KR20100126723A - 폴리보로실록산 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 낮은 함량의 붕소-결합 하이드록시 그룹을 갖는 폴리보로실록산; 및 폴리보로실록산의 제조방법에 관한 것이다.
Description
관련 출원에 대한 교차참조
본 출원은 35 U.S.C.§119(e) 하에서 2008년 3월 4일자로 출원된 미국 가특허원 제61/033442호의 이권을 주장한다. 미국 가특허원 제61/033442호는 본원에 참고로 인용되어 있다.
발명의 분야
본 발명은 폴리보로실록산, 보다 특히 낮은 함량의 붕소-결합 하이드록시 그룹을 갖는 폴리보로실록산에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 폴리보로실록산의 제조방법에 관한 것이다.
보로실록산 및 이의 제조방법은 당업계에 공지되어 있다. 예를 들면, 번스 등(Burns et al.)의 미국 특허 제5,112,779호는 예비세라믹(preceramic) 보로실록산, 규소 카바이드 분말, 보로실록산용 경화제, 보로실록산용 가교결합제 및 임의로, 소결을 촉진시키는 추가의 성분을 포함하는 혼합물의 열분해에 의한 고도로 치밀한 세라믹체의 제조를 기재하고 있다.
야지마 등(Yajima et al.)의 미국 특허 제4,152,509호는 하나 이상의 붕산 화합물과 페닐실란을 가열하여 중축합 반응을 수행함으로써 제조된 보로실록산 중합체를 기재하고 있다.
야지마 등의 미국 특허 제4,248,814호는 Si의 측쇄의 적어도 일부에 페닐 그룹을 함유하고 B, Si 및 O로 이루어진 골격 구조를 갖는 폴리보로실록산 0.01 내지 15중량%를 구조 -(R1R2Si)n-의 폴리실란(여기서, n은 3 이상이고, R1 및 R2는 서로 독립적으로 메틸, 에틸, 페닐 또는 수소를 나타낸다)에 가하고, 중합체 혼합물을 반응에 불활성인 대기하에서 가열하여 이를 중화시킴으로써 실록산 결합을 부분적으로 함유하는 폴리카보실란을 제조하고; 상기 폴리카보실란을 옥사이드, 카바이드, 니트라이드, 보라이드 및 실리사이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 구성원으로 구성된 세라믹 분말과 혼합하고; 생성된 혼합물을 성형하고; 혼합물의 성형과 동시에 또는 성형 후에, 혼합물을 진공에서 또는 불활성 가스, 일산화탄소 가스, 이산화탄소 가스, 수소 가스, 질소 가스 및 탄화수소 가스로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 가스로 구성된 대기에서 800℃ 내지 2,000℃의 온도에서 소결시킴을 포함하는, 내열성 세라믹 소결체의 제조방법을 기재하고 있다.
필로트 등(Pillot et al.)의 미국 특허 제6,180,809 B1호는 폴리보로실록산 전구체를 제조하고, 전구체의 니트라이드화 열분해(nitriding pyrolysis)를 수행하여 무정형 붕소 및 규소 옥시니트라이드를 수득하고, 임의로 추가의 열분해를 수행하여 결정화된 붕소 및 규소 옥시니트라이드를 수득함으로써 수득되는 붕소 및 규소 옥시니트라이드를 기재하고 있다. 폴리보로실록산 전구체는 촉매의 존재하에서 화학식 R3R4SiCl2의 폴리클로로실란(여기서, 치환체 R3 및 R4는 동일하거나 상이하고, 이들 각각은 수소원자, 염소원자, 탄소수 5 이하의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 알케닐 또는 알키닐 라디칼, 또는 탄소수 6 내지 18의 아릴 또는 아르알킬을 나타낸다)과 화학식 (R5O)3B의 알킬 보레이트(여기서, R5는 탄소수 1 내지 5의 직쇄 또는 측쇄 알킬 라디칼을 나타낸다)의 축합에 의해 제조된다.
상기한 참고문헌들이 다양한 보로실록산을 기재하고 있지만, 이들은 낮은 함량의 붕소-결합 하이드록시 그룹을 갖는 본 발명의 폴리보로실록산 또는 폴리보로실록산의 제조방법을 기재하고 있지는 않다.
발명의 요지
본 발명은 화학식 I의 폴리보로실록산에 관한 것이다.
화학식 I
위의 화학식 I에서,
R1은 각각 독립적으로 C1 내지 C10 하이드로카빌 또는 C1 내지 C10 할로겐-치환된 하이드로카빌이고;
l은 0 내지 0.2이고;
m은 0 내지 0.5이고;
n은 0 내지 0.6이고;
p는 0 내지 0.7이고;
q는 0 내지 0.9이고;
r은 0 내지 0.999이고;
s는 0 내지 0.5이고;
v는 0 내지 0.05이고;
w는 0 내지 0.05이고;
x는 0 내지 0.45이고;
y는 0 내지 0.63이고;
z는 0 내지 0.25이고;
m+n은 0.001 내지 0.58이고;
q+r+s는 0.42 내지 0.999이고;
(p+2q+3r+4s)/(3m+2n)은 1.01 내지 1000이고;
l+m+n+p+q+r+s
1이다.
또한, 본 발명은
(I) 알콕시보란(a)으로서, (i) 하나 이상의 화학식 B(OR2)3의 트리알콕시보란, (ii) 하나 이상의 화학식 R1B(OR2)2의 디알콕시보란, (iii) 상기 성분들 (a)(i) 및 (a)(ii)를 포함하는 혼합물 및 (iv) 화학식 R1 2BOR2의 모노알콕시보란 및 상기 성분들 (a)(i) 및 (a)(ii) 중의 적어도 하나를 포함하는 혼합물로부터 선택된 알콕시보란(a)과,
할로실란(b)으로서, (i) 하나 이상의 화학식 R1SiX3의 트리할로실란, (ii) 하나 이상의 화학식 R1 2SiX2의 디할로실란, (iii) 하나 이상의 화학식 SiX4의 테트라할로실란, (iv) 상기 성분들 (b)(i), (b)(ii) 및 (b)(iii) 중의 적어도 두 개를 포함하는 혼합물 및 (v) 화학식 R1 3SiX의 모노할로실란과 상기 성분들 (b)(i), (b)(ii) 및 (b)(iii) 중의 적어도 하나를 포함하는 혼합물로부터 선택된 할로실란(b)을,
루이스산 촉매의 존재하에서 반응시켜 폴리보로실록산 중간체를 형성하는 단계(여기서, R1은 각각 독립적으로 C1 내지 C10 하이드로카빌 또는 C1 내지 C10 할로겐-치환된 하이드로카빌이고, R2는 C1 내지 C8 알킬이고, X는 -Cl 또는 -Br이고, 상기 알콕시보란(a)과 상기 할로실란(b)의 몰수의 합에 대한 상기 성분들 (a)(i)과 (a)(ii)의 몰수의 합의 비는 0.001 내지 0.58이고, 상기 알콕시보란(a)과 상기 할로실란(b)의 몰수의 합에 대한 상기 성분들 (b)(i), (b)(ii) 및 (b)(iii)의 몰수의 합의 비는 0.42 내지 0.999이고, 상기 알콕시보란(a)의 몰수에 대한 상기 할로실란(b)의 몰수의 비는 0.724 내지 999이고, 상기 알콕시보란(a) 중의 그룹 -OR2의 몰수에 대한 상기 할로실란(b) 중의 그룹 -X의 몰수의 비는 적어도 1.01이다);
(II) 상기 폴리보로실록산 중간체 및 임의로, 하나 이상의 화학식 R1 nSiX4-n의 할로실란을 물과 반응시켜 수-불용성 가수분해 생성물을 형성하는 단계(여기서, R1 및 X는 앞서 정의한 바와 같고, n은 0, 1, 2 또는 3이며, 단, 과량의 물이 사용되는 경우, 당해 방법은 상기 물로부터 가수분해 생성물을 분리함을 추가로 포함한다); 및
(III) 상기 가수분해 생성물을 증류시켜 축합에 의해 형성된 물(water of condensation)을 제거하는 단계를 포함하는, 폴리보로실록산의 제조방법에 관한 것이다.
