소 및 적용시 요구되는 적정한 점도 및 용도에 따라 적합하게 첨가할 수 있는데, 무기입자의 함량은 에폭시 조성물의 고형분의 총 중량을 기준으로 (에폭시 경화물의 경우에는 에폭시 경화물의 총 중량을 기준으로) 5wt% 내지 95wt%, 예를 들어, 5wt% 내지 90wt%, 예를 들어 10wt% 내지 90wt%, 예를 들어, 30wt% 내지 95wt%, 예를 들어, 30wt% 내지 90wt%, 예를 들어, 5wt% 내지 60wt%, 예를 들어, 10wt% 내지 50wt%일 수 있다.
보다 구체적으로, 일 예로서, 에폭시 조성물이 반도체 봉지재 등으로 사용되는 경우에는, 이로써 한정하는 것은 아니지만, CTE 값과 재료 가공성을 고려하여 무기입자의 함량은 예를 들어, 에폭시 조성물의 고형분의 총 중량에 대하여 (에폭시 경화물의 경우에는 에폭시 경화물의 총 중량을 기준으로) 30wt% 내지 95wt%, 예를 들어, 30wt% 내지 90wt%일 수 있다. 또한 일 예로서, 에폭시 조성물이 반도체 기판 등으로 사용되는 경우에는, 기판의 CTE 값과 강도 등을 고려하여 무기입자의 함량은 예를 들어, 에폭시 조성물의 총 고형분의 중량에 대하여 (에폭시 경화물의 경우에는 에폭시 경화물의 총 중량을 기준으로) 5wt% 내지 85wt%, 예를 들어, 10wt% 내지 80wt%일 수 있다.
한편, 섬유가 충전제로 사용되는 경우에는, 주로 섬유에 에폭시 조성물에 함침하는 방식으로 복합화되므로 섬유의 크기 등이 특히 제한되지 않으며, 이 기술분야에서 일반적으로 사용되는 어떠한 종류 및 치수의 섬유가 사용될 수 있다.
섬유로는 이로써 한정하는 것은 아니지만, 종래 에폭시 경화물의 물성개선을 위해 사용되는 일반적인 어떠한 섬유가 사용될 수 있다. 구체적으로는 유리 섬유, 유기 섬유 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어 '유리 섬유'는 유리 섬유뿐만 아니라, 유리 섬유직물, 유리 섬유 부직물 등을 포함하는 의미로 사용된다. 이로써 한정하는 것은 아니지만, 유리 섬유로는 E 유리섬유, T 유리섬유, S 유리섬유, NE 유리섬유, D 유리섬유, 석영 유리섬유 등의 유리 섬유를 예로 들 수 있으며, 예를 들어, E 또는 T 유리 섬유를 예로 들 수 있다. 유기 섬유로는 이로써 특별히 한정하는 것은 아니지만, 액정 폴리에스테르 섬유, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 섬유, 전방향족 섬유, 폴리벤조옥사졸 섬유, 나일론 섬유, 폴리에틸렌 나프탈레이트 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에테르 술폰 섬유, 폴리비닐리덴플로라이드 섬유, 폴리에테르에테르케톤 섬유로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 일종이 단독으로 혹은 이종 이상이 함께 사용될 수 있다.
본 발명에 의한 어떠한 견지의 에폭시 조성물, 예를 들어, 유리섬유 복합체에서, 섬유의 함량은 경화물의 총 중량을 기준으로 10wt% 내지 90wt%, 예를 들어, 30wt% 내지 70wt%, 또한 예를 들어, 35wt% 내지 70wt%일 수 있다. 따라서, 레진 함량은 10wt% 내지 90wt%, 예를 들어, 30wt% 내지 70wt%, 또한 예를 들어, 35wt% 내지 70wt%일 수 있다. 섬유의 함량이 상기 범위인 것이 내열성 향상 및 가공성 측면에서 바람직하다. 한편, 섬유를 포함하는 에폭시 조성물, 경화물 등에서, 통상, 총 고형분 중 섬유를 제외한 고형분 부분은 레진 성분 (resin content, R/C)으로 칭하여진다.
나아가, 상기 섬유를 포함하는 어떠한 견지의 에폭시 조성물에는 또한, 필요에 따라, 무기입자가 추가로 포함될 수 있다. 이때 무기입자는 물성 향상 및 공정성을 고려하여, 총 레진 함량의 중량을 기준으로 1wt% 내지 80wt% 범위의 양으로 배합될 수 있다. 이때, 사용될 수 있는 무기입자의 종류는 특히 한정되지 않으며, 이 기술분야에 알려져 있는 어떠한 무기입자가 사용될 수 있으며, 예를 들어, 상기한, 무기입자의 종류가 사용될 수 있다.
상기 에폭시 조성물은 경화제를 또한, 포함할 수 있다. 상기 경화제로는 에폭시 수지에 대한 경화제로 일반적으로 알려져 있는 어떠한 경화제가 사용될 수 있으며, 이로써 특히 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 아민, 폴리페놀, 산무수물 등이 사용될 수 있다.
