JP2003040970A - シラン変性エポキシ樹脂の製造方法、及び樹脂組成物、半硬化物、硬化物 - Google Patents
シラン変性エポキシ樹脂の製造方法、及び樹脂組成物、半硬化物、硬化物Info
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Landscapes
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Abstract
クラック等を生じないハイブリッド硬化物を提供する。
また、半硬化状態での成型加工が容易であるシラン変性
エポキシ樹脂組成物、および当該組成物から得られる半
硬化物、硬化物を提供する。 【解決手段】 ビスフェノール型エポキシ樹脂(1)、
ノボラック型エポキシ樹脂(2)およびメトキシシラン
部分縮合物(3)を脱メタノール縮合反応させて得られ
ることを特徴とするメトキシ基含有シラン変性エポキシ
樹脂(A)の製造方法により得られるシラン変性エポキ
シ樹脂(A)とエポキシ樹脂用硬化剤(B)とを含有す
ることを特徴とするシラン変性エポキシ樹脂組成物およ
び当該エポキシ樹脂組成物を硬化させてなるエポキシ樹
脂−シリカハイブリッド硬化物を用いる。
Description
ラン変性エポキシ樹脂組成物およびその半硬化物、硬化
物の製造方法に関する。本発明のエポキシ樹脂組成物
は、塗料などのコーティング剤、接着剤、シーリング剤
などの広範な用途に使用でき、特に絶縁コーティング
剤、プリント配線基板材料、IC封止材、絶縁シール剤
等として有用である。本発明のエポキシ樹脂組成物から
得られる半硬化物(ゾル−ゲル硬化物)は、柔軟であ
り、成形加工性に富むため、成形中間材料、プリプレ
グ、封止剤等の中間材料として有用である。また、本発
明のエポキシ樹脂組成物から得られる硬化物(完全硬化
物)は、クラック等がなく、透明で高硬度である。ま
た、密着性、電気絶縁性などに優れ、しかも耐熱性(高
温で軟化せず、膨張係数が小さく、耐熱密着性)に優れ
る。そのため、前記の広範用途、特に電気・電子部品、
自動車用部品、土木建築材料、スポーツ用具材料等の成
形材料として有用である。
と組み合わせた組成物として使用されており、電気・電
子材料関係等の各種の分野において使用されてきた。し
かしながら、近年の電気・電子材料分野の発展に伴い、
エポキシ樹脂組成物の硬化物に対してより高度な性能が
要求されるようになっており、特に耐熱性が高く、熱膨
張性の低い材料が望まれている。
上させるため、例えば、エポキシ樹脂および硬化剤に加
え、ガラス繊維、ガラス粒子、マイカ等のフィラーを混
合した組成物を用いる方法が行われている。しかし、こ
の方法では十分な耐熱性は得られない。また、この方法
では得られる硬化物の透明性が失われ、しかもフィラー
とエポキシ樹脂との界面の接着性が劣るため、伸長率等
の機械的特性も不十分である。
性を向上させる方法として、エポキシ樹脂とシリカとの
複合体を用いる方法が提案されている(特開平8−10
0107号公報)。当該複合体は、エポキシ樹脂の部分
硬化物の溶液に、加水分解性メトキシシランを加え、該
硬化物を更に硬化すると共に、該メトキシシランを加水
分解してゾル化し、更に重縮合してゲル化することによ
り得られる。しかし、かかる複合体から得られる硬化物
は、エポキシ樹脂単独の硬化物に比して、ある程度耐熱
性は向上するものの、複合体中の水や硬化時に生じる
水、アルコールに起因して、硬化物中にボイド(気泡)
が発生する。また、耐熱性を一層向上させる目的でメト
キシシラン量を増やすと、ゾル−ゲル硬化反応により生
成するシリカが凝集して得られる硬化物の透明性が失わ
れて白化するうえ、多量のメトキシシランをゾル化する
ために多量の水が必要となり、その結果として硬化物の
そり、クラック等を招く。
反応させたシラン変性エポキシ樹脂と、硬化剤であるフ
ェノールノボラック樹脂とを組み合わせた組成物(特開
平3−201466号公報)や、ビスフェノールA型エ
ポキシ樹脂、テトラビスブロモビスフェノールAおよび
メトキシ基含有シリコーン中間体を反応させたシラン変
性エポキシ樹脂と、硬化剤であるフェノールノボラック
樹脂とを組み合わせた組成物(特開昭61−27224
3号公報、特開昭61−272244号公報など)も提
