JP4720179B2 - ポリイミドベンゾオキサゾール前駆体の製造方法 - Google Patents
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Description
フィルムへ成形する場合には、ポリイミドベンゾオキサゾールの前駆体ポリアミック酸溶液をポリエステルフィルムや、ガラス板、SUS板などの支持体上にキャストし、薄く塗り広げ、溶媒を除去したゲルフィルムを作製したのち支持体から剥離し、200〜400℃に加熱してポリイミドベンゾオキサゾールフィルムとすることが出来る。
上記公知技術はいずれもが、実験室レベルのスケールでの結果であり工業生産レベルの製造技術に関しての開示はなされていない。
本発明においては、前記ベンゾオキサゾール構造を有する芳香族ジアミンを70モル%以上使用することが好ましい。
[芳香族ジアミンの懸濁液のPH測定方法]
芳香族ジアミン1.0gをイオン交換水50ccに添加し、室温で30分間スターラーで攪拌する。得られた懸濁液のPHをコンパクトPHメーター(HORIBA B−211、堀場製作所社製)を用いて、平面測定法にて3回測定し、その平均値を求める。
上記特性を有した芳香族ジアミンの製造方法は限定されないが、芳香族ジアミンの製造工程あるいはポリアミック酸の製造に用いる前に芳香族ジアミンを水あるいはアルカリ水溶液で充分に洗浄したり、芳香族ジアミンをアセトニトリル等の特定の溶媒に溶解し、これらの溶媒に対する不溶分を除去する等の方法が挙げられる。
反応液温度の重合反応に対する影響は大きく、かつ、好ましい温度範囲が狭いので、上記液温度は反応系全体が均一であることが重要である。反応液の上部および下部共に上記平均温度範囲を満たすことが好ましい。ここで、上部、下部の液温測定位置は反応器内の中央部で、かつそれぞれ液面および反応器壁より50mm内部に入った位置である。液温の測定は熱電対温度計により実施する。
反応液内の液温の均一性を保つには、反応器内での攪拌状態が重要であり、反応器の構造、特に攪拌機の形状を最適化するのが好ましい。反応器および攪拌機の構造としては、反応器内壁と攪拌機外周とのクリアランスが重要である。該クリアランスは20mm以下が好ましい。10mm以下がより好ましい。
本発明のポリアミック酸の生成反応は、最初はしゃばしゃばの低粘度液体より水飴のような高粘性な液体まで、反応液の粘性が大きく変化するため、該粘性の範囲で効率的な攪拌ができる攪拌翼形状が求められる。したがって、インペラー翼やアンカー翼でなく、ダブルヘリカルリボン翼やマックスブレンド翼、フルゾーン翼のように上下循環流が発生しやすい翼の使用が好ましい。
オフラインで判定する場合には、一般の高分子の分子量測定の方法が利用出来る。ηsp/Cやηinhの測定や、ゲルパーミエィションクロマトグラフ、末端基を滴定や発色により定量する方法等がある。ηsp/Cやηinhは、ポリマーをジメチルアセトアミドまたはN−メチルピロリドンの希薄溶媒に溶解し、ウベローデ型粘度計で測定することが出来る。末端基の定量は、アルデヒド化合物などでアミノ末端基とシッフ塩基を形成させ、発色により定量する方法などが用いることが出来る。精度の面では、ηinhや末端基の定量が好ましいし、判定の迅速さという面では、オンラインでの圧力損失から粘度を求める方法が好ましい。
添加する形態は、粉末状態、溶融状態、スラリー状態または溶液状態のいずれでも良いが、添加の精度の面では溶液状態が好ましい。
