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特許7158229芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂、芳香族変性エポキシ樹脂、エポキシ樹脂組成物及びその硬化物
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-10-13
(45)【発行日】2022-10-21
(54)【発明の名称】芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂、芳香族変性エポキシ樹脂、エポキシ樹脂組成物及びその硬化物
(51)【国際特許分類】
   C08G 14/04 20060101AFI20221014BHJP
   C08G 59/62 20060101ALI20221014BHJP
   C08G 59/20 20060101ALI20221014BHJP
【FI】
C08G14/04
C08G59/62
C08G59/20
【請求項の数】 14
(21)【出願番号】P 2018185026
(22)【出願日】2018-09-28
(65)【公開番号】P2020055897
(43)【公開日】2020-04-09
【審査請求日】2021-08-06
(73)【特許権者】
【識別番号】000006644
【氏名又は名称】日鉄ケミカル&マテリアル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100132230
【弁理士】
【氏名又は名称】佐々木 一也
(74)【代理人】
【識別番号】100088203
【弁理士】
【氏名又は名称】佐野 英一
(74)【代理人】
【識別番号】100100192
【弁理士】
【氏名又は名称】原 克己
(74)【代理人】
【識別番号】100198269
【弁理士】
【氏名又は名称】久本 秀治
(74)【代理人】
【識別番号】100082739
【氏名又は名称】成瀬 勝夫
(72)【発明者】
【氏名】矢野 博之
(72)【発明者】
【氏名】スレスタ ニランジャン
(72)【発明者】
【氏名】山田 尚史
(72)【発明者】
【氏名】梶 正史
【審査官】宮内 弘剛
(56)【参考文献】
【文献】特表平11-508947(JP,A)
【文献】特開平01-192586(JP,A)
【文献】特開2012-167142(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C07B31/00-63/04
C07C1/00-409/44
C08G2/00-16/06
59/00-61/12
CAplus/REGISTRY(STN)
CASREACT(STN)
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
下記式(1)で表されるスチレン系化合物ホルムアルデヒド類を酸性条件下にて反応させ、その後、芳香族炭化水素と反応させて得られる中間体と、芳香族ヒドロキシ化合物を反応させて得られることを特徴とする芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂。
【化1】
(ここで、Rは水素原子又は炭素数1~6の炭化水素基を示す。)
【請求項2】
芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂の少なくとも一部が下記式(Ib)の構造を有することを特徴とする請求項1に記載の芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂。
【化2】
(ここで、Ar1はスチレン系化合物の芳香族環であり、Arは芳香族炭化水素の残基であり、Ar2は芳香族ヒドロキシ化合物の残基であり、mは1又は2であり、pは平均値として0.3~4の範囲であり、nは平均値として0.5~4の範囲である。)

【請求項3】
芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂の水酸基当量が300~500g/eq.の範囲であることを特徴とする請求項1又は2に記載の芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂。
【請求項4】
前記芳香族炭化水素の炭素数が、6~20であることを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載の芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂。
【請求項5】
前記芳香族炭化水素が、下記式(3)、(4)、(5)、(6)又は(7)で表され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芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂。
【化3】
(式(3)~(7)において、Rは水素原子又は炭素数1~6のアルキル基、フェニル基、又はアルコキシ基を示す。)
【請求項6】
芳香族ヒドロキシ化合物の炭素数が、6~20であり、ヒドロキシ基数が1~2であることを特徴とする請求項1~5のいずれか一項に記載の芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂。
【請求項7】
芳香族ヒドロキシ化合物が、下記式(8)、(9)、又は(10)で表されることを特徴とする請求項6に記載の芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂。
【化4】
(式(8)~(10)において、Rは水素原子、炭素数1~6のアルキル基、フェニル基、又は炭素数1~6のアルコキシ基を示し、mは1~2の数を示す。Xは単結合、-CH-、-C(CH-、-CO-、-O-、-S-、-SO-又はフルオレニル基を示す。)
【請求項8】
下記式(1)で表されるスチレン系化合物とホルムアルデヒド類を酸性条件下にて反応させた後、この反応生成物に芳香族炭化水素を反応させて中間体を得て、この中間体と芳香族ヒドロキシ化合物を反応させることを特徴とする芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂の製造方法。
【化5】
(ここで、Rは水素原子又は炭素数1~6の炭化水素基を示す。)
【請求項9】
エポキシ樹脂及び硬化剤よりなるエポキシ樹脂組成物において、硬化剤の一部又は全部として、請求項1~7のいずれか一項に記載の芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂を必須成分としてなることを特徴とするエポキシ樹脂組成物。