案されている。しかし、これらのエポキシ樹脂組成物の
硬化物は、シリコーン化合物やメトキシ基含有シリコー
ン中間体の主構成単位がジオルガノポリシロキサン単位
であってシリカを生成できないため、いずれも耐熱性が
不十分である。
型エポキシ樹脂とメトキシシラン部分縮合物とを脱メタ
ノール反応させてなるメトキシ基含有シラン変性エポキ
シ樹脂を硬化してなる硬化物が、ガラス転移点を消失
し、高耐熱性材料となる(特許第3077695号)こ
とを見出してきた。この方法では、硬化物を得るため
に、樹脂組成物から溶剤を揮発させるとともにメトキシ
シリル基をゾル−ゲル硬化、エポキシ基をエポキシ硬化
させて、エポキシ樹脂―シリカハイブリッド硬化物とす
るが、電気・電子材料関係の用途では必須となる、半硬
化状態での成型加工が難しいといった問題があった。
熱膨張性に優れ、しかもボイド、クラック等を生じない
ハイブリッド硬化物を収得することができ、かつ半硬化
状態での成型加工が容易であるシラン変性エポキシ樹脂
組成物、および当該組成物から得られる半硬化物、硬化
物を提供することを目的とする。
決すべく鋭意検討を重ねた結果、特定のエポキシ樹脂と
特定のメトキシシラン部分縮合物からなるメトキシ基含
有シラン変性エポキシ樹脂、およびエポキシ樹脂用硬化
剤からなる組成物により、前記目的に合致したエポキシ
樹脂−シリカハイブリッド硬化物が得られることを見出
し、本発明を完成するに至った。
ポキシ樹脂(1)、ノボラック型エポキシ樹脂(2)お
よびメトキシシラン部分縮合物(3)を脱メタノール縮
合反応させて得られることを特徴とするメトキシ基含有
シラン変性エポキシ樹脂(A)の製造方法に関する。さ
らに、前記製造方法により得られるシラン変性エポキシ
樹脂(A)とエポキシ樹脂用硬化剤(B)とを含有する
ことを特徴とするシラン変性エポキシ樹脂組成物に関す
る。また本発明は、当該エポキシ樹脂組成物を硬化させ
てなるエポキシ樹脂−シリカハイブリッド硬化物に関す
る。
変性エポキシ樹脂の原料であるビスフェノール型エポキ
シ樹脂(1)は、ビスフェノール類とエピクロルヒドリ
ンまたはβ−メチルエピクロルヒドリン等のハロエポキ
シドとの反応により得られるものである。ビスフェノー
ル類としてはフェノールまたは2,6−ジハロフェノー
ルとホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、アセトン、
アセトフェノン、シクロヘキサノン、ベンゾフェノン等
のアルデヒド類またはケトン類との反応により得られる
もの;ジヒドロキシフェニルスルフィドの過酸による酸
化により得られるもの;ハイドロキノン同士のエーテル
化反応等により得られるものなどがあげられる。
メトキシシラン部分縮合物(3)との脱メタノール縮合
反応により、珪酸エステルを形成しうる水酸基を有する
ものである。当該水酸基は、ビスフェノール型エポキシ
樹脂(1)を構成する全ての分子に含まれている必要は
なく、これら樹脂として、水酸基を有していればよい。
かでも、特に、ビスフェノール類としてビスフェノール
Aを用いたビスフェノールA型エポキシ樹脂が、最も汎
用され、低価格であり好ましい。
式(a):
樹脂(1)は、エポキシ当量230g/eqを超え10
00g/eq未満のものであり、数平均分子量としては
460〜2000程度である。ビスフェノール型エポキ
シ樹脂(1)がビスフェノールA型エポキシ樹脂である
場合は、一般式(a)中の繰り返し単位数mの平均値は
0.3〜5.8に相当する。上記エポキシ当量が230
g/eq以下である場合は、メトキシシラン部分縮合物
(3)と反応する当該エポキシ樹脂中の水酸基が少なく
なり、そのため得られるメトキシ基含有シラン変性エポ
キシ樹脂(A)中の繰り返し単位数m=0の水酸基を持
たないエポキシ化合物の割合が増加し、エポキシ樹脂―
シリカハイブリッド硬化物の熱膨張率が高くなり好まし
くない。一方、エポキシ当量が1000g/eq以上の
場合は、ビスフェノール型エポキシ樹脂(1)中の水酸
基が多くなり、多官能のメトキシシラン部分縮合物
(3)との反応によってゲル化を招く傾向にあるため好
ましくない。尚、ビスフェノール型エポキシ樹脂(1)
が、エポキシ当量として上記範囲を満足する限り、繰り
返し単位数mがゼロのものを含有していても差し支えな
い。
キシ樹脂(A)の原料であるノボラック型エポキシ樹脂