本発明者等もこの概念に従って、反応溶媒を含めた原料や反応器の事前の水分排除を施し製造したが、本発明の目的としている分子量範囲のポリアミック酸を安定して製造することができなかった。安定して製造するには、反応器のみでなく原料仕込み系、ポリアミック酸の貯留等、ポリアミック酸の製造にかかわる全工程の空間の水分量を特定範囲にすることが重要であることを見出した。また、反応スタート時のみでなく、移送を含めた製造期間の全域に渡り水分量を特定範囲にすることが好ましいことを見出した。このためには、反応系全域の空間に上記した露点の気体を製造期間中常に流通させるのが好ましい。該気体の流通量は限定されないが、少なくとも空間体積/時間以上の気体を流通させるのが好ましい。空間体積×2/時間以上がより好ましい。
この流通させる気体の種類は限定されない。空気、窒素、アルゴンおよびヘリウム等が挙げられる。該気体の露点の管理は、特定された露点の気体を購入して使用してもよいし、ポリアミック酸の製造工程に気体の脱湿装置を設けて、該脱湿装置で脱湿しながら流通させてもよい。後者が好ましい。脱湿方法も限定されない。吸着法や圧縮法が挙げられる。前者が好ましい。
この不活性微粒子の種類、粒子径および添加量は、成型体において求められる特性に合う様に適宜選択される。
支持体上で乾燥し、自己支持性となったフィルム(グリーンフィルム)は支持体より剥離され、150〜500℃の温度にて最終乾燥(熱処理)によってアミド酸の脱水閉環を行いポリイミドフィルムが得られる。
(1)ポリアミック酸のηsp/Cの測定
ポリアミック酸を0.2g/dlの濃度になるように脱水したN−メチルピロリドン(窒素雰囲気下、N−メチルピロリドンに対して約10質量%のトルエンを添加し、トルエンが完全に留出するまで共沸蒸留を行った)で溶解・希釈した溶液を、ウベローデ型粘度計を用いて25℃で測定した。
下記条件で測定した。純度はピーク面積比で算出した。
装置: 日立製作所製の以下のパーツを組み合わせたシステム
送液ポンプ:L6200、検出器:L4200、カラム高温槽:L5020
脱気装置:L−5020、インテグレーター:D−2500
カラム: Inertsil ODS−3 φ4.6×250mm
移動相: アセトニトリル/水=6/4(vol/vol)、
リン酸0.0085モル/l
流速: 1ml/min
検出: UV(230nm)
展開温度:30℃
試料濃度:1mg/ml
試料注入量:20μl
芳香族ジアミン1.0gをイオン交換水50ccに添加し、室温で30分間スターラーで攪拌する。得られた懸濁液のPHをコンパクトPHメーター(堀場製作所社製、HORIBA B−211)を用いて、平面測定法にて3回測定し、その平均値を求た。
<芳香族ジアミンの調製>
2−アミノ−4−ニトロフェノールと4−ニトロベンゾイルクロライドの反応により得られた4,4’−ジニトロー2−ヒドロキシベンズアニリドをPd/C触媒の存在下で還元して4,4’−ジアミノ−2−ヒドロキシベンズアニリドを得た。得られた4,4’−ジアミノ−2−ヒドロキシベンズアニリドをポリリン酸中で反応させてオキサゾール環を形成させて2−(4−アミノフェニル)−5−アミノベンゾオキサゾールを得た。得られた反応生成物にイオン交換水を添加し2−(4−アミノフェニル)−5−アミノベンゾオキサゾールを析出させて濾別した。6容量倍のメタノールで洗浄した後、6容量倍の60℃の温水で6回洗浄し、乾燥した。HPLC分析法による純度は99.5質量%以上であった。また、水懸濁液のPHは7.7であった。
ダブルヘリカルリボン翼型攪拌機、固形分投入口および液体投入口を備えた100lのステンレス鋼製の反応器に上記方法で調製した2−(4−アミノフェニル)−5−アミノベンゾオキサゾール4.505kg(20.0モル)を投入し、ついで、含水率35ppmのN−メチルピロリドン(NMPともいう)96lを加え溶解するまで攪拌した。反応器のジャケット温度を10℃に制御しながら、ピロメリット酸無水物(PMDA)4.32kg(19.8モル)を徐々に加えた。全てのPMDAを加え終わった時点での液温は18℃であった。8時間攪拌を続けた後、ジャケット温度を30℃に上げて、さらに6時間攪拌を続行し、プレポリマーを作製した。