JP3978094B2 - ヒドロキシ化合物、エポキシ樹脂、その製造方法、エポキシ樹脂組成物及び硬化物 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、難燃性に優れるとともに、耐湿性、耐熱性、金属基材との接着性等にも優れた硬化物を与えるエポキシ樹脂、硬化剤及びそれらを用いたエポキシ樹脂組成物並びにその硬化物に関するものであり、プリント配線板、半導体封止等の電気電子分野の絶縁材料等に好適に使用される。
【0002】
【従来の技術】
近年、特に先端材料分野の進歩にともない、より高性能なベース樹脂の開発が求められている。例えば、半導体封止の分野においては、近年の高密度実装化に対応したパッケージの薄形化、大面積化、更には表面実装方式の普及により、パッケージクラックの問題が深刻化しており、これらのベース樹脂としては、耐湿性、耐熱性、金属基材との接着性等の向上が強く求められている。更に最近では、環境負荷低減の観点から、ハロゲン系難燃剤排除の動きがあり、より難燃性に優れたベース樹脂が求められている。
【0003】
しかしながら、従来より知られているエポキシ樹脂には、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、周知のビスフェノール型エポキシ樹脂は、常温で液状であり、作業性に優れていることや、硬化剤、添加剤等との混合が容易であることから広く使用されているが、耐熱性、耐湿性の点で問題がある。また、耐熱性を改良したものとして、ノボラック型エポキシ樹脂が知られているが、耐湿性、接着性等に問題がある。更には、主骨格が炭化水素のみで構成される従来のエポキシ樹脂では、難燃性を全くもたない。
【0004】
ハロゲン系難燃剤を用いることなく、難燃性を向上させるための方策として、特開平9−235449号、特開平10−182792号公報等に、リン酸エステル系の難燃剤を添加する方法が開示されている。しかし、リン酸エステル系の難燃剤を用いる方法では、耐湿性が十分ではない。また、高温、多湿な環境下ではリン酸エステルが加水分解を起こし、絶縁材料としての信頼性を低下させる問題があった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、難燃性に優れるとともに、耐湿性、耐熱性、金属基材との接着性等にも優れた性能を有し、積層、成形、注型、接着等の用途に有用なエポキシ樹脂、硬化剤及びそれらを用いたエポキシ樹脂組成物並びにその硬化物を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は下記一般式(1)で表されるヒドロキシ化合物である。
【化5】
(但し、X1、X2、X3は、独立に水素原子又は下記一般式(2)で表されるヒドロキシナフチルメチル基を示すが、少なくとも1つは水素原子ではない)
【化6】
(但し、Aはナフタレン骨格を示し、nは1又は2の整数を示す)
【0007】
また、本発明は、下記一般式(3)で表されるエポキシ樹脂である。
【化7】
(但し、Y1、Y2、Y3はグリシジル基又は下記一般式(4)で表されるグリシジルオキシナフチルメチル基を示すが、少なくとも1つはグリシジル基ではない)
【化8】
(但し、Aはナフタレン骨格、Gはグリシジル基を示し、nは1又は2の整数を示す)
更に、本発明は、前記のヒドロキシ化合物とエピクロルヒドリンを反応させることを特徴とする前記のエポキシ樹脂の製造方法である。
【0008】
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、前記のエポキシ樹脂及び前記のヒドロキシ化合物のいずれか一方又は両者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、前記エポキシ樹脂組成物を硬化してなる硬化物である。
【0009】
本発明のヒドロキシ化合物は、上記一般式(1)で表される。ここでX1からX3は水素原子又は上記一般式(2)で表されるヒドロキシナフチルメチル基を示すが、X1からX3のすべてが水素原子ではない。具体的には、X1からX3のうち、一つがヒドロキシナフチルメチル基のもの、二つがヒドロキシナフチルメチル基のもの、三つすべてがヒドロキシナフチルメチル基のものがある。本発明は、上記3種類のヒドロキシ化合物の発明である。
更には、本発明は、これら3種類の化合物を2〜3種含む混合物の発明である。混合物の発明である場合、すべてがヒドロキシナフチルメチル基のものが全体の30wt%以上含まれるものが好ましい。また場合によっては、本発明のヒドロキシ化合物中に、X1からX3のすべてが水素原子であるイソシアヌル酸が不純物として含まれてもよいが、イソシアヌル酸の含有率は30wt%以下にとどめることがよい。
本発明のヒドロキシ化合物の好ましい粘度範囲は、150℃での溶融粘度として、0.5から50Pa・sの範囲であり、さらに好ましくは、1から30Pa・sの範囲である。
【0010】