【請求項10】
請求項9に記載のエポキシ樹脂組成物を硬化してなることを特徴とするエポキシ樹脂硬化物。
【請求項11】
請求項1~7のいずれか一項に記載の芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂とエピクロルヒドリンとを反応させて得られることを特徴とする芳香族変性エポキシ樹脂。
【請求項12】
エポキシ当量が400~600g/eq.の範囲であることを特徴とする請求項11に記載芳香族変性エポキシ樹脂。
【請求項13】
エポキシ樹脂及び硬化剤よりなるエポキシ樹脂組成物において、請求項11又は12に記載の芳香族変性エポキシ樹脂を必須成分として配合してなるエポキシ樹脂組成物。
【請求項14】
請求項13に記載のエポキシ樹脂組成物を硬化してなるエポキシ樹脂硬化物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、誘電特性に優れるとともに、低吸水性、低熱膨張性にも優れた硬化物を与えるエポキシ樹脂、その中間体として適する芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂、これらを用いたエポキシ樹脂組成物、及びその硬化物に関するものであり、例えば、電気電子分野の絶縁材料、塗料、接着材等の改質剤等に好適に使用されるものである。
【背景技術】
【0002】
エポキシ樹脂は工業的に幅広い用途で使用されてきているが、その要求性能は近年ますます高度化している。例えば、エポキシ樹脂を主剤とする樹脂組成物の代表的分野に半導体封止材料があるが、半田耐熱性に優れた材料の開発が望まれている。従って、封止材料としては、低吸水性や低熱膨張性の向上が求められている。回路基板材料においても、同様な特性に加え、誘電損失低減の観点から低誘電性に優れた材料の開発が望まれている。これらの要求に対応するため、様々な新規構造のエポキシ樹脂及び硬化剤が検討されている。
【0003】
従って、上記背景から種々のエポキシ樹脂及びエポキシ樹脂硬化剤が検討されている。エポキシ樹脂硬化剤の一例として、特許文献1にはビフェニル構造を有する硬化剤が提案され、難燃性向上に有効であることが記載されている。しかし、誘電特性について十分ではない場合があった。
【0004】
一方、フェノール化合物、スチレン類及びホルムアルデヒドの反応物については、これまでに幾つかの検討例が知られている。例えば、特許文献2にはフェノール化合物、スチレン類及びホルムアルデヒドを一括仕込みすることによる樹脂の検討例が報告されている。このような反応様式では芳香族炭化水素を樹脂骨格に導入しようとする場合、これを骨格中に導入することが困難である。
そのため、水酸基当量を高く設計することが難しく、誘電特性、低吸水性、低熱膨張性を十分に発現できない。さらに特許文献3には、芳香族性を高めた2~3環の多環芳香族炭化水素とフェノール及びメタ置換のアルキルフェノール類からなる群から選択される少なくとも1種のフェノール類をホルムアルデヒドで縮合した芳香族オリゴマーが知られているが、フェノール性水酸基濃度が低いため硬化物の耐熱性や低熱膨張性に改善の余地がみられる。
【0005】
一方、エポキシ樹脂についても、これらの要求を満足するものは未だ知られていない。例えば、耐熱性に優れるエポキシ樹脂として、o-クレゾールノボラック型エポキシ樹脂が知られているが、低吸水性に関しては不十分である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開平11-140166号公報
【文献】特表2010-506976号公報
【文献】特開2003-55423号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明の目的は、積層、成形、注型、接着等の用途において、誘電特性に優れると共に、低吸水性、低熱膨張性等にも優れた性能を有する芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂、及びこれから得られるエポキシ樹脂を提供することにあり、また、優れた誘電特性を有するとともに、低吸水性、低熱膨張性等にも優れ、電気電子分野の絶縁材料、塗料、接着材等に有用な硬化物を与えるエポキシ樹脂組成物を提供すること、及びそのエポキシ樹脂組成物を硬化させた硬化物を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
すなわち、本発明は、下記式(1)で表されるスチレン系化合物、ホルムアルデヒド類、芳香族炭化水素、及び芳香族ヒドロキシ化合物を反応させて得られることを特徴とする芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂である。
【化1】

(ここで、Rは水素原子又は炭素数1~6の炭化水素基を示す。)
【0009】
上記芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂は、スチレン系化合物とホルムアルデヒド類を酸性条件下にて反応させ、その後、芳香族炭化水素反応させて得られる中間体と、芳香族ヒドロキシ化合物を反応させて得られるものであることができる。
【0010】
上記芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂の少なくとも一部が下記式(Ib)の構造を有することがよい。
【化2】

(ここで、Ar1はスチレン系化合物の芳香族環であり、Arは芳香族炭化水素の残基であり、Ar2は芳香族ヒドロキシ化合物の残基であり、mは1又は2であり、pは平均値として0.3~4の範囲であり、nは平均値として0.5~4の範囲である。)
【0011】
上記芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂は、水酸基当量が300~500g/eq.の範囲であることが望ましい。
【0012】
上記芳香族炭化水素は、炭素数が6~20であることがよく、更に下記式(3)、(4)、(5)、(6)又は(7)で表されるものであることが好ましい。
【化3】

(式(3)~(7)において、Rは水素原子又は炭素数1~6のアルキル基、フェニル基、又はアルコキシ基を示す。)
【0013】
上記芳香族ヒドロキシ化合物は、炭素数が6~20であり、ヒドロキシ基数が1~2であることがよく、更に下記式(8)、(9)、又は(10)で表されるものであることが好ましい。
【化4】