보다 구체적으로, 이로써 한정하는 것은 아니지만, 아민 경화제로는 지방족　아민, 지환족 아민, 방향족 아민, 기타 아민 및 변성폴리아민을 사용할 수 있으며, 2개 이상의 일차 아민기를 포함하는 아민 화합물을 사용할 수 있다. 상기 아민 경화제의 구체적인 예로는 4,4'-디메틸아닐린(디아미노 디페닐 메탄) (4,4'-Dimethylaniline(diamino diphenyl methane, DAM 또는 DDM), 디아미노 디페닐설폰(diamino diphenyl sulfone, DDS), m-페닐렌 디아민(m-phenylene diamine)으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 방향족 아민, 디에틸렌트리아민(diethylene triamine, DETA), 디에틸렌테트라아민(diethylene tetramine), 트리에틸렌테트라아민(triethylene tetramine, TETA), m-크실렌 디아민(m-xylene diamine, MXDA), 메탄 디아민(methane diamine, MDA), N,N'-디에틸렌디아민(N,N'-diethylenediamine, N,N'-DEDA), 테트라에틸렌펜타아민(tetraethylenepentaamine, TEPA), 및 헥사메틸렌디아민(hexamethylenediamine)으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 1종 이상의 지방족 아민, 이소포론 디아민(isophorone diamine, IPDI), N-아미노에틸 피레라진(N-Aminoethyl piperazine, AEP), 비스 (4-아미노 3-메틸시클로헥실)메탄(Bis(4-Amino 3-Methylcyclohexyl)Methane, Larominc 260)으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 지환족아민, 디시안디아미드(DICY) 등과 같은 기타 아민, 폴리아미드계, 에폭사이드계 등의 변성아민을 들 수 있다.
이로써 한정하는 것은 아니지만, 폴리페놀 경화제의 예로는 페놀노볼락 수지, 크레졸 노볼락 수지, 비스페놀 A 노볼락 수지, 자일렌 노볼락 수지, 트리 페닐 노볼락 수지, 비페닐 노볼락 수지, 디시클로펜타디엔 노볼락 수지, 나프탈렌 노볼락 수지 등을 들 수 있다.
이로써 한정하는 것은 아니지만, 산무수물 경화제의 예로는 도데세닐 숙신산 무수물(dodecenyl succinic anhydride, DDSA), 폴리 아젤라익 폴리 안하이드리드(poly azelaic poly anhydride)등과 같은 지방족 산무수물, 헥사하이드로프탈릭 안하이드리드(hexahydrophthalic anhydride, HHPA), 메틸 테트라하이드로프탈릭 안하이드리드(methyl tetrahydrophthalic anhydride, MeTHPA), 메틸나딕 안하이드리드(methylnadic anhydride, MNA)등과 같은 지환족 산무수물, 트리멜리트 안하이드리드(Trimellitic Anhydride, TMA), 피로멜리트산 디안하이드리드(pyromellitic acid dianhydride, PMDA), 벤조페논테트라카르복시산 디안하이드리드(benzophenonetetracarboxylic dianhydride, BTDA) 등과 같은 방향족 산무수물, 테트라브로모프탈릭 안하이드리드(tetrabromophthalic anhydride, TBPA), 클로렌딕 안하이드리드(chlorendic anhydride) 등과 같은 할로겐 산무수화물 등을 들 수 있다.
일반적으로 경화제와 에폭시기의 반응 정도로 에폭시 복합체의 경화도를 조절할 수 있으며, 목적하는 경화도 범위에 따라 에폭시 수지의 에폭시기의 농도를 기준으로 하여 경화제의 함량을 조절할 수 있다. 예를 들어, 아민 경화제가 사용되는 경우에는, 아민 경화제와 에폭시 그룹의 당량 반응에서는 에폭시 당량/아민 당량비가 0.5 내지 2.0이 되도록, 또한, 예를 들어, 0.8 내지 1.5이 되도록 경화제의 함량을 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.
아민 경화제의 경우를 예로 하여 경화제의 배합량에 대하여 설명하였으나, 폴리페놀 경화제, 산무수물 경화제 및 본 명세서에 별도로 기재하지 않은 에폭시 수지의 경화에 사용될 수 있는 어떠한 경화제 또한 원하는 경화도 범위에 따라 에폭시 조성물 중 총 에폭시기의 농도를 기준으로 하여 에폭시 작용기와 경화제의 반응성 작용기의 화학반응식에 따라 화학양론적 양으로 적합하게 배합하여 사용할 수 있으며, 이는 이 기술분야에서 일반적이다.
또한 하기에 기술된 이미다졸은 경화촉진제로 많이 사용되나, 단독 경화제로도 사용될 수도 있다. 이미다졸이 경화제로 사용되는 경우는 에폭시 수지에 대하여 0.1 ~ 10phr(parts per hundred resin, 에폭시 수지 100중량부에 대한 중량부)의 양으로 사용될 수 있다.
