TW201339130A - 三苯酚甲烷類、其製造方法以及其用途 - Google Patents

三苯酚甲烷類、其製造方法以及其用途 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種著色少的三苯酚甲烷類、其製造方法以及其用途。在使酚類與芳香族羥基醛類在酸觸媒下、在加熱下反應時，自反應的最初至反應率達到90%為止，在100℃以下的溫度下進行，接著進行升溫，在超過100℃、且130℃以下的溫度下進行，而製造三苯酚甲烷類。藉此可獲得加德納色數為9以下(0.5質量%THF溶液中)的三苯酚甲烷類、以及著色少的環氧樹脂。

Description

三苯酚甲烷類、其製造方法以及其用途
本發明是有關於一種著色少的三苯酚甲烷類、其製造方法以及其用途。(Trisphenolmethanes,Producing Method thereof,and its Use)
先前，三苯酚甲烷類特別是作為耐熱性環氧樹脂的製造原料或其硬化劑等，而用於塗料或印刷配線基板材料的用途。三苯酚甲烷類藉由在酸觸媒下將酚類與芳香族羥基醛類加熱而得，通常藉由在對甲苯磺酸等酸觸媒下，在氮氣流下，以特定溫度(例如105℃)加熱酚類與芳香族羥基醛類而得(參照專利文獻1)。
上述加熱的過程中，存在由於因加熱或與空氣的接觸引起的氧化反應等副反應而著色成紅色的加德納色數(Gardner colorscale)大的三苯酚甲烷類的情況。三苯酚甲烷類的著色存在會令使用其的環氧樹脂的色調變濃，而導致限制其用途的問題。
現有技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2008-184417號公報
本發明的目的是提供一種在酚類與芳香族羥基醛類的加熱反應後可獲得著色少的三苯酚甲烷類的製造方法、及該三苯酚甲烷類、以及其用途。
酚類與芳香族羥基醛類的在酸觸媒下的反應，在100℃以下的加熱溫度下，即便延長加熱時間，亦難以進行熱反應，而無法獲得充分的反應率，因此通常需要以100℃以上的特定溫度(典型的是上述105℃)進行加熱。本發明者對此種加熱反應進行研究，獲得以下發現：在該反應體系中，在反應初期，首先生成易氧化的不穩定的反應中間物。據此發現，若將反應初期的加熱控制為100℃以下的低溫，一邊抑制不穩定的反應中間物的氧化，一邊進行反應，則達到某種程度的反應率時，不穩定的反應中間物的比例變少，相對較難氧化的穩定的反應產物的比例增加。因此發現，達到此種反應率後，可提高加熱溫度而進行反應，副產生氧化物的擔憂少，且可以所期望的反應率獲得著色少的三苯酚甲烷類。
另外亦發現，反應裝置是與反應體系的接觸面不含過渡金屬或包含無溶出可能性的材料者，這會避免因來自反應裝置材料的過渡金屬的混入引起的三苯酚甲烷類的著色，因而較佳。根據這些發現，而提供如以下的本發明。
本發明提供一種三苯酚甲烷類的製造方法，其在使酚類與芳香族羥基醛類在酸觸媒下、在加熱下反應而生成三苯酚甲烷類時，自反應的最初至反應率達到90%為止，在100℃以下的溫度下進行第一階段反應，接著進行升溫，在超過100℃、且130℃以下的溫度下進行第二階段反應。
上述製造方法中，較佳為在70℃~100℃的溫度下進行上述第一階段反應。另外，較佳為在105℃~125℃的溫度下進行上述第二階段反應。
上述製造方法中，較理想為最終的上述反應率為98%以上。
上述製造方法中所用的反應裝置較理想為，與反應體系的接觸面包含選自玻璃、赫史特合金(hastelloy)、鈦的至少1種材質。
另外，本發明可提供一種三苯酚甲烷類，其製成0.5質量%四氫呋喃溶液而測定的加德納色數為9以下。
此種著色少的三苯酚甲烷類可藉由上述製造方法而得。
另外，本發明中，三苯酚甲烷類較理想為，過渡金屬的含量為300質量ppm以下。
而且，本發明可提供一種環氧樹脂，其由如上述的三苯酚甲烷類而得，製成0.5質量%四氫呋喃溶液而測定的加德納色數為7以下。
如上述的三苯酚甲烷類亦可用作環氧樹脂的硬化劑。
本發明中，藉由控制加熱溫度，更佳為藉由選擇反應裝置材料，而可容易地獲得製造過程中的著色少的三苯酚甲烷類。由此種三苯酚甲烷類可獲得著色少的環氧樹脂，並且有效用作耐熱性環氧樹脂的原料或硬化劑，可無基於著色的限制地用於塗料或印刷配線基板材料的用途。