このプレポリマー溶液の一部をサンプリングした。粘度はE型粘度計で測定すると30℃で17.8Pa・sであり、ηsp/Cは2.21dl/gであった。サンプリング実施時点での液温度は36℃であった。さらにピロメリット酸無水物(PMDA)22g(0.1モル)を徐々に加え、ポリアミック酸のηsp/Cが4.5dl/gになるまで、ジャケット温度35℃に保って6時間加熱、攪拌をし重合反応を終了した。プレポリマー調製時間を含め総重合時間は22時間であった。反応終了時点での液温度は42℃であり、反応開始から終了までの平均液温度は37℃であった。
プレポリマーおよびポリマーの液温度は、反応器下部の中央部で反応器内壁より50mmに設置した熱電対温度計(下部温度)で測定した。また、反応器内の反応液温度の均一性を評価する目的で、反応器中の中央部で、液面より50mm下部に設置した熱電対温度計にて反応液上部温度を測定した。本実施例では、上部温度の16℃、反応終了時点で43℃であった。
反応器への原料ジアミン、PMDA、N−メチルピロリドンの供給および重合反応は露点−76℃の窒素気流下で行った。また、反応器内壁と攪拌機外周とのクリアランスは8.5mmで、攪拌機の外周速度は23m/分であった。
実施例1の方法においては、2−(4−アミノフェニル)−5−アミノベンゾオキサゾールの温水による洗浄を全く行わなかった以外は、実施例1と同様にして比較例1の芳香族ジアミン、ポリアミック酸を得た。
芳香族ジアミンのHPLC分析法による純度は99.5質量%以上と高く、実施例1で得られた芳香族ジアミンと差異は見られなかったが、水懸濁液のPHは3.4と著しく低かった。そのため、ポリアミック酸の生成反応が遅く、48時間重合を行ったが得られたポリアミック酸のηsp/Cは2.20dl/gと低く目標の分子量のポリアミック酸が得られなかった。結果を表2に示す。
実施例1の方法において、2−(4−アミノフェニル)−5−アミノベンゾオキサゾールの温水洗浄回数をそれぞれ1および2回とする以外は、実施例同様の方法で比較例2および3のポリアミック酸を得た。芳香族ジアミンのHPLC分析法による純度は99.5質量%以上と高く、実施例1で得られた芳香族ジアミンと差異は見られなかったが、水懸濁液のPHは4.1および5.1と低かった。そのため、ポリアミック酸の生成反応が遅く、48時間重合を行ったが得られたポリアミック酸のηsp/Cは2.40dl/gおよび2.80dl/gと低く目標の分子量のポリアミック酸が得られなかった。結果を表2に示す。
実施例1の方法において、ジャケット温度を常に10℃に保ち、下部平均反応温度を18℃となるように変更する以外は、実施例1と同様にしてポリアミック酸の重合を行った。反応終了時の上部液温度も20℃であった。実施例1の方法に比べて重合速度が遅く、ポリアミック酸のηsp/Cが4.5dl/gになるまでのプレポリマー調製時間を含めた総重合時間は68時間であった。結果を表2に示す。
実施例1の方法において、ジャケット温度を反応開始時点から55℃で一定に保ち、下部平均反応温度を65℃となるように変更した以外は、実施例1と同様にしてポリアミック酸の重合を行った。反応終了時の上部液温度は69℃であった。本比較例の場合は、ポリアミック酸のηsp/Cが3.12dl/gで頭打ちになり、プレポリマー調製時間を含めた総重合時間48時間で重合反応を停止したが、目標のηsp/Cが4.5dl/gのポリアミック酸は得られなかった。結果を表2に示す。
実施例1の方法において、下部平均反応温度をそれぞれ34および51℃に変更する以外は、実施例1と同様にしてポリアミック酸の重合を行った。反応終了時の上部液温度はそれぞれ37および58℃であった。ポリアミック酸のηsp/Cが4.5dl/gになるまでのプレポリマー調製時間を含めた総重合時間は26および16時間であった。結果を表1に示す。