상기 에폭시 조성물은 에폭시 조성물의 물성을 손상시키지 않는 범위에서, 에폭시 조성물의 물성조절을 위해 통상적으로 배합되는 이형제, 표면 처리제, 난연제, 가소제, 항균제, 레벨링제, 소포제, 착색제, 안정제, 커플링제, 점도조절제, 희석제, 고무, 열가소성 수지, 열가소성 수지 등의 기타 첨가제가 또한 필요에 따라 배합될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 명세서에서 사용된 용어 "에폭시 조성물"은 본 발명의 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지 뿐만 아니라 필요에 따라 상기 에폭시 조성물을 구성하는 다른 구성성분, 예를 들어, 임의의 경화제, 경화촉진제(촉매), 충전제(예를 들어, 무기입자 및/또는 섬유), 기타 통상의 에폭시 수지 및 용매 이외의 이 기술분야에서 필요에 따라 배합되는 기타 첨가제를 포함할 수 있는 것으로 이해된다. 또한, 일반적으로, 에폭시 조성물에서 용매는 에폭시 조성물의 공정성 등을 고려하여 에폭시 조성물의 고형분 함량 및/또는 점도를 적합하게 조절하도록 임의로 사용될 수 있다. 한편, 본 발명에서 사용된 용어 "에폭시 조성물의 고형분의 총 중량"이란 에폭시 조성물을 구성하는 성분 중 용매를 제외한 성분의 총 중량을 말한다.
본 발명의 또 다른 견지에 의하면, 상기한 본 발명의 어떠한 견지에서 제공되는 에폭시 조성물을 포함하거나, 필수적으로 구성되거나 또는 구성되는 경화물이 제공된다. 상기 본 발명의 어떠한 견지에서 제공되는 에폭시 조성물은 실제 적용되는 경우에, 예를 들어, 전자재료 등으로 적용되는 경우에는 경화물로서 사용되며, 이 기술분야에서 에폭시 수지과 무기 성분인 충전제를 포함하는 조성물의 경화물은 일반적으로 복합체로 칭하여진다.
상기한 본 발명의 일 견지에서 제공되는 에폭시 수지는 복합체에서 우수한 내열특성 및/또는 경화물에서 우수한 난연성을 나타낸다.
구체적으로, 복합체는 낮은 CTE, 예를 들어, 50ppm/℃ 이하, 예를 들어, 40ppm/℃ 이하, 예를 들어, 30ppm/℃ 이하, 예를 들어, 15ppm/℃ 이하, 예를 들어, 12ppm/℃ 이하, 예를 들어, 10ppm/℃ 이하, 예를 들어, 8ppm/℃ 이하, 예를 들어, 6ppm/℃ 이하의 CTE를 나타낸다. CTE 값은 작을수록 물성이 우수한 것으로 CTE의 하한값을 특히 한정하는 것은 아니다.
또한, 본 발명에 의한 복합체(충전제를 포함하는 경화물)는 Tg가 100℃ 보다 높으며, 예를 들어, 130℃ 이상, 또한, 예를 들어, 250℃ 이상 또는 Tg-리스일 수 있다. Tg 값은 클수록 물성이 우수한 것으로 Tg의 상한값을 특히 한정하는 것은 아니다.
이하, 실시예를 통해 본 발명에 의한 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
A. 합성예
합성예 1
상온에서 2구 플라스크에 크레졸 노볼락 에폭시 수지 출발물질(YDCN-500-80P, EEW=220 g/Eq, KuKdo Chemical CO., Ltd. 이하 에폭시 1로 표기함) 20g과 톨루엔 50ml을 넣고 교반하였다. 그 후 여기에 3-(트리에톡시실릴)프로필이소시아네이트 5.62g, 디이소프로필에틸아민(DIPEA) 2.94g을 10분 동안 상온에서 천천히 첨가하고 온도를 90℃로 하여 96시간 동안 가열 및 교반하였다. 반응 종결 후, 상온으로 냉각하고 증발기를 이용하여 용매와 염기를 제거하고 진공펌프를 이용하여 완전히 건조 시켜서, 최종 목적물인 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지([에폭시기]: [알콕시실릴기] 몰 농도비 =4:1, EEW=282 g/Eq)을 합성하였다.
[합성예 1로 생성된 최종물의 NMR]
1H NMR (400MHz, DMSO): δ= 7.04-6.62(m, 76.07H), 4.27-4.16(m, 9.39H), 4.06-3.37(m, 152.07H), 3.33-3.07(m, 28.94H), 3.04-2.91(m, 13.57H), 2.84-2.52(m, 50.00H), 2.28-1.96(m, 96.93H), 1.51-1.36(m, 15.02H), 1.18-1.07(m, 68.89H), 0.55-0.49(m, 14.35H)
[표 1] 합성에 사용된 반응조건 및 최종생성물의 구조적 특징
Figure 112019016979444-pat00054
합성예 2
바이페닐노블락 에폭시 수지 (NC3000L, Nippon Kayaku Co., Ltd. EEW=271g/Eq, 이하 에폭시 2로 표기함)을 사용하여 실릴화된 바이페닐노블락에폭시 수지를 합성하였다. 표1에 기술된 반응물 및 반응조건을 사용하였으며, 상기 합성예 1과 동일한 방법으로 반응을 진행하여 최종 목적물을 얻었다.
[합성예2로 생성된 최종물의 NMR]
1H NMR (400MHz, DMSO): δ= 7.53-6.87(m, 92.67H), 4.31-4.22(m, 10.07H), 4.03-3.72(m, 24.08H), 3.37-3.27(m, 13.54H), 3.00-2.90(m, 5.08H), 2.83-2.78(m, 9.84H), 2.70-2.66(m, 10.00H), 1.56-1.38(m, 5.19H), 1.17-1.12(m, 27.25H), 0.57-0.50(m, 5.07H)
합성예 3