(式(8)~(10)において、Rは水素原子、炭素数1~6のアルキル基、フェニル基、又はアルコキシ基を示し、mは1~2の数を示す。Xは単結合、-CH-、-C(CH-、-CO-、-O-、-S-、-SO-又はフルオレニル基を示す。)
【0014】
また本発明は、下記式(1)で表されるスチレン系化合物とホルムアルデヒド類を酸性条件下にて反応させた後、この反応生成物に芳香族炭化水素を反応させて中間体を得て、この中間体と芳香族ヒドロキシ化合物を反応させることを特徴とする芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂の製造方法である。
【化5】

(ここで、Rは水素原子又は炭素数1~6の炭化水素基を示す。)
【0015】
また本発明は、エポキシ樹脂及び硬化剤よりなるエポキシ樹脂組成物において、硬化剤の一部又は全部として、上記の芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂を必須成分としてなることを特徴とするエポキシ樹脂組成物である。更に本発明は、このエポキシ樹脂組成物を硬化してなることを特徴とするエポキシ樹脂硬化物である。
【0016】
また本発明は、上記の芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂とエピクロルヒドリンとを反応させて得られることを特徴とする芳香族変性エポキシ樹脂である。この芳香族変性エポキシ樹脂は、エポキシ当量が400~600g/eq.の範囲であることができる。
【0017】
また本発明は、エポキシ樹脂及び硬化剤よりなるエポキシ樹脂組成物において、上記の芳香族変性エポキシ樹脂を必須成分として配合してなるエポキシ樹脂組成物である。更に本発明は、このエポキシ樹脂組成物を硬化してなるエポキシ樹脂硬化物である。
【発明の効果】
【0018】
本発明の芳香族変性エポキシ樹脂及び芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂は、エポキシ樹脂組成物に応用した場合、誘電特性に優れるとともに、低吸水性、低熱膨張性にも優れた硬化物を与え、電気電子分野の絶縁材料、塗料、接着材等の用途に好適に使用することが可能である。
【0019】
エポキシ樹脂硬化物においては、エポキシ基と水酸基との反応により生成するヒドロキシプロピル基が極性を有するため、誘電率等の上昇を生じ易いとされているが、多価ヒドロキシ樹脂骨格中に芳香族炭化水素を導入させて水酸基当量を高くすることで、エポキシ基由来の極性基成分の含有率は低くなり、低誘電特性を発現させることができる。また、疎水性に優れる芳香族炭化水素構造の導入により、低吸水性の向上にも効果的である。更に、樹脂骨格中への剛直な芳香族炭化水素構造の導入は、硬化物の分子運動を抑制させることにより、低熱膨張性の発現にも効果的である。
【図面の簡単な説明】
【0020】
図1】実施例1の中間体樹脂AのFD-MSチャート
図2】実施例1の芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂ARH-AのFD-MSチャート
【発明を実施するための形態】
【0021】
本発明の芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂は、上記一般式(1)で表されるスチレン系化合物、ホルムアルデヒド類、芳香族炭化水素、及び芳香族ヒドロキシ化合物を反応させて得られる。
【0022】
一般式(1)において、Rは水素原子又は炭素数1~6の炭化水素基を示すが、好ましくは水素原子又は炭素数1~6のアルキル基である。好ましいスチレン系化合物としては、スチレン、メチルスチレンなどが挙げられる。
【0023】
上記芳香族炭化水素は、重合性の不飽和基を有しない芳香族炭化水素であればよいが、1~5環の芳香族環を有するものが適する。この芳香族炭化水素は置換基を有してもよいが、ビニル基や水酸基を有しない。
【0024】
好ましい芳香族炭化水素としては、炭素数が、6~20である芳香族炭化水素が挙げられる。より好ましくは炭素数が、6~12の芳香族炭化水素である。炭素数が20を超えると樹脂粘度が上昇し、組成物とする際のハンドリング性に劣る。
【0025】
より好ましくは、上記式(3)、(4)、(5)、(6)又は(7)で表される芳香族炭化水素である。式(3)~(7)において、Rは水素原子又は炭素数1~6のアルキル基、フェニル基、又はアルコキシ基であるが、好ましくは水素原子又は炭素数1~6のアルキル基又はフェニル基である。
【0026】
芳香族炭化水素の例としては、ベンゼン、トルエン、キシレン、m-キシレン、エチルベンゼン、ジエチルベンゼン等のベンゼン類、ナフタレン、メチルナフタレン類、エチルナフタレン類、イソプロピルナフタレン類、ジメチルナフタレン類、ジエチルナフタレン類、ジイソプロピルナフタレン類等のナフタレン類、アントラセン、ピレン、アセナフテン、アセナフチレン、フルオレン、ターフェニル類、フェナンスレン、フルオランテン等が挙げられ、中でも、合成する際の反応性及び硬化物とした際の硬化物物性、特に誘電特性、低吸水性の観点から、トルエン、ナフタレン、ビフェニル、アントラセン、ピレンが好ましい。また、メトキシ基、エトキシ基等のアルコキシ基によって置換された上記の芳香族炭化水素類も用いることができる。
【0027】
芳香族炭化水素は、工業的には複数の成分を含む留分として得られることが多いが、芳香族炭化水素を含むものであれば、好ましくは50wt%以上含むものであれば、そのような混合物であってもよい。例えば、縮合多環芳香族炭化水素留分は、ジフェニルエーテル、ジベンゾフラン等を含む混合物となることがあるが、このような混合物であってもよい。また、縮合系以外の多環芳香族炭化水素が含まれていてもよく、少量であれば複素芳香族環化合物が含まれていてもよい。
【0028】
上記芳香族ヒドロキシ化合物は、フェノール性のOH基を有するものであればよいが、炭素数が6~20であり、OH基の数が1~2である芳香族ヒドロキシ化合物が好ましい。
【0029】
より好ましくは、上記式(8)、(9)、又は(10)で表される芳香族ヒドロキシ化合物である。
式(8)~(10)において、Rは水素原子、炭素数1~6のアルキル基、フェニル基又は炭素数1~6のアルコキシ基を示す。mは1~2の数を示す。Xは、単結合、-CH-、-C(CH-、-CO-、-O-、-S-、-SO-又はフルオレニル基を示す。
【0030】
式(8)で表される芳香族ヒドロキシ化合物としては、フェノール、o-クレゾール、m-クレゾール、p-クレゾール、エチルフェノール類、イソプロピルフェノール類、ターシャリーブチルフェノール類、アリルフェノール類、フェニルフェノール類、2,6-キシレノール、2,6-ジエチルフェノール類などが挙げられる。また、ハイドロキノン、レゾルシン、カテコール等の2価の芳香族ヒドロキシ化合物を用いることができる。また、メトキシ基、エトキシ基等のアルコキシ基によって置換されたフェノール類も用いることができる。