(2)は、ビスフェノール型エポキシ樹脂(1)とメト
キシシラン部分縮合物(3)の脱メタノール反応を進行
させるため、双方を相溶解させる反応媒体としての役割
と、半硬化物を柔軟化する役割を担う。すなわち、ビス
フェノール型エポキシ樹脂(1)とメトキシシラン部分
縮合物(3)は相溶性が悪く、反応媒体無しにシラン変
性エポキシ樹脂(A)は製造できないが、反応媒体とし
てノボラックエポキシ樹脂(2)を使用した場合には、
有機溶剤などに比べてシラン変性エポキシ樹脂組成物の
粘度が下がりすぎず、好ましい。また、一般に、得られ
るシラン変性エポキシ樹脂組成物は最終的には完全硬化
(メトキシ基含有シラン変性エポキシ樹脂(A)中のエ
ポキシ基とエポキシ樹脂用硬化剤(B)とのエポキシ基
の開環・架橋反応による硬化、並びにメトキシ基含有シ
ラン変性エポキシ樹脂(A)中の加水分解、縮合による
ゾル−ゲル硬化が進行した状態をいう)させて、目的用
途に使用されるが、電気・電子材料関係の用途に代表さ
れる特定の用途では、完全硬化する前の中間段階にて、
半硬化状態で成型加工が行われたり、製品化される場合
がある。このような場合には、半硬化物の状態(メトキ
シ基含有シラン変性エポキシ樹脂(A)中のエポキシ基
とエポキシ樹脂用硬化剤(B)とのエポキシ基の開環・
架橋反応をさせることなく、メトキシ基含有シラン変性
エポキシ樹脂(A)中の加水分解、縮合によるゾル−ゲ
ル硬化のみを進行させた状態をいう)で十分な柔軟性が
要求されるがノボラック型エポキシ樹脂(2)を所定割
合で併用することにより、かかる要求性能を満足させる
ことができる。
用いることにより、ビスフェノール型エポキシ樹脂に代
表される2官能のエポキシ樹脂を併用した場合に問題と
なる、完全硬化物の熱膨張率が高くなることを防止する
ことができるといった利点がある。ノボラック型エポキ
シ樹脂のフェノール核体数の平均は3〜10であること
が好ましく、さらに好ましくは3〜6である。核体数が
10を超えると、軟化温度が高くなりすぎるため、半硬
化物に柔軟性を十分に付与することが出来ず好ましくな
い。核体数が3未満だと、完全硬化物の熱膨張率が高く
なる傾向がある。
脂(2)は、ノボラックフェノール樹脂類とエピクロル
ヒドリン等のハロエポキシドとの反応で得られたもので
ある。ノボラック樹脂類としてはノボラックフェノール
樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ビスフェノールノボ
ラック樹脂、ポリp−ビニルフェノール等があげられ
る。これらノボラック樹脂の中でも、特に、フェノール
ノボラック樹脂を用いたフェノールノボラック型エポキ
シ樹脂が、多官能エポキシでありながら比較的軟化点が
低く、硬化物の熱膨張性も低いために好ましい。ノボラ
ック型エポキシ樹脂(2)としては、構成するノボラッ
ク樹脂類の全ての水酸基がハロエポキシドでエポキシ変
性されている必要はない。部分的に水酸基を残存するノ
ボラックエポキシ樹脂は、ビスフェノール型エポキシ樹
脂(1)と同時にメトキシシラン部分縮合物(3)と脱
メタノール反応するため、問題は生じないが、水酸基の
含有量が少ないエポキシ樹脂であることが好ましい。こ
れは水酸基を多数含有する場合には、ノボラック型エポ
キシ樹脂がシラン変性されるため、半硬化物作製の際、
シラン変性されたビスフェノール型エポキシ樹脂と相互
にゾル−ゲル硬化し、半硬化物の柔軟性を低下させる場
合があるためである。
一般式(b):
される化合物である。
キシ樹脂(1)とノボラック型エポキシ樹脂(2)とを
所定割合で併用することを必須とする。かかる併用によ
り、柔軟で加工性に富む半硬化物(ゾル−ゲル硬化物)
を容易に調製しうるという本発明の目的を達成できるか
らである。ここでビスフェノール型エポキシ樹脂(1)
とノボラック型エポキシ樹脂(2)の使用重量比は、得
られるエポキシ樹脂組成物や半硬化物の性能に大きく影
響するため、(2)/(1)が0.5〜5の範囲とする
ことが好ましく、さらに好ましくは1〜3とされる。当
該重量比が5を超えると、メトキシ基含有シラン変性エ
ポキシ樹脂(A)の量が少なくなりすぎるため、エポキ
シ樹脂―シリカハイブリッド硬化物の耐熱性が悪くなる
おそれがある。当該重量比が0.5未満の場合には半硬
化物に十分な柔軟性を付与することができず、また、ノ