以下，根據三苯酚甲烷類的製造方法對本發明進行詳細地說明。
反應原料的酚類及芳香族羥基醛類可對應於目標三苯酚甲烷類的結構，而選擇羥基相對於次甲基的位置，並且可無特別限制地具有各種取代基。
酚類例如可列舉：苯酚、間甲酚、鄰甲酚、對甲酚、β-萘酚、α-萘酚、二羥基萘酚等。這些中，苯酚可廉價地獲得。
芳香族羥基醛類例如可列舉：柳醛(鄰羥基苯甲醛)、對羥基苯甲醛等。
藉由酚類與芳香族羥基醛類的反應而生成甲烷型三苯酚時，通常相對於芳香族羥基醛類，而使用2倍以上(莫耳比) 酚類。該酚類/芳香族羥基醛類的投入比(莫耳比)可根據所期望的三苯酚甲烷類而進行某種程度變化，有若投入比小、則三苯酚甲烷類的軟化點變高，若投入比大、則軟化點變低的傾向。若軟化點變得過高，則難以自反應裝置取出產物，另一方面，若軟化點變得過低，則難以用作環氧樹脂的原料，因此上述投入比(莫耳比)較佳為2~30，更佳為2.5~20。若在此種範圍內，使投入比發生各種變化，則可製造具有所期望的軟化點的三苯酚甲烷類。
更具體而言，例如使用苯酚與柳醛作為反應原料時，在10~16的範圍選擇投入比時，可獲得軟化點為100℃~110℃的三苯酚甲烷類，在將投入比率設為4~6的範圍時，可獲得軟化點為120℃~135℃的三苯酚甲烷類。另外，在將酚/芳香族羥基醛投入比率設為2~3的範圍時，可獲得軟化點為135℃~150℃的三苯酚甲烷類。
酸觸媒通常可列舉：對甲苯磺酸、草酸、硫酸、鹽酸、乙酸等。這些中，就反應性優異的方面而言，較佳為對甲苯磺酸。
觸媒量相對於芳香族羥基醛類的投入量，為0.05質量%~20質量%、較佳為0.2質量%~5質量%的範圍。若觸媒量少於該範圍，則反應的進行變慢，另一方面，若觸媒量多於該範圍，則在使用不鏽鋼製反應容器或配管時，Fe、Cr、Ni等的溶出變多，而欠佳。
本發明中，根據反應率控制上述反應的溫度。此處，反應率通常是反應原料的芳香族羥基醛類的反應率，藉由使用凝膠 滲透層析法(gel permeation chromatography，GPC)，測定反應體系中的芳香族羥基醛類的殘存量，而可根據其面積%而求出。
至上述反應率為90%以下為止，在100℃以下的溫度、較佳為70℃~100℃下進行反應。在反應率超過90%後，在超過100℃且130℃以下的溫度、較佳為105℃~125℃、更佳為110℃~125℃下進行反應。如此若至反應率為90%為止，在100℃以下的低溫下進行反應，則可抑制在反應初期生成的易氧化的不穩定的反應中間物的氧化。另外，若反應率超過90%，則不穩定的反應中間物的比例變少，而相對難以氧化，從而穩定的高分子量體的比例增加，因此就生產性的方面而言，較佳為提高反應溫度，加快反應速度。若在此種反應條件下進行，則可以良好的反應速度獲得色調良好的三苯酚甲烷類。
上述前階段的加熱時間通常為3小時~15小時，後階段的加熱時間通常為1小時~10小時。藉由此種加熱條件，而可在後階段的加熱中最終達成98%以上的反應率。
另外，在上述反應中，若使用不太具有耐蝕性的金屬製反應裝置，則因對甲苯磺酸等酸觸媒的酸蝕，而Fe、Cr、Ni等過渡金屬的含量變高，而三苯酚甲烷類變得容易著色。本發明中，三苯酚甲烷類的過渡金屬的含量較佳為300質量ppm以下，更佳為250質量ppm以下。過渡金屬的含量可藉由感應耦合電漿質譜分析(inductively coupled plasma mass spectrometry)法進行分析。
因此，本發明中，較佳為反應器或配管等反應裝置的內 面即與反應體系的接觸面為耐蝕性高的材料，具體而言，較佳為使用玻璃、赫史特合金、鈦製或實施了玻璃襯裏(lining)的反應裝置。藉由使用此種反應裝置，而可達成上述過渡金屬的含量的低值。
藉由上述後階段的加熱而達到特定的反應率後，添加觸媒中和劑使觸媒失活而停止反應。在本發明中，觸媒中和劑若為鹼性化合物，則並無特別限制，例如可較佳地列舉：氫氧化鈉、氫氧化鉀、碳酸氫鈉、碳酸鈣、氫氧化鋰等。
觸媒中和劑的添加量並無特別限定，通常相對於觸媒為0.9當量~1.1當量，較佳為1.0當量。
