JP5765237B2 - フルオロポリマーおよび含フッ素硬化性樹脂組成物 - Google Patents
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Description
[1]重合性二重結合を有するフルオロポリマーであって、
該フルオロポリマーが、テトラフルオロエチレン、CF 2 =CFO−Rf 1 (式中、Rf 1 は炭素数1〜6のペルフルオロアルキル基を表す。なお、ペルフルオロアルキル基中の炭素原子間にエーテル性酸素原子を有していてもよい。)で表されるペルフルオロエーテル類の少なくとも1種およびCF 2 =CFO−Q 1 −OCF=CF 2 (式中、Q 1 は炭素数が3〜8のペルフルオロアルキレン基を表す。なお、ペルフルオロアルキレン基中の炭素原子間にエーテル性酸素原子を有していてもよい。)で表されるペルフルオロジエンの少なくとも1種に由来する繰り返し単位を有する共重合体であり、主鎖末端にアミド基を有することを特徴とするフルオロポリマー。
[2]主鎖末端のアミド化率が70〜100%である、[1]のフルオロポリマー。
[3]アミド基の含有量が0.01〜0.3mmol/gである、[1]または[2]のフルオロポリマー。
[4]質量平均分子量が3,000〜20,000である、[1]〜[3]のフルオロポリマー。
[5]テトラフルオロエチレンと、CF 2 =CFO−Rf 1 (式中、Rf 1 は炭素数1〜6のペルフルオロアルキル基を表す。なお、ペルフルオロアルキル基中の炭素原子間にエーテル性酸素原子を有していてもよい。)で表されるペルフルオロエーテル類の少なくとも1種と、CF 2 =CFO−Q 1 −OCF=CF 2 (式中、Q 1 は炭素数が3〜8のペルフルオロアルキレン基を表す。なお、ペルフルオロアルキレン基中の炭素原子間にエーテル性酸素原子を有していてもよい。)で表されるペルフルオロジエンの少なくとも1種とを共重合させて得られる重合性二重結合を有するフルオロポリマーをアミド化することを特徴とする、[1]〜[4]のフルオロポリマーを製造する方法。
[6]アミド化をアンモニアを反応させることによって行う、[5]のフルオロポリマーの製造方法。
[7]前記[1]〜[4]のフルオロポリマーからなる、硬化性樹脂。
[8]前記[1]〜[4]のフルオロポリマーを含む、含フッ素硬化性樹脂組成物。
[9]前記[7]の硬化性樹脂または[8]の含フッ素硬化性樹脂組成物を光硬化させることを特徴とする、硬化物の製造方法。
[10]前記[7]の硬化性樹脂または[8]の含フッ素硬化性樹脂組成物を硬化させた硬化物。
本発明のフルオロポリマーを硬化性成分として含む、本発明の含フッ素硬化性樹脂組成物は、熱安定性および接着性が改善された硬化物を得ることができる。
本発明の硬化物は、良好な熱安定性および接着性を有する、上記硬化物である。
本発明のフルオロポリマーの製造方法は、含フッ素硬化性樹脂組成物の熱安定性および接着性を改善できるフルオロポリマーを製造できる。
本明細書においては、数平均分子量をMnと、質量平均分子量をMwと、分子量分布をMw/Mnと記す。
なお、本発明における質量平均分子量(Mw)および数平均分子量(Mn)は、CF2ClCF2CHClF(旭硝子社製、商品名:AK225cb、以下、AK225cbという。)を溶媒として用いて、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によりPMMA(ポリメチルメタクリレート)換算分子量として算出したものを意味する。
なお、以下において、本発明のフルオロポリマーをフルオロポリマー(PA)と称する。また、アミド化前のフルオロポリマーをフルオロポリマー(P)と称する。したがって、フルオロポリマー(PA)は、フルオロポリマー(P)をアミド化して得られるフルオロポリマーである。また、フルオロポリマー(PA)の硬化物とフルオロポリマー(PA)を含む含フッ素硬化性樹脂組成物の硬化物を、特に言及しない限り、単に硬化物ともいう。
本発明のフルオロポリマー(PA)は、重合性二重結合(炭素−炭素二重結合)を有する。フルオロポリマー(PA)は重合性二重結合を分子内に有することで、光または熱により重合性二重結合が架橋して硬化することができる。
一般にフルオロポリマーにおいては、主鎖末端がアミド化されることによりフルオロポリマーの熱安定性が向上することは知られている。本発明者らは、重合性二重結合を有する硬化性のフルオロポリマーにおいて、主鎖末端をアミド化することによりフルオロポリマーの各種の基材への接着性も向上することを新規に見出した。特に質量平均分子量(Mn)が20,000以下の場合、単位重量あたりの末端基濃度が高くなるため、接着性の向上効果が顕著になる。本発明のフルオロポリマー(PA)は、重合性二重結合を有するフルオロポリマー(P)の主鎖末端がアミド化されたフルオロポリマーである。
本発明のフルオロポリマー(PA)は、重合性二重結合を有するフルオロポリマー(P)をアンモニアまたはアミンと反応させてアミド化することにより、主鎖末端の不安定な基を安定化な基(アミド基)とされたものである。例えば、−COF+2NH3→−CONH2+NH4Fまたは−COF+2NH2R→−CONHR+NH3RFというような反応機構で、主鎖末端にアミド基が導入されたものである。
本発明におけるアミド基とは、−CONRR’で表される基であり、−NRR’はHNRR’で表されるアミノ基を有する化合物の水素原子を除いた残基である。R、R’は、それぞれ独立に、水素原子または1価の有機基を表するか、RとR’が共同して2価の有機基を表す。有機基としてはアルキル基などの1価の炭化水素基が好ましい。1価の有機基や2価の有機基としては炭素数10以下の有機基が好ましく、炭素数4以下の有機基がより好ましい。R、R’の少なくとも一方は水素原子であることが好ましく、いずれも水素原子であることが最も好ましい。