폴리보로실록산은 높은 투명도 및 다수의 유기 용매에서의 우수한 용해도를 갖는다. 더욱이, 폴리보로실록산은 통상의 방법, 예를 들면, 실록산 및/또는 알콕시실록산에 의한 붕산 또는 에스테르의 공-가수분해에 의해 제조된 폴리보로실록산에 비해 매우 낮은 함량의 붕소-결합 하이드록시 그룹을 갖는다. 그 결과, 폴리보로실록산은 가수분해적으로 안정하고(즉, 습기에 의한 분해에 내성이 있고) 공기로의 연장된 노출 후 높은 투명도를 유지한다.
본 발명의 폴리보로실록산은 열경화되어 기판들 사이에 접착 피막을 형성할 수 있다. 또한, 폴리보로실록산이 규소-결합 알케닐 그룹을 함유하는 경우, 폴리보로실록산을 규소-결합 수소원자를 갖는 가교결합제 및 하이드로실릴화 촉매와 배합하여 하이드로실릴화-경화성 조성물을 형성할 수 있다. 조성물은 또한 열경화되어 기판들 사이에 접착 피막을 형성할 수 있다.
본 발명의 이러한 및 기타의 특징, 측면 및 잇점은 하기의 설명 및 첨부된 특허청구범위를 참고로 하여 보다 잘 이해될 것이다.
발명의 상세한 설명
본원에서 사용되는 표시 (BO(3-v)/2)(OH)v 및 (R1BO(2-w)/2)(OH)w는 각각 3개의 산소원자 및 2개의 산소원자에 결합된 붕소를 갖는 단위의 평균 화학식을 나타내며, 여기서, 각각의 산소원자는 또한 또다른 원자, 즉, Si 또는 H에 결합된다. 예를 들면, 화학식 (BO(3-v)/2)(OH)v를 갖는 단일 단위(여기서, v=0이다)는 구조식 
로 나타내어질 수 있다.
유사하게, 화학식 (R1BO(2-w)/2)(OH)w를 갖는 단일 단위(여기서, R1은 C1 내지 C10 하이드로카빌 또는 C1 내지 C10 할로겐-치환된 하이드로카빌이고, w=0이다)는 구조식 
로 나타내어질 수 있다.
추가로, 화학식 R1 2BO1/2를 갖는 단위(여기서, R1은 각각 독립적으로 C1 내지 C10 하이드로카빌 또는 C1 내지 C10 할로겐-치환된 하이드로카빌이다)는 화학식 
를 갖는다.
상기한 각각의 화학식에서, 산소원자에 부착된 선 부분(line segment)은 유리 원자가, 즉 다른 원자로의 부착점을 나타낸다.
본 발명에 따르는 폴리보로실록산은 화학식 I을 갖는다:
화학식 I
위의 화학식 I에서,
R1은 각각 독립적으로 C1 내지 C10 하이드로카빌 또는 C1 내지 C10 할로겐-치환된 하이드로카빌이고;
l은 0 내지 0.2이고;
m은 0 내지 0.5이고;
n은 0 내지 0.6이고;
p는 0 내지 0.7이고;
q는 0 내지 0.9이고;
r은 0 내지 0.999이고;
s는 0 내지 0.5이고;
v는 0 내지 0.05이고;
w는 0 내지 0.05이고;
x는 0 내지 0.45이고;
y는 0 내지 0.63이고;
z는 0 내지 0.25이고;
m+n은 0.001 내지 0.58이고;
q+r+s는 0.42 내지 0.999이고;
(p+2q+3r+4s)/(3m+2n)은 1.01 내지 1000이고;
l+m+n+p+q+r+s
1이다.
폴리보로실록산은 화학식 [(BO(3-v)/2)(OH)v]를 갖는 단위 및/또는 화학식 [(R1BO(2-w)/2)(OH)w]를 갖는 단위를 화학식 [(R1 2SiO(2-x)/2)(OH)x]를 갖는 단위, 화학식 [(R1SiO(3-y)/2)(OH)y]를 갖는 단위 및 화학식 [(SiO(4-z)/2)(OH)z]를 갖는 단위 중의 적어도 하나와 함께 함유하며, 여기서, R1, v, w, x, y 및 z는 아래에 정의하고 예시하는 바와 같다.
R1에 의해 나타내어지는 하이드로카빌 및 할로겐-치환된 하이드로카빌 그룹은 전형적으로 1 내지 10개의 탄소원자, 또는 1 내지 6개의 탄소원자, 또는 1 내지 4개의 탄소원자를 갖는다. 적어도 3개의 탄소원자를 함유하는 아사이클릭 하이드로카빌 및 할로겐-치환된 하이드로카빌 그룹은 측쇄 또는 비측쇄 구조를 가질 수 있다. R1에 의해 나타내어지는 하이드로카빌 그룹의 예는 알킬, 예를 들면, 메틸, 에틸, 프로필, 1-메틸에틸, 부틸, 1-메틸프로필, 2-메틸프로필, 1,1-디메틸에틸, 펜틸, 1-메틸부틸, 1-에틸프로필, 2-메틸부틸, 3-메틸부틸, 1,2-디메틸프로필, 2,2-디메틸프로필, 헥실, 헵틸, 옥틸, 노닐 및 데실; 사이클로알킬, 예를 들면, 사이클로펜틸, 사이클로헥실 및 메틸사이클로헥실; 아릴, 예를 들면, 페닐 및 나프틸; 알크아릴, 예를 들면, 톨릴 및 크실릴; 아르알킬, 예를 들면, 벤질 및 펜에틸; 알케닐, 예를 들면, 비닐, 알릴 및 프로페닐, 부테닐, 헥세닐 및 옥테닐; 아릴알케닐, 예를 들면, 스티릴 및 신나밀; 및 알키닐, 예를 들면, 에티닐 및 프로피닐을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. R1에 의해 나타내어지는 할로겐-치환된 하이드로카빌 그룹의 예는 3,3,3-트리플루오로프로필, 3-클로로프로필, 클로로페닐, 디클로로페닐, 2,2,2-트리플루오로에틸, 2,2,3,3-테트라플루오로프로필 및 2,2,3,3,4,4,5,5-옥타플루오로펜틸을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
하나의 양태에서, 폴리보로실록산의 화학식 I에서 R1에 의해 나타내어지는 하이드로카빌 그룹은 페닐이 아니다.
폴리보로실록산의 화학식 I에서, 아랫첨자 l, m, n, p, q, r 및 s는 몰분율이다. 아랫첨자 l은 전형적으로 0 내지 0.2, 또는 0 내지 0.1, 또는 0 내지 0.05의 값을 갖고; 아랫첨자 m은 전형적으로 0 내지 0.5, 또는 0.1 내지 0.4, 또는 0.15 내지 0.3의 값을 갖고; 아랫첨자 n은 전형적으로 0 내지 0.6, 또는 0 내지 0.4, 또는 0.1 내지 0.2의 값을 갖고; 아랫첨자 p는 전형적으로 0 내지 0.7, 또는 0 내지 0.5, 또는 0 내지 0.2의 값을 갖고; 아랫첨자 q는 전형적으로 0 내지 0.9, 또는 0 내지 0.7, 또는 0 내지 0.5의 값을 갖고; 아랫첨자 r은 전형적으로 0 내지 0.999, 또는 0 내지 0.8, 또는 0.1 내지 0.4의 값을 갖고; 아랫첨자 s는 전형적으로 0 내지 0.5, 또는 0 내지 0.35, 또는 0.05 내지 0.2의 값을 갖는다. 또한, m+n의 합은 전형적으로 0.001 내지 0.58, 또는 0.01 내지 0.4, 또는 0.1 내지 0.3이고; q+r+s의 합은 전형적으로 0.42 내지 0.999, 또는 0.45 내지 0.9, 또는 0.6 내지 0.8이고; (p+2q+3r+4s)/(3m+2n)의 비는 전형적으로 1.01 내지 1000, 또는 1.2 내지 100, 또는 1.5 내지 10이다.