実施例1〜3の方法において、PMDAの添加を分割せずに、全量を初回に一括添加するように変更する以外は、実施例1〜3と同様にしてポリアミック酸の重合を行った。ポリアミック酸のηsp/Cが4.5dl/gになるまでの総重合時間はそれぞれ24時間、24時間および20時間であった。結果を表1に示す。
実施例4において、平均反応温度を25℃に変更する以外は、実施例1と同様にしてポリアミック酸の重合を行った。実施例1の方法に比べて重合速度が遅く、ポリアミック酸のηsp/Cが4.5dl/gになるまでのプレポリマー調製時間を含めた総重合時間は48時間であった。結果を表2に示す。
実施例2の方法において、攪拌翼をアンカー型に変更する以外は、実施例2と同様にしてポリアミック酸の重合を行った。実施例2に比して攪拌効率が低下するために下部と上部の平均反応温度差が大きくなり、反応終了時の上部液温度は48℃で、下部とは5℃の差があった。実施例2の方法に比べて重合速度がやや遅くなり、ポリアミック酸のηsp/Cが4.5dl/gになるまでのプレポリマー調製時間を含めた総重合時間は28時間であった。結果を表2に示す。
比較例4の方法において、それぞれ反応溶媒であるNMP中の含水量を1500ppmおよび原料供給系や重合反応系の窒素ガス気流の流通を取り止め、露点が21℃の空気雰囲気で実施するように変更する以外は、比較例4と同様の方法でポリアミック酸の重合を行った。プレポリマー調製時間を含めた総重合時間48時間で重合を停止したが目標のηsp/Cが4.5dl/gのポリアミック酸は得られなかった。
Claims (6)
- ベンゾオキサゾール基を含有する芳香族ジアミンと芳香族テトラカルボン酸無水物を溶液状で反応させてポリイミドベンゾオキサゾール前駆体であるポリアミック酸を製造する方法において、芳香族ジアミンとして水懸濁液のPHが5.5以上であるベンゾオキサゾール基を含有する芳香族ジアミンを用いて、反応器壁を有する反応器において、反応器中の中央部で、反応液面より50mm下部を反応液上部とし、反応器下部の中央部で反応器内壁より50mmを反応液下部とした際に、平均液温度が反応液の上部、下部共に30〜60℃であり、反応開始時の液温度と終了時の液温度の差が10℃以上で反応させることを特徴とするポリイミドベンゾオキサゾール前駆体であるポリアミック酸の製造方法。
- N−メチルピロリドンで溶解・希釈して25℃で測定したポリアミック酸の還元粘度が2.0〜6.0dl/gであることを特徴とする請求項1に記載のポリイミドベンゾオキサゾール前駆体であるポリアミック酸の製造方法。
- 反応液に用いる溶媒中の水分量が1000ppm以下で、反応系の空間が(露点−20℃)以下の気体で満たされていることを特徴とする請求項1〜2のいずれかに記載のポリイミドベンゾオキサゾール前駆体であるポリアミック酸の製造方法。
- ベンゾオキサゾール基を含有する芳香族ジアミンを反応溶媒に溶解あるいは分散させ、該溶液あるいは分散液に芳香族テトラカルボン酸無水物を添加することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のポリイミドベンゾオキサゾール前駆体であるポリアミック酸の製造方法。
- 芳香族テトラカルボン酸無水物を少なくとも2回以上に分割して添加することを特徴とする請求項4に記載のポリイミドベンゾオキサゾール前駆体であるポリアミック酸の製造方法。
- ベンゾオキサゾール基を含有する芳香族ジアミン化合物が、5−アミノ−2−(p−アミノフェニル)ベンズオキサゾールである請求項1〜5のいずれかに記載のポリイミドベンゾオキサゾール前駆体であるポリアミック酸の製造方法。
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