仮にアンモニアの代わりに水を用いて主鎖末端を−COOHにすると、フルオロポリマーの流動性が低下して、光電変換素子の封止を行う際に脱泡ができなくなるという問題がある。また、メタノールを用いて主鎖をメチルエステル化した場合には、流動性は確保されるものの、基材への接着性が阻害されるという問題が生じる。主鎖末端基を−CONH2にしたフルオロポリマーの場合には、極性が増加して分子間の凝集が生じやすい状況にもかかわらず、流動性を阻害せず、かつその硬化物の接着性を発現させることが可能であることを新規に見出した。
フルオロポリマー(PA)やそれを含む硬化性樹脂組成物を硬化させた硬化物の、接着性が高められる理由は必ずしも定かではないが、極性のあるアミド基が自由度の大きいフルオロポリマー(PA)の主鎖末端に存在することにより、基材表面に配向して基材との接着に寄与すると考えられる。本発明においては、質量平均分子量(Mw)が小さく、主鎖末端基の数が多いフルオロポリマー(P)の主鎖末端をアミド化することにより、得られる硬化物と基材との密着性を高めることができる。
フルオロモノエン(a)は、分子内に重合性二重結合を1つ有する含フッ素化合物である。
フルオロモノエン(a)としては、たとえば、テトラフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン等のフルオロエチレン類や、ヘキサフルオロプロピレン、CF2=CFO−Rf(式中、Rfは炭素数1〜6のフルオロアルキル基を表す。なお、フルオロアルキル基中の炭素原子間にエーテル性酸素原子を有していてもよい。)で表されるフルオロビニルエーテル、下記式(a−1)、下記式(a−2)に示す環状フルオロモノマー等が挙げられる。中でも、CF2=CFO−Rf(式中、Rfは炭素数1〜6のフルオロアルキル基を表す。なお、フルオロアルキル基中の炭素原子間にエーテル性酸素原子を有していてもよい。)で表されるフルオロビニルエーテルをフルオロモノエン(a)として用いると、得られるフルオロポリマー(PA)の粘度が低減し、また、得られる硬化物の柔軟性が高くなるので、ハイパワーLED用透光封止材等として有用である。また、環状フルオロモノマーをフルオロモノエン(a)として用いると、硬化物のガラス転移温度が上昇して硬度が高くなり、レンズ等の材料として有用である。
テトラフルオロエチレンを用いる場合、フルオロモノエン(a)に由来する繰り返し単位とフルオロジエン(b)に由来する繰り返し単位との合計量に対して、テトラフルオロエチレンに由来する繰り返し単位の割合は、1〜80モル%であることが好ましく、50〜70モル%が特に好ましい。上記範囲であると硬化物の熱安定性および透明性、フルオロポリマー(PA)の流動性が良好である。
テトラフルオロエチレンとCF2=CFO−Rf1とを併用する場合、両者に由来する繰り返し単位合計量に対するCF2=CFO−Rf1に由来する繰り返し単位の割合は、1〜49モル%であることが好ましく、10〜40モル%であることが特に好ましい。
フルオロジエン(b)は、分子内に重合性二重結合を2つ有する含フッ素化合物である。2つの重合性二重結合のうちの少なくとも一部が重合反応に寄与せず、重合後も二重結合のまま残存する化合物である。すなわち、フルオロジエン(b)の一方の重合性二重結合における2つの炭素原子は重合後に主鎖を形成する。もう一方の重合性二重結合のうち少なくとも一部は重合反応に寄与せず、フルオロポリマー(P)中に重合性二重結合を有する不飽和側鎖を形成させる。フルオロジエン(b)を用いることにより、フルオロポリマー(P)中に不飽和側鎖が残存するため、この不飽和側鎖を利用したフルオロポリマー(PA)の硬化反応により硬化物が得られる。
フルオロジエン(b)としては、炭素原子とフッ素原子のみから構成されるか、または炭素原子とフッ素原子と酸素原子のみから構成されるペルフルオロジエンが挙げられる。また、前記ペルフルオロジエンの1つもしくは2つのフッ素原子が水素原子で置換されたフルオロジエンが挙げられる。フルオロジエン(b)は、熱安定性の点から、ペルフルオロジエンであることが好ましい。流動性と熱安定性の点から、炭素原子とフッ素原子と酸素原子のみから構成されるペルフルオロジエンであることがさらに好ましい。
前記連結鎖の原子数が上記範囲の下限値以上であれば、重合反応時にこれら2つの重合性二重結合が反応して分子内環化が起こることを抑えて、フルオロポリマー(P)中に重合性二重結合を有する不飽和側鎖を残存させやすい。また、上記範囲の上限値以下であれば、硬化前に各々のフルオロポリマー(PA)の側鎖の重合性二重結合によりフルオロポリマー(PA)の架橋反応が起こり、フルオロポリマー(PA)の高分子量化やゲル化が生じてしまうことを防ぎやすい。これにより、フルオロポリマー(PA)を硬化させる前の流動性が著しく低下することを防止できる。また、連結鎖の長すぎるフルオロジエン(b)は、それ自体を合成し、高純度に精製することが容易でない。
フルオロ非環状ジエンは、前記のような脂肪族環構造を有さない化合物である。また、2個の重合性二重結合を連結する連結鎖は、流動性が低下しすぎることを防ぐ点から、環構造を有さない直鎖構造であることが好ましい。
フルオロ非環状ジエンとしては、下記式に示す化合物が好ましい。
CF2=CFO−QF1−OCF=CF2
CF2=CFOCH2−QF2−CH2OCF=CF2