또한, 폴리보로실록산의 화학식 I에서, 아랫첨자 v, w, x, y 및 z는 화학식에서의 각종 단위와 관련된 하이드록시 그룹의 평균 수를 나타낸다. 아랫첨자 v는 전형적으로 0 내지 0.05, 또는 0 내지 0.04, 또는 0 내지 0.03의 값을 갖고; 아랫첨자 w는 전형적으로 0 내지 0.05, 또는 0.01 내지 0.04, 또는 0.01 내지 0.02의 값을 갖고; 아랫첨자 x는 전형적으로 0 내지 0.45, 또는 0.01 내지 0.35, 또는 0.05 내지 0.25의 값을 갖고; 아랫첨자 y는 전형적으로 0 내지 0.63, 또는 0.01 내지 0.4, 또는 0.05 내지 0.25의 값을 갖고; 아랫첨자 z는 전형적으로 0 내지 0.25, 또는 0.01 내지 0.15, 또는 0.01 내지 0.05의 값을 갖는다.
추가로, 폴리보로실록산의 화학식 I에서, l+m+n+p+q+r+s의 합계
1(대략 1과 동등)이다. 이것은 상기 화학식 I에 도시된 평균 화학식을 갖는 단위 이외에, 폴리보로실록산이 다음의 평균 화학식을 갖는 하나 이상의 단위를 잔여량, 예를 들면, 5몰% 이하로 함유할 수 있음을 의미한다:
(BO(3-v')/2)(OR2)v', (R1BO(2-w')/2)(OR2)w', (R1 2Si0(2-x')/2)(X)x', (R1Si0(3-y')/2)(X)y' 및 (SiO(4-z')/2)(X)z' (여기서, R1은 위에 정의하고 예시한 바와 같고, R2는 C1 내지 C8 알킬이고, X는 -Cl 또는 -Br이고, v'는 0 내지 0.04의 평균 값을 갖고; w'는 0 내지 0.02의 평균 값을 갖고; x'는 0 내지 0.03의 평균 값을 갖고; y'는 0 내지 0.03의 평균 값을 갖고; z'는 0 내지 0.03의 평균 값을 갖는다).
R2에 의해 나타내어지는 알킬 그룹은 전형적으로 1 내지 8개의 탄소원자, 또는 1 내지 6개의 탄소원자, 또는 1 내지 4개의 탄소원자를 갖는다. 적어도 3개의 탄소원자를 함유하는 아사이클릭 알킬 그룹은 측쇄 또는 비측쇄 구조를 가질 수 있다.
R2에 의해 나타내어지는 알킬 그룹의 예는 메틸, 에틸, 프로필, 1-메틸에틸, 부틸, 1-메틸프로필, 2-메틸프로필, 1,1-디메틸에틸, 펜틸, 1-메틸부틸, 1-에틸프로필, 2-메틸부틸, 3-메틸부틸, 1,2-디메틸프로필, 2,2-디메틸프로필, 헥실, 헵틸 및 옥틸; 및 사이클로알킬, 예를 들면, 사이클로펜틸, 사이클로헥실 및 메틸사이클로헥실을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
하나의 양태에서, 폴리보로실록산은 분자당 평균 적어도 2개의 알케닐 그룹을 갖는다. R1에 의해 나타내어지는 알케닐 그룹은 붕소원자, 규소원자, 또는 붕소와 규소원자 둘 다에 결합될 수 있다. 당해 양태에서, 전형적으로 폴리보로실록산 중의 그룹 R1의 적어도 10몰%, 또는 적어도 25몰%, 또는 적어도 50몰%는 알케닐이다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "폴리보로실록산 중의 그룹 R1의 알케닐의 몰%"는 폴리보로실록산 중의 그룹 R1의 총 몰수에 대한 폴리보로실록산 중의 규소-결합 및 붕소-결합 알케닐 그룹의 몰수의 비×100으로서 정의된다.
폴리보로실록산은 전형적으로 500 내지 1,000,000, 또는 500 내지 500,000, 또는 10,000 내지 500,000, 또는 10,000 내지 50,000의 수-평균 분자량(Mn)을 가지며, 여기서, 분자량은 굴절률 검측기 및 실리콘 수지(MQ) 표준물질을 사용하여 겔 투과 크로마토그래피로 측정된다.
25℃에서의 폴리보로실록산의 점도는 전형적으로 0.5 내지 10,000Pa·s, 또는 1 내지 1,000Pa·s, 또는 2 내지 100Pa·s이다.
폴리보로실록산은 전형적으로 29Si NMR로 측정되는 바와 같이 20% (w/w) 미만, 또는 15% (w/w) 미만, 또는 10% (w/w) 미만의 규소-결합 하이드록시 그룹을 함유한다.
또한, 폴리보로실록산은 전형적으로 5몰% 미만, 또는 4몰% 미만, 또는 3몰% 미만의 붕소-결합 하이드록시 그룹을 함유하며, 여기서, 붕소-결합 하이드록시 그룹의 몰%는 폴리보로실록산 중의 Si 원자 및 B 원자의 몰수의 합에 대한 폴리보로실록산 중의 붕소-결합 하이드록시 그룹의 몰수의 비×100으로서 정의된다. 더욱이, 붕소-결합 하이드록시 그룹의 몰%는 관계식: D = νBC/A로부터 추정할 수 있으며, 여기서, D는 붕소-결합 하이드록시 그룹의 몰%이고; ν는 1의 값을 갖도록 가정된 비례 상수(proportionality constant)이고; A는 폴리보로실록산의 FTIR 스펙트럼에서 대략적으로 약 3400cm-1에 중심이 있는 Si-OH 흡수의 면적이고; B는 폴리보로실록산의 FTIR 스펙트럼에서 대략적으로 약 3230cm-1에 중심이 있는 B-OH 흡수의 면적이고; C는 29Si NMR에 의해 측정되는 바와 같은 폴리보로실록산 중의 규소-결합 하이드록시 그룹의 몰%이다.
본 발명의 폴리보로실록산은 각종 유기 용매에서 가용성이다. 예를 들면, 구조, 분자량 및 규소-결합 하이드록시 그룹의 함량에 따라 좌우되는 유기 용매 중의 폴리보로실록산의 용해도는 전형적으로 실온(약 23±2℃)에서 적어도 2g/mL, 또는 적어도 1g/mL이다. 특히, 메틸 이소부틸 케톤에서의 폴리보로실록산의 용해도는 전형적으로 실온(약 23±2℃)에서 0.1 내지 2g/mL, 또는 0.2 내지 1g/mL이다.
폴리보로실록산은 전형적으로 높은 투명도를 나타낸다. 일반적으로, 폴리보로실록산의 투명도는 폴리보로실록산의 조성 및 샘플의 두께에 따라 좌우된다. 예를 들면, 50㎛의 두께를 갖는 폴리보로실록산의 필름은 전형적으로 전자기 스펙트럼의 가시광선 영역(약 400 내지 약 700nm)의 광에 대해 적어도 80%, 또는 적어도 85%, 또는 적어도 90%의 투과율을 갖는다. 특히, 폴리보로실록산은 연장된 시간, 예를 들면, 수 일 내지 수 개월 동안 공기에 노출시킨 후에도 높은 투명도를 나타낸다.
화학식 I을 갖는 폴리보로실록산의 예는 다음의 화학식을 갖는 폴리보로실록산을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다:
여기서, Me는 메틸이고, Vi는 비닐이고, Ph는 페닐이고, 괄호 밖의 숫자 아랫첨자는 몰분율을 나타낸다. 또한, 상기 화학식에서, 단위의 순서는 명시되어 있지 않다.