本発明の前記化合物の製造方法としては、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ヒドロキシナフタレン類とシアヌル酸を、パラホルムアルデヒド等のアルデヒド類、ヘキサメチレンテトラミン等の触媒、ジメチルホルムアミド等の溶媒を仕込み、窒素気流下、攪拌しながら約50〜150℃で還流させて反応させる方法が挙げられる。反応時間は反応温度にもよるが、3〜50時間程度である。反応終了後、洗浄、又は減圧蒸留により溶媒等を除きヒドロキシ化合物を得ることができる。ヒドロキシナフタレン類とシアヌル酸のモル比を3:1以上にすれば、一般式(1)の、X1からX3の三つすべてがヒドロキシナフチルメチル基のものが優先的に得られるので、これを再結晶等で精製すれば、純度の高い本発明のヒドロキシ化合物が得られる。モル比を3:1以下とすると、X1からX3の一つがヒドロキシフェニル基のもの、二つがヒドロキシフェニル基のもの、三つすべてがヒドロキシナフチルメチル基のものの混合物が得られるが、これは再結晶、クロマト分離等の手段で、純度の高い本発明のそれぞれのヒドロキシ化合物が得られる。
本発明のヒドロキシ化合物は、エポキシ樹脂中間体、エポキシ樹脂硬化剤等の用途に好適に使用しうる。
【0011】
本発明のエポキシ樹脂は、上記一般式(1)で表されるヒドロキシ化合物をエピクロルヒドリンと反応させることにより製造することが有利であるが、この反応に限らない。上記ヒドロキシ化合物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。
例えば、上記一般式(1)で表されるヒドロキシ化合物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、50〜150℃、好ましくは、60〜120℃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、ヒドロキシ化合物中の水酸基及びN−H基の合計量1モルに対して、0.8〜1.2モル、好ましくは、0.9〜1.0モルの範囲である。また、エピクロルヒドリンはヒドロキシ化合物中の水酸基及びN−H基の合計量に対して過剰に用いられるが、通常、ヒドロキシ化合物中の水酸基及びN−H基の合計量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エポキシ樹脂を得ることができる。
【0012】
本発明のエポキシ樹脂は、上記一般式(3)で表されるが、ここで、Y1からY3はグリシジル基又は上記一般式(4)で表されるグリシジルオキシナフチルメチル基を示すが同時にすべてがグリシジル基ではない。本発明のエポキシ樹脂には、具体的には、Y1からY3のうち、一つがグリシジルオキシナフチルメチル基のもの、二つがグリシジルオキシナフチルメチル基のもの、三つすべてがグリシジルオキシナフチルメチル基のものがある。
更には、本発明のエポキシ樹脂は、これら2〜3種類の化合物の混合物であってもよいが、すべてがグリシジルオキシナフチルメチル基のものが全体の20wt%以上含まれるものが好ましい。また場合によっては、本発明のエポキシ樹脂中に、Y1からY3のすべてがグリシジル基であるトリグリシジルイソシアヌル酸が不純物として含有されていてもよいが、トリグリシジルイソシアヌル酸の含有率は、30wt%以下にとどめることがよい。また、本発明のエポキシ樹脂は、上記一般式(3)で示される化合物又は混合物であるが、ある程度重合したものが含まれていてもよい。
本発明のエポキシ樹脂の好ましい粘度範囲は、150℃での溶融粘度として、0.1から20Pa・sの範囲であり、さらに好ましくは、0.2から10Pa・sの範囲である。
【0013】
すべてのYがグリシジルオキシナフチルメチル基となったエポキシ樹脂は、すべてのXがヒドロキシナフチルメチル基となった本発明のヒドロキシ化合物から容易に得ることができる。また、1又は2のYがグリシジルオキシナフチルメチル基となったエポキシ樹脂は、対応する本発明のヒドロキシ化合物から容易に得ることができる。本発明のエポキシ樹脂は、硬化剤と共に組成物とされて、各種用途に使用できる。
【0014】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂及び硬化剤よりなるエポキシ樹脂組成物であって、エポキシ樹脂成分として上記一般式(3)で表されるエポキシ樹脂、硬化剤成分として上記一般式(1)で表されるヒドロキシ化合物の少なくともいずれか一方を必須成分として配合したものである。
【0015】
上記一般式(3)で表されるエポキシ樹脂を必須成分とする場合の硬化剤としては、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る。例えば、ジシアンジアミド、多価フェノール類、酸無水物類、芳香族及び脂肪族アミン類等がある。具体的に例示すれば、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、ナフトール類又は、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールS、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価のフェノール類のホルムアルデヒド、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−キシリレングリコール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。また、上記一般式(1)で表されるヒドロキシ化合物も好ましく例示される。