【0031】
また、式(9)で表される芳香族ヒドロキシ化合物の例としては、1-ナフトール、2-ナフトール、1,4-ナフタレンジオール、1,5-ナフタレンジオール、1,6-ナフタレンジオール、1,7-ナフタレンジオール、2,6-ナフタレンジオール、2,7-ナフタレンジオール等のナフトール類などが挙げられる。また、メトキシ基、エトキシ基等のアルコキシ基によって置換されたナフトール類も用いることができる。
【0032】
また、式(10)で表される芳香族ヒドロキシ化合物の例としては、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールS、4,4’-ビフェノール、フルオレンビスフェノール、ジヒドロキシジフェニルエーテル、ジヒドロキシジフェニルスルフィド、ジヒドロキシベンゾフェノン、3,3',5,5’-テトラメチル-ビスフェノールF、3,3',5,5’-テトラメチル-4,4’-ジヒドロキシビフェノール類を用いることができる。
【0033】
上記ホルムアルデヒド類としては、反応系内においてホルムアルデヒドを生ずるものであればよく、ホルマリン、パラホルムアルデヒド等が挙げられる。
【0034】
本発明の芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂は、上記スチレン系化合物、ホルムアルデヒド類、芳香族炭化水素、及び芳香族ヒドロキシ化合物を反応させて得られるものであればよいが、本発明の芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂の製造方法で得られるものであることが好ましい。すなわち、スチレン系化合物とホルムアルデヒド類を酸性条件下にて反応させ、その後、芳香族炭化水素を反応させて得られる中間体と、芳香族ヒドロキシ化合物を反応させて得られるものであることが好ましい。
したがって、本発明の芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂は、その製造方法の説明から理解される。
【0035】
本発明の芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂の製造方法では、次のような反応が生じると考えられる。先ず上記スチレン系化合物とホルムアルデヒド類を酸性条件下にて反応させると、Prins反応による活性体が生成する。次いで、この活性体と芳香族炭化水素とを反応させると、親電子置換反応が起こり、中間体が得られる。
【0036】
例えば、芳香族炭化水素がナフタレンで、スチレン系化合物がスチレンの場合、下記式(a)で表される中間体が得られる。
【化6】

(mは1~8の数を表わす。)
【0037】
式(a)中の二重結合はスチレン由来の二重結合であり、酸触媒の存在下において、そのベンジル位において親電子置換反応を起こし易いため、続いて芳香族ヒドロキシ化合物と反応させると親電子置換反応が起こり、下記式(b)で表される芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂を得ることができる。
【化7】

(nは0~8の数、pは0~8の数を表わす。)
【0038】
したがって、本発明の芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂の少なくとも一部が上記式(Ib)の構造を有することが望ましいと言える。
式(Ib)において、Arは芳香族炭化水素からp+n個のHをとって生じる残基である。Arはスチレン系化合物の芳香族環であり、式(1)のR1と同じ置換基を有することができる。Arは芳香族ヒドロキシ化合物の残基であり、芳香族ヒドロキシ化合物が有し得る置換基を有することができる。pは平均値(数平均)として0.3~4の範囲であり、nは平均値として0.5~4の範囲である。
【0039】
本発明の芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂の製造方法では、上記のように反応をいくつかに分けて、逐次的に行うことが好ましいが、全部の反応を0.1~10wt%の酸触媒の存在下、反応温度40~150℃で反応させて得ることが良い。この場合、中間生成物を分離又は精製してもよいが、反応混合物のまま次の反応に供してもよい。
【0040】
酸触媒の使用量は原料に対し、0.1~10wt%の範囲が好ましく、より好ましくは1.0~5.0wt%の範囲である。反応を逐次的に行う場合は、その反応系に存在する原料に対し、上記範囲とすることがよい。
酸触媒がこの範囲より少ない場合は、反応性が低くなり、原料の芳香族炭化水素や芳香族ヒドロキシ化合物の残存モノマーの割合が多くなり反応が効率的に進行しない傾向がある。一方で、この範囲よりも多くなると、目的の樹脂中の残存触媒量が増加する傾向にあり、硬化物の信頼性が低下する傾向にある。
【0041】
上記酸触媒としては、周知の無機酸、有機酸より適宜選択することができる。例えば、塩酸、硫酸、燐酸等の鉱酸や、ギ酸、シュウ酸、トリフルオロ酢酸、p-トルエンスルホン酸、ジメチル硫酸、ジエチル硫酸等の有機酸や、塩化亜鉛、塩化アルミニウム、塩化鉄、三フッ化ホウ素等のルイス酸あるいはイオン交換樹脂、活性白土、シリカ-アルミナ、ゼオライト等の固体酸等が挙げられる。
【0042】
反応温度は40~150℃の範囲であることがよく、反応温度が低いと、反応性が低下し反応時間が長時間となる。また、反応温度が高いと芳香族変性多価ヒドロキシ化合物のメチレン架橋結合が一部開裂し易くなり、開裂反応により副生したフェノール成分により、硬化性および耐熱性を低下させる。
【0043】
この反応は通常、1~20時間行われる。反応を逐次的に行う場合は、この時間は全体の反応時間である。反応を逐次的に行う場合は、反応温度や反応時間や温度酸触媒濃度は、それぞれの反応工程に適した条件とすることができる。
【0044】
反応の際には、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、エチレングリコール、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ等のアルコール類や、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン類、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル類、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等の芳香族化合物等を溶媒として使用することができる。