본 발명의 폴리보로실록산은,
(I) 알콕시보란(a)으로서, (i) 하나 이상의 화학식 B(OR2)3의 트리알콕시보란, (ii) 하나 이상의 화학식 R1B(OR2)2의 디알콕시보란, (iii) 상기 성분들 (a)(i) 및 (a)(ii)를 포함하는 혼합물 및 (iv) 화학식 R1 2BOR2의 모노알콕시보란과 상기 성분들 (a)(i) 및 (a)(ii) 중의 적어도 하나를 포함하는 혼합물로부터 선택된 알콕시보란(a)과,
할로실란(b)으로서, (i) 하나 이상의 화학식 R1SiX3의 트리할로실란, (ii) 하나 이상의 화학식 R1 2SiX2의 디할로실란, (iii) 하나 이상의 화학식 SiX4의 테트라할로실란, (iv) 상기 성분들 (b)(i), (b)(ii) 및 (b)(iii) 중의 적어도 두 개를 포함하는 혼합물 및 (v) 화학식 R1 3SiX의 모노할로실란과 상기 성분들 (b)(i), (b)(ii) 및 (b)(iii) 중의 적어도 하나를 포함하는 혼합물로부터 선택된 할로실란(b)을,
루이스산 촉매의 존재하에서 반응시켜 폴리보로실록산 중간체를 형성하는 단계(여기서, R1은 각각 독립적으로 C1 내지 C10 하이드로카빌 또는 C1 내지 C10 할로겐-치환된 하이드로카빌이고, R2는 C1 내지 C8 알킬이고, X는 -Cl 또는 -Br이고, 상기 알콕시보란(a)과 상기 할로실란(b)의 몰수의 합에 대한 상기 성분들 (a)(i)과 (a)(ii)의 몰수의 합의 비는 0.001 내지 0.58이고, 상기 알콕시보란(a)과 상기 할로실란(b)의 몰수의 합에 대한 상기 성분들 (b)(i), (b)(ii) 및 (b)(iii)의 몰수의 합의 비는 0.42 내지 0.999이고, 상기 알콕시보란(a)의 몰수에 대한 상기 할로실란(b)의 몰수의 비는 0.724 내지 999이고, 상기 알콕시보란(a) 중의 그룹 -OR2의 몰수에 대한 상기 할로실란(b) 중의 그룹 -X의 몰수의 비는 적어도 1.01이다);
(II) 상기 폴리보로실록산 중간체 및 임의로, 하나 이상의 화학식 R1 nSiX4 -n의 할로실란을 물과 반응시켜 수-불용성 가수분해 생성물을 형성하는 단계(여기서, R1 및 X는 앞서 정의한 바와 같고, n은 0, 1, 2 또는 3이며, 단, 과량의 물이 사용되는 경우, 당해 방법은 상기 물로부터 가수분해 생성물을 분리함을 추가로 포함한다); 및
(III) 상기 가수분해 생성물을 증류시켜 축합에 의해 형성된 물을 제거하는 단계에 의해 제조할 수 있다.
폴리보로실록산의 제조방법의 단계(I)에서, (i) 하나 이상의 화학식 B(OR2)3의 트리알콕시보란, (ii) 하나 이상의 화학식 R1B(OR2)2의 디알콕시보란, (iii) 상기 성분들 (a)(i) 및 (a)(ii)를 포함하는 혼합물 및 (iv) 화학식 R1 2BOR2의 모노알콕시보란과 상기 성분들 (a)(i) 및 (a)(ii) 중의 적어도 하나를 포함하는 혼합물로부터 선택된 알콕시보란(a)과,
할로실란(b)으로서, (i) 하나 이상의 화학식 R1SiX3의 트리할로실란, (ii) 하나 이상의 화학식 R1 2SiX2의 디할로실란, (iii) 하나 이상의 화학식 SiX4의 테트라할로실란, (iv) 상기 성분들 (b)(i), (b)(ii) 및 (b)(iii) 중의 적어도 두 개를 포함하는 혼합물 및 (v) 화학식 R1 3SiX의 모노할로실란과 상기 성분들 (b)(i), (b)(ii) 및 (b)(iii) 중의 적어도 하나를 포함하는 혼합물로부터 선택된 할로실란(b)을,
루이스산 촉매의 존재하에서 반응시켜 폴리보로실록산 중간체를 형성하며, 여기서, R1은 각각 독립적으로 C1 내지 C10 하이드로카빌 또는 C1 내지 C10 할로겐-치환된 하이드로카빌이고, R2는 C1 내지 C8 알킬이고, X는 -Cl 또는 -Br이고, 상기 알콕시보란(a)과 상기 할로실란(b)의 몰수의 합에 대한 상기 성분들 (a)(i)과 (a)(ii)의 몰수의 합의 비는 0.001 내지 0.58이고, 상기 알콕시보란(a)과 상기 할로실란(b)의 몰수의 합에 대한 상기 성분들 (b)(i), (b)(ii) 및 (b)(iii)의 몰수의 합의 비는 0.42 내지 0.999이고, 상기 알콕시보란(a)의 몰수에 대한 상기 할로실란(b)의 몰수의 비는 0.724 내지 999이고, 상기 알콕시보란(a) 중의 그룹 -OR2의 몰수에 대한 상기 할로실란(b) 중의 그룹 -X의 몰수의 비는 적어도 1.01이다.
알콕시보란(a)은 (i) 하나 이상의 화학식 B(OR2)3의 트리알콕시보란, (ii) 하나 이상의 화학식 R1B(OR2)2의 디알콕시보란, (iii) 상기 성분들 (a)(i) 및 (a)(ii)를 포함하는 혼합물 및 (iv) 화학식 R1 2BOR2의 모노알콕시보란과 상기 성분들 (a)(i) 및 (a)(ii) 중의 적어도 하나를 포함하는 혼합물로부터 선택되며, 여기서, R1 및 R2는 위에 정의하고 예시한 바와 같다.
알콕시보란(a)(i)은 하나 이상의 화학식 B(OR2)3의 트리알콕시보란이며, 여기서, R2는 위에 정의하고 예시한 바와 같다. 트리알콕시보란의 예는 트리메틸 보레이트, 트리에틸 보레이트, 트리프로필 보레이트, 트리펜틸 보레이트, 트리헥실 보레이트 및 트리옥틸 보레이트를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
알콕시보란(a)(i)은 각각 B(OR2)3을 갖는, 단독 트리알콕시보란 또는 둘 이상의 상이한 트리알콕시보란을 포함하는 혼합물일 수 있으며, 여기서, R2는 위에 정의하고 예시한 바와 같다. 트리알콕시보란의 제조방법은 당업계에 널리 공지되어 있으며; 이러한 화합물 중의 다수가 시판되고 있다.
알콕시보란(a)(ii)는 하나 이상의 화학식 R1B(OR2)2의 디알콕시보란이며, 여기서, R1 및 R2는 위에 정의하고 예시한 바와 같다. 디알콕시보란의 예는 페닐디메톡시보란, 메틸디메톡시보란, 페닐디에톡시보란, 메틸디에톡시보란 및 n-부틸디메톡시보란을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
알콕시보란(a)(ii)는 각각 화학식 R1B(OR2)2를 갖는, 단독 디알콕시보란 또는 둘 이상의 상이한 디알콕시보란을 포함하는 혼합물일 수 있으며, 여기서, R1 및 R2는 위에 정의하고 예시한 바와 같다. 디알콕시보란의 제조방법은 당업계에 널리 공지되어 있으며; 이러한 화합물 중의 다수가 시판되고 있다.
알콕시보란(a)(iii)은 각각 상기한 바와 같은 (a)(i) 및 (a)(ii)를 포함하는 혼합물이다.
알콕시보란(a)(iv)은 화학식 R1 2BOR2의 모노알콕시보란과 (a)(i) 및 (a)(ii) 중의 적어도 하나를 포함하는 혼합물이며, 여기서, R1 및 R2는 위에 정의하고 예시한 바와 같다. 모노알콕시보란의 예는 메틸페닐메톡시보란 및 디메틸메톡시보란을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
모노알콕시보란은 각각 화학식 R1 2BOR2를 갖는, 단독 모노알콕시보란 또는 둘 이상의 상이한 모노알콕시보란을 포함하는 혼합물일 수 있으며, 여기서, R1 및 R2는 위에 정의하고 예시한 바와 같다. 모노알콕시보란의 제조방법은 당업계에 널리 공지되어 있으며; 이러한 화합물 중의 다수가 시판되고 있다.
할로실란(b)은 (i) 하나 이상의 화학식 R1SiX3의 트리할로실란, (ii) 하나 이상의 화학식 R1 2SiX2의 디할로실란, (iii) 하나 이상의 화학식 SiX4의 테트라할로실란, (iv) 상기 성분들 (b)(i), (b)(ii) 및 (b)(iii) 중의 적어도 두 개를 포함하는 혼합물 및 (v) 화학식 R1 3SiX의 모노할로실란과 상기 성분들 (b)(i), (b)(ii) 및 (b)(iii) 중의 적어도 하나를 포함하는 혼합물로부터 선택되며, 여기서, R1은 C1 내지 C10 하이드로카빌 또는 C1 내지 C10 할로겐-치환된 하이드로카빌이고, X는 -Cl 또는 -Br이다.