觸媒中和劑亦可在上述後階段的反應溫度下添加，通常較理想為暫時降溫至70℃~90℃、較佳為75℃~85℃而添加。藉由在此種溫度下添加，而可抑制中和反應所引起的發熱，並可安全地進行反應。
反應結束後，在未反應原料中，較理想為儘可能除去酚類。若酚類的殘留量多，則在將三苯酚甲烷類作為原料而製造環氧樹脂的過程中，酚會溶解於二甲基亞碸等環氧化反應溶劑中，在重複利用溶劑的過程中酚類會蓄積於溶劑中，而難以重複利用溶劑、或溶劑的重複利用的次數變少，從而產生成本增加等的問題。
因此，以三苯酚甲烷類中的酚類的殘留量通常為1質量%以下、較佳為0.5質量%以下的方式進行純化。
該純化可藉由減壓蒸餾或水蒸氣蒸餾等來進行。具體而言，在減壓蒸餾時，通常預先使溫度上升至120℃~170℃左右，而進行上述反應產物的常壓蒸餾，在藉由常壓蒸餾充分進行可能的酚除去後，緩慢減壓至20 torr(2.7 kPa)左右，將該減壓度保持10分鐘~3小時、較佳為20分鐘~2小時。
在水蒸氣蒸餾時，使反應溫度上升至105℃~150℃左右，在反應容器中導入水蒸氣，使酚共沸蒸餾。在進行水蒸氣蒸餾時，亦可將反應容器內設為減壓。
這些方法中，較佳的蒸餾方法為水蒸氣蒸餾，會引起酚類與水蒸氣的共沸，因此可在低溫度下將酚除去。藉此，可獲得殘留酚少、著色少、特別是熱分解副產物少的三苯酚甲烷類。
蒸餾結束後，以熔融狀態回收經純化的三苯酚甲烷類，冷卻固化後，可粉碎成適度的大小而提供。
根據本發明，可提供加德納色數為9以下的三苯酚甲烷類。並且，由此種三苯酚類可生成加德納色數為7以下的環氧樹脂。另外，加德納色數是依據JISK0071-2(1998年)進行測定。本發明中的加德納色數是作為對象物(三苯酚甲烷類或環氧樹脂)的0.5質量%THF溶液的值。
本發明中，如上述般，三苯酚甲烷類是將酚類與芳香族羥基醛類在酸觸媒下加熱而得的反應物。因此，本發明中所提供的三苯酚甲烷類亦會根據上述反應中的各條件而不同，通常為主要包含：2個源自酚類的酚骨架(a)與1個源自芳香族羥基醛類 的酚骨架(b)鍵合於次甲基的結構的三(羥基苯基)甲烷(甲烷型三苯酚單體)、與高分子量化物的混合物。高分子量化物例如為包含上述2個酚骨架(b)與3個酚骨架(a)的二聚物、或包含3個酚骨架(b)與4個酚骨架(a)的三聚物等。
三苯酚甲烷類的軟化點會因單體、二聚物、三聚物等的含量而發生變化。相對較低的100℃~130℃左右的軟化點的三苯酚甲烷類，例如可用於半導體密封劑用環氧樹脂的原料，相對較高的140℃~155℃左右的軟化點的三苯酚甲烷類，例如可用作作為印刷基板的耐熱塗佈劑的阻焊劑用環氧樹脂的原料。
另外，本發明中所用的軟化點是使用記載於JISK2425中的環球式軟化點測定裝置(明達科(Meitec)公司製造的25D5-ASP-MG型)，以5℃/分鐘的升溫速度測定時的軟化點。
實施例
以下表示本發明的實施例，但這些實施例是用以對本發明進行更具體地說明的例子，且應理解為並不限定本發明的範圍。
(實施例1)
〈三苯酚甲烷類的製造〉
在具備攪拌裝置、溫度計、回流裝置、惰性氣體導入管、油浴的1升玻璃製反應容器(可分離式燒瓶)中，投入苯酚659 g(7 mol)、柳醛61 g(0.5 mol)、對甲苯磺酸1.425 g(相對於柳醛為1.5莫耳%)。
一邊使來自惰性氣體導入管的氮氣起泡，一邊將反應溫 度升溫至95℃而使其反應4小時。此時的反應率根據藉由GPC的柳醛的測定結果為90%。
然後，將反應溫度升溫至105℃使其反應2小時。反應率為98%。
反應結束後，將溫度降低至80℃，添加氫氧化鋰水合物0.315 g(相對於觸媒為1當量)，而將觸媒中和。接著，將內容物轉移至1升不鏽鋼製反應裝置中，安裝蒸餾裝置，使反應溫度升溫至170℃，將未反應的苯酚除去後，藉由真空泵減壓至20 torr，並進行1小時減壓蒸餾。蒸餾結束後，將反應溫度降低至150℃，以熔融的狀態取出反應產物，進行冷卻、固化後，進行粉碎。
藉由感應耦合電漿質譜分析法測定該三苯酚甲烷類的金屬含量。將結果表示於表1。將該三苯酚甲烷類溶解於四氫呋喃(THF)中，而製作0.5質量%THF溶液，並調查色調。該溶液的加德納色數為5。
〈環氧樹脂的製造〉