비스페놀A 노블락 에폭시 수지 ((HiROXY® KEB-3180, Kolon Industries, Inc. EEW=210g/Eq, 이하 에폭시 3으로 표기함)을 사용하여 실릴화된 비스페놀A 노블락에폭시 수지를 합성하였다. 표1에 기술된 반응물 및 반응조건을 사용하였으며, 상기 합성예 1과 동일한 방법으로 반응을 진행하여 최종 목적물을 얻었다.
[합성예 3으로 생성된 최종물의 NMR]
1H NMR (400MHz, DMSO): δ= 7.12-6.58(m, 20.70H), 4.33-4.01(m, 5.89H), 3.86-3.58(m, 17.34H), 3.32-3.03(m, 5.61H), 3.01-2.90(m, 4.02H), 2.85-2.53(m, 10.00H), 1.56-1.26(m, 17.49H), 1.19-1.01(m, 14.44H), 0.59-0.46(m, 2.66H)
합성예 4
나프탈렌노블락 에폭시 수지 (ESN-175, Nippon steel chemical CO., Ltd. EEW=265g/Eq, 이하, 에폭시 4로 표기함)을 사용하여 실릴화된 나프탈렌노블락에폭시 수지를 합성하였다. 표1에 기술된 반응물 및 반응조건을 사용하였으며, 상기 합성예 1과 동일한 방법으로 반응을 진행하여 최종 목적물을 얻었다.
[합성예4로 생성된 최종물의 NMR]
1H NMR (400MHz, DMSO): δ= 8.04-8.02(m, 2.07H), 7.89-7.52(m, 9.81H), 7.39-7.01(m, 11.43H), 6.59-6.52(m, 4.52H), 4.52-4.46(m, 13.65H), 4.42-3.60(m, 23.46H), 3.33-3.28(m, 6.33H), 2.98-2.90(m, 2.64H), 2.75-2.59(m, 14.01H), 1.56-1.39(m, 2.71H), 1.20-1.11(m, 13.43H), 0.57-0.49(m, 2.66H)
합성예 5
비스나프탈렌의 테트라글리시딜 에테르 수지(Tetraglycidyl ether of bisnaphthalene, EEW=162 g/Eq, 이하, 에폭시 5로 표기함)을 사용하여 실릴화된 바이나프탈렌에폭시 수지를 합성하였다. 표1에 기술된 반응물 및 반응조건을 사용하였으며, 상기 합성예 1과 동일한 방법으로 반응을 진행하여 최종 목적물을 얻었다.
[합성예 5로 생성된 최종물의 NMR]
1H NMR (400MHz, DMSO): δ= 7.88-6.84(m, 13.42H), 4.84(s, 1.92H), 4.57-3.91(m, 11.09H), 3.31-3.15(m, 4.54H), 2.99-2.54(m, 12.57H), 1.57-1.37(m, 2.10H), 1.17-1.11(m, 9.89H), 0.56-0.51(m, 2.03H)
합성예 6
아미노페놀 에폭시 수지 (Araldite® MY0510, Huntsman CO., Ltd. EEW=100g/Eq, 이하, 에폭시 6로 표기함)을 사용하여 실릴화된 아미노페놀에폭시 수지를 합성하였다. 표1에 기술된 반응물 및 반응조건을 사용하였으며, 상기 합성예 1과 동일한 방법으로 반응을 진행하여 최종 목적물을 얻었다.
[합성예 6으로 생성된 최종물의 NMR]
1H NMR (400MHz, DMSO): δ= 6.90-6.72(m 4H), 5.28-5.26(m, 0.37H), 4.22-4.10(m, 1.69H), 3.80-3.54(m, 7.13H), 3.36-3.25(m, 3.85H), 3.11-3.06(m, 1.76H), 3.01-2.90(m, 0.79H), 2.83-2.80(m, 1.32H), 2.74-2.71(m, 2.64H), 2.68-2.66(m, 1.33H), 2.57-2.54(m, 2.64H), 1.56-1.38(m, 0.79H), 1.17-1.12(m, 3.68H), 0.55-0.50(m, 0.77H)
합성예 7
트라이페닐메탄 에폭시 수지 ((Tactix® 742, Huntsman CO., Ltd. EEW=160g/Eq, 이하, 에폭시 7로 표기함)을 사용하여 실릴화된 트라이페닐메탄에폭시 수지를 합성하였다. 표1에 기술된 반응물 및 반응조건을 사용하였으며, 상기 합성예 1과 동일한 방법으로 반응을 진행하여 최종 목적물을 얻었다.
[합성예 7로 생성된 최종물의 NMR]
1H NMR (400MHz, DMSO): δ= 7.03-6.73(m, 12H), 5.79-5.78(m, 0.41H), 5.38(s, 0.99H), 4.50-4.13(m, 3.22H), 3.82-3.61(m, 6.01H), 3.40-3.30(m, 2.65H), 3.00-2.91(m, 0.87H), 2.92-2.87(m, 2.70H), 2.76-2.73(m, 2.69H), 1.57-1.38(m, 0.79H), 1.17-1.12(m, 3.99H), 0.56-0.48(m, 0.78H)
합성예 8
트리글리시딜아이소시아네이트 화합물 (EEW=105g/Eq, 이하 에폭시 8로 표기함)을 사용하여 실릴화된 트리글리시딜아이소시아네이트에폭시 수지를 합성하였다. 표1에 기술된 반응물 및 반응조건을 사용하였으며, 상기 합성예 1과 동일한 방법으로 반응을 진행하여 최종 목적물을 얻었다.
