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JP5315994B2 - ポリアミック酸およびポリイミド - Google Patents

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Description

本発明は、ポリアミック酸およびポリイミドに関し、さらに詳述すると、脂環式構造を有し、例えば、電子材料用として好適なポリアミック酸およびポリイミドに関する。
一般に、ポリイミド樹脂は、その特徴である高い機械的強度、耐熱性、絶縁性、耐溶剤性のために、液晶表示素子や半導体における保護材料、絶縁材料などの電子材料として広く用いられている。また、最近では光導波路用材料等の光通信用材料としての用途も期待されている。
近年、この分野の発展は目覚ましく、それに対応して、用いられる材料に対しても益々高度な特性が要求されるようになっている。すなわち、単に耐熱性、耐溶剤性に優れるだけでなく、用途に応じた性能を多数併せ持つことが期待されている。
特に重要な特性として、高い透明性が挙げられる。この透明性を実現する一つの方法として、脂環式テトラカルボン酸二無水物と芳香族ジアミンとの重縮合反応によりポリイミド前駆体を得て、この前駆体をイミド化することで、比較的着色が少なく、高い透明性を有するポリイミドが得られることが既に報告されている(特許文献1,2参照)。
しかしながら、光を用いた電子材料分野等にも耐熱性、溶剤溶解性、透明性の高いポリイミドの使用が要望されつつある近年の状況においては、優れた特性を有する新たなポリイミドの開発が望まれている。
更に、この透明性を実現する方法として、脂環式テトラカルボン酸二無水物と脂環式ジアミンとの重縮合反応により全脂環式ポリイミド前駆体を得て、この前駆体をイミド化することで、高い透明性を有する全脂環式ポリイミドが期待できる。
しかし、従来の脂環式テトラカルボン酸二無水物の代表的化合物である1,2,3,4−シクロブタンテトラカルボン酸−1,2:3,4−二無水物(CBDAと略記する。)と脂環式ジアミンから得られたポリイミドは脆く、膜として使用することができなかった。従って、全脂環式ポリイミドで安定した強度をもった膜は未だ見出されていない。
本発明のポリアミック酸およびポリイミドのモノマーの一つであるビシクロ[2.2.0]ヘキサン−2,3,5,6−テトラカルボン酸−2,3:5,6−二無水物(BHAと略記する。)は、以下の方法によって合成された例がある。
Figure 0005315994

スキーム1で表されるように、アセチレン(ACと略記する。)と無水マレイン酸(MAと略記する。)の光反応によって、3−シクロブテン−1,2−ジカルボン酸無水物(CBAと略記する。)が合成される。続いて、スキーム2で表されるように、CBAとMAの光反応によってBHAが合成される(非特許文献1参照。)。
なお、CBAは、スキーム3で表されるように、1,2−ジクロロエチレン(DCEと略記する。)とMAの光反応によって、3,4−ジクロロシクロブタン−1,2−ジカルボン酸無水物(DCBAと略記する。)を得、続いてこれを亜鉛と無水酢酸を反応させる方法でも合成できる(非特許文献2参照。)。
しかし、BHAを用いてポリアミック酸またはポリイミドを合成した例はなかった。
特公平2−24294号公報 特開昭58−208322号公報 ケミッシェ ベリヒテ、第123巻、1869〜1879頁(1990年)[Chemische Berichte,123,1869−1879(1990)] シンセシス、第4巻、574〜576(1999年)[Synthsis,4,574−576(1999)]
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高い耐熱性を有するとともに、良好な光透過性および引張り強度を有するポリイミド膜を与えるポリアミック酸、およびこれから得られるポリイミドを提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、脂環式構造であるビシクロ[2.2.0]ヘキサン構造を所定割合以上有する新規なポリイミドを用いて形成したポリイミド膜が、熱分解温度が300℃以上という高い耐熱性を有し、更に良好な透明性と引張り強度を有するため、液晶表示素子や半導体における保護材料、絶縁材料などの電子材料、光導波路等の光通信用材料として利用し得ることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、
1. 式[1]又は式[2]で表される繰り返し単位を10モル%以上含有することを特徴とするポリアミック酸、
Figure 0005315994
(式中、R1およびR2は、それぞれ独立して、水素原子または炭素数1〜10のアルキル基を表し、R3およびR4は、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜10のアルキル基、フェニル基、または隣接する炭素原子上のR3とR4とが一緒になって炭素数3〜8のシクロアルキル基もしくはフェニル基を表し、R5は2価の有機基を表す。nは2以上の整数を表す。)
2. 式[3]又は式[4]で表される繰り返し単位を10モル%以上含有することを特徴とするポリイミド、
Figure 0005315994
(式中、R1およびR2は、それぞれ独立して、水素原子または炭素数1〜10のアルキル基を表し、R3およびR4は、それぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜10のアルキル基、フェニル基、または隣接する炭素原子上のR3とR4とが一緒になって炭素数3〜8のシクロアルキル基もしくはフェニル基を表し、R5は2価の有機基を表す。nは2以上の整数を表す。)