【0016】
酸無水物としては、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、無水ナジック酸、無水トリメリット酸等がある。
【0017】
また、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。
本発明の樹脂組成物には、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。
【0018】
また、本発明のエポキシ樹脂組成物中には、エポキシ樹脂成分として、一般式(3)で表される本発明の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る。例を挙げれば、ビスフェノールA、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等の3価以上のフェノール類、又は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ルシジルエーテル化物等がある。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。そして、本発明のエポキシ樹脂を必須成分とする組成物の場合、本発明に関わる一般式(3)で表されるエポキシ樹脂の配合量はエポキシ樹脂全体中、5〜100%、好ましくは60〜100%の範囲であることがよい。
【0019】
上記一般式(1)で表されるヒドロキシ化合物を必須成分とする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る。例を挙げれば、ビスフェノールA、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等の3価以上のフェノール類、又は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ルシジルエーテル化物、あるいは上記一般式(3)で表されるエポキシ樹脂等がある。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。
【0020】
また、本発明のエポキシ樹脂組成物中には、硬化剤成分として、一般式(1)で表される本発明の硬化剤以外に別種の硬化剤を配合してもよい。この場合の硬化剤としては、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る。前記と同様の硬化剤が例示される。これらの硬化剤は、1種又は、2種以上を混合して用いることができる。そして、本発明のヒドロキシ化合物を必須成分とする組成物の場合、本発明に関わる一般式(1)で表されるヒドロキシ化合物の配合量はヒドロキシ化合物又は硬化剤全体中、5〜100%、好ましくは60〜100%の範囲であることがよい。
【0021】
また、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適宜配合してもよいし、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、等の添加剤を配合してもよい。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る。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。また更に必要に応じて、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。
【0022】
更に必要に応じて本発明の樹脂組成物には、公知の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。
【0023】
本発明の樹脂組成物を硬化させて得られる本発明の硬化物は、上記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。
【0024】
【実施例】
以下、実施例及び比較例に基づき、本発明を具体的に説明する。
実施例1(ヒドロキシ化合物の合成)
2Lの4口フラスコにシアヌル酸80.0g、92%パラホルムアルデヒド73.0g、ヘキサメチレンテトラミン1.05g、ジメチルホルムアミド493.5g及び純水17.4gを仕込み、窒素気流下、攪拌しながら約119℃で還流させ、DMF300.0gにβ−ナフトール280.8gを溶解させた溶液を20時間かけて滴下し、更にそのまま4時間反応させた。反応後、DMFを減圧留去し、水洗を行った後、減圧乾燥させて褐色の樹脂330gを得た。得られたヒドロキシ化合物の軟化点は200℃以上、150℃での溶融粘度は14.9Pa・sであった。