할로실란(b)(i)은 하나 이상의 화학식 R1SiX3의 트리할로실란이고, 여기서, R1 및 X는 위에서 기재하고 예시한 바와 같다. 트리할로실란의 예는 화학식 MeSiCl3, EtSiCl3, MeSiBr3, EtSiBr3, PhSiCl3, n-BuSiCl3 및 i-PrSiCl3을 갖는 실란을 포함하지만, 이에 제한되지 않으며, 여기서, Me는 메틸이고, Et는 에틸이고, Ph는 페닐이고, n-Bu는 노말 부틸이고, i-Pr은 이소프로필이다.
할로실란(b)(i)는 각각 화학식 R1SiX3을 갖는, 단독 트리할로실란 또는 둘 이상의 상이한 트리할로실란을 포함하는 혼합물일 수 있으며, 여기서, R1 및 X는 위에 정의하고 예시한 바와 같다. 트리할로실란의 제조방법은 당업계에 널리 공지되어 있으며; 이러한 화합물 중의 다수가 시판되고 있다.
할로실란(b)(ii)는 하나 이상의 화학식 R1 2SiX2의 디할로실란이고, 여기서, R1 및 X는 위에 정의하고 예시한 바와 같다. 디할로실란의 예는 화학식 Me2SiCl2, Et2SiCl2, Me2SiBr2, Et2SiBr2, PhMeSiCl2, ViMeSiCl2 및 Ph2SiCl2를 갖는 실란을 포함하지만, 이에 제한되지 않으며, 여기서, Me는 메틸이고, Et는 에틸이고, Ph는 페닐이고, Vi는 비닐이다.
할로실란(b)(ii)은 각각 화학식 R1 2SiX2를 갖는, 단독 디할로실란 또는 둘 이상의 상이한 디할로실란을 포함하는 혼합물일 수 있으며, 여기서, R1 및 X는 위에 정의하고 예시한 바와 같다. 디할로실란의 제조방법은 당업계에 널리 공지되어 있으며; 이러한 화합물 중의 다수가 시판되고 있다.
할로실란(b)(iii)은 하나 이상의 화학식 SiX4의 테트라할로실란이고, 여기서, X는 -Cl 또는 -Br이다. 테트라할로실란의 예는 SiCl4 및 SiBr4를 포함한다.
할로실란(b)(iii)은 각각 화학식 SiX4를 갖는, 단독 테트라할로실란 또는 둘 이상의 상이한 테트라할로실란을 포함하는 혼합물일 수 있으며, 여기서, X는 위에 정의하고 예시한 바와 같다. 테트라할로실란의 제조방법은 당업계에 널리 공지되어 있으며; 이러한 화합물 중의 다수가 시판되고 있다.
할로실란(b)(iv)는 각각 위에 기재된 바와 같은 (b)(i), (b)(ii) 및 (b)(iii) 중의 적어도 두 개를 포함하는 혼합물이다.
할로실란(b)(v)는 화학식 R1 3SiX의 모노할로실란과 상기 성분들 (b)(i), (b)(ii) 및 (b)(iii) 중의 적어도 하나를 포함하는 혼합물이고, 여기서, R1 및 X는 위에 정의하고 예시한 바와 같다. 모노할로실란의 예는 화학식 ViMe2SiCl, ViPhMeSiCl, Me3SiBr, PhMe2SiCl, Vi2MeSiBr 및 Ph2MeSiCl을 갖는 실란을 포함하지만, 이에 제한되지 않으며, 여기서, Me는 메틸이고, Vi는 비닐이고, Ph는 페닐이다.
모노할로실란은 각각 화학식 R1 3SiX를 갖는, 단독 모노할로실란 또는 둘 이상의 상이한 모노할로실란을 포함하는 혼합물일 수 있으며, 여기서, R1 및 X는 위에 정의하고 예시한 바와 같다. 모노할로실란의 제조방법은 당업계에 널리 공지되어 있으며; 이러한 화합물 중의 다수가 시판되고 있다.
루이스 산 촉매는 알콕시보란(a) 중의 붕소-결합 그룹 -OR1과 할로실란(b) 중의 규소-결합 그룹 -X 사이의 축합 반응을 촉진시킬 수 있는 하나 이상의 루이스 산 촉매이다. 루이스 산 촉매의 예는 다음 화학식을 갖는 촉매를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다: AlCl3, FeCl3, BCl3 및 ZnCl2. 루이스 산 촉매는 단독 루이스 산 촉매이거나, 둘 이상의 상이한 루이스 산 촉매를 포함하는 혼합물일 수 있다.
폴리보로실록산 중간체를 제조하기 위한 알콕시보란과 할로실란과의 반응은, 예를 들면, 할로실란을 알콕시보란과 접촉시키는데 적합한 표준 반응기에서 수행할 수 있다. 적합한 반응기는 유리 및 테플론-라이닝된 유리 반응기를 포함한다. 바람직하게는, 반응기에는 교반, 예를 들면, 스터링(stirring)의 수단이 장착되어 있다. 또한, 바람직하게는, 반응은 습기의 부재하에서 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 대기에서 수행된다.
알콕시보란(a)은 전형적으로 할로실란(b)과 루이스 산 촉매와의 혼합물에 첨가된다. 역 첨가(reverse addition), 즉 루이스 산 촉매의 존재하에서 할로실란을 알콕시보란에 첨가하는 것 또한 가능하다. 그러나, 역 첨가는 보다 높은 다분산도를 갖는 폴리보로실록산을 야기할 수 있고, 몇몇 경우에 겔 형성을 초래할 수 있다.
알콕시보란(a)을 할로실란(b)과 루이스 산 촉매와의 혼합물에 첨가하는 속도는 전형적으로 교반에 효과적인 수단이 장착된 1000-mL 반응 용기에 대해 0.1 내지 2mL/분이다. 첨가 속도가 너무 느린 경우, 반응 시간이 불필요하게 연장된다. 첨가 속도가 너무 빠른 경우, 반응 혼합물이 겔을 형성할 수 있다.
알콕시보란(a)과 할로실란(b)과의 반응은 전형적으로 25 내지 150℃, 또는 30 내지 90℃, 또는 40 내지 80℃의 온도에서 수행된다. 온도가 25℃ 미만인 경우, 반응 속도는 전형적으로 매우 느리다. 온도가 150℃보다 높은 경우, 반응물의 과도한 증발이 일어난다.
반응 시간은 알콕시보란(a) 및 할로실란(b)의 구조 및 온도를 포함한 몇 가지 요인에 따라 좌우된다. 반응은 전형적으로 알콕시보란에 원래 존재하는 그룹 -OR2의 적어도 95몰%를 -O-Si 결합으로 전환시키기에 충분한 시간량 동안 수행된다. 예를 들면, 반응 시간은 40 내지 80℃의 온도에서 전형적으로 1 내지 24시간, 또는 1 내지 8시간, 또는 2 내지 5시간이다. 최적의 반응 시간은 아래 실시예 부분에 기재된 방법들을 사용하여 일반적인 실험에 의해 결정할 수 있다.
알콕시보란(a)과 할로실란(b)의 몰수의 합에 대한 상기 성분들 (a)(i)과 (a)(ii)의 몰수의 합의 비는 전형적으로 0.001 내지 0.58, 또는 0.01 내지 0.4, 또는 0.1 내지 0.35이다.
알콕시보란(a)과 할로실란(b)의 몰수의 합에 대한 상기 성분들 (b)(i), (b)(ii) 및 (b)(iii)의 몰수의 합의 비는 전형적으로 0.42 내지 0.999, 또는 0.5 내지 0.9, 또는 0.6 내지 0.8이다.
상기 알콕시보란(a)의 몰수에 대한 상기 할로실란(b)의 몰수의 비는 전형적으로 0.724 내지 999, 또는 1.2 내지 99, 또는 1.5 내지 9이다.