3. 数平均分子量が5000〜300000である1のポリアミック酸、
4. 前記R1、R2、R3およびR4が、水素原子である1のポリアミック酸、
5. R1およびR2が水素原子であり、R3およびR4の少なくとも一方がメチル基である1のポリアミック酸、
6. 前記R1、R2、R3およびR4が水素原子である2のポリイミド、
7. R1およびR2が水素原子であり、R3およびR4の少なくとも一方がメチル基である2のポリイミド、
8. 式[1]および式[2]のR5が、脂環式ジアミンまたは脂肪族ジアミンに由来する2価の有機基である1のポリアミック酸、
9. 式[3]および式[4]のR5が、脂環式ジアミンまたは脂肪族ジアミンに由来する2価の有機基である2のポリイミド、
10. 式[1]および式[2]のR 5 が、芳香族ジアミンに由来する2価の有機基である1のポリアミック酸
11. 式[3]および式[4]のR 5 が、芳香族ジアミンに由来する2価の有機基である2のポリイミド
12. 2、6、7、9および11のいずれかのポリイミドを含有することを特徴とする膜
を提供する。
本発明のポリアミック酸およびポリイミドは、高い耐熱性を有するとともに、良好な光透過性および引張り強度を有するポリイミド膜を与える。このような特性を有する本発明のポリイミドは、例えば、液晶表示素子や半導体における保護材料、絶縁材料などの電子材料、光導波路等の光通信用材料としての用途が期待される。
BHAのX線ORTEP図である。 膜厚0.96μmのBHA−p−PDAポリイミドのUV−Visスペクトルである。 膜厚0.68μmのBHA−DDEポリイミドのUV−Visスペクトルである。 膜厚0.89μmのBHA−PA−5MGのポリイミドUV−Visスペクトルである。 膜厚1.48μmのBHA−DA−4PのポリイミドUV−Visスペクトルである。 膜厚16.9μmのBHA−DA−4PのポリイミドUV−Visスペクトルである。 膜厚1.28μmのBHA−MBCAのポリイミドUV−Visスペクトルである。 膜厚21.4μmのBHA−MBCAのポリイミドUV−Visスペクトルである。
以下、本発明についてさらに詳しく説明する。
本発明に係るポリアミック酸は、式[1]または式[2]で表される繰り返し単位を10モル%以上含有するものである。また、本発明に係るポリイミドは、上記ポリアミック酸から誘導されるポリイミドであり、式[3]または式[4]で表される繰り返し単位を10モル%以上含有するものである。
Figure 0005315994
上記各式中、R1およびR2は、それぞれ独立して、水素原子または炭素数1〜10のアルキル基を表し、R3およびR4は、それぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜10のアルキル基、フェニル基、または隣接する炭素原子上のR3とR4とが一緒になって炭素数3〜8のシクロアルキル基もしくはフェニル基を表し、R5は2価の有機基を表し、nは整数を表す。
ここで、炭素数1〜10のアルキル基の具体例としては、メチル、エチル、n−プロピル、i−プロピル、n−ブチル、i−ブチル、s−ブチル、n−アミル、i−アミル、s−アミル、n−ヘキシル、n−ヘプチル、n−オクチル、n−ノニル、n−デシル基等が挙げられる。
炭素数3〜8のシクロアルキル基としては、シクロプロピル、シクロブチル、シクロペンチル、シクロヘキシル、シクロヘプチル、シクロオクチル等が挙げられる。
ハロゲン原子としては、F、Cl、Br、Iが挙げられる。
特に、原料の入手容易性や製造収率などを考慮すると、R1およびR2は、水素原子であることが好ましく、R3およびR4は、水素原子またはメチル基であることが好ましく、中でもR1〜R4の全てが水素原子の化合物や、R1およびR2が水素原子、かつ、R3およびR4の少なくとも一方がメチル基の化合物が好適である。
5は2価の有機基であり、テトラカルボン酸二無水物(BHA化合物)と反応させる有機ジアミンに由来する有機基である。
この2価の有機基を与えるジアミンとしては、従来ポリイミド合成に用いられている種々のジアミンを用いることができ、例えば、p−フェニレンジアミン(p−PDA)、m−フェニレンジアミン、2,5−ジアミノトルエン、2,6−ジアミノトルエン、1,3−ビス(4,4’−アミノフェノキシ)ベンゼン(DA−4P)、4,4’−ジアミノ−1,5−フェノキシペンタン(PA−5MG)、4,4’−ジアミノビフェニル、3,3’−ジメチル−4,4’−ジアミノビフェニル、3,3’−ジメトキシ−4,4’−ジアミノビフェニル、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル(DDE)、4,4’−ジアミノジフェニルメタン(DDM)、2,2’−ジアミノジフェニルプロパン、ビス(3,5−ジエチル−4−アミノフェニル)メタン、ジアミノジフェニルスルホン、ジアミノベンゾフェノン、ジアミノナフタレン、1,4−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、1,4−ビス(4−アミノフェニル)ベンゼン、9,10−ビス(4−アミノフェニル)アントラセン、1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、4,4’−ビス(4−アミノフェノキシ)ジフェニルスルホン、2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