【0045】
具体的な反応方法としては、次のような反応方法が好ましいと言える。
先ず上記スチレン系化合物とホルムアルデヒド類を酸性条件下にて反応させて、スチレン系化合物又はホルムアルデヒド類を可及的に全部反応させて、上記活性体を生成させる。次に、この活性体を含む反応混合物を分離することなく、芳香族炭化水素を加えて反応させて、活性体又は芳香族炭化水素を可及的に反応させて、上記中間体を生成させる。
最後に、この中間体を含む応混合物を分離することなく、芳香族ヒドロキシ化合物を加えて反応させて、芳香族ヒドロキシ化合物を可及的に反応させて、目的の芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂を得る。
反応後、溶媒を使用した場合は、必要により、触媒成分を取り除いた後、溶媒を留去させて本発明の樹脂を得ることができ、溶媒を使用しない場合は、直接熱時排出することによって目的物を得ることができる。未反応物が残存する場合は、最終反応生成物を蒸留などに付して、これを除去することがよい。
通常、スチレン系化合物、ホルムアルデヒド類、芳香族炭化水素及び芳香族ヒドロキシ化合物は、可及的に全部を反応させるか、未反応物を除去することが好ましい。未反応物や残存する触媒等の不純物は芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂の特性を低下させる。
【0046】
本発明の芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂の水酸基当量(g/eq.)は、300~500の範囲であることが好ましく、誘電特性向上の面からは、300~470の範囲が好ましい。この範囲よりも小さい場合、硬化物中の極性基濃度の割合が高くなり、誘電特性が低下する傾向にある。また、水酸基当量がこの範囲よりも大きい場合、硬化性が著しく悪くなる傾向にある。
【0047】
次に、本発明の芳香族変性エポキシ樹脂について述べる。
本発明のエポキシ樹脂は、上記の芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂をエポキシ化することにより得ることができる。
【0048】
本発明の芳香族変性エポキシ樹脂は、芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂と、エピクロルヒドリンを反応させることより製造することが有利である。
【0049】
上記芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂をエピクロルヒドリンと反応させる反応は、通常のエポキシ化反応と同様に行うことができる。
【0050】
例えば、上記芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂を過剰のエピクロルヒドリンに溶解した後、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ金属水酸化物の存在下に、20~150℃、好ましくは、30~80℃の範囲で1~10時間反応させる方法が挙げられる。この際のアルカリ金属水酸化物の使用量は、芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂の水酸基1モルに対して、0.8~1.5モル、好ましくは、0.9~1.2モルの範囲である。また、エピクロルヒドリンは芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂中の水酸基1モルに対して過剰に用いられるが、通常、芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂中の水酸基1モルに対して、1.5~30モル、好ましくは、2~15モルの範囲である。反応終了後、過剰のエピクロルヒドリンを留去し、残留物をトルエン、メチルイソブチルケトン等の溶剤に溶解し、濾過し、水洗して無機塩を除去し、次いで溶剤を留去することにより目的の芳香族変性エポキシ樹脂を得ることができる。
【0051】
本発明の芳香族変性エポキシ樹脂のエポキシ当量(g/eq.)は400~600の範囲が好ましく、誘電特性向上の面からは、450~600の範囲が好ましい。この範囲よりも小さい場合、硬化物中の極性基濃度の割合が高くなり、誘電特性が低下する傾向にある。また、水酸基当量がこの範囲よりも大きい場合、硬化性が著しく悪くなる傾向にある。
【0052】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、少なくともエポキシ樹脂及び硬化剤を含むものであるが、次の3種類がある。
1)エポキシ樹脂の一部又は全部として前記芳香族変性エポキシ樹脂を配合した組成物。
2)硬化剤の一部又は全部として前記芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂を配合した組成物。
3)エポキシ樹脂及び硬化剤の一部又は全部として前記芳香族変性エポキシ樹脂と芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂を配合した組成物。
【0053】
上記2)及び3)の組成物の場合、芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂を必須の成分として含む。芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂の配合量は、通常、エポキシ樹脂100重量部に対して2~200重量部、好ましくは5~80重量部の範囲である。これより少ないと誘電特性及び耐湿性向上の効果が小さく、これより多いと成形性及び硬化物の強度が低下する問題がある。
【0054】
硬化剤の全量として芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂を用いる場合、通常、芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂の配合量は、芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂のOH基とエポキシ樹脂中のエポキシ基の当量バランスを考慮して配合する。エポキシ樹脂及び硬化剤の当量比は、通常、0.2~5.0の範囲であり、好ましくは0.5~2.0の範囲である。これより大きくても小さくても、エポキシ樹脂組成物の硬化性が低下するとともに、硬化物の耐熱性、力学強度等が低下する。