CH2=CFCF2O−QF3−OCF2CF=CH2
CH2=CFCF2O−QF4−OCF=CF2
ただし、式中、QF1、QF2、QF3およびQF4は、それぞれ独立に、フルオロアルキル基の側鎖を有していてもよいフルオロアルキレン基である。なお、該フルオロアルキレン基中の炭素原子間にエーテル性酸素原子を有していてもよい。QF1およびQF3が表すフルオロアルキレン基における炭素原子数は3〜8、好ましくは3〜6である。QF2が表すフルオロアルキレン基における炭素原子数は2〜6、好ましくは2〜4である。QF4が表すフルオロアルキレン基における炭素原子数は1〜6、好ましくは2〜5である。
上記のうち、フルオロポリマー(P)の合成の際に重合性二重結合を側鎖に残すために適度な重合性を有する点、また硬化物の熱安定性の点で、CF2=CFO−Q−OCF=CF2(式中、Qは炭素数が3〜8のフルオロアルキレン基を表す。好ましくは、炭素数が3〜6のフルオロアルキレン基である。なお、フルオロアルキレン基中の炭素原子間にエーテル性酸素原子を有していてもよい。)で示される化合物がより好ましい。CF2=CFO−Q1−OCF=CF2(式中、Q1は炭素数が3〜8のペルフルオロアルキレン基を表す。好ましくは、炭素数が3〜6のペルフルオロアルキレン基である。なお、ペルフルオロアルキレン基中の炭素原子間にエーテル性酸素原子を有していてもよい。)で示される化合物が特に好ましい。
CF2=CFO(CF2)4OCF=CF2
CF2=CFO(CF2)5OCF=CF2
CF2=CFO(CF2)6OCF=CF2
CF2=CFO(CF2)4OCF(CF3)CF2OCF=CF2
CF2=CFOCH2(CF2)2CH2OCF=CF2
CF2=CFOCH2(CF2)4CH2OCF=CF2
CH2=CFCF2OCF(CF3)CF2OCF=CF2
CH2=CFCF2OCF(CF3)CF2OCF(CF3)CF2OCF=CF2
これらフルオロジエン(b)は、1種のみを単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
フルオロ環状ジエンは、脂肪族環構造を1つまたは2つ有する化合物である。フルオロ環状ジエンにおける脂肪族環構造は、炭素原子のみから構成されるか、または炭素原子と酸素原子とから構成される。脂肪族環構造を構成する原子数は4〜8であることが好ましく、5または6であることがより好ましい。特に好ましい脂肪族環構造は、1つまたは2つの酸素原子を含む5員環または6員環である。
フルオロ環状ジエンが脂肪族環構造を2つ有する場合は、それらの脂肪族環同士は単結合や2価以上の連結基で連結されていてもよく、縮合(1個の炭素結合を共有する場合も含む。)していてもよい。前記連結基としては、たとえば、酸素原子、ペルフルオロアルキレン基(炭素原子数8以下が好ましい。)、一方もしくは両方の末端、または炭素原子間にエーテル性酸素原子を有するペルフルオロアルキレン基(炭素原子数8以下が好ましい。)等が挙げられる。
また、フルオロ環状ジエンとしては、前記脂肪族環構造を2つ有し、その脂肪族環のそれぞれが重合性二重結合を有する化合物であることが好ましく、ペルフルオロ(2−メチレン−1,3−ジオキソラン)構造を2つ有する化合物がより好ましい。また、下記式(b−1)に示す、ペルフルオロ(2−メチレン−1,3−ジオキソラン)構造を2つ有し、それらの脂肪族環同士を、4位を連結位として単結合や2価の連結基で結合した化合物(以下、化合物(b−1)という。)、または下記式(b−2)に示すペルフルオロ(2−メチレン−1,3−ジオキソラン)構造を2つ有し、それらの脂肪族環同士を、4位および5位を連結位として単結合や2価の連結基で結合した化合物であることがさらに好ましく、化合物(b−1)が特に好ましい。
また、その他のフルオロ環状ジエンとしては、下記式(b−3)に示す化合物が挙げられる。
化合物(b−1)の具体例としては、下記式に示す化合物が挙げられる。化合物(b−1)は、国際公開第2005/085303号に記載された方法により製造することが好ましい。
テトラフルオロエチレンと、
CF2=CFO−Rf1(式中、Rf1は炭素数1〜6のペルフルオロアルキル基を表す。なお、ペルフルオロアルキル基中の炭素原子間にエーテル性酸素原子を有していてもよい。)で表されるペルフルオロエーテル類の少なくとも1種と、
CF2=CFO−Q1−OCF=CF2(式中、Q1は炭素数が3〜8のペルフルオロアルキレン基を表す。なお、ペルフルオロアルキレン基中の炭素原子間にエーテル性酸素原子を有していてもよい。)で表されるペルフルオロジエンの少なくとも1種と、の共重合体。
以上のように、フルオロモノエン(a)とフルオロジエン(b)とを共重合させることにより、フルオロジエン(b)に由来する繰り返し単位の少なくとも一部に、重合性二重結合を有する不飽和側鎖が残存している共重合体であるフルオロポリマー(P)が得られる。このフルオロポリマーをアミド化することにより、本発明のフルオロポリマー(PA)が得られる。
例えば、フルオロジエン(b)として、CF2=CF−O−(CF2)4−O−CF=CF2を使用した場合、フルオロポリマー(P)は、下記式に示す繰り返し単位を少なくとも有する。
溶液重合は、重合溶媒中で、重合開始剤に、前記フルオロモノエン(a)と前記フルオロジエン(b)とを添加して共重合させる重合方法である。また連鎖移動剤を添加してもよい。