알콕시보란(a) 중의 그룹 -OR2의 몰수에 대한 할로실란(b) 중의 그룹 -X의 몰수의 비는 전형적으로 적어도 1.01이다. 예를 들면, 알콕시보란(a) 중의 그룹 -OR2의 몰수에 대한 할로실란(b) 중의 그룹 -X의 몰수의 비는 전형적으로 1.01 내지 1,000, 또는 1.2 내지 100, 또는 1.5 내지 10이다.
루이스 산 촉매의 농도는 알콕시보란(a)과 할로실란(b)과의 반응을 촉매하기에 충분하다. 전형적으로, 루이스 산 촉매의 농도는, 알콕시보란과 할로실란의 합한 중량을 기준으로 하여, 0.1 내지 3% (w/w), 또는 0.5 내지 1% (w/w)이다.
폴리보로실록산의 제조방법의 단계(II)에서, 폴리보로실록산 중간체 및, 임의로 하나 이상의 화학식 R1 nSiX4-n의 할로실란을 물과 반응시켜 수-불용성 가수분해 생성물을 형성하며, 여기서, R1 및 X는 앞서 정의한 바와 같고, n은 0, 1, 2 또는 3이며, 단, 과량의 물이 사용되는 경우, 당해 방법은 상기 물로부터 가수분해 생성물을 분리함을 추가로 포함한다.
단계(II)의 임의의 할로실란은 하나 이상의 화학식 R1 nSiX4-n의 할로실란이며, 여기서, R1 및 X는 위에 정의하고 예시한 바와 같고, n은 0, 1, 2 또는 3이다. 따라서, 할로실란은 화학식 R1 3SiX의 모노할로실란, 화학식 R1 2SiX2의 디할로실란, 화학식 R1SiX3의 트리할로실란 또는 화학식 SiX4의 테트라할로실란일 수 있으며, 여기서, R1 및 X는 위에 정의하고 예시한 바와 같다. 모노할로실란, 디할로실란, 트리할로실란 및 테트라할로실란의 예는 본 발명의 방법의 단계(I)에서 위에 기재한 바와 같다. 더욱이, 임의의 할로실란은 각각 화학식 R1 nSiX4 -n을 갖는, 단독 할로실란 또는 둘 이상의 상이한 할로실란을 포함하는 혼합물일 수 있으며, 여기서, R1 및 X는 위에 정의하고 예시한 바와 같다.
중간체를 물에 가함으로써 폴리보로실록산 중간체 및 임의의 할로실란은 전형적으로 물과 배합된다. 역 첨가, 즉, 물을 폴리보로실록산 중간체에 첨가하는 것 또한 가능하다.
물에 폴리보로실록산 중간체와 임의의 할로실란을 첨가하는 속도는 바람직하게는 교반에 효과적인 수단이 장착된 1000-mL 반응 용기에 대해 전형적으로 2mL/분 내지 1,000mL/분이다. 첨가 속도가 너무 느린 경우, 반응 시간이 불필요하게 연장된다. 첨가 속도가 너무 빠른 경우, 반응 혼합물이 겔을 형성할 수 있다.
보로실록산 중간체와 물과의 반응은 전형적으로 0 내지 50℃, 또는 0 내지 30℃, 또는 2 내지 10℃의 온도에서 수행된다. 온도가 0℃ 미만인 경우, 반응 속도가 전형적으로 매우 느리다. 온도가 50℃보다 높은 경우, 반응 혼합물은 겔을 형성할 수 있다.
반응 시간은 폴리보로실록산 중간체의 구조 및 온도를 포함한 몇 가지 요인에 따라 좌우된다. 반응은 전형적으로 폴리보로실록산 중간체와 임의의 할로실란의 가수분해를 수행하기에 충분한 시간량 동안 수행된다. 본원에서 사용되는 용어 "가수분해"는 폴리보로실록산 중간체와 임의의 할로실란에 원래 존재하는 규소-결합 그룹 -X의 적어도 95몰%가 규소-결합 하이드록시 그룹으로 전환됨을 의미한다. 예를 들면, 반응 시간은 2 내지 10℃의 온도에서 전형적으로 15 내지 300분, 또는 15 내지 100분, 또는 30 내지 50분이다. 최적의 반응 시간은 아래 실시예 부분에 기재된 방법들을 사용하여 일반적인 실험에 의해 결정할 수 있다.
반응 혼합물 중의 물의 농도는 전형적으로 폴리보로실록산 중간체와 임의의 할로실란의 가수분해를 수행하기에 충분하다. 예를 들면, 물의 농도는 전형적으로 폴리보로실록산 중간체와 임의의 할로실란 중의 규소-결합 그룹 -X의 몰수의 합에 대한 물의 몰수의 비가 0.5 내지 10, 또는 1 내지 8, 또는 4 내지 6으로 되도록 하는 농도이다.
폴리보로실록산 중간체 및 임의의 할로실란과 물과의 반응은 또한 유기 용매의 존재하에서 수행할 수 있다. 유기 용매는 본 발명의 방법의 조건하에서 폴리보로실록산 중간체 및 임의의 할로실란과 반응하지 않고, 폴리보로실록산 중간체 및 가수분해 생성물과 혼화성인, 비양성자성 또는 쌍극성 비양성자성 유기 용매일 수 있다. 유기 용매는 전형적으로 물과 비혼화성이다. 본원에서 사용되는 용어 "비혼화성"은 용매 중의 물의 용해도가 25℃에서 약 0.1g/용매 100g 미만임을 의미한다.
유기 용매의 예는 포화 지방족 탄화수소, 예를 들면, n-펜탄, 헥산, n-헵탄, 이소옥탄 및 도데칸; 지환족 탄화수소, 예를 들면, 사이클로펜탄 및 사이클로헥산; 방향족 탄화수소, 예를 들면, 벤젠, 톨루엔, 크실렌 및 메시틸렌; 사이클릭 에테르, 예를 들면, 테트라하이드로푸란(THF) 및 디옥산; 케톤, 예를 들면, 메틸 이소부틸 케톤(MIBK); 할로겐화 알칸, 예를 들면, 트리클로로에탄; 및 할로겐화 방향족 탄화수소, 예를 들면, 브로모벤젠 및 클로로벤젠을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
유기 용매는 각각 위에 기재하고 예시한 바와 같은, 단독 유기 용매 또는 둘 이상의 상이한 유기 용매를 포함하는 혼합물일 수 있다.
존재하는 경우, 유기 용매의 농도는, 반응 혼합물의 총 중량을 기준으로 하여, 전형적으로 1 내지 80%(w/w), 또는 5 내지 60% (w/w), 또는 30 내지 50% (w/w)이다.
폴리보로실록산 중간체와 임의로, 할로실란이 과량의 물과 반응하는 경우, 당해 방법은 전형적으로 아래에 기재된 단계(III)을 진행하기 전에 물로부터 가수분해 생성물을 분리함을 추가로 포함한다. 본원에 기재된 용어 "과량의 물"은 폴리보로실록산 중간체와 임의의 할로실란 중의 규소-결합 그룹 -X의 몰수의 합에 대한 물의 몰수의 비가 전형적으로 1 이상, 예를 들면 1 내지 8, 또는 4 내지 6임을 의미한다.
가수분해 생성물은, 혼합물의 교반을 중지하고 혼합물을 2개의 층인, 유기 상 및 수성 상으로 분리되도록 하며 가수분해 생성물을 함유하는 유기 상을 제거함으로써 물로부터 분리할 수 있다. 유기 상은 전형적으로 물로 세척한다. 물은 세척 동안 물과 유기 상 사이의 에멀젼의 형성을 최소화하기 위해 중성 무기 염, 예를 들면, 염화나트륨을 추가로 포함할 수 있다. 물 중의 중성 무기 염의 농도는 포화 농도 이하일 수 있다. 유기 상은 이를 물과 혼합하고 혼합물을 두 개의 층으로 분리되도록 하며 수성 층을 제거함으로써 세척할 수 있다. 유기 상은 전형적으로 별도 분획의 물로 1 내지 5회 세척한다. 세척당 물의 용적은 전형적으로 유기 상의 용적의 0.5 내지 2배이다. 혼합은 통상의 방법, 예를 들면, 교반 또는 진탕에 의해 수행할 수 있다.