【0055】
硬化剤として芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂以外の硬化剤を併用することができる。その他の硬化剤の配合量は、芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂の配合量が、通常、エポキシ樹脂100重量部に対して2~200重量部、好ましくは5~80重量部の範囲が保たれる範囲内で決定される。芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂の配合量がこれより少ないと誘電特性、低吸水性及び低熱膨張性向上の効果が小さく、これより多いと成形性及び硬化物の強度が低下する問題がある。この場合においても、エポキシ樹脂と硬化剤(合計)の当量比は上記の範囲とされる。
【0056】
本発明の芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂以外の硬化剤としては、一般にエポキシ樹脂の硬化剤として知られているものはすべて使用でき、ジシアンジアミド、酸無水物類、多価フェノール類、芳香族及び脂肪族アミン類等がある。これらの中でも、半導体封止材等の高い電気絶縁性が要求される分野においては、多価フェノール類を硬化剤として用いることが好ましい。本発明の芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂を必須成分とする組成物の場合、芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂の配合量は硬化剤全体中、50~100%、好ましくは60~100%の範囲であることがよい。以下に、芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂以外の硬化剤の具体例を示す。
【0057】
酸無水物硬化剤としては、例えば、無水フタル酸、テトラヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、メチル無水ハイミック酸、無水ドデシニルコハク酸、無水ナジック酸、無水トリメリット酸等がある。
【0058】
多価フェノール類としては、例えば、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールS、フルオレンビスフェノール、4,4’-ビフェノール、2,2’-ビフェノール、ハイドロキノン、レゾルシン、ナフタレンジオール等の2価のフェノール類、あるいは、トリス-(4-ヒドロキシフェニル)メタン、1,1,2,2-テトラキス(4-ヒドロキシフェニル)エタン、フェノールノボラック、o-クレゾールノボラック、ナフトールノボラック、ポリビニルフェノール等に代表される3価以上のフェノール類がある。更には、フェノール類、ナフトール類、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールS、フルオレンビスフェノール、4,4’-ビフェノール、2,2’-ビフェノール、ハイドロキノン、レゾルシン、ナフタレンジオール等の2価のフェノール類と、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、ベンズアルデヒド、p-ヒドロキシベンズアルデヒド、p-キシリレンジクロライド、ビスクロロメチルビフェニル、ビスクロロメチルナフタレン等の縮合剤により合成される多価フェノール性化合物等がある。
【0059】
アミン類としては、4,4’-ジアミノジフェニルメタン、4,4’-ジアミノジフェニルプロパン、4,4’-ジアミノジフェニルスルホン、m-フェニレンジアミン、p-キシリレンジアミン等の芳香族アミン類、エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン等の脂肪族アミン類がある。
上記組成物には、これら硬化剤の1種又は2種以上を混合して用いることができる。
【0060】
上記組成物に使用されるエポキシ樹脂としては、1分子中にエポキシ基を2個以上有するもの中から選択される。例えば、ビスフェノールA、ビスフェノールF、3,3',5,5’-テトラメチル-ビスフェノールF、ビスフェノールS、フルオレンビスフェノール、4,4'-ビフェノール、2,2'-ビフェノール、3,3',5,5’-テトラメチル-4,4’-ジヒドロキシビフェノール、ハイドロキノン、レゾルシン、ナフタレンジオール類等の2価のフェノール類のエポキシ化物、トリス-(4-ヒドロキシフェニル)メタン、1,1,2,2-テトラキス(4-ヒドロキシフェニル)エタン、フェノールノボラック、o-クレゾールノボラック等の3価以上のフェノール類のエポキシ化物、ジシクロペンタジエンとフェノール類の共縮合樹脂のエポキシ化物、フェノール類とパラキシリレンジクロライド等から合成されるフェノールアラルキル樹脂類のエポキシ化物、フェノール類とビスクロロメチルビフェニル等から合成されるビフェニルアラルキル型フェノール樹脂のエポキシ化物、ナフトール類とパラキシリレンジクロライド等から合成されるナフトールアラルキル樹脂類のエポキシ化物又テトラブロモビスフェノールA等のハロゲン化ビスフェノール類から誘導されるグリシジルエーテル化物等が挙げられる。これらのエポキシ樹脂は1種又は2種以上を混合して用いることができる。
【0061】
上記1)及び3)の組成物の場合、芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂を必須の成分として含む。このエポキシ樹脂組成物中には、エポキシ樹脂成分として、芳香族変性エポキシ樹脂以外に別種のエポキシ樹脂を配合してもよい。この場合のエポキシ樹脂としては、分子中にエポキシ基を2個以上有する通常のエポキシ樹脂はすべて使用でき、例えば前記したエポキシ化合物類である。そして、本発明の芳香族変性エポキシ樹脂を必須成分とする組成物の場合、芳香族変性エポキシ樹脂の配合量はエポキシ樹脂全体中、50~100%、好ましくは60~100%の範囲であることがよい。
【0062】
本発明のエポキシ樹脂組成物中には、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテル、ポリウレタン、石油樹脂、インデン樹脂、インデン・クマロン樹脂、フェノキシ樹脂等のオリゴマー又は高分子化合物を他の改質剤等として適宜配合してもよい。添加量は、通常、エポキシ樹脂100重量部に対して、2~30重量部の範囲である。
【0063】