ボラックエポキシ樹脂(2)はビスフェノール型エポキ
シ樹脂(1)とメトキシシラン縮合物(3)とを相溶さ
せる効果が低減され、反応に必要な溶剤量が増えるため
好ましくない。
は、一般的にゾル−ゲル法に用いられているメトキシシ
ランを部分的に加水分解、縮合したオリゴマーを使用で
きる。たとえば、一般式:RpSi(OCH3)4−p
(式中、pは0または1の整数を示し、Rは炭素数6以
下の低級アルキル基又はフェニル基を示す。)で表され
る化合物の部分縮合物等を例示できる。なお、pが2〜
4である場合は、3次元架橋が起こらなくなるため、最
終的に得られる硬化物に所望の高耐熱性を付与すること
が難しくなる。
体例としては、テトラメトキシシランの部分縮合物;メ
チルトリメトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、
n−プロピルトリメトキシシラン、イソプロピルトリメ
トキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、フェニルト
リメトキシシラン等のトリメトキシシラン類の部分縮合
物があげられる。これらの中でも、テトラメトキシシラ
ン、メチルトリメトキシシラン等の部分縮合物等が、ゾ
ル−ゲル硬化速度が大きいため好ましい。
物質の中から1種または2種以上を適宜選択すればよい
が、1分子当たりのSiの平均個数は3〜12であるこ
とが好ましい。Siの平均個数が3未満であると、ビス
フェノール型エポキシ樹脂(1)との脱アルコール反応
の際、副生アルコールと一緒に系外に流出する有毒なメ
トキシシラン類の量が増えるため好ましくない。また1
2を超えると、ビスフェノール型エポキシ樹脂(1)と
の相溶性が落ち、前記重量比率を超える量のノボラック
エポキシ樹脂(2)や大量の有機溶剤を必要とし、目的
とするメトキシ基含有シラン変性エポキシ樹脂(A)は
得られにくい。
繰り返し単位数は2〜7である。)で表されるテトラメ
トキシシランの部分縮合物、あるいは一般式(c):
繰り返し単位数は2〜7である。)で表されるメチルト
リメトキシシランの部分縮合物が好ましい。当該部分縮
合物は、脱メタノール反応において、副生メタノールと
ともに系外流出し得る有毒なテトラメトキシシランまた
はメチルトリメトキシシランがほとんど存在せず、反応
操作や安全衛生の点からも好ましい。
エポキシ樹脂(A)は、ビスフェノール型エポキシ樹脂
(1)、ノボラック型エポキシ樹脂(2)およびメトキ
シシラン部分縮合物(3)を、溶剤の存在下または無溶
剤下に脱メタノール縮合反応させることにより得られ
る。(ビスフェノール型エポキシ樹脂(1)とノボラッ
ク型エポキシ樹脂(2)との水酸基当量の合計当量)/
(メトキシシラン部分縮合物(3)のメトキシ基当量)
(当量比)は特に制限されないが、通常は0.01〜
0.8であり、好ましくは0.03〜0.5である。当
量比が0.3未満であると未反応のメトキシシラン部分
縮合物(3)が多くなりすぎるため、0.5を超える
(化学量論的に等量に近づく)と脱メタノール反応の進
行でゲル化しやすくなるため好ましくない。
(1)として平均エポキシ当量400以上の高分子量の
ものを使用する場合や、1分子当たりのSiの平均個数
が7個以上のメトキシシラン部分縮合物(3)を使用原
料とする場合には、ビスフェノール型エポキシ樹脂
(1)およびノボラック型エポキシ樹脂(2)の水酸基
が完全に消失するまで脱メタノール縮合反応を行うと、
高粘度化やゲル化を招き易い。このような場合には、脱
メタノール反応を反応途中で停止させるなどの方法によ
り、高粘度化やゲル化を防ぐ。たとえば、高粘度化して
きた時点で、流出するメタノールを還流して、反応系か
らのメタノールの留去量を調整したり、反応系を冷却し
反応を終了させる等の方法を採用できる。
(A)の製造は、前記のように、溶剤存在下または無溶
剤下で行うことができる。本発明における脱メタノール
縮合反応では、反応温度は50〜130℃程度、好まし
くは70〜110℃であり、全反応時間は1〜15時間
程度である。この反応は、メトキシシラン部分縮合物
(3)自体の重縮合反応を防止するため、実質的に無水
条件下で行うのが好ましい。ところで、無溶剤下で製造
されるメトキシ基含有シラン変性エポキシ樹脂(A)