]プロパン、2,2’−トリフルオロメチル−4,4’−ジアミノビフェニル、ネオペンチルグリコールビス(4−アミノフェニル)エーテル等の芳香族ジアミン;1,4−ジアミノシクロヘキサン、1,4−シクロヘキサンビス(メチルアミン)、4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタン、ビス(4−アミノ−3−メチルシクロヘキシル)メタン、3(4),8(9)−ビス(アミノメチル)トリシクロ[5.2.1.02,6]デカン、2,5(6)−ビス(アミノメチル)ビシクロ[2.2.1]ヘプタン(BBH)、1,3−ジアミノアダマンタン、3,3’−ジアミノ−1,1’−ビアダマンチル、1,6−ジアミノジアマンタン(1,6−アミノペンタンシクロ[7.3.1.14,12,02,7.06,11]テトラデカン等の脂環式ジアミン;テトラメチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン等の脂肪族ジアミン等が挙げられる。
なお、これらのジアミンは、ポリアミック酸(ポリイミド)合成の際に1種を単独で用いることも、2種類以上を混合して用いることもできるが、2種以上混合して用いる場合、上記R5も2種以上の組合せとなる。
これらのジアミンのうち、脂環式ジアミンまたは脂肪族ジアミンを使用すると、本発明のポリアミック酸およびこれから得られるポリイミドの透明性がより高くなるので好ましい。
nは2以上の整数であればよいが、後述するポリアミック酸の分子量を考慮すると、10〜2000の整数であることが好ましく、20〜1000の整数であることがより好ましい。
ポリアミック酸の分子量は、ポリイミド膜とした場合の強度や、膜形成時の加工性などを考慮すると、数平均分子量3000〜500000が好ましく、5000〜300000がより好ましい。
なお、数平均分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィー(以下、GPCという)による測定値である。
また、上記と同様の理由から、ポリイミドの重合度は、ポリアミック酸溶液の還元粘度換算で、0.05〜5.0dl/g(温度30℃のN−メチルピロリドン中、濃度0.5g/dl)が好ましい。
本発明のポリアミック酸(ポリイミド)は、上記式[1]または式[2](式[3]または式[4])で表される繰り返し構造を10モル%以上含有すればよいが、特に、高い耐熱性および透明性を有し、溶剤溶解性に優れたポリイミドとするためには、上記構造を50モル%以上含有することが好ましく、70モル%以上含有することがより好ましく、90モル%以上含有することが最適である。
本発明のポリイミドは、BHA化合物および必要に応じてその他のテトラカルボン酸誘導体と上述した各種ジアミンとを溶媒中で反応させて得られる本発明のポリアミック酸を経由し、これを熱イミド化して用いることができる。また、ポリアミック酸を溶媒中でイミドに転化させ、溶剤可溶性のポリイミドとして用いることも可能である。
ポリアミック酸の製造法は、特に限定されるものではなく、例えば、BHA化合物および必要に応じてその他のテトラカルボン酸誘導体とジアミンとを溶液重合させて得ることができる。
なお、本発明においては、テトラカルボン酸誘導体の全モル数のうち、少なくとも10mol%にBHA化合物を用いる。
まず、BHA化合物の製造法について説明する。BHA化合物は以下のスキームで製造することができる。
Figure 0005315994

(式中、R1〜R4は上記と同じ意味を表す。)
すなわち、アセチレン誘導体と無水マレイン酸誘導体とを光反応させる手法である。光反応は、ベンゾフェノンやアセトフェノン等の光増感剤を共存させて行うことが好ましい。また、光源には高圧水銀灯を用いることが好ましい。
反応溶媒としては、アセトンやメチルエチルケトン等の低級ケトン化合物が好ましい。
前半の中間体シクロブテンジカルボン酸無水物を得る工程の反応温度は、−80〜−20℃の低温が好ましい。後半の中間体シクロブテンジカルボン酸無水物からBHAを得る工程の反応温度は、0〜50℃が好ましい。
アセチレン誘導体および無水マレイン酸誘導体として、最も経済的な原料としては、R1〜R4が全て水素原子の場合のアセチレンおよび無水マレイン酸である。
また、別法として以下のスキームで示されるルートが考えられる。
Figure 0005315994

(式中、R1〜R4は上記と同じ意味を表し、Xはハロゲン原子を表す。)
本法は、前述した製法の前半における光反応のような低温を必要としないという利点がある。
1,2−ジハロゲノエチレン誘導体および無水マレイン酸誘導体として、最も経済的な原料としては、R1〜R4が全て水素原子の場合の1,2−ジクロロエチレンおよび無水マレイン酸である。
1,2−ジクロロエチレンと無水マレイン酸を10〜20℃での光反応によって、中間体3,4−ジクロロシクロブタン−1,2−ジカルボン酸無水物(DCBA)が合成される。続いてこれを亜鉛と無水酢酸を用いて中間体シクロブテ−3−エン−1,2−ジカルボン酸無水物(CBA)が合成される。更に、CBAからBHAを得る工程は、上述と同じである。
後述するように、この製法で得られたBHAはX線構造解析により、その主成分がエキソ−エキソ(exo−exo)型であることが確認されている。(図1参照)
これらは、いずれも単独でも混合物でも同様にジアミン化合物類との重縮合反応用モノマーとして用いることができる。
また、これらの酸二無水物を用いて製造される本発明の平面構造式[1]または[2]で表されるポリアミック酸および平面構造式[3]または[4]で表されるポリイミドもそれぞれの酸二無水物に対応した立体異性体を含むものである。