폴리보로실록산의 제조방법의 단계(III)에서, 가수분해 생성물을 증류시켜 축합에 의해 형성된 물(water of condensation), 즉, 가열 동안 가수분해 생성물 중의 규소-결합 하이드록시 그룹의 축합에 의해 형성된 물을 제거한다. 증류는 대기압 또는 대기압 이하에서 수행할 수 있다. 증류는 100kPa에서 전형적으로 80 내지 150℃, 또는 90 내지 110℃의 온도에서 수행된다. 증류는 전형적으로 500 내지 1000,000의 수-평균 분자량을 갖는 폴리보로실록산을 제조하기에 충분한 시간량 동안 계속한다. 예를 들면, 가수분해 생성물은 전형적으로 80 내지 149℃의 온도에서 0.5 내지 24시간 동안, 또는 90 내지 120℃의 온도에서 1 내지 12시간 동안, 또는 100 내지 115℃의 온도에서 3 내지 8시간 동안 가열한다. 증류를 아래에 기재된 축합 촉매의 존재하에서 수행하는 경우, 폴리보로실록산은 전형적으로 보다 낮은 온도 및/또는 더 적은 시간 내에 형성될 수 있다.
폴리보로실록산이, 예를 들면, 25℃에서 100Pa·s 이상의 비교적 높은 점도를 갖는 경우, 물의 제거는 물과 최소의 비등 공비혼합물(boiling azeotrope)을 형성하는 수-비혼화성 유기 용매의 존재하에서 가수분해 생성물의 증류를 수행함으로써 수행된다. 이 경우에, 증류는 통상적으로 물을 수집하고 용매를 증류 용기로 되돌려보내는 딘-스탁 트랩(Dean-Stark trap)을 사용하여 수행할 수 있다.
가수분해 생성물은 또한 축합 촉매의 존재하에서 증류할 수 있다. 축합 촉매는 규소-결합 하이드록시 (실란올) 그룹의 축합을 촉진시켜 Si-O-Si 결합을 형성하는데 전형적으로 사용되는 축합 촉매일 수 있다. 축합 촉매의 예는 주석(II) 및 주석(IV) 화합물, 예를 들면, 주석 디라우레이트, 주석 디옥토에이트 및 테트라부틸 주석; 아연 화합물, 예를 들면, 아연 옥토에이트; 및 티탄 화합물, 예를 들면, 티탄 테트라부톡사이드를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 축합 촉매는 단독 축합 촉매이거나, 둘 이상의 상이한 축합 촉매를 포함하는 혼합물일 수 있다.
존재하는 경우, 축합 촉매의 농도는, 당해 방법의 단계(I)에 사용되는 알콕시보란과 할로실란의 합한 중량을 기준으로 하여, 전형적으로 0.1 내지 10% (w/w), 또는 0.5 내지 5% (w/w), 또는 1 내지 3% (w/w)이다.
축합 촉매는 가수분해 생성물의 증류 후 폴리보로실록산과 축합 촉매의 혼합물을 여과함으로써 쉽게 제거할 수 있다.
폴리보로실록산의 제조방법의 하나의 양태에 따르면, 알콕시보란(a), 할로실란(b) 및 임의의 할로실란(단계 II)은 페닐 그룹을 함유하지 않는다.
당해 방법의 또다른 양태에 따르면, 합한 알콕시보란(a), 할로실란(b) 및 임의의 할로실란(단계 II) 중의 R1으로 나타내어지는 그룹의 적어도 10몰%, 또는 적어도 25몰%, 또는 적어도 50몰%가 알케닐이다.
폴리보로실록산은 높은 투명도 및 다수의 유기 용매에서의 우수한 용해도를 갖는다. 더욱이, 폴리보로실록산은 통상의 방법, 예를 들면, 실록산 및/또는 알콕시실록산에 의한 붕산 또는 에스테르의 공-가수분해에 의해 제조된 폴리보로실록산에 비해 매우 낮은 함량의 붕소-결합 하이드록시 그룹을 갖는다. 그 결과, 폴리보로실록산은 가수분해적으로 안정하고(즉, 습기에 의한 분해에 내성이 있고) 공기로의 연장된 노출 후 높은 투명도를 유지한다.
본 발명의 폴리보로실록산은 열경화되어 기판들 사이에 접착 피막을 형성할 수 있다. 또한, 폴리보로실록산이 규소-결합 알케닐 그룹을 함유하는 경우, 폴리보로실록산을 규소-결합 수소원자를 갖는 가교결합제 및 하이드로실릴화 촉매와 배합하여 하이드로실릴화-경화성 조성물을 형성할 수 있다. 조성물은 또한 열경화되어 기판들 사이에 접착 피막을 형성할 수 있다.
실시예
하기 실시예는 본 발명의 폴리보로실록산 및 방법을 보다 양호하게 예시하기 위해 나타낸 것이지 첨부된 특허청구범위에 서술되어 있는 본 발명을 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다. 달리 언급하지 않는 한, 실시예에 보고된 모든 부 및 %는 중량 기준이다.
실시예 1
염화철(III)을 소량의 티오닐 클로라이드로 밤새 건조시켰다. 트리메틸 보레이트를 50℃에서 질소하에 FeCl3 0.4g과 디메틸디클로로실란 60g의 교반 혼합물에 적가하였다. 첨가 동안, 휘발성 생성물을 증류에 의해 제거하였다. 트리메틸 보레이트의 첨가를 완료한 후, 혼합물을 50℃에서 추가로 1시간 동안 교반하였다. 이어서, 온도를 80℃로 상승시키고, 이 온도에서 1시간 동안 유지시켰다. 가열을 중단하고, 혼합물을 실온으로 냉각되도록 하여 폴리보로실록산 중간체를 수득하였다.
실시예 2
실시예 1의 폴리보로실록산 중간체(5g)를 디메틸디클로로실란 5g 및 톨루엔 10g과 배합하였다. 혼합물을 탈이온수 50g에 붓고, 생성된 2상 혼합물을 격렬하게 진탕시켰다. 교반을 중단하고, 유기 상 및 수성 상을 분리되도록 하였다. 상부 유기 상을 수집하고 20g 분획의 탈이온수로 수회 세척하였다. 혼합물을 딘-스탁 트랩 및 온도계가 장착된 플라스크로 옮기고, 89 내지 115℃에서 증류시켜 물을 제거하였다. 수집되는 물의 용적이 일정한 경우, 혼합물을 실온으로 냉각되도록 하여 폴리보로실록산을 수득하였다.
폴리보로실록산의 샘플을 알루미늄 디쉬에 놓고 공기-순환 오븐 속에서 200℃에서 1시간 동안 가열하여 실온으로 냉각시 투명 고체로서 경화된 폴리보로실록산을 수득하였다. 주위 조건하에서 4시간 동안 저장한 후, 경화된 폴리보로실록산은 투명한 채로 있었다. 밤새 저장한 후, 경화된 폴리보로실록산은 약간 흐려졌다. 그러나, 추가의 저장이 투명도에 있어서의 추가의 변화를 야기하지는 않았다.
실시예 3
실시예 1의 폴리보로실록산 중간체(15g)를 디메틸디클로로실란 30g, 비닐디메틸클로로실란 8g 및 p-크실렌 40g과 배합하였다. 혼합물을 탈이온수 40g에 붓고, 생성된 2상 혼합물을 격렬하게 진탕시켰다. 교반을 중단하고, 유기 상 및 수성 상을 분리되도록 하였다. 상부 유기 상을 수집하고, 40g 분획의 탈이온수로 수회 세척하고, 황산마그네슘 5g으로 건조시킨 다음, 여과하였다. 여액을, 폴리보로실록산의 이론적 수율을 기준으로 하여, 0.2%(w/w)의 아연 옥토에이트로 처리하고, 혼합물을 딘-스탁 트랩 및 온도계가 장착된 플라스크에서 가열하고, 120℃에서 2시간 동안 증류시켜 물을 제거하였다. 혼합물을 실온으로 냉각되도록 한 다음 여과하였다. 여액을 회전식 증발기를 사용하여 80℃에서 감압(5mmHg, 667Pa) 하에 농축시켜 폴리보로실록산을 점성 액체로서 수득하였다.