は、無溶剤で使用される用途、例えば接着剤、成形加工
品、シーリング剤などの材料として、そのまま使用でき
る利点がある。なお、当該無溶剤用途に適用せんとし
て、溶剤存在下で製造されたメトキシ基含有シラン変性
エポキシ樹脂(A)の有機溶剤溶液を減圧して脱溶剤し
てもよい。
ては、反応促進のために従来公知の触媒の内、エポキシ
環を開環しないものを使用することができる。該触媒と
しては、たとえば、リチウム、ナトリウム、カリウム、
ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、バ
リウム、ストロンチウム、亜鉛、アルミニウム、チタ
ン、コバルト、ゲルマニウム、錫、鉛、アンチモン、砒
素、セリウム、硼素、カドミウム、マンガンのような金
属;これら金属の酸化物、有機酸塩、ハロゲン化物、メ
トキシド等があげられる。これらのなかでも、特に有機
錫、有機酸錫が好ましく、具体的には、ジブチル錫ジラ
ウレート、オクチル酸錫等が有効である。
エポキシ樹脂(A)は、その分子中にメトキシシラン部
分縮合物(3)に由来するメトキシ基を有している。当
該メトキシ基の含有量は、このメトキシ基は加熱処理や
水分(湿気)との反応により、ゾル−ゲル反応や脱メタ
ノール縮合して、相互に結合したハイブリッド硬化物を
形成するために必要となるため、メトキシ基含有シラン
変性エポキシ樹脂(A)は通常、反応原料となるメトキ
シシラン部分縮合物(3)のメトキシ基の40〜95モ
ル%、好ましくは50〜90モル%を未反応のままで保
持しておくのが良い。かかるハイブリッド硬化物は、ゲ
ル化した微細なシリカ部位(シロキサン結合の高次網目
構造)を有するものである。またメトキシ基含有シラン
変性エポキシ樹脂(A)中には、ビスフェノール型エポ
キシ樹脂(1)やメトキシシラン部分縮合物(3)が未
反応のまま含有されていてもよい。なお、未反応のメト
キシシラン部分縮合物(3)は、ゾル―ゲル硬化時に加
水分解、重縮合によりシリカとなり、メトキシ基含有シ
ラン変性エポキシ樹脂(A)と結合する。
ポキシ樹脂(A)と、潜在性エポキシ樹脂用硬化剤
(B)を組み合わせてなるシラン変性エポキシ樹脂組成
物として使用する。本発明のシラン変性エポキシ樹脂組
成物を、各種用途へ適用するにあたっては、用途に応じ
て各種のエポキシ樹脂を併用することもできる。当該併
用しうるエポキシ樹脂としては、本発明の構成成分とし
て記載した前記ビスフェノール型エポキシ樹脂(1)、
ノボラック型エポキシ樹脂(2);フタル酸、ダイマー
酸などの多塩基酸類およびエピクロロヒドリンを反応さ
せて得られるグリシジルエステル型エポキシ樹脂;ジア
ミノジフェニルメタン、イソシアヌル酸などのポリアミ
ン類とエピクロロヒドリンを反応させて得られるグリシ
ジルアミン型エポキシ樹脂;オレフィン結合を過酢酸な
どの過酸で酸化して得られる線状脂肪族エポキシ樹脂お
よび脂環式エポキシ樹脂などがあげられる。
としては、通常、エポキシ樹脂の硬化剤として使用され
ている従来公知の潜在性硬化剤が使用できる。潜在性エ
ポキシ樹脂用硬化剤(B)は、ノボラック樹脂系硬化
剤、イミダゾール系硬化剤、酸無水物系硬化剤等が例示
できる。具体的には、ノボラック樹脂系のものとして
は、フェノールノボラック樹脂、ビスフェノールノボラ
ック樹脂、ポリp−ビニルフェノール等があげられ、イ
ミダゾール系硬化剤としては、2-メチルイミダゾー
ル、2-エチルへキシルイミダゾール、2-ウンデシルイ
ミダゾール、2‐フェニルイミダゾール、1-シアノエチ
ル‐2‐フェニルイミダゾリウム・トリメリテート、2
‐フェニルイミダゾリウム・イソシアヌレート等があげ
られ、酸無水物系硬化剤としては、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、3,6−エンドメチレンテトラヒドロ無水フタル
酸、ヘキサクロルエンドメチレンテトラヒドロ無水フタ
ル酸、メチル−3,6−エンドメチレンテトラヒドロ無
水フタル酸があげられ、またその他の硬化剤としてジシ
アンジアミド、ケチミン化合物等があげられる。これら
の中でもシラン変性エポキシ樹脂組成物の貯蔵安定性を
考慮すると、フェノールノボラック樹脂系硬化剤、イミ
ダゾール系硬化剤が好ましい。
割合は、通常、メトキシ基含有シラン変性エポキシ樹脂
組成物中のエポキシ基1当量に対し、硬化剤中の活性水