[합성예 8로 생성된 최종물의 NMR]
1H NMR (400MHz, DMSO): δ= 5.31-5.29(m, 0.24H), 4.06-3.85(m, 3.28H), 3.78-3.61(m, 2.08H), 3.17-3.15(m, 2.76H), 3.01-2.90(m, 0.51H), 2.76-2.73(m, 2.72H), 2.62-2.58(m, 2.73H), 1.56-1.37(m, 0.52H), 1.17-1.12(m, 2.32H), 0.56-0.49(m, 0.52H)
합성예 9
테트라페닐에탄 에폭시 수지 (HiROXY® KET-4131, Kolon Industries, Inc, EEW=105g/Eq, 이하, 에폭시 9로 표기함)을 사용하여 실릴화된 테트라페닐에탄에폭시 수지를 합성하였다. 표1에 기술된 반응물 및 반응조건을 사용하였으며, 상기 합성예 1과 동일한 방법으로 반응을 진행하여 최종 목적물을 얻었다.
[합성예 9로 생성된 최종물의 NMR]
1H NMR (400MHz, DMSO): δ= 7.58-6.54(m, 23.25H), 4.50-4.02(m, 5.66H), 3.99-3.55(m, 13.00H), 3.34-3.20(m, 3.39H), 2.99-2.58(m, 11.33H), 1.56-1.37(m, 2.38H), 1.16-1.06(m, 12.23H), 0.61-0.45(m, 2.26H)
B. 비교합성예
비교합성예 1:
염기인 디이소프로필에틸아민(DIPEA) 사용유무 및 반응조건(온도/시간)을 하기 표 2에 기재한 바와 같이 한 것을 제외하고는 합성예 1과 동일한 조건으로 하여, 비교합성예 1-1 내지 1-3을 행하여 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 합성을 진행하였다.
[표 2]
Figure 112017110488644-pat00030
합성예 1에서는 미반응된 3-(트리에톡시실릴)프로필이소시아네이트가 관찰되지 않는다. 그러나 합성예 1과 달리, 염기를 미사용하거나 반응온도/시간이 본 발명의 범위를 벗어나는 조건에서 합성반응을 진행하면, 알콕시실릴화 반응이 완결되지 않아서, 미반응된 3-(트리에톡시실릴)프로필이소시아네이트가 NMR 스펙트럼에서 관찰되었다.
비교합성예 2: 에폭시 개환반응에 의한 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조
상온에서 2구 플라스크에 상기 에폭시1 (25g), NaOH (0.83g), 테트라에틸암모늄 브로마이드 (NEt4Br, 1.01g) 및 THF(tetrahydrofuran, 50ml), CH3CN (50ml) 및 에탄올(EtOH, 68ml)을 넣고 26℃에서 4시간 동안 교반하였다. 그 후에 염화암모늄(NH4Cl) 포화용액 5ml를 넣어 주고 3분간 교반하였다. 그리고 회전 증발기(rotary evaporator)에서 용매를 제거한 후에 EA(ethyl acetate) 400ml와 물 300ml로 워크업하여 유기층을 분리하였다. 분리된 유기층에 MgSO4를 넣어 남아있는 H2O를 제거한 후, 여과하고 용매를 증발시켜서 개환된 에폭시 중간생성물을 얻었다.
그 후, 2구 플라스크에 상기 중간생성물 20g, 3-(트리에톡시실릴)프로필 이소시아네이트 26.0ml, N,N-디이소프로필에틸아민 (DIPEA) 18.1ml 및 CH3CN 130ml을 넣고 65℃에서 20시간동안 교반하였다. 반응 종결 후, 에틸아세테이트 300ml를 추가한 후에 염화암모늄 (NH4Cl) 포화 수용액으로 워크업 하였다. 유기층을 분리하고 유기층에 MgSO4를 넣어 남아있는 H2O를 제거하였다. 증발기로 유기용매를 제거한 조질의 생성물에 헥산을 넣은 후 -15℃에서 보관하여 침전을 만들었다. 상등액을 제거한 후에 침전에 헥산을 부어서 침전을 만드는 과정을 2회 더 반복하여 [에폭시기] : [알콕시실릴기]의 몰 농도비가 4:1 인 에폭시 수지를 얻었다.
비교합성예 3 내지 5
출발물질로 에폭시 2 내지 4 를 각각 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예 2와 동일한 방법으로, 비교예 3 내지 5 의 개환반응에 의한 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지를 제조하였다.
[ 알콕시실릴에폭시의 EEW 값 비교] (본 발명 vs 에폭시개환반응 제조방법)
합성예 1 내지 4에서 제조된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지과 상기 비교합성예 2 내지 5의 개환반응으로 제조된 알콕시실릴 에폭시 수지(한국특허출원 10-2014-0021884, EtOH로 개환반응진행)의 동일한 농도의 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 EEW 값을 비교하여 하기 표 3에 나타내었다.
[표 3]
Figure 112019016979444-pat00055