必要に応じて用いられるその他のテトラカルボン酸誘導体の具体例としては、1,2,3,4−テトラカルボン酸、2,3,4,5−テトラヒドロフランテトラカルボン酸、1,2,4,5−シクロヘキサン酸、3,4−ジカルボキシ−1−シクロヘキシルコハク酸、3,4−ジカルボキシ−1,2,3,4−テトラヒドロ−1−ナフタレンコハク酸、ビシクロ[3.3.0]オクタン−2,4,6,8−テトラカルボン酸などの脂環式テトラカルボン酸、並びにこれらの二無水物およびこれらのジカルボン酸ジ酸ハロゲン化物;ピロメリット酸、2,3,6,7−ナフタレンテトラカルボン酸、1,2,5,6−ナフタレンテトラカルボン酸、1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸、2,3,6,7−アントラセンテトラカルボン酸、1,2,5,6−アントラセンテトラカルボン酸、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸、2,3,3’,4−ビフェニルテトラカルボン酸、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)エーテル、3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)メタン、2,2−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)プロパン、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2,2−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)プロパン、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)ジメチルシラン、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)ジフェニルシラン、2,3,4,5−ピリジンテトラカルボン酸、2,6−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)ピリジンなどの芳香族テトラカルボン酸、並びにこれらの二無水物およびこれらのジカルボン酸ジ酸ハロゲン化物などが挙げられる。
ポリアミック酸製造時のBHA化合物およびその他のテトラカルボン酸二無水物に対するジアミンのモル数の比は、0.8〜1.2であることが好ましい。通常の重縮合反応同様に、このモル比が1に近いほど生成する重合体の重合度は大きくなる。重合度が小さすぎると、ポリイミド塗膜の強度が不十分となる場合があり、また重合度が大きすぎるとポリイミド塗膜形成時の作業性が悪くなる場合がある。
溶液重合の温度は、−20〜150℃の任意の温度を採用できるが、好ましくは−5〜100℃である。
溶液重合に使用可能な溶媒の具体例としては、m−クレゾール、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルカプロラクタム、ジメチルスルホキシド、テトラメチル尿素、ピリジン、ジメチルスルホン、ヘキサメチルホスホルアミド(HMPA)、γ−ブチロラクトンなどが挙げられる。これらは、単独でも、また2種以上混合して使用してもよい。さらに、ポリアミック酸を溶解しない溶媒を、均一溶液が得られる範囲内で上記溶媒に加えて使用してもよい。
ポリアミック酸をポリイミドに変換する方法は特に限定されるものではないが、上記のようにして得られたポリアミック酸を、加熱により脱水閉環させる方法が一般的に採用される。また、公知の脱水閉環触媒を使用して化学的に閉環する方法も採用することができる。
加熱により閉環させる際の温度は、100〜300℃の任意の温度を選択できるが、好ましくは120〜250℃である。
化学的に閉環させる場合、脱水閉環触媒としては、例えば、ピリジン、トリエチルアミン、無水酢酸などを用いることができる。この際、反応温度は、−20〜200℃の任意の温度を選択することができる。
このようにして得られたポリイミド溶液は、そのまま使用してもよく、メタノール、エタノールなどの貧溶媒を加えて沈殿させて単離したポリイミドを粉末として、またはこのポリイミド粉末を適当な溶媒に再溶解させて溶液として使用することもできる。
再溶解に用いられる溶媒は、得られたポリイミドを溶解させるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、m−クレゾール、2−ピロリドン、N−メチルピロリドン、N−エチルピロリドン、N−ビニルピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ヘキサメチルホスホルアミド(HMPA)、γ−ブチロラクトンなどが挙げられる。
また、単独ではポリイミドを溶解させない溶液であっても、溶解性を損なわない範囲であれば上記溶媒に加えて使用することができる。このような溶媒の具体例としては、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、エチルカルビトール、ブチルカルビトール、エチルカルビトールアセテート、エチレングリコール、1−メトキシ−2−プロパノール、1−エトキシ−2−プロパノール、1−ブトキシ−2−プロパノール、1−フェノキシ−2−プロパノール、プロピレングリコールモノアセテート、プロピレングリコールジアセテート、プロピレングリコール−1−モノメチルエーテル−2−アセテート、プロピレングリコール−1−モノエチルエーテル−2−アセテート、ジプロピレングリコール、2−(2−エトキシプロポキシ)プロパノール、乳酸メチルエステル、乳酸エチルエステル、乳酸n−プロピルエステル、乳酸n−ブチルエステル、乳酸イソアミルエステルなどが挙げられる。