素を有する官能基が0.2〜1.5当量程度となるよう
な割合で配合して調製される。
キシ樹脂と硬化剤との硬化反応を促進するための硬化促
進剤を含有することができる。例えば、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類;2−メ
チルイミダゾール、2−フェニルイミダゾール、2−フ
ェニル−4−メチルイミダゾール、2−ヘプタデシルイ
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ィン、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、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
ン塩などをあげることができる。硬化促進剤はエポキシ
樹脂の100重量部に対し、0.1〜5重量部の割合で
使用するのが好ましい。
果を損なわない範囲で、必要に応じて、有機溶剤、充填
剤、離型剤、表面処理剤、難燃剤、粘度調節剤、可塑
剤、抗菌剤、防黴剤、レベリング剤、消泡剤、着色剤、
安定剤、カップリング剤等を配合してもよい。
ハイブリッド硬化物を得る為には、メトキシ基含有シラ
ン変性エポキシ樹脂のメトキシシリル部位のゾル-ゲル
硬化及びエポキシ基のエポキシ硬化を行わねばならな
い。しかしながら、エポキシ硬化をゾル―ゲル硬化に先
行させると、エポキシ樹脂―シリカハイブリッド硬化物
はゾル―ゲル硬化に起因するメタノールの発生によっ
て、発泡やクラックを生じる。これを防ぐ為、エポキシ
樹脂-シリカハイブリッド硬化物の膜厚が50μmを超
える場合や、硬化剤にノボラックフェノール樹脂を用い
る場合には、ゾル―ゲル硬化促進のための触媒を当該樹
脂組成物中に配合する事が好ましい。ゾル―ゲル硬化触
媒としては、酸又は塩基性触媒、金属系触媒など従来公
知のものを挙げる事が出来るが、特にオクチル酸錫やジ
ブチル錫ジラウレートが活性が高く、しかも溶解性に優
れており好ましい。前記触媒の使用量は使用する触媒の
活性、膜厚、潜在性エポキシ樹脂用硬化剤(B)の種類
により適宜決めることができる。通常、使用するメトキ
シ基含有シラン変性エポキシ樹脂のメトキシ基に対し、
モル比率で、触媒能力の高いパラトルエンスルホン酸や
オクチル酸錫などで0.01〜5モル%程度、触媒能力
の低いギ酸、酢酸などで0.1〜50モル%程度使用さ
れる
ハイブリッド硬化物を得るには、上記エポキシ樹脂組成
物を室温〜250℃で硬化させる。硬化温度は、潜在性
エポキシ樹脂用硬化剤(B)によって適宜決定される。
当該硬化剤(B)として、フェノール樹脂系硬化剤やポ
リカルボン酸系硬化剤を用いる場合には、当該硬化剤
(B)以外にゾル−ゲル硬化触媒を0.1%以上併用し
て、150〜250℃で硬化させるのが好ましい。なぜ
なら、メトキシシリル部位のゾル−ゲル硬化反応ではメ
タノールが発生するため、メトキシ基含有シラン変性エ
ポキシ樹脂(A)中のエポキシ基とエポキシ樹脂用硬化
剤(B)とのエポキシ基の開環・架橋反応による硬化が
進行した後に、当該メタノールが発生した場合には、発
泡やクラックを生じるからである。そのため、触媒を適
宜に選択することによってゾル−ゲル硬化反応速度を調
整する必要がある。
フィルムや成形用中間材料を得るには、上記エポキシ樹
脂組成物のエポキシ硬化剤(B)として、フェノール樹
脂系硬化剤、ポリカルボン酸系硬化剤、イミダゾール
類、ケチミン類等の潜在性硬化剤を用い、錫系のゾル−
ゲル硬化触媒を配合することが好ましい。エポキシ樹脂
組成物を用いて半硬化フィルムや成形用中間材料を作製
するには、好ましくは50〜120℃以下で加熱するこ
とにより、エポキシ樹脂組成物中にゾル−ゲル硬化によ
るシロキサン結合を70%以上、好ましくは90%以
上、生成させるようゾル−ゲル硬化反応を進行させる必
要がある。なぜなら、メトキシシリル部位のゾル−ゲル
硬化反応ではメタノールが発生するため、半硬化物作製
時のゾル−ゲル硬化の進行が少ないと、これに引き続く
完全硬化反応において硬化収縮やクラック、発泡が生じ
る可能性があるためである。
着の後、通常160℃以上250℃以下の温度で完全硬
化させて、エポキシ樹脂−シリカハイブリッド硬化物へ
と導かれる。
優れ、しかもボイド(気泡)等を生じず、柔軟な半硬化