將上述所得的三苯酚甲烷類92.5 g與表氯醇27.5 g溶解於二甲基亞碸中，添加氫氧化鈉10.0 g，在40℃下反應2小時，在70℃下反應1小時。然後，藉由減壓蒸餾除去二甲基亞碸，添加甲基異丁基酮與氫氧化鈉而在70℃下使其反應1小時。然後進行水洗，將水層中所生成的NaCl除去，將油層回收，而在70℃下將甲基異丁基酮減壓蒸餾。
所得的環氧樹脂的加德納色數為3。
(實施例2)
實施例1中，將反應溫度升溫至85℃並使其反應7小時(反應率：93%)，然後將反應溫度升溫至120℃使其反應5小時(反應率：99.3%)，除此以外，以與實施例1相同的方式，獲得三苯酚甲烷類與環氧樹脂。
將三苯酚甲烷類的金屬含量及加德納色數與環氧樹脂的加德納色數表示於表1。
(實施例3)
實施例1中，將反應容器替換成不鏽鋼製反應容器，除此以外，以與實施例1相同的方式，獲得三苯酚甲烷類與環氧樹脂。
將三苯酚甲烷類的金屬含量及加德納色數與環氧樹脂的加德納色數表示於表1。
(比較例1)
實施例1中，除了「在105℃下進行6小時反應」以外，以與實施例1相同的方式，獲得三苯酚甲烷類與環氧樹脂。即，比較例1中，僅進行第一階段的反應，不進行第二階段的反應。
將三苯酚甲烷類的金屬含量及加德納色數與環氧樹脂的加德納色數表示於表1。
(實施例4)
實施例1中，以表1所示的方式替換第一階段與第二階段的反應條件，除此以外，以與實施例1相同的方式，獲得三苯 酚甲烷類與環氧樹脂。
將三苯酚甲烷類的金屬含量及加德納色數與環氧樹脂的加德納色數表示於表1。
(實施例5)
實施例1中，將反應容器替換成赫史特合金製反應容器，除此以外，以與實施例1相同的方式，獲得三苯酚甲烷類與環氧樹脂。
將三苯酚甲烷類的金屬含量及加德納色數與環氧樹脂的加德納色數表示於表1。
(實施例6)
實施例1中，將反應容器替換成鈦製反應容器，除此以外，以與實施例1相同的方式，獲得三苯酚甲烷類與環氧樹脂。
將三苯酚甲烷類的金屬含量及加德納色數與環氧樹脂的加德納色數表示於表1。
(比較例2)
實施例1中，以表1所示的方式替換第一階段的反應條件，除此以外，以與實施例1相同的方式，獲得三苯酚甲烷類與環氧樹脂。
將三苯酚甲烷類的金屬含量及加德納色數與環氧樹脂的加德納色數表示於表1。
如上述所示，實施例的三苯酚甲烷類與比較例的三苯酚甲烷類相比，加德納色數更小，且著色更少。並且，使用本發明的三苯酚類的環氧樹脂的著色亦少。因此，若使用本發明的三苯酚甲烷類作為環氧樹脂的原料，則可獲得有效用作電子構件、或塗料等的原料的環氧樹脂。

Claims (8)

  1. 一種三苯酚甲烷類的製造方法，其在使酚類與芳香族羥基醛類在酸觸媒下、在加熱下反應而生成三苯酚甲烷類時，自反應的最初至反應率達到90%為止在100℃以下的溫度下進行第一階段反應，接著進行升溫，在超過100℃、且130℃以下的溫度下進行第二階段反應。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的三苯酚甲烷類的製造方法，其中使用與上述反應體系的接觸面包含選自玻璃、赫史特合金、鈦的至少1種材質的反應裝置。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的三苯酚甲烷類的製造方法，其中最終的上述反應率為98%以上。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的三苯酚甲烷類的製造方法，其中上述第一階段反應在70℃~100℃的溫度下進行。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的三苯酚甲烷類的製造方法，其中上述第二階段反應在105℃~125℃的溫度下進行。
  6. 一種三苯酚甲烷類，其製成0.5質量%四氫呋喃溶液而測定的加德納色數為9以下。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的三苯酚甲烷類，其中過渡金屬的含量為300質量ppm以下。
  8. 一種環氧樹脂，其由如申請專利範圍第6項或第7項所述的三苯酚甲烷類獲得，製成0.5質量%四氫呋喃溶液而測定的加德納色數為7以下。
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