また、ポリイミド膜と基板との密着性をさらに向上させる目的で、得られたポリイミド溶液にカップリング剤等の添加剤を加えてもよい。
本発明のポリイミド溶液を基板に塗布し、溶媒を蒸発させることにより基板上にポリイミド被膜を形成させることができる。溶媒蒸発時の温度は、通常100〜300℃程度である。
また、本発明は、式[5]および式[6]で表されるテトラカルボン酸二無水物を提供する。
Figure 0005315994

(式中、R1'およびR2'は、それぞれ独立して、水素原子または炭素数1〜10のアルキル基を表し、R3'およびR4'は、それぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜10のアルキル基、フェニル基、または隣接する炭素原子上のR3'とR4'とが一緒になって炭素数3〜8のシクロアルキル基もしくはフェニル基を表す。但し、R1'、R2'、R3'およびR4'は、同時に水素原子になることはない。)
ここで、炭素数1〜10のアルキル基の具体例としては、メチル、エチル、n−プロピル、i−プロピル、n−ブチル、i−ブチル、s−ブチル、n−アミル、i−アミル、s−アミル、n−ヘキシル、n−ヘプチル、n−オクチル、n−ノニル、n−デシル基等が挙げられる。
炭素数3〜8のシクロアルキル基としては、シクロプロピル、シクロブチル、シクロペンチル、シクロヘキシル、シクロヘプチル、シクロオクチル等が挙げられる。
ハロゲン原子としては、F、Cl、Br、Iが挙げられる。
特に、原料の入手容易性や製造収率などを考慮すると、R1'およびR2'が水素原子、かつ、R3'およびR4'の少なくとも一方がメチル基の化合物が好適である。
以下、合成例および実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。実施例における各物性の測定装置および条件は以下のとおりである。
[1]分子量
装置:常温GPC測定装置(SSC−7200,(株)センシュー科学製)
溶離液:DMF
[2]TG/DTA(示差熱熱量同時測定装置)
装置:Thermoplus TG8120((株)理学電機製)
[3]NMR
装置:JNM−LA400型 FT−NMR system(JOEL製)
測定溶媒:DMSO−d6
[4]単結晶X線
装置:DIP2030(マックサイエンス製)
X線:MoKα(40kV,200mA)
温度:室温
[5]FT−IR
装置:NICOLET 5700(Thermo ELECTRON CORPORATION)
[6]膜厚
装置:Surfcorder ET 4000A(全自動微細形状測定器)(Kosaka Laboratory Ltd.)
[7]UV−Visスペクトル
装置:UV−VIS−NIR SCANNING SPECTROPHOTOMETER(自記分光光度計)((株)島津製作所製)
[8]引張試験条件
1)荷重検出器:5kgMaxロードセル
2)伸び検出器:リニヤーケージ5mmMax
3)チャック:WC応力緩和グリップ
4)引張速度:0.4mm/Min
[合成例1]BHAの合成
Figure 0005315994
(1)中間体DCBAの合成
2000mlパイレックス(登録商標)ガラス製光反応器に、シス−1,2−ジクロロエチレン65.2g(673mmol)、無水マレイン酸60g(612mmol)および酢酸エチル1200gを仕込み、室温で攪拌して溶解させた後、21〜23℃で攪拌下に400W高圧水銀灯(内部照射)で48時間照射した。
反応後、反応液を濃縮し、結晶105.6gを得た。この結晶にトルエン180gを滴下して、加熱還流しスラリー化の後、80℃でヘキサン180gを滴下・攪拌後に、20℃まで静置しながら冷却した。析出した結晶を、ろ過後、トルエンとヘキサンで各1回ずつ洗浄し、更に乾燥すると白色結晶94.6g(得率79.3%)が得られた。
この結晶は1H NMRから3,4−ジクロロシクロブタン−1,2−ジカルボン酸無水物(DCBAと略記する)であることを確認した。
(2)中間体CBAの合成
1000mlパイレックス(登録商標)ガラス製反応器に、DCBA50g(256.4mmol)およびトルエン500gを仕込み、室温で攪拌下に、無水酢酸131gを滴下した後40℃に昇温してから、亜鉛末168gを添加した。85℃に昇温して30時間攪拌後に、冷却してからデカンテーションでセライトろ過した。ろ液を濃縮し結晶40.0gが得られた。この結晶をトルエンとヘキサンで各1回ずつ洗浄し、更に乾燥すると褐色結晶16gが得られた。更に、これをクーゲルロールを用いて外温135℃で減圧蒸留して淡黄色結晶11.0g(収率34.6%)が得られた。
この結晶は1H NMRからシクロブテ−3−エン−1,2−ジカルボン酸無水物(CBAと略記する)であることを確認した。
(3)BHAの合成
300mlパイレックス(登録商標)ガラス製光反応器に、中間体CBA11g(88.65mmol)、無水マレイン酸8.69g(88.65mmol)、ベンゾフェノン7.35g(39.89mmol)およびアセトン160gを仕込み、室温で攪拌して溶解させた後、15〜20℃で攪拌下に100W高圧水銀灯(内部照射)で61時間照射すると結晶が析出した。反応後、反応液を143gまで濃縮してから、ろ過後、アセトン洗浄(1回)とヘキサン洗浄(3回)を繰り返してから乾燥すると白色結晶5.0g(収率25.4%)が得られた。ろ液を静置し二次晶0.76g(収率3.9%)が得られた。