状態を持つため加工性に優れるエポキシ樹脂硬化物を提
供することができる。また、本発明によれば、シラン変
性エポキシ樹脂の製造に用いる溶剤量を低減できるた
め、環境負荷を低減することもできる。
具体的に説明する。なお、各例中、%は特記なし限り重
量基準である。
キシ樹脂の製造) 攪拌機、分水器、温度計、窒素吹き込み口を備えた反応
装置に、ビスフェノールA型エポキシ樹脂(ジャパンエ
ポキシレジン(株)製、商品名「エピコート100
1」、エポキシ当量472g/eq、m=2.1)32
0gおよびノボラック型エポキシ樹脂(東都化成(株)
製、商品名「エポトートYDPN−638P」、エポキ
シ当量177g/eq)613.9g、グリシドール8
0.39g、メチルエチルケトン450gを加え、90
℃で溶解させた。更にポリ(メチルトリメトキシシラ
ン)(多摩化学(株)製、商品名「MTMS-A」、平
均繰り返し単位数3.5)558.2gと触媒としてジ
ブチル錫ラウレート3.5gを加え、窒素気流下にて、
100℃で3時間、分水器を用いて脱メタノール反応さ
せた。分水器を還流管に替え、更に100℃で5時間反
応させることによって、メトキシ基含有シラン変性エポ
キシ樹脂(以下、樹脂(A−1)という)を得た。な
お、仕込み時のノボラック型エポキシ樹脂(2)の重量
/ビスフェノール型エポキシ樹脂(1)の重量=1.9
2である。また、ビスフェノール型エポキシ樹脂(1)
とノボラック型エポキシ樹脂(2)との水酸基当量の合
計/メトキシシラン部分縮合物(3)のアルコキシ当量
=0.12であった。樹脂(A−1)のエポキシ当量は
330g/eqであった。
キシ樹脂(ジャパンエポキシレジン(株)製、商品名
「エピコート1001」、エポキシ当量472g/e
q、m=2.1)360gおよびノボラック型エポキシ
樹脂(東都化成(株)製、商品名「エポトートYDPN
−638P」、エポキシ当量177g/eq)502.
4g、グリシドール120.6g、メチルエチルケトン
250gを加え、90℃で溶解させた。更にポリ(テト
ラメトキシシラン)(多摩化学(株)製、商品名「MS
−51」、平均繰り返し単位数4)772.4gと触媒
としてジブチル錫ラウレート0.5gを加え、窒素気流
下にて、100℃で1.5時間、分水器を用いて脱メタ
ノール反応させた。分水器を還流管に替え、更に100
℃で6.5時間反応させることによって、メトキシ基含
有シラン変性エポキシ樹脂(以下、樹脂(A−2)とい
う)を得た。なお、仕込み時のノボラック型エポキシ樹
脂(2)の重量/ビスフェノール型エポキシ樹脂(1)
の重量=1.40である。また、ビスフェノール型エポ
キシ樹脂(1)とノボラック型エポキシ樹脂(2)との
水酸基当量の合計/メトキシシラン部分縮合物(3)の
アルコキシ当量=0.067であった。樹脂(A−2)
のエポキシ当量は350g/eqであった。
キシ樹脂(ジャパンエポキシレジン(株)製、商品名
「エピコート1001」、エポキシ当量472g/e
q、m=2.1)150gおよびノボラック型エポキシ
樹脂(東都化成(株)製、商品名「エポトートYDPN
−638P」、エポキシ当量177g/eq)513.
9g、グリシドール37.68g、メチルエチルケトン
250gを加え、95℃で溶解させた。更にポリ(メチ
ルトリメトキシシラン)(多摩化学(株)製、商品名
「MTMS-A」、平均繰り返し単位数3.5)26
1.7gと触媒としてジブチル錫ラウレート2gを加
え、窒素気流下にて、100℃で7時間、分水器を用い
て脱メタノール反応させることによって、メトキシ基含
有シラン変性エポキシ樹脂(以下、樹脂(A−3)とい
う)を得た。なお、仕込み時のノボラック型エポキシ樹
脂(2)の重量/ビスフェノール型エポキシ樹脂(1)
の重量=3.43である。また、ビスフェノール型エポ
キシ樹脂(1)とノボラック型エポキシ樹脂(2)との
水酸基当量の合計/メトキシシラン部分縮合物(3)の
アルコキシ当量=0.15であった。樹脂(A−3)の
エポキシ当量は310g/eqであった。
キシ樹脂(ジャパンエポキシレジン(株)製、商品名
「エピコート1001」、エポキシ当量472g/e
q、m=2.1)170gおよびノボラック型エポキシ
樹脂(東都化成(株)製、商品名「エポトートYDPN
−638P」、エポキシ当量177g/eq)489.