溶液重合における重合媒体としては、生成するフルオロポリマー(P)が溶解できる含フッ素溶媒であることが好ましい。含フッ素溶媒としては、例えば、ジクロロペンタフルオロプロパン(HCFC−225)、CF3CH2CF2H(HFC−245fa)、CF3CF2CH2CF2H(HFC−365mfc)、ペルフルオロヘキサン、ペルフルオロオクタン、ペルフルオロ(2−ブチルテトラヒドロフラン)、ペルフルオロ(トリブチルアミン)、CF3CF2CF2CF2CF2CF2H、CF3CH2OCF2CF2H、CF3CH2OCH2CF3、CF3CF2OCF2CF2OCF2CF3等が挙げられる。
重合反応に用いる重合開始剤としては、10時間半減温度が20〜120℃の有機過酸化物の多くが使用可能であるが、重合開始剤中の水素原子の引き抜き反応による反応率の低下が起きることを防ぐ点から、含フッ素ジアシルペルオキシド等の含フッ素過酸化物を用いることが好ましい。
反応溶液中の重合開始剤の濃度は、0.1〜5質量%が好ましく、0.5〜2質量%がより好ましい。
また、重合温度は、開始剤の10時間半減温度とモノマーの重合速度によっても異なるが、20〜120℃が好ましく、40〜90℃がより好ましい。
重合反応においては、連鎖移動剤を用いることが好ましい。
連鎖移動剤としては、例えば、CCl4、CH3Cl、SO2Cl2、CHFCl2等の塩素化合物、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ヘキサン、ジエチルエーテル等の炭化水素化合物が挙げられる。なかでも、連鎖移動効率が高く、高収率でフルオロポリマー(P)が得られる点から、SO2Cl2が好ましい。
連鎖移動剤の使用量は、連鎖移動定数によっても異なるが、SO2Cl2を用いた場合、フルオロモノエン(a)とフルオロジエン(b)との混合物の合計量に対し、モル比で0.001〜0.1であることが好ましく、0.001〜0.05であることがより好ましい。前記モル比が上記範囲の下限値以上であれば、ポリマーの分子量が高くなりすぎない。また、前記モル比が上記範囲の上限値以下であれば、フルオロポリマー(P)の分子量が低下しすぎない。
本発明におけるフルオロポリマー(PA)は、上記フルオロポリマー(P)の末端をアミド化して得られる。上述したようにフルオロモノエン(a)と不飽和側鎖残存性のフルオロジエン(b)とを共重合させた後、得られたフルオロポリマー(P)のアミド化を行う。アミド化によりフルオロポリマー(P)に存在する前記のような不安定末端基がアミド化される。前記アミド化は例えば下記するように、エステルを経由する方法(方法1)や、直接アミド化する方法(方法2)があるが、好ましいのは手順の容易さおよび反応速度の点から、直接アミド化する方法である。
アンモニアを用いた場合のアミド化の例
(方法1); 〜〜COF+ROH→〜〜COOR+HF〜〜COOR+NH3→〜〜COONH2+ROH
(方法2); 〜〜COF+2NH3→〜〜CONH2+NH4F
フルオロポリマー(P)の主鎖末端をアミド化するためのアミド化剤としては、前記HNRR’で表されるアンモニア、各種アミン類が挙げられる。硬化物の基材に対する密着性を向上させるためには、主鎖末端の窒素に結合した活性水素原子が残っていることが好ましい。アミン類としては、第1級アミン類、第2級アミン類、もしくは第1級アミノ基または第2級アミノ基を有する化合物が好適に用いられる。第1級アミノ基または第2級アミノ基を有する化合物としては、第1級または第2級アミノ基を複数分子中に有する多官能アミン類が好ましい。アミン類としては、例えば、NH2R’もしくはNHR’2(この化学式におけるR’は炭素原子数1〜10のアルキル基を表す。)で表されるアルキルアミン、エチレンジアミン、ポリエチレンジアミン、アミノシラン、メチレンジアミノシラン、テトラアミノシラン等を挙げることができる。アミド化剤として最も好ましいのは、アンモニアである。
特に好ましいアミド化方法は、重合後のフルオロポリマー(P)を含む溶液に、アンモニアを直接吹き込む方法である。(直接アミド化)。直接アミド化により、得られるフルオロポリマー(PA)の主鎖末端は−COONH2になる。
得られたフルオロポリマー(PA)を硬化性ポリマーとしてまたは含フッ素硬化性樹脂組成物主成分として用いる場合には、分子量が1,000未満の低分子量成分を除去するのが好ましい。また、場合によってはアミド化前のフルオロポリマー(P)から低分子量成分を除去した後、アミド化してフルオロポリマー(PA)としてもよい。フルオロポリマー(P)の精製は下記フルオロポリマー(PA)の精製と同様に行うことができる。
フルオロポリマー(PA)中の重合性二重結合は、硬化反応に用いられた際に一般に体積収縮を伴うことが知られている。分子量が1,000未満の低分子量成分を除去すると、フルオロポリマー(PA)の単位体積あたりの重合性二重結合の割合が少ないので、得られる硬化物の体積収縮が抑えられかつ寸法安定性が向上すると考えられる。
フルオロポリマー(PA)を超臨界状態にある抽出溶媒と接触させた後にフルオロポリマー(PA)と抽出溶媒を分離することで、フルオロポリマー(PA)に含まれている低分子量体の量を低減することができる。
抽出溶媒としては、用いる抽出溶媒の臨界温度以上、130℃未満の温度、且つ、該抽出溶媒の臨界圧力以上の圧力下に、上述の低分子量体を抽出することができるものであれば特に限定されない。例えば、二酸化炭素の他、フルオロホルム(CF3H;R23)、パーフルオロエタン(C2F6;R116)等の炭素数1〜3のフルオロカーボン等が挙げられる。中でも、容易に超臨界状態にすることができ、抽出効率に優れる点で、二酸化炭素、フルオロホルムまたはパーフルオロエタンが好ましく、二酸化炭素がより好ましい。