この結晶は以下の分析結果からBHAであることを確認した。
1H NMR(DMSO-d6;δppm):3.17(s,2H), 3.95(s,4H)
13C NMR(DMSO-d6;δppm):40.55(2), 45.34(4), 172.5(4)
TG-DTA:分解温度324.4℃
この結晶を、アセトニトリル(無水酢酸添加)に溶解し、自然濃縮して単結晶を作製し、X線構造解析からその立体構造を確認した(表1および図1参照)。
Figure 0005315994
[実施例1]BHA−p−PDAポリアミック酸およびポリイミドの合成
Figure 0005315994
乾燥した四つ口反応フラスコにp−フェニレンジアミン(p−PDA)0.324g(3.00mmol)と1−メチル−2−ピロリドン(NMP)8.9g(固形分10質量%)とを仕込み、18℃(室温)でメカニカルスターラーを用いて攪拌しながら溶解させた。続いて、BHA0.666g(3.00mmol)を添加し、20℃でメカニカルスターラーを用いて160rpmの速度で24時間攪拌した。
ここで、得られたBHA−p−PDAポリアミック酸重合溶液をサンプリングし、分子量測定を行った。GPC測定の結果、数平均分子量(Mn)は16717で、重量平均分子量(Mw)は17191であり、Mw/Mnは1.028であった。
〈ポリイミド膜形成〉
得られたBHA−p−PDAポリアミック酸重合溶液を8cm×10cmガラス板に(1)25μmと(2)200μmのドクターブレードを用いてそれぞれ塗布した。続いて、ホットプレートを用いて100℃で30分間予備焼成した後乾燥機に移し、230℃で1時間焼成しポリイミド膜を形成させた。
〈ポリイミド膜厚の測定〉
全自動微細形状測定器を用いて膜厚を測定した結果、上記重合溶液を(1)25μmで塗布した膜が0.96μm、(2)200μmで塗布した膜が9.36μmであった。
〈イミド化率の測定〉
ポリイミド膜のFT−IRを測定しその吸収スペクトルからイミド化率を算出すると、(1)膜厚:0.96μm膜が100%、(2)膜厚:9.36μm膜が100%であった。(残余アミドの吸収:1630〜1650cm-1の面積と生成イミドの吸収:1774〜1698cm-1の面積から算出)
〈光透過率測定〉
UV−Visスペクトルを測定した結果、(1)膜厚:0.96μm膜は、350nmでの光透過率80%であり、400nmでの光透過率90%であった。(図2参照)
更に、(2)膜厚:9.36μm膜の熱特性は以下のとおりであった。
5%重量減少温度(T5):269.2℃
10%重量減少温度(T10):321.1℃
[実施例2]BHA−DDEポリアミック酸およびポリイミドの合成
Figure 0005315994
乾燥した四つ口反応フラスコに4,4’−ジアミノジフェニルエーテル(DDE)0.601g(3.00mmol)とNMP11.4g(固形分10質量%)とを仕込み、18℃(室温)でメカニカルスターラーを用いて攪拌しながら溶解させた。続いて、BHA0.666g(3.00mmol)を添加し、18℃でメカニカルスターラーを用いて160rpmの速度で24時間攪拌した。
ここで、得られたBHA−DDEポリアミック酸重合溶液をサンプリングし、分子量測定を行った。GPC測定の結果、数平均分子量(Mn)は23593で、重量平均分子量(Mw)は24215であり、Mw/Mnは1.026であった。
次に、実施例1と同様にして、ポリイミド膜を形成し、その膜厚、イミド化率および光透過率を測定した結果を次表に示す。
Figure 0005315994
〈光透過率測定〉
UV−Visスペクトルを測定した結果、ポリイミド膜1は、350nmでの光透過率80%であり、400nmでの光透過率89%であった。(図3参照)
更に、ポリイミド膜2の熱特性は以下の通りであった。
5%重量減少温度(T5):297.9℃
10%重量減少温度(T10):352.8℃
[実施例3]BHA−PA−5MGポリアミック酸およびポリイミドの合成
Figure 0005315994
乾燥した四つ口反応フラスコに4,4’−ジアミノ−1,5−フェノキシペンタン(PA−5MG)0.573g(2.00mmol)とNMP10.0g(固形分10質量%)とを仕込み、18℃(室温)でメカニカルスターラーを用いて攪拌しながら溶解させた。続いてBHA0.444g(2.00mmol)を添加し、18℃でメカニカルスターラーを用いて160rpmの速度で24時間攪拌した。
ここで、得られたBHA−PA−5MGポリアミック酸重合溶液をサンプリングし、分子量測定を行った。GPC測定の結果、数平均分子量(Mn)は34192で、重量平均分子量(Mw)は35542であり、Mw/Mnは1.039であった。
次に、実施例1と同様にして、ポリイミド膜を形成し、その膜厚、イミド化率および光透過率を測定した結果を次表に示す。但し、ポリイミド膜3では、本焼成を160℃で行った。
Figure 0005315994
〈光透過率測定〉
UV−Visスペクトルを測定した結果、ポリイミド膜1は、350nmでの光透過率90%であり、400nmでの光透過率93%であった。(図4参照)
また、ポリイミド膜2の熱特性は以下の通りであった。
5%重量減少温度(T5):321.9℃
10%重量減少温度(T10):351.3℃
更に、BHA−PA−5MGポリアミック酸重合溶液を8cm×10cmガラス板にピペットを用いて塗布した。続いて、ホットプレートを用いて100℃で1時間予備焼成した後乾燥機に移し、230℃で1時間焼成しポリイミド膜を形成させた。このガラス板上の膜を湯中に浸した後、室温で放置すると剥離した。この膜は、膜厚が28μmであり、イミド化率は99%で、強靭でフレキシブルであった。