삭제
상기 표 3에서 알 수 있듯이, [에폭시기]:[알콕시실릴기]가 동일한 몰 농도비에 각각 해당하는 합성예 1 내지 4와 비교합성예 2 내지 5의 EEW를 비교한 결과, 본 발명의 합성예 1 내지 4로 제조된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지가 비교합성예 2 내지 5의 방법으로 제조된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지에 비하여 현저하게 적은 EEW값을 갖는다. 따라서, 본 발명에 의한 방법으로 제조된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지가 분자당 에폭시기의 당량이 높고 따라서, 우수한 경화특성을 나타낼 것임을 알 수 있다.
C. 물성평가 :경화물 제조 및 내열특성 평가
(1) 에폭시 필러 복합체( 경화물 )의 제조
하기 표 4의 조성으로, 에폭시 수지, 실리카 및 왁스를 메틸에틸케톤에 고형분 함량이 70wt%이 되도록 녹인다. 이 혼합액을 20분 혼합한 후, 경화제를 넣고 추가로 10분간 더 혼합하고, 촉매를 넣고 균일한 용액이 되도록 10분 추가 혼합하였다. 상기 혼합물을 80℃로 가열된 컨벡션 오븐에 넣어 용매를 제거한 다음에 예열된 핫 프레스에서 180℃에서 4시간 동안 경화시켜서 에폭시 필러(무기입자) 복합체(5㎜×5㎜×3㎜)를 얻었다. 단, 비교 물성예 3의 시료의 경우는 고온경화 효과를 관찰하기 위하여 180℃에서 경화 후 230℃에서 2시간 추가경화반응을 진행하였다.
(2) 내열 물성 평가
하기 표 4의 조성으로 하여 얻어진 경화물의 온도에 따른 치수변화를 열-기계 분석기(Thermo-mechanical Analysizer)를 이용하여 평가하여 하기 표 4에 나타내었다. 에폭시 필러복합체의 시편은 5×5×3(㎣)의 크기로 제조하였다.
[표 4] 필러복합체의 내열특성
Figure 112017110488644-pat00032
주: 상기 표 4에서 사용된 화합물은 다음과 같음.
(1) 크레졸 노볼락계 에폭시 수지 (YDCN-500-80P, EEW=220 g/Eq, KuKdo Chemical CO., Ltd)
Figure 112017110488644-pat00033
(2) HF-1M : 페놀노볼락계 경화제 (Meiwa Plastic Industries, HEW=107)
Figure 112017110488644-pat00034
(3) 2P4MHZ : 이미다졸계 촉매 (Curezol. Shikoku)
(4) WAX-E : Licowax E (Clariant)
상기 표 4에서 알 수 있듯이, 본 발명의 합성예 1 내지 9에서 제조된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지로 제조된 복합체가 우수한 CTE 특성을 가졌다. 본 발명의 효과를 비교하기 위하여 알콕시실릴기를 갖지 않는 상용 에폭시 수지로 제조된 복합체 (비교물성예 1) 및 기출원의 개환반응으로 제조된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지로 제조된 복합체 (비교물성예 2)와의 열팽창 특성 비교결과를 도 1에 나타내었다.
도 1 에서 알 수 있듯이, 상용 에폭시 수지에 비하여 본 발명의 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지가 낮은 CTE를 갖는다. 따라서, 알콕시실릴화로 인한 우수한 내열특성을 보유함이 관찰되었다. 또한 비교합성예 2, 즉 개환반응법으로 합성된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지에 비하여, 경화온도가 180℃로 낮아진 경우 더 우수한 CTE 특성을 보임을 관찰하였다. 비교합성예 2로 제조된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 경우, 본 발명의 에폭시 수지과 유사한 물성 (합성예 1)을 보이기 위해서는 230℃에서의 추가 고온경화가 필요하였다. 이로부터, 본 발명에 의한 방법으로 제조된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지는 EEW의 증가가 최소화되며, 이에 따라, 우수한 경화특성, 즉, 경화온도가 낮아질 경우 구별되는 우수한 내열특성을 나타냄을 알 수 있다.
즉, 본 발명에 의한 방법으로 제조된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지는 EEW 증가가 최소화되어, 기존의 개환반응을 통하여 제조된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지에 비해 경화속도가 향상된다. 따라서 본 발명의 에폭시 수지는 기존의 개환반응을 통하여 제조된 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지에 비해 낮아진 경화온도에서 효율적인 경화가 용이하게 진행됨을 알 수 있다.