抽出溶媒は、1種のみを用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよいが、二酸化炭素、フルオロホルムおよびパーフルオロエタンは、それぞれ1種のみを用いても充分にフルオロポリマー(PA)を精製することができる。
上記温度は、上記範囲内であれば、使用する抽出溶媒に応じて適宜設定することができるが、好ましい下限が臨界温度より0.1℃高い温度であり、好ましい上限は100℃であり、より好ましい上限は80℃である。
上記圧力は、上記範囲内であれば、使用する抽出溶媒に応じて適宜設定することができるが、好ましい下限は、臨界圧力より10,000Pa高い圧力であり、好ましい上限は、臨界圧力より70MPa高い圧力である。
二酸化炭素、フルオロホルム等の抽出溶媒の密度は、抽出の場、即ち、抽出溶媒が上述の温度と圧力である条件下において、0.2g/cm3以上、1.3g/cm3以下であることが好ましい。
CF3CF2CHCl2、CF2ClCF2CHClF、CF3CF2CHCl2、CFC12CF2Cl、CCl4、CF3CHFCHFCF2CF3、CF3CH2OCF2CF2H等。
炭化水素系溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ジメチルエーテルなどが挙げられる。
上記記載の精製方法は、上記低分子量体を低減することができるものであるので、得られるフルオロポリマー(PA)は、GPCにより測定した数平均分子量(Mn)と質量平均分子量(Mw)との比であるMw/Mnで表される分子量分布がより小さく狭分散なものとすることができる。
フルオロポリマー(PA)の質量平均分子量(Mw)は、3,000〜20,000であることが好ましい。流動性と接着性の観点からは、3,000〜10,000がより好ましく、5,000〜15,000であることが特に好ましい。フルオロポリマー(PA)の質量平均分子量は(Mw)、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により、PMMA(ポリメチルメタクリレート)換算分子量として算出できる。
フルオロポリマー(PA)の質量平均分子量(Mw)が上記範囲の下限値以上であれば、硬化反応中における低分子量成分の揮発を防止しやすい。また、上記範囲の上限値以下であれば、成形時に硬化反応が起こる最低温度以下での流動性が確保される。また、フルオロポリマー(PA)中の主鎖末端基の濃度が高くなり、主鎖末端のアミド化による熱安定性および接着性の向上効果が大きくなる。分子量が高すぎて流動性が悪い場合には、所望の形状に成形ができなかったり、流動が不均一になり成形物の特性に偏りが発生する。
また、フルオロポリマー(PA)の質量平均分子量(Mw)を上記範囲内において高く設定することにより、より高い熱安定性を有する硬化物が得られやすい。
前記重合性二重結合の含有量が上記範囲の下限値以上であれば、硬化物において架橋が不足して硬度が低下することを防ぎやすい。また、上記範囲の上限値以下であれば、フルオロポリマー(PA)の架橋反応によるゲル化や高分子量化により、重合反応時における溶媒に対する溶解性や硬化反応時に溶剤を用いる場合の溶解性が低くなりすぎない。また、硬化物中に未反応の重合性二重結合が残り、熱安定性を低下させることを防ぎやすい。
また、フルオロポリマー(PA)は、100℃以下においては実質的に熱硬化しない。該熱硬化温度としては、100〜200℃が好ましく、より好ましくは150〜200℃である。
本発明の含フッ素硬化性樹脂組成物は、重合性二重結合を有するフルオロポリマー(PA)を含む硬化性の組成物である。該組成物はフルオロポリマー(PA)以外に、必要に応じて、硬化のための硬化剤または光開始剤、フルオロポリマー(PA)以外の重合性化合物(Y)、等の添加物を含む。
本発明の含フッ素硬化性樹脂組成物は、重合性化合物としてフルオロポリマー(PA)以外に、他の重合性化合物(Y)を含んでいてもよい。重合性化合物(Y)は、単体で分子量が1,000以上であるモノマーか、または、重合させて分子量を1,000以上としたものである。
重合性化合物(Y)は、重合性二重結合を有するフルオロポリマーまたはフルオロオリゴマーが好ましく、重合性二重結合を有するペルフルオロポリマーまたはペルフルオロオリゴマーがより好ましい。ペルフルオロポリマーまたはペルフルオロオリゴマーにおける重合性二重結合は不飽和側鎖残存性のペルフルオロジエンに由来する繰り返し単位における一方の重合性二重結合であることが好ましい。不飽和側鎖残存性のペルフルオロジエンとしては、例えば、CF2=CFO−Rf2−OCF=CF2、またはCF2=CFOCH2−Rf3−CH2OCF=CF2が挙げられる。
ただし、式中、Rf2およびRf3は、側鎖にペルフルオロアルキル基を有していてもよいペルフルオロアルキレン基、または、該ペルフルオロアルキレン基中の炭素原子間にエーテル性酸素原子を有する基である。
Rf2およびRf3の具体例としては、例えば、−CF2−、−CF2O−、−CF2CF2O−、−CF2CF2CF2O−、−CF(CF3)CF2O−等の繰り返し単位を含有するペルフルオロポリエーテルが挙げられる。
上記ペルフルオロジエンとペルフルオロモノエンなどを重合して、重合性二重結合を有するフルオロポリマーまたはフルオロオリゴマーが得られる。
他の添加物としては、例えば、アミノシラン、エポキシシランなどのシランカップリング剤や多官能チオール化合物、亜燐酸エステルなどの熱安定剤が挙げられる。また、光学素子用としての蛍光体、色素、シリカまたはアルミナ微粒子等の光拡散剤等が挙げられる。また、光学材料以外の耐熱性、耐薬品性を必要とする用途における添加物としては、各種の無機フィラー、ガラス繊維、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)粒子等が挙げられる。