[実施例4]BHA−DA−4Pポリアミック酸およびポリイミドの合成
Figure 0005315994
乾燥した四つ口反応フラスコに1,3−ビス(4,4’−アミノフェノキシ)ベンゼン(DA−4P)0.559g(2.00mmol)とNMP5.67g(固形分15質量%)とを仕込み、18℃(室温)でメカニカルスターラーを用いて攪拌しながら溶解させた。続いて、BHA0.444g(2.00mmol)を添加し、18℃でメカニカルスターラーを用いて160rpmの速度で48時間攪拌した。
ここで、得られたBHA−DA−4Pポリアミック酸重合溶液をサンプリングし、分子量測定を行った。GPC測定の結果、数平均分子量(Mn)は9390で、重量平均分子量(Mw)は9462であり、Mw/Mnは1.008であった。
次に、本焼成を160℃で行った以外は、実施例1と同様にして、ポリイミド膜を形成し、その膜厚、イミド化率および光透過率を測定した結果を次表に示す。
Figure 0005315994
〈光透過率測定〉
UV−Visスペクトルを測定した結果、ポリイミド膜1は、350nmでの光透過率95%であり、400nmでの光透過率98%であった。(図5参照)
ポリイミド膜2は、350nmでの光透過率60%であり、400nmでの光透過率83%であった。(図6参照)
更に、BHA−DA−4Pポリアミック酸重合溶液を8cm×10cmガラス板にピペットを用いて塗布した。続いて、ホットプレートを用いて100℃で1時間予備焼成した後乾燥機に移し、160℃で3時間焼成しポリイミド膜を形成させた。このガラス板上の膜を湯中に浸した後、室温で放置すると剥離した。この膜は、膜厚が62μmであり、イミド化率は81%で、強靭でフレキシブルであった。
このフィルムの引張試験結果は以下の通りであった。
(1)試験片: 厚さ(mm)=0.062
幅(mm)=4.0
標点距離(mm)=10
断面積(mm2)=0.248
耐 力(kgf/mm2)=5.99(58.7MPa)
破断荷重(kgf)=0.798
破断伸び(mm)=1.990
破断伸び(%)=19.90
破断応力(kgf/mm2)=3.22(31.6MPa)
最大荷重(kgf)=3.884
最大応力(kgf/mm2)=15.66(153.6MPa)
ヤング率(kgf/mm2)=31.54(0.309GPa)

(2)試験片: 厚さ(mm)=0.060
幅(mm)=6.0
標点距離(mm)=10
断面積(mm2)=0.360
破断荷重(kgf)=4.893
破断伸び(mm)=1.201
破断伸び(%)=12.01
破断応力(kgf/mm2)=13.59(133.3MPa)
最大荷重(kgf)=5.000
最大応力(kgf/mm2)=13.89(136.2MPa)
ヤング率(kgf/mm2)=24.02(0.236GPa)
以上より高い破断応力および伸び率を示した。
[実施例5]BHA−MBCAポリアミック酸およびポリイミドの合成
Figure 0005315994
乾燥した四つ口反応フラスコに4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタン(DCHM)0.421g(2.00mmol)とクレゾール4.90g(固形分15質量%)とを仕込み、18℃(室温)でメカニカルスターラーを用いて攪拌しながら溶解させた。続いて、BHA0.444g(2.00mmol)を添加し、18℃でメカニカルスターラーを用いて160rpmの速度で24時間攪拌した。
得られたBHA−MBCAポリアミック酸重合溶液を8cm×10cmガラス板にピペットを用いて塗布した。続いて、ホットプレートを用いて100℃で1時間予備焼成した後乾燥機に移し、230℃で1時間焼成しポリイミド膜を形成させた。このガラス板上の膜を湯中に浸した後、室温で放置すると剥離した。この膜は、膜厚が50μmであり、イミド化率は99%で、強靭でフレキシブルであった。10%重量減少温度(T10)は、285℃であった。
このフィルムの引張試験結果は以下の通りであった。
(3)試験片: 厚さ(mm)=0.050
幅(mm)=5.0
標点距離(mm)=10
断面積(mm2)=0.250
耐 力(kgf/mm2)=13.32(130.6MPa)
破断荷重(kgf)=4.348
破断伸び(mm)=1.390
破断伸び(%)=13.90
破断応力(kgf/mm2)=17.39(170.5MPa)
最大荷重(kgf)=4.869
最大応力(kgf/mm2)=19.48(191.0MPa)
ヤング率(kgf/mm2)=237.33(2.327GPa)
以上より高いヤング率、破断応力および伸び率を示した。
次に、得られたBHA−MBCAポリアミック酸重合溶液を、本焼成温度を230℃から160℃に変更した他は、実施例1と同様にして、ポリイミド膜を形成し、その膜厚、イミド化率および光透過率を測定した結果を次表に示す。
Figure 0005315994
〈光透過率測定〉
UV−Visスペクトルを測定した結果、ポリイミド膜1は、350nmでの光透過率95%であり、400nmでの光透過率98%であった。(図7参照)
ポリイミド膜2は、350nmでの光透過率75%であり、400nmでの光透過率78%であった。(図8参照)
[実施例6]BHA−BBHポリアミック酸およびポリイミドの合成
Figure 0005315994