비교 실시예 1
폴리보로실록산을 당업계에 널리 공지된 방법에 따라 제조하였다(예를 들면, 미국 특허 제5,112,779호 참조). 1,1,3,3-테트라메틸-1,3-디비닐디실록산(0.125mol), 탈이온수 1.5mol 및 트리플루오로메탄설폰산 0.1g을 온도계, 응축기, 기계적 교반기 및 가열 맨틀이 장착된 3구 플라스크 속에서 배합하였다. 트리메톡시페닐실란 0.25mol, 디메틸디메톡시-실란 0.25mol 및 트리메틸 보레이트 0.25mol의 혼합물을 교반하면서 실온에서 플라스크에 적가하였다. 첨가를 완료한 후, 혼합물울 60℃로 가열하고, 이 온도에서 1시간 동안 유지시켰다. 이어서, 혼합물의 온도를 서서히 증가시켜 메탄올 부산물을 증류시켰다. 혼합물의 온도가 85℃에 도달하는 경우, 가열을 중단하고, 혼합물을 실온으로 냉각되도록 하였다. 이어서, 혼합물을 탄산칼슘 1g으로 처리하고, 1시간 동안 교반하였다. 혼합물을 여과지(5㎛ 기공 크기)를 통해 여과하였다. 여액을 톨루엔으로 희석시킨 다음, 폴리보로실록산의 이론적 수율을 기준으로 하여 0.03% (w/w)의 수산화칼륨으로 처리하였다. 혼합물을 딘-스탁 트랩 및 온도계가 장착된 플라스크로 옮기고, 110 내지 115℃에서 증류시켜 물을 제거하였다. 수집되는 물의 용적이 일정한 경우, 혼합물을 실온으로 냉각되도록 하였다. 혼합물의 샘플을 알루미늄 디쉬에 놓고 공기-순환 오븐 속에서 150℃에서 1시간 동안 가열하여 실온으로 냉각시 고도로 점성인 투명 액체를 수득하였다. 주위 조건하에서 4시간 동안 저장한 후, 폴리보로실록산은 불투명해졌다.
Claims (15)
- 화학식 I의 폴리보로실록산.
화학식 I
위의 화학식 I에서,
R1은 각각 독립적으로 C1 내지 C10 하이드로카빌 또는 C1 내지 C10 할로겐-치환된 하이드로카빌이고;
l은 0 내지 0.2이고;
m은 0 내지 0.5이고;
n은 0 내지 0.6이고;
p는 0 내지 0.7이고;
q는 0 내지 0.9이고;
r은 0 내지 0.999이고;
s는 0 내지 0.5이고;
v는 0 내지 0.05이고;
w는 0 내지 0.05이고;
x는 0 내지 0.45이고;
y는 0 내지 0.63이고;
z는 0 내지 0.25이고;
m+n은 0.001 내지 0.58이고;
q+r+s는 0.42 내지 0.999이고;
(p+2q+3r+4s)/(3m+2n)은 1.01 내지 1000이고;
l+m+n+p+q+r+s1이다.
- 제1항에 있어서, R1에 의해 나타내어지는 하이드로카빌 그룹이 페닐이 아닌, 폴리보로실록산.
- 제1항에 있어서, 상기 폴리보로실록산이 분자당 평균 적어도 2개의 알케닐 그룹을 갖는, 폴리보로실록산.
- 제1항에 있어서, 상기 폴리보로실록산 중의 그룹 R1의 적어도 10몰%가 알케닐인, 폴리보로실록산.
- 제1항에 있어서, 상기 폴리보로실록산이 15%(w/w) 미만의 규소-결합 하이드록시 그룹을 함유하는, 폴리보로실록산.
- 제1항에 있어서, 상기 폴리보로실록산이 5몰% 미만의 붕소-결합 하이드록시 그룹을 함유하는, 폴리보로실록산.
- 폴리보로실록산의 제조방법으로서,
(I) 알콕시보란(a)으로서, (i) 하나 이상의 화학식 B(OR2)3의 트리알콕시보란, (ii) 하나 이상의 화학식 R1B(OR2)2의 디알콕시보란, (iii) 상기 성분들 (a)(i) 및 (a)(ii)를 포함하는 혼합물 및 (iv) 화학식 R1 2BOR2의 모노알콕시보란 및 상기 성분들 (a)(i) 및 (a)(ii) 중의 적어도 하나를 포함하는 혼합물로부터 선택된 알콕시보란(a)과,
할로실란(b)으로서, (i) 하나 이상의 화학식 R1SiX3의 트리할로실란, (ii) 하나 이상의 화학식 R1 2SiX2의 디할로실란, (iii) 하나 이상의 화학식 SiX4의 테트라할로실란, (iv) 상기 성분들 (b)(i), (b)(ii) 및 (b)(iii) 중의 적어도 두 개를 포함하는 혼합물 및 (v) 화학식 R1 3SiX의 모노할로실란과 상기 성분들 (b)(i), (b)(ii) 및 (b)(iii) 중의 적어도 하나를 포함하는 혼합물로부터 선택된 할로실란(b)을,
루이스산 촉매의 존재하에서 반응시켜 폴리보로실록산 중간체를 형성하는 단계(여기서, R1은 각각 독립적으로 C1 내지 C10 하이드로카빌 또는 C1 내지 C10 할로겐-치환된 하이드로카빌이고, R2는 C1 내지 C8 알킬이고, X는 -Cl 또는 -Br이고, 상기 알콕시보란(a)과 상기 할로실란(b)의 몰수의 합에 대한 상기 성분들 (a)(i)과 (a)(ii)의 몰수의 합의 비는 0.001 내지 0.58이고, 상기 알콕시보란(a)과 상기 할로실란(b)의 몰수의 합에 대한 상기 성분들 (b)(i), (b)(ii) 및 (b)(iii)의 몰수의 합의 비는 0.42 내지 0.999이고, 상기 알콕시보란(a)의 몰수에 대한 상기 할로실란(b)의 몰수의 비는 0.724 내지 999이고, 상기 알콕시보란(a) 중의 그룹 -OR2의 몰수에 대한 상기 할로실란(b) 중의 그룹 -X의 몰수의 비는 적어도 1.01이다);
(II) 상기 폴리보로실록산 중간체 및 임의로, 하나 이상의 화학식 R1 nSiX4-n의 할로실란을 물과 반응시켜 수-불용성 가수분해 생성물을 형성하는 단계(여기서, R1 및 X는 앞서 정의한 바와 같고, n은 0, 1, 2 또는 3이며, 단, 과량의 물이 사용되는 경우, 당해 방법은 상기 물로부터 가수분해 생성물을 분리함을 추가로 포함한다); 및
(III) 상기 가수분해 생성물을 증류시켜 축합에 의해 형성된 물(water of condensation)을 제거하는 단계를 포함하는, 폴리보로실록산의 제조방법. - 제7항에 있어서, 상기 루이스 산 촉매가 염화철(III)인, 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 알콕시보란(a)과 상기 할로실란(b)의 몰수의 합에 대한 상기 성분들 (a)(i) 및 (a)(ii)의 몰수의 합의 비가 0.01 내지 0.4인, 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 알콕시보란(a)과 상기 할로실란(b)의 몰수의 합에 대한 상기 성분들 (b)(i), (b)(ii) 및 (b)(iii)의 몰수의 합의 비가 0.5 내지 0.9인, 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 알콕시보란(a)의 몰수에 대한 상기 할로실란(b)의 몰수의 비가 1.2 내지 99인, 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 알콕시보란(a) 중의 그룹 -OR2의 몰수에 대한 상기 할로실란(b) 중의 그룹 -X의 몰수의 비가 1.2 내지 100인, 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 알콕시보란(a), 상기 할로실란(b) 및 상기 임의의 할로실란(단계 II)이 페닐 그룹을 함유하지 않는, 방법.
- 제7항에 있어서, 배합된 상기 알콕시보란(a), 상기 할로실란(b) 및 상기 임의의 할로실란(단계 II) 중의 R1에 의해 나타내어지는 그룹의 적어도 10몰%가 알케닐인, 방법.
- 제7항의 방법에 따라 제조되는 폴리보로실록산.
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