また、本発明のエポキシ樹脂組成物には、無機充填剤、顔料、難然剤、揺変性付与剤、カップリング剤、流動性向上剤等の添加剤を配合できる。無機充填剤としては、例えば、球状あるいは、破砕状の溶融シリカ、結晶シリカ等のシリカ粉末、アルミナ粉末、ガラス粉末、又はマイカ、タルク、炭酸カルシウム、アルミナ、水和アルミナ等が挙げられ、半導体封止材に用いる場合の好ましい配合量は70重量%以上であり、更に好ましくは80重量%以上である。
【0064】
顔料としては、有機系又は、無機系の体質顔料、鱗片状顔料等がある。揺変性付与剤としては、シリコン系、ヒマシ油系、脂肪族アマイドワックス、酸化ポリエチレンワックス、有機ベントナイト系等を挙げることができる。
【0065】
更に、本発明のエポキシ樹脂組成物には必要に応じて硬化促進剤を用いることができる。例を挙げれば、アミン類、イミダゾール類、有機ホスフィン類、ルイス酸等があり、具体的には、1,8-ジアザビシクロ(5,4,0)ウンデセン-7、トリエチレンジアミン、ベンジルジメチルアミン、トリエタノールアミン、ジメチルアミノエタノール、トリス(ジメチルアミノメチル)フェノールなどの三級アミン、2-メチルイミダゾール、2-フェニルイミダゾール、2-エチル-4-メチルイミダゾール、2-フェニル-4-メチルイミダゾール、2-へプタデシルイミダゾールなどのイミダゾール類、トリブチルホスフィン、メチルジフェニルホスフイン、トリフェニルホスフィン、ジフェニルホスフィン、フェニルホスフィンなどの有機ホスフィン類、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート、テトラフェニルホスホニウム・エチルトリフェニルボレート、テトラブチルホスホニウム・テトラブチルボレートなどのテトラ置換ホスホニウム・テトラ置換
ボレート、2-エチル-4-メチルイミダゾール・テトラフェニルボレート、N-メチルモルホリン・テトラフェニルボレートなどのテトラフェニルボロン塩などがある。添加量としては、通常、エポキシ樹脂100重量部に対して、0.2から5重量部の範囲である。
【0066】
更に必要に応じて、本発明の樹脂組成物には、カルナバワックス、OPワックス等の離型剤、γ-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン等のカップリング剤、カーボンブラック等の着色剤、三酸化アンチモン等の難燃剤、シリコンオイル等の低応力化剤、ステアリン酸カルシウム等の滑剤等を使用できる。
【0067】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、有機溶剤を溶解させたワニス状態とした後に、ガラスクロス、アラミド不織布、液晶ポリマー等のポリエステル不織布、等の繊維状物に含浸させた後に溶剤除去を行い、プリプレグとすることができる。また、場合により銅箔、ステンレス箔、ポリイミドフィルム、ポリエステルフィルム等のシート状物上に塗布することにより積層物とすることができる。
【0068】
本発明のエポキシ樹脂組成物を加熱硬化させれば、エポキシ樹脂硬化物とすることができ、この硬化物は硬化性、難燃性、低吸湿性、低弾性等の点で優れたものとなる。この硬化物は、エポキシ樹脂組成物を注型、圧縮成形、トランスファー成形等の方法により、成形加工して得ることができる。この際の温度は通常、120~220℃の範囲である。
【実施例
【0069】
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。
【0070】
実施例1
1Lの4口フラスコに、化合物(1)として、スチレンを75g(0.7mol)、化合物(2)として、パラホルムアルデヒドを25g(純度85%、0.7mol)、酸触媒としてp-トルエンスルホン酸(50%水溶液)9gを仕込み100℃に昇温し1時間反応させた。次に、100℃にて攪拌しながら、ナフタレン64g(純度95%、0.5モル)を添加し130℃にて3時間反応させた(中間体樹脂A)。さらに、フェノール138g(1.4mol)を添加させた後、150℃にて3時間反応させた。その後、トルエン300gで希釈し、80℃にて水洗を5回行い、酸触媒を除去した。その後、減圧下にて脱揮を行い、トルエン溶媒および残存モノマー類を留去し芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂129gを得た。その水酸基当量(g/eq.)は379、軟化点は88℃、150℃での溶融粘度は0.49Pa・sであった。この樹脂をARH-Aという。中間体樹脂AのFD-MSチャートを図1に、ARH-AのFD-MSチャートを図2に示す。
なお、過剰のフェノールを使用したため、残存モノマー類の多くはフェノールであった。
【0071】
実施例2
実施例1と同様にして、フラスコに、スチレンを94g(0.9モル)、パラホルムアルデヒドを32g(0.9モル)、p-トルエンスルホン酸11gを仕込み100℃に昇温し1時間反応させた。次に、100℃にて攪拌しながら、トルエン56g(0.6モル)を添加し130℃にて3時間反応させた。さらに、フェノール173g(1.8モル)を添加させた後、150℃にて3時間反応させた。その後、希釈溶媒としてのトルエン300gで希釈し、80℃にて水洗を5回行い、酸触媒を除去した。その後、減圧下にて脱揮を行い、トルエン溶媒および残存モノマー類を留去し芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂134gを得た。その水酸基当量は398、軟化点は97℃、150℃での溶融粘度は1.23Pa・sであった。この樹脂をARH-Bという。
【0072】
実施例3
実施例1と同様にして、フラスコに、スチレン94g(0.9モル)、パラホルムアルデヒド32g(0.9モル)を、p-トルエンスルホン酸11gを仕込み100℃に昇温し、1時間反応させた。次に、100℃にて攪拌しながら、ビフェニル94g(0.6モル)を添加し130℃にて3時間反応させた。さらに、フェノール173g(1.8モル)を添加させた後、150℃にて3時間反応させた。その後、トルエン300gで希釈し、80℃にて水洗を5回行い、酸触媒を除去した。その後、減圧下にて脱揮を行い、トルエン溶媒および残存モノマー類を留去し芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂136gを得た。その水酸基当量は451、軟化点は90℃、150℃での溶融粘度は0.82Pa・sであった。この樹脂をARH-Cという。
【0073】
実施例4