乾燥した四つ口反応フラスコに2,5(6)−ビス(アミノメチル)ビシクロ[2.2.1]ヘプタン(BBH)0.309g(2.00mmol)とクレゾール4.27g(固形分15質量%)とを仕込み、18℃(室温)でメカニカルスターラーを用いて攪拌しながら溶解させた。続いて、BHA0.444g(2.00mmol)を添加し、18℃でメカニカルスターラーを用いて160rpmの速度で72時間攪拌した。
得られたBHA−BBHポリアミック酸重合溶液を8cm×10cmガラス板にピペットを用いて塗布した。続いて、ホットプレートを用いて100℃で1時間予備焼成した後乾燥機に移し、160℃で1時間焼成しポリイミド膜を形成させた。
その膜厚は、32μmであり、イミド化率は98%であった。
また、光透過率を測定した結果、450nmにおいて46%であった。
[比較例1]CBDA−DCHMポリアミック酸およびポリイミドの合成
Figure 0005315994
乾燥した四つ口反応フラスコに4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタン(DCHM)1.05g(5.00mmol)とクレゾール11.5g(固形分15wt%)とを仕込み、18℃(室温)でメカニカルスターラーを用いて攪拌しながら溶解させた。続いて、1,2,3,4−シクロブタンテトラカルボン酸−1,2:3,4−二無水物(CBDA)0.980g(5.00mmol)を添加し、メカニカルスターラーを用いて45℃で、160rpmの速度で1時間攪拌した。その後、20℃で、160rpmの速度で23時間攪拌した。
次に、得られたCBDA−DCHMポリアミック酸重合溶液を8cm×10cmガラス板にピペットを用いて滴下塗布した。続いてホットプレートで100℃で30分間予備焼成した後、160℃の乾燥機に入れて1時間焼成しポリイミド膜を形成させた。得られた膜は、透明性はあったが、ボロボロに割れており、一枚の膜として剥がすことができなかった。破片の一部の膜厚を測定した結果は、14.5μmであった。
[比較例2]CBDA−DA−4Pポリアミック酸およびポリイミドの合成
Figure 0005315994
乾燥した四つ口反応フラスコに1,3−ビス(4,4’−アミノフェノキシ)ベンゼン(DA−4P)0.559g(2.00mmol)とNMP5.39g(固形分15質量%)とを仕込み、18℃(室温)でメカニカルスターラーを用いて攪拌しながら溶解させた。続いて、1,2,3,4−シクロブタンテトラカルボン酸−1,2:3,4−二無水物(CBDA)0.392g(2.00mmol)を添加し、メカニカルスターラーを用いて18℃で、160rpmの回転速度で24時間攪拌した
次に、得られたCBDA−DA−4Pポリアミック酸重合溶液を8cm×10cmガラス板にピペットを用いて滴下塗布した。続いてホットプレートで100℃で2時間予備焼成した後、160℃の乾燥機に入れて2時間焼成しポリイミド膜を形成させたが、得られた膜は、淡褐色で、ガラス板から剥がれ、ピンセットで摘まむとボロボロに割れて、一枚の膜として取り出すことができなかった。

Claims (12)

  1. 式[1]又は式[2]で表される繰り返し単位を10モル%以上含有することを特徴とするポリアミック酸。
    Figure 0005315994
    (式中、R1およびR2は、それぞれ独立して、水素原子または炭素数1〜10のアルキル基を表し、R3およびR4は、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜10のアルキル基、フェニル基、または隣接する炭素原子上のR3とR4とが一緒になって炭素数3〜8のシクロアルキル基もしくはフェニル基を表し、R5は2価の有機基を表す。nは2以上の整数を表す。)
  2. 式[3]又は式[4]で表される繰り返し単位を10モル%以上含有することを特徴とするポリイミド。
    Figure 0005315994
    (式中、R1およびR2は、それぞれ独立して、水素原子または炭素数1〜10のアルキル基を表し、R3およびR4は、それぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜10のアルキル基、フェニル基、または隣接する炭素原子上のR3とR4とが一緒になって炭素数3〜8のシクロアルキル基もしくはフェニル基を表し、R5は2価の有機基を表す。nは2以上の整数を表す。)
  3. 数平均分子量が5000〜300000である請求項1記載のポリアミック酸。
  4. 前記R1、R2、R3およびR4が、水素原子である請求項1記載のポリアミック酸。
  5. 1およびR2が水素原子であり、R3およびR4の少なくとも一方がメチル基である請求項1記載のポリアミック酸。
  6. 前記R1、R2、R3およびR4が水素原子である請求項2記載のポリイミド。
  7. 1およびR2が水素原子であり、R3およびR4の少なくとも一方がメチル基である請求項2記載のポリイミド。
  8. 式[1]および式[2]のR5が、脂環式ジアミンまたは脂肪族ジアミンに由来する2価の有機基である請求項1記載のポリアミック酸。
  9. 式[3]および式[4]のR5が、脂環式ジアミンまたは脂肪族ジアミンに由来する2価の有機基である請求項2記載のポリイミド。
  10. [1]および式[2]のR 5 が、芳香族ジアミンに由来する2価の有機基である請求項1記載のポリアミック酸
  11. [3]および式[4]のR 5 が、芳香族ジアミンに由来する2価の有機基である請求項2記載のポリイミド
  12. 請求項2,6,7,9および11のいずれか1項に記載のポリイミドを含有することを特徴とする膜。
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