他の添加物としてジルコニアナノ粒子、チタニアナノ粒子などを用いた場合、透明性を維持したまま添加量に応じて屈折率を0.05から0.15程度高めることが可能である。
本発明の硬化物は、前記フルオロポリマー(PA)や含フッ素硬化性樹脂組成物を硬化させることにより得られる硬化物である。
本発明の硬化物は、耐光性(特に波長200〜500nmの短波長光に対する耐久性)および透明性が高く、かつ熱安定性および接着性に優れる。
本発明の硬化物は、前記フルオロポリマー(PA)や含フッ素硬化性樹脂組成物を熱または紫外線(UV)により硬化させることにより得ることができる。
本発明のフルオロポリマー(PA)や含フッ素硬化性樹脂組成物をUV硬化させることにより得られる硬化物は、長時間高温に曝しても熱分解し難い特徴を有する。したがって、本発明のフルオロポリマー(PA)や含フッ素硬化性樹脂組成物は、UV硬化させることが好ましい。
本発明のフルオロポリマー(PA)や含フッ素硬化性樹脂組成物を熱硬化させる場合、硬化温度は、100〜250℃が好ましく、125〜220℃がより好ましく、150〜200℃が特に好ましい。
硬化温度を上記範囲の下限値以上にすることにより、短時間で硬化物を得ることができ、生産性が高くなる。また、上記範囲の上限値以下にすることにより、寸法安定性に優れた硬化物を得ることが容易になる。
熱硬化における加熱は、段階的に温度が高くなるように多段階で行ってもよい。硬化反応を多段階で行う場合は、硬化温度は少なくともその最高温度が上記範囲内となるようにすればよい。
本発明のフルオロポリマー(PA)や含フッ素硬化性樹脂組成物をUV硬化させる場合、UV(紫外線)の波長は、150〜400nmが好ましく、193〜365nmがより好ましく、248〜365nmが特に好ましい。
150〜300nmのUVを用いる場合、特に光開始剤を用いずに硬化させることが可能であり、300〜400nmのUVを用いる場合には、光開始剤の使用が望ましい。光源は特に限定されないが、例えば、250〜400nmにおいてはメタルハライドランプまたは無電極ランプ、254nm、313nm、および365nmには高圧水銀ランプまたは低圧水銀ランプが用いられる。また、248nmにはKrFエキシマーレーザー、193nmにはArFエキシマーレーザー、157nmにはF2レーザーが用いられる。
光開始剤を使用する場合の使用量は、フルオロポリマー(PA)の100質量部(重合性化合物(Y)が併用される場合はそれとの合計100質量部)に対して0.01〜10質量部が好ましく、0.1〜1質量部が特に好ましい。光開始剤の使用量が上記範囲にあれば、硬化速度を低下させずに着色の少ない透明な硬化物が得られる。
また、UV硬化の際に多官能チオール化合物またはメルカプトアルコキシシランをフルオロポリマー(PA)等の100質量部に対して0.01〜1質量部添加すると、硬化物の熱安定性が向上するという効果もある。この場合、接着性の低下には影響せず、配線材料として金を使用した場合など基材の種類によっては接着性が増すという相乗効果もある。
本発明のフルオロポリマー(PA)や含フッ素硬化性樹脂組成物を硬化させて得られる硬化物は、接着性、耐薬品性が高く、かつ耐熱性、耐候性に優れることから、太陽電池などの光電変換素子の封止材料として有用である。特に、色素増感太陽電池用封止材として用いる場合、太陽電池素子内に含有されるニトリル系などの電解液の漏れを長時間に渡り防ぐ必要があり、接着性および耐薬品性等が要求される為、接着性および耐薬品性に優れる本発明の硬化物は有用である。
また、本発明の硬化物は、耐光性(特に波長200〜500nmの短波長光に対する耐久性)および透明性が高く、かつ熱安定性に優れることから、光学材料としても有用である。
光学材料としては、光ファイバーのコア材料またはクラッド材料、光導波路のコア材料またはクラッド材料、ペリクル材料、ディスプレイ(たとえば、PDP(Plasma Display Panel)、LCD(Liquid CrystalDisplay)、FED(Field Emission Display)、有機EL等)用表面保護材料、レンズ(たとえば、発光素子用集光レンズ、人工水晶体レンズ、コンタクトレンズ、低屈折率レンズ等)用表面保護材料、レンズ(たとえば、発光素子用集光レンズ、人工水晶体レンズ、コンタクトレンズ、低屈折率レンズ等)用材料、素子(たとえば、発光素子、太陽電池素子、半導体素子等)用封止材料等の用途が挙げられる。
前記硬化物の膜として用いる光学材料としては、半導体素子、太陽電池素子、発光素子(たとえば、LED、レーザーダイオード(LD)、エレクトロルミネッセンス素子等)等を透光封止する素子用の封止材料が好ましく、本発明における硬化物が前記性質を有する観点から、短波長光発光素子を透光封止する封止材料としての用途に使用されることが特に好ましい。短波長光発光素子としては、白色LEDおよびUV−LEDが挙げられる。
本実施例では、フルオロポリマー(PA)における二重結合の含有量は、19F−NMRにより測定した。また、質量平均分子量(Mw)および数平均分子量(Mn)は、CF2ClCF2CHClF(旭硝子社製、商品名:AK225cb。)を溶媒として用いて、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によりPMMA(ポリメチルメタクリレート)換算分子量として算出した。