Claims (14)

  1. 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조방법으로서,
    에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질과 하기 화학식 1의 이소시아네이트 알콕시실란을 트리에틸아민, 디이소프로필에틸아민, 피리딘 및 이미다졸로 구성되는 그룹으로부터 선택된 최소 일종의 아민류 염기 촉매 존재하에서, 반응시키는 단계를 포함하며,
    상기 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지에서 [에폭시기]:[알콕시실릴기]의 몰농도비인 n:1은 2:1 내지 10:1이며,
    상기 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 EEW 증가는, 상기 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질의 EEW 값에 비하여, 260/n (n은 상기 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 알콕시실릴기 1 몰에 대한 대한 에폭시기의 몰비로 2 내지 10의 범위이다) 보다 작은,
    알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조방법.

    [화학식 1]
    OCN(CH2)3SiR1R2R3
    (식에서, 상기 R1 내지 R3 중 적어도 하나는 탄소수 1 내지 5 알콕시기이고, 나머지는 탄소수 1 내지 10 알킬기이다.)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질은 하기 화학식 (AS) 내지 (IS)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 일종인, 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조 방법.

    Figure 112019016979444-pat00035

    (상기 화학식 BS에서 S는
    Figure 112019016979444-pat00036
    이며,

    화학식 DS에서 t는
    Figure 112019016979444-pat00037
    이며,
    화학식 AS 내지 DS에서 n은 1 이상의 정수이며,
    화학식 ES에서, -q-는 -CH2-이거나 직접 결합(direct linkage)이며,
    화학식 GS에서 R은 수소, 히드록시기, C1 내지 C10의 알킬기 또는 C6 또는 C10의 방향족기이며,
    상기 화학식 AS 내지 IS에서, K 중 적어도 하나는 -CH2CHOHCH2OH (화학식 (S11)), -CH2CHOHCH2Cl (화학식 (S12)), 및 -CH(CH2OH)(CH2Cl) (화학식 (S13))으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 히드록시기를 갖는 구조이고 나머지는 하기 화학식 (E1)의 에폭시기를 갖는 구조이다.

    Figure 112019016979444-pat00038

    Figure 112019016979444-pat00039

    상기 화학식 AS 내지 IS 구조는, K 중 어느 하나의 위치에서 하기 화학식 LG1의 히드록시기를 갖는 연결기로 연결될 수 있다.
    Figure 112019016979444-pat00040

  3. 제1항에 있어서,
    상기 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질의 히드록시기 1 당량에 대하여, 상기 화학식 1의 이소시아네이트 알콕시실란은 1 당량으로 반응시키는, 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 아민류 염기 촉매는 상기 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질의 히드록시기 1당량에 대하여 0.5 내지 1 당량으로 사용되는, 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반응시키는 단계는 90℃ 내지 150℃ 온도에서 수행되는, 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반응시키는 단계는 72시간 내지 120시간 동안 수행되는, 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지는 하기 화학식 (AF) 내지 (IF)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 일종인, 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 제조 방법.
    Figure 112019016979444-pat00041