【0025】
ヒドロキシ化合物のGPCチャートを図1に、FD−MSスペクトルを図2に、赤外吸収スペクトルを図3に示す。ここで粘度は、BROOKFIELD社製CAP2000Hを用い、軟化点はJIS K−6911の環球法に従い測定、GPC測定は装置:HLC−802A(東ソー(株)製)及びカラム:TSK−GEL2000×3本及びTSK−GEL4000×1本(何れも東ソー(株)製)を用い、溶媒:テトラヒドロフラン、流速:1.0ml/分、温度:38℃、検出器:RIの条件で行った。分析の結果、生成物の成分はFD−MS測定結果より、シアヌル酸とβ−ナフトールの1:3の反応物(m/z=597、化合物1)、シアヌル酸とβ−ナフトールの1:2の反応物(m/z=441、化合物2)、シアヌル酸とβ−ナフトールの1:1の反応物(m/z=285、化合物3)の混合物であった。
【0026】
実施例2(エポキシ樹脂の合成)
実施例1で得たヒドロキシ化合物100gをエピクロルヒドリン464.8g及びジグライム200gに溶解し、減圧下(約110mmHg)、65℃にて48%水酸化ナトリウム水溶液41.9gを4時間かけて滴下した。この間、生成する水はエピクロルヒドリンとの共沸により系外に除き、溜出したエピクロルヒドリンは系内に戻した。滴下終了後、更に1時間反応を継続した。その後、エピクロルヒドリンを減圧留去し、メチルイソブチルケトン512.4gに溶解した後、濾過により生成した塩を除いた。その後、48%水酸化ナトリウム19.4gを加え、80℃で2時間反応させた。反応後、濾過、水洗を行った後、溶媒であるメチルイソブチルケトンを減圧留去し、褐色のエポキシ樹脂110gを得た。得られたエポキシ樹脂の軟化点は99℃、150℃での溶融粘度は0.92Pa・s、エポキシ当量は412であった。得られたエポキシ樹脂のGPCチャートを図4に、赤外吸収スペクトルを図5に示す。
【0027】
実施例3〜5、比較例1〜2
エポキシ樹脂成分として、実施例2で合成したエポキシ樹脂(エポキシ樹脂A)、o-クレゾールノボラック型エポキシ樹脂(エポキシ樹脂B:日本化薬製、EOCN-1020-65;エポキシ当量 200、加水分解性塩素 400ppm、軟化点 65℃)、ビフェニル型エポキシ樹脂(エポキシ樹脂C:油化シェルエポキシ製、YX4000HK;エポキシ当量 195、加水分解性塩素 450ppm、融点 105℃)を用い、硬化剤成分として、実施例1で合成したヒドロキシ化合物(硬化剤A)、フェノールノボラック(硬化剤B:群栄化学製、PSM-4261;OH当量103、軟化点 80℃)、ナフトールアラルキル型樹脂(硬化剤C:新日鐵化学製、SN-475;OH当量210、軟化点 77℃)を用いた。更に、充填剤として球状シリカ(平均粒径 18μm)、硬化促進剤としてトリフェニルホスフィンを用い、表1に示す配合でエポキシ樹脂組成物を得た。
なお、表中の数値は配合における重量部を示す。
【0028】
このエポキシ樹脂組成物を用いて175℃で成形し、更に180℃にて12時間ポストキュアを行い、硬化物試験片を得た後、各種物性測定に供した。結果を表2に示す。
なお、ガラス転移点及び線膨張係数の測定は、熱機械測定装置を用いて10℃/分の昇温速度で求めた。また吸水率は、直径50mm、厚さ3mmの円形の試験片を用いて、85℃、85%RHの条件で100時間吸湿させた後の重量変化率とした。燃焼時間は、厚さ1/16インチの試験片を用い、UL94V−0規格に従い、5本の試験での合計燃焼時間で表した。接着強度は、銅板2枚の間に25mm×12.5mm×0.5mmの成形物を圧縮成形機により175℃で成形し、180℃にて12時間ポストキュアを行った後、引張剪断強度を求めることにより評価した。
【0029】
【表1】
【0030】
【表2】
【0031】
【発明の効果】
本発明のエポキシ樹脂、ヒドロキシ化合物を用いたエポキシ樹脂組成物を硬化して得られる硬化物は、難燃性、高接着性、耐湿性、及び耐熱性にに優れた性能を有し、積層、成形、注型、接着等の用途に好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ヒドロキシ化合物のGPCチャート
【図2】 ヒドロキシ化合物のFDMSチャート
【図3】 ヒドロキシ化合物のIRスペクトル
【図4】 エポキシ樹脂のGPCチャート
【図5】 エポキシ樹脂のIRスペクトル
Claims (5)
- 請求項1に記載のヒドロキシ化合物とエピクロルヒドリンを反応させることを特徴とする請求項2に記載のエポキシ樹脂の製造方法。
- 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2に記載のエポキシ樹脂及び請求項1に記載のヒドロキシ化合物のいずれか一方又は両者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4に記載のエポキシ樹脂組成物を硬化してなる硬化物。
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