実施例におけるガラス板として、300〜400nmの紫外線の透過性が高い透明ガラス板(鉄分の含有量が少ないソーダライムガラスからなる)を使用した。
PPVE:ペルフルオロ(プロピルビニルエーテル)
[CF2=CFO−CF2CF2CF3]
TFE:テトラフルオロエチレン [CF2=CF2]
C4DVE:ペルフルオロ(1,4−ジビニルオキシブタン)
[CF2=CFO(CF2)4OCF=CF2]
内容積が1Lの撹拌機付きステンレス製オートクレーブを脱気した後、該オートクレーブに、フルオロモノエン(a)であるPPVE(290g)とTFE(20g)、フルオロジエン(b)であるC4DVE(28g)、AK225cb(600g)および重合開始剤である(C3F7COO)2(10g)を圧入し、撹拌しながらオートクレーブ内を50℃に昇温した。その後、TFE(全仕込み量75g)およびC4DVE(全仕込み量35g)を、圧力を0.2MPaに保ちながら逐次添加して2時間重合反応を行った。
室温まで冷却し、未反応のTFEをパージした後、攪拌しながらアンモニアガスを全量(0.85g)となるまでゆっくり吹き込んだ。
内容物を内容積が2Lのガラスビーカーに取り出したところ、NH4F塩により白濁していた。
撹拌しながらヘキサンの500gを投入して共重合体を析出させた。上澄みを除去してAK225cbに再溶解した後、細孔径1μmのPTFE製メンブランフィルター上に珪藻土を敷き詰めてろ過し、ほぼ透明な重合体溶液を得た。該溶液を水洗し、エバポレーターを用いて溶媒を留去した後、120℃で2時間真空乾燥することにより、無色透明な高粘度液状のフルオロポリマー(P1)(60g)が得られた。
フルオロポリマー(P1)の平均分子量をGPCにより測定したところ、質量平均分子量(Mw)が11,000、数平均分子量(Mn)が6,000であった。
また、19F−NMRによりフルオロポリマー(P1)の組成および二重結合含有量を測定したところ、TFEに基づく繰り返し単位とC4DVEに基づく繰り返し単位とPPVEに基づく繰り返し単位とのモル比は67/6/27であり、二重結合含有量は0.23mmol/gであった。
さらにフルオロポリマー(P1)の粘度を回転粘度計により測定したところ、80℃で45Pa・sであった。
ガラス板上にシリコーンゴムシートを切り抜いて作製した枠を載せて密着させ、合成例1で得たフルオロポリマー(P1)を100℃に加熱流動させて枠の内面に流し込んだ後、減圧脱泡して冷却した。これに低圧水銀ランプUVB−40(装置名、セン特殊光源社製、主波長254nm)を用いてUV照射して硬化させることにより、ガラス板上に幅1cm、長さ3cm、厚さ1mmの無色透明な短冊状硬化物を得た。該短冊状硬化物を用いて以下の評価を行った。結果を表1に示す。
<接着性試験>
ガラス板上に接着させた短冊状硬化物の端を、ガラス板から15mm/minの速度で剥離し、90度剥離試験機(装置名、日新科学社製)でガラス板からの90度剥離強度を測定した。
<200℃加熱試験>
ガラス板上に接着させた短冊状硬化物を、200℃オーブン中で1,000時間保持し、重量減少率(%)を確認した。重量減少率(%)が小さいほど、熱安定性が良好であるといえる。
<耐溶剤性試験>
ガラス板上に接着させた短冊状硬化物を、23℃のアセトニトリル中に浸漬し、1時間放置した。短冊状硬化物がガラス板より剥離したか否かを確認した。溶剤が短冊状硬化物に浸漬した場合には、短冊状硬化物がガラス板より剥離する。
ガラス板上にシリコーンゴムシートを切り抜いて作製した枠を載せて密着させ、合成例1で得られたフルオロポリマー(P1)の100質量部にチオール化合物であるTEMPIC(商品名、SC有機化学社製)の0.1質量部を100℃にて加熱混合し、上記の枠の内側に流し込んだ後、減圧脱泡して冷却した。これに低圧水銀ランプUVB−40(装置名、セン特殊光源社製:主波長254nm)を用いてUV照射して硬化させることにより、ガラス板上に幅1cm、長さ3cm、厚さ1mmの無色透明な短冊状硬化物を得た。該短冊状硬化物を用いて、接着性試験、200℃加熱試験および耐溶剤性試験を行った。結果は表1に示す。
合成例1においてアンモニアの代わりに純水を添加する以外は同様な操作を行い、主鎖末端基がCOOHのフルオロポリマー(P2)を得た。フルオロポリマー(P2)は100℃においても全く流動せず、脱泡できないため硬化物を得ることは困難であった。
合成例1においてアンモニアを用いずにヘキサンの代わりにメタノールを投入してフルオロポリマーを析出させる以外は同様な操作を行い、主鎖末端基がCOOCH3のフルオロポリマー(P3)を得た。フルオロポリマー(P3)は組成、二重結合含量および分子量はフルオロポリマー(P1)とほぼ同じであった。
実施例1と同様にUV硬化により無色透明な短冊状硬化物を得、接着性試験、200℃加熱試験および耐溶剤性試験を行った。結果は表1に示す。
合成例1で得たフルオロポリマー(P1)を用いて、LED素子を封止した。
具体的には、エポキシ絶縁層付きのアルミ基板に銀配線を行った回路基板にGaN系LED(発光波長460nm)をワイヤーボンディング接続したLED素子に加熱流動させたフルオロポリマー(P1)を塗布し、100℃で3分間減圧して泡(空気)を除去した。室温に冷却後、低圧水銀ランプUVB−40(装置名、セン特殊光源社製:主波長254nm)を用いて1時間照射し、150℃で30分加熱することにより硬化反応を行い、LED素子を封止した。
得られたLED素子を−40℃で15分間、125℃で15分間を1サイクルとする温度サイクル試験を行った。温度サイクル100回ごとにLEDの電圧〜電流特性を測定したところ、主鎖末端がアミド化されたフルオロポリマー(P1)を用いたので、500回後でも初期の特性を維持していた。