    화학식 BF에서 S는
    Figure 112019016979444-pat00042
    이며,
    화학식 DF에서 t는
    Figure 112019016979444-pat00043
    이며,
    화학식 AF 내지 DF 에서 n은 1 이상의 정수이며,
    화학식 EF에서, -q-는 -CH2-이거나 직접 결합(direct linkage)이며,
    화학식 GF에서 R은 수소, 히드록시기, C1-C10 알킬기 또는 C6 또는 C10 방향족기이며,
    상기 화학식 AF 내지 IF에서, M 중 적어도 하나는 -CH2CHOXCH2OX (화학식 (S21)), -CH2CHOXCH2Cl (화학식 (S22))및 -CH(CH2OX)(CH2Cl) (화학식 (S23))으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 알콕시실릴기를 갖는 구조이고, 나머지는 하기 화학식 (E1)의 에폭시기를 갖는 구조이다.

    Figure 112019016979444-pat00044

    단, 상기 화학식 (S21) 내지 (S23)에서, 상기 X는 CONH(CH2)3SiR1R2R3이고, R1 내지 R3 중 적어도 하나는 탄소수 1 내지 5 알콕시기이고, 나머지는 탄소수 1 내지 10 알킬기이다.

    Figure 112019016979444-pat00045

    상기 화학식 AF 내지 IF의 구조는 M 중 어느 하나의 위치에서 하기 화학식 LG2의 알콕시실릴기를 갖는 연결기에 의해 서로 연결될 수 있다.

    Figure 112019016979444-pat00046

    (단, 화학식 LG2에서, 상기 R1 내지 R3 중 적어도 하나는 탄소수 1 내지 5 알콕시기이고, 나머지는 탄소수 1 내지 10 알킬기임.)
  8. 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지로서,
    상기 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지에서 [에폭시기]:[알콕시실릴기]의 몰농도비인 n:1은 2:1 내지 10:1이고,
    상기 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지는 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질로부터 제조되며, 상기 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 EEW 증가는, 상기 에폭시 수지 합성시 형성된 히드록시기를 갖는 에폭시 수지 출발물질의 EEW값에 비하여, 260/n (n은 상기 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지의 알콕시실릴기 1 몰에 대한 대한 에폭시기의 몰비로 2 내지 10의 범위이다) 보다 작은,
    알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지는 하기 화학식 (AF) 내지 (IF)로 나타내어지는, 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지.
    Figure 112019016979444-pat00047

    화학식 BF에서 S는
    Figure 112019016979444-pat00048
    이며,
    화학식 DF에서 t는
    Figure 112019016979444-pat00049
    이며,
    화학식 AF 내지 DF 에서 n은 1 이상의 정수이며,
    화학식 EF에서, -q-는 -CH2-이거나 직접 결합(direct linkage)이며,
    화학식 GF에서 R은 수소, 히드록시기, C1-C10 알킬기 또는 C6 또는 C10 방향족기이며,
    상기 화학식 AF 내지 IF에서, M 중 적어도 하나는 -CH2CHOXCH2OX (화학식 (S21)), -CH2CHOXCH2Cl (화학식 (S22))및 -CH(CH2OX)(CH2Cl) (화학식 (S23))으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 알콕시실릴기를 갖는 구조이고, 나머지는 하기 화학식 (E1)의 에폭시기를 갖는 구조이다.

    Figure 112019016979444-pat00050

    단, 상기 화학식 (S21) 내지 (S23)에서, 상기 X는 CONH(CH2)3SiR1R2R3이고, R1 내지 R3 중 적어도 하나는 탄소수 1 내지 5 알콕시기이고, 나머지는 탄소수 1 내지 10 알킬기이다.

    Figure 112019016979444-pat00051

    상기 화학식 AF 내지 IF의 구조는 M 중 어느 하나의 위치에서 하기 화학식 LG2의 알콕시실릴기를 갖는 연결기에 의해 서로 연결될 수 있다.

    Figure 112019016979444-pat00052

    (단, 화학식 LG2에서, 상기 R1 내지 R3 중 적어도 하나는 탄소수 1 내지 5 알콕시기이고, 나머지는 탄소수 1 내지 10 알킬기임.)
  11. 제8항 및 제10항 중 어느 한 항의 알콕시실릴기를 갖는 에폭시 수지, 경화제 및 충전제를 포함하는 에폭시 수지 조성물.
  12. 청구항 11의 조성물을 경화시켜서 얻어지는 경화물.
  13. 청구항 11의 조성물을 포함하는 전자재료.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전자재료는 기판, 필름, 프리프레그, 적층판, 배선판, 반도체 장치, 및 패키징 재료로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 전자재료.
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