1g、グリシドール42.71g、メチルエチルケトン
225gを加え、90℃で溶解させた。更にポリ(メチ
ルトリメトキシシラン)(多摩化学(株)製、商品名
「MTMS-A」、平均繰り返し単位数3.5)29
6.5gと触媒としてジブチル錫ラウレート2gを加
え、窒素気流下にて、100℃で2時間、分水器を用い
て脱メタノール反応させた。分水器を還流管に替え、更
に100℃で6時間反応させることによって、メトキシ
基含有シラン変性エポキシ樹脂(以下、樹脂(A−4)
という)を得た。なお、仕込み時のノボラック型エポキ
シ樹脂(2)の重量/ビスフェノール型エポキシ樹脂
(1)の重量=2.88である。また、ビスフェノール
型エポキシ樹脂(1)とノボラック型エポキシ樹脂
(2)との水酸基当量の合計/メトキシシラン部分縮合
物(3)のアルコキシ当量=0.14であった。樹脂
(A−4)のエポキシ当量は310g/eqであった。
ジン(株)製、商品名「エピコート1001」、エポキ
シ当量472g/eq、m=2.1)をそのまま用い
た。以下、該樹脂を樹脂(a−1)という。
キシ樹脂(ジャパンエポキシレジン(株)製、商品名
「エピコート1001」、エポキシ当量472g/e
q、m=2.1)320gおよびノボラック型エポキシ
樹脂(東都化成(株)製、商品名「エポトートYDPN
−638P」、エポキシ当量177g/eq)613.
9gを加え、80℃で溶解させた。室温まで冷却後、更
にポリ(メチルトリメトキシシラン)(多摩化学(株)
製、商品名「MTMS-A」、平均繰り返し単位数3.
5)558.2gを混合することにより、エポキシ樹脂
組成物を得た。以下、該樹脂組成物を樹脂(a−2)と
いう。なお、仕込み時のノボラック型エポキシ樹脂
(2)の重量/ビスフェノール型エポキシ樹脂(1)の
重量=1.92である。また、ビスフェノール型エポキ
シ樹脂(1)とノボラック型エポキシ樹脂(2)との水
酸基当量の合計/メトキシシラン部分縮合物(3)のア
ルコキシ当量=0.12であった。樹脂(a−1)のエ
ポキシ当量は330g/eqであった。
キシ樹脂(ジャパンエポキシレジン(株)製、商品名
「エピコート1001」、エポキシ当量472g/e
q、m=2.1)336.0gおよびメチルエチルケト
ン268.8gを加え、70℃で溶解した。更にポリ
(テトラメトキシシラン)(多摩化学(株)製、商品名
「MS−51」、平均繰り返し単位数4)360.4g
と、触媒としてジブチル錫ジラウレート0.3gを加
え、80℃で6時間還流反応させた後、50℃まで冷却
し、メチルアルコール33.6gを加え、メトキシ基含
有シラン変性エポキシ樹脂(以下、樹脂(a−4)とい
う)を得た。ビスフェノール型エポキシ樹脂(1)の水
酸基当量/メトキシシラン部分縮合物(3)のアルコキ
シ当量=0.1であった。得られたメトキシ基含有シラ
ン変性エポキシ樹脂溶液の硬化残分は50.8%、エポ
キシ当量は1400g/eq、硬化残分中に含まれるシ
リカ量の割合は36%であった。
変性エポキシ樹脂組成物の調製とエポキシ樹脂−シリカ
ハイブリッド半硬化物の作成) 実施例1、2および比較例1〜3で得られた各樹脂に、
ノボラック型フェノール樹脂(荒川化学工業(株)製、
商品名 タマノル759)をメチルエチルケトンで50
%に希釈した溶液を、エポキシ当量/フェノール当量が
1/1となる割合で加え、オクチル酸錫を固形分当り2
%加え、エポキシ樹脂組成物とした。
化物の評価)実施例5、6および比較例4〜6で得られ
た各エポキシ樹脂組成物を、フッ素樹脂コーティングさ
れた容器(縦×横×深さ=10cm×10cm×1.5
cm)に注ぎ、80℃で1時間加熱することにより、溶
剤の揮発及びゾル−ゲル硬化を行い、エポキシ樹脂−シ
リカハイブリッド半硬化物を得た。得られた半硬化物の
状態(外観、収縮、発泡、柔軟性)を以下の基準で評価
した。結果を表1に示す。
および比較例4では、いずれも透明な半硬化物が得られ
た。しかし比較例5で得られた半硬化物は、エポキシ樹
脂とシリカの相分離によって白化しており、しかも非常
に脆いものであった。比較例6で得られた半硬化物は透
明であったが、変形させると割れてしまった。
シ樹脂−シリカハイブリッド硬化物の調製及び評価) 先に得られた半硬化物をさらに200℃で1時間加熱す
ることによってエポキシ硬化させ、