合成例1で得られたフルオロポリマー(P1)とチオール化合物であるTEMPIC(商品名、SC有機化学社製)との混合物を用いて、LED素子を封止した。具体的には、GaN系LED(発光波長460nm)をワイヤーボンディング接続したカップ型のLED素子(ハウジング:アルミナ製、電極:金)の凹部に上記混合物を100℃に加熱して注入し、減圧脱泡して冷却した。これに低圧水銀ランプUVB−40(装置名、セン特殊光源社製:主波長254nm)を用いてUV照射して硬化させることによりLED素子を封止した。
得られたLED素子は、−40℃で15分間、125℃で15分間を1サイクルとする温度サイクル試験を行った。温度サイクル100回ごとにLEDの電圧〜電流特性を測定したところ、主鎖末端がアミド化されたフルオロポリマー(P1)およびチオール化合物を用いたので、1,000回後でも初期の特性を維持していた。
実施例3において、用いたフルオロポリマーを合成例3で得られたフルオロポリマー(P3)に変更した以外は、実施例3と同様にLED素子を作製し、温度サイクル試験を行った。その結果、主鎖末端がメチルエステル基のフルオロポリマー(P3)を用いたので、温度サイクル100回後には電流が流れなくなり、封止樹脂の剥離によりボンディングワイヤーがLED素子から外れていることがわかった。
ガラス板上にシリコーンゴムシートを切り抜いて作製した枠を載せて密着させ、合成例1で得たフルオロポリマー(P1)を100℃にて加熱して上記の枠の内側に流し込んだ後、減圧脱泡して冷却した。これに低圧水銀ランプUVB−40(装置名、セン特殊光源社製、主波長254nm)を用いてUV照射して硬化させることにより、ガラス板上に4cm角、厚さ1mmの無色透明な短冊状硬化物を得た。該短冊状硬化物を用いて以下の評価を行った。結果を表2に示す。
<膨潤度>
短冊状硬化物を50℃で1日加熱乾燥した後、重量を測定した(乾燥重量)。該短冊状硬化物を、沸点の異なるニトリル系溶剤に浸漬して、室温(22〜24℃)または60℃で1日保持した後、重量を測定した(膨潤重量)。短冊状硬化物の重量変化から、溶媒に対する膨潤度を次式より算出した。
膨潤度(%)=(膨潤重量−乾燥重量)/乾燥重量
2液型エポキシ接着剤であるアラルダイト(パンティコ社製)およびボンド・クイック5(コニシ社製)を、それぞれ、ポリテトラフルオロエチレン製型枠に流し込み、4cm角、厚さ1mmの短冊状硬化物を得た。該短冊状硬化物を実施例5と同様にしてアセトニトリル中に浸漬し、膨潤度を測定した。結果は表2に示す。
なお、2010年2月5日に出願された日本特許出願2010−024703号の明細書、特許請求の範囲および要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。
Claims (10)
- 重合性二重結合を有するフルオロポリマーであって、
該フルオロポリマーが、テトラフルオロエチレン、CF 2 =CFO−Rf 1 (式中、Rf 1 は炭素数1〜6のペルフルオロアルキル基を表す。なお、ペルフルオロアルキル基中の炭素原子間にエーテル性酸素原子を有していてもよい。)で表されるペルフルオロエーテル類の少なくとも1種およびCF 2 =CFO−Q 1 −OCF=CF 2 (式中、Q 1 は炭素数が3〜8のペルフルオロアルキレン基を表す。なお、ペルフルオロアルキレン基中の炭素原子間にエーテル性酸素原子を有していてもよい。)で表されるペルフルオロジエンの少なくとも1種に由来する繰り返し単位を有する共重合体であり、主鎖末端にアミド基を有することを特徴とするフルオロポリマー。 - 主鎖末端のアミド化率が70〜100%である、請求項1に記載のフルオロポリマー。
- アミド基の含有量が0.01〜0.3mmol/gである、請求項1または2に記載のフルオロポリマー。
- 質量平均分子量が3,000〜20,000である、請求項1〜3のいずれか一項に記載のフルオロポリマー。
- テトラフルオロエチレンと、CF 2 =CFO−Rf 1 (式中、Rf 1 は炭素数1〜6のペルフルオロアルキル基を表す。なお、ペルフルオロアルキル基中の炭素原子間にエーテル性酸素原子を有していてもよい。)で表されるペルフルオロエーテル類の少なくとも1種と、CF 2 =CFO−Q 1 −OCF=CF 2 (式中、Q 1 は炭素数が3〜8のペルフルオロアルキレン基を表す。なお、ペルフルオロアルキレン基中の炭素原子間にエーテル性酸素原子を有していてもよい。)で表されるペルフルオロジエンの少なくとも1種とを共重合させて得られる重合性二重結合を有するフルオロポリマーをアミド化することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載のフルオロポリマーを製造する方法。
- アミド化をアンモニアを反応させることによって行う、請求項5に記載のフルオロポリマーの製造方法。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載のフルオロポリマーからなる、硬化性樹脂。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載のフルオロポリマーを含む、含フッ素硬化性樹脂組成物。
- 請求項7の硬化性樹脂または請求項8の含フッ素硬化性樹脂組成物を光硬化させることを特徴とする、硬化物の製造方法。
- 請求項7の硬化性樹脂または請求項8の含フッ素硬化性樹脂組成物を硬化させた硬化物。
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