実施例1と同様にして、フラスコに、スチレン94g(0.9モル)、パラホルムアルデヒド32g(0.9モル)、p-トルエンスルホン酸11gを仕込み100℃に昇温し1時間反応させた。次に、100℃にて攪拌しながら、ピレン125g(0.6モル)を添加し130℃にて3時間反応させた。さらに、フェノール173g(1.8モル)を添加させた後、150℃にて3時間反応させた。その後、トルエン300gで希釈し、80℃にて水洗を5回行い、酸触媒を除去した。その後、減圧下にて脱揮を行い、トルエン溶媒および残存モノマー類を留去し芳香族変性多価ヒドロキシ樹脂236gを得た。その水酸基当量は353、軟化点は82℃、150℃での溶融粘度は0.55Pa・sであった。この樹脂をARH-Dという。
【0074】
実施例5
四つ口セパラブルフラスコに実施例1で得たARH-A 45g、エピクロルヒドリン120g、ジエチレングリコールジメチルエーテル18gを入れ撹拌溶解させた。均一に溶解後、130mmHgの減圧下65℃に保ち、48%水酸化ナトリウム水溶液11gを1時間かけて滴下し、この滴下中に還流留出した水とエピクロルヒドリンを分離槽で分離しエピクロルヒドリンは反応容器に戻し、水は系外に除いて反応した。反応終了後、濾過により生成した塩を除き、更に水洗したのちエピクロルヒドリンを留去し、エポキシ樹脂45gを得た(ARE-A)。得られた樹脂のエポキシ当量(g/eq.)は480、軟化点は65℃、150℃における溶融粘度は0.19Pa・s、であった。
【0075】
実施例6
四つ口セパラブルフラスコに実施例2で得たARH-B 70g、エピクロルヒドリン163g、ジエチレングリコールジメチルエーテル24gを入れ撹拌溶解させた。均一に溶解後、130mmHgの減圧下65℃に保ち、48%水酸化ナトリウム水溶液15gを1時間かけて滴下し、この滴下中に還流留出した水とエピクロルヒドリンを分離槽で分離しエピクロルヒドリンは反応容器に戻し、水は系外に除いて反応した。反応終了後、濾過により生成した塩を除き、更に水洗したのちエピクロルヒドリンを留去し、エポキシ樹脂73gを得た(ARE-B)。得られた樹脂のエポキシ当量は480、軟化点は65℃、150℃における溶融粘度は0.19Pa・s、であった。
【0076】
実施例7
四つ口セパラブルフラスコに実施例3で得たARH-C70g、エピクロルヒドリン144g、ジエチレングリコールジメチルエーテル22gを入れ撹拌溶解させた。均一に溶解後、130mmHgの減圧下65℃に保ち、48%水酸化ナトリウム水溶液13gを1時間かけて滴下し、この滴下中に還流留出した水とエピクロルヒドリンを分離槽で分離しエピクロルヒドリンは反応容器に戻し、水は系外に除いて反応した。反応終了後、濾過により生成した塩を除き、更に水洗したのちエピクロルヒドリンを留去し、エポキシ樹脂73gを得た(ARE-C)。得られた樹脂のエポキシ当量は516、軟化点は75℃、150℃における溶融粘度は0.41Pa・s、であった。
【0077】
実施例8
四つ口セパラブルフラスコに実施例4で得たARH-D100g、エピクロルヒドリン296g、ジエチレングリコールジメチルエーテル44gを入れ撹拌溶解させた。均一に溶解後、130mmHgの減圧下65℃に保ち、48%水酸化ナトリウム水溶液27gを1時間かけて滴下し、この滴下中に還流留出した水とエピクロルヒドリンを分離槽で分離しエピクロルヒドリンは反応容器に戻し、水は系外に除いて反応した。反応終了後、濾過により生成した塩を除き、更に水洗したのちエピクロルヒドリンを留去し、エポキシ樹脂95gを得た(ARE-D)。得られた樹脂のエポキシ当量は557、軟化点は74℃、150℃における溶融粘度は0.36Pa・s、であった。
【0078】
1)水酸基当量の測定
電位差滴定装置を用い、1,4-ジオキサンを溶媒に用い、1.5mol/L塩化アセチルでアセチル化を行い、過剰の塩化アセチルを水で分解して0.5mol/L-水酸化カリウムを使用して滴定した。
【0079】
2)軟化点
自動軟化点装置(明峰社製、ASP-M4SP)を用い、JIS-K-2207に従い環球法にて測定した。
【0080】
3)溶融粘度
BROOKFIELD製、CAP2000H型回転粘度計を用いて、150℃にて測定した。
【0081】
4)エポキシ当量の測定
電位差滴定装置を用い、溶媒としてメチルエチルケトンを使用し、臭素化テトラエチルアンモニウム酢酸溶液を加え、電位差滴定装置にて0.1mol/L過塩素酸-酢酸溶液を用いて測定した。
【0082】
5)ガラス転移点(Tg)および熱膨張率(CTE)
熱機械測定装置(エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製 EXSTAR6000TMA/6100)により、昇温速度10℃/分の条件でTgを求めた。α1(Tg以下のCTE)は30~50℃の範囲の平均値から求めた。
【0083】
8)吸水率
25℃、相対湿度50%の条件を標準状態とし、85℃、相対湿度85%の条件で100時間吸湿させた後の重量変化率とした。
【0084】
9)誘電率、誘電正接
マテリアルアナライザー/AGILENT Technologies 社製を用い、容量法により周波数1GHzにおける誘電率および誘電正接を求めることにより評価した。
【0085】
実施例9~12及び比較例1、2
エポキシ樹脂成分としてフェノールノボラック型エポキシ樹脂(PNE;エポキシ当量178)を用いた。
硬化剤成分として実施例1~4で得たARH-A~ARH-D、ビフェニルアラルキル型樹脂(BPAR;水酸基当量203、軟化点65℃)、又はフェノールノボラック樹脂(PN;水酸基当量105、軟化点80℃)を用いた。
硬化触媒としてトリフェニルホスフィン(TPP)用い、表1に示す配合で混合しエポキシ樹脂組成物を得た。
このエポキシ樹脂組成物を175℃にて3分間プレス成形し、更に175℃にて5時間アフターキュアを行い、硬化物試験片を得た後、各種物性測定に供した。配合割合及び物性評価結果を表1に示す。ここで、配合量は重量部である。
【0086】
【表1】
【0087】
実施例9~13及び比較例3
エポキシ樹脂成分として、実施例5~8で得たARE-A~ARE-D、又はビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂(BPARE;水酸基当量272、軟化点58℃)を用いた。
硬化剤として、フェノールノボラック樹脂(PN;水酸基当量105、軟化点80℃)、又は実施例1で得たARH-Aを用いた。
硬化触媒としてTPP用い、表2に示す配合で混合し、エポキシ樹脂組成物を得た。このエポキシ樹脂組成物を175℃にて3分間プレス成形し、更に175℃にて5時間アフターキュアを行い、硬化物試験片を得た後、各種物性測定に供した。配合割合及び物性評価結果を表2に示す。
【0088】
【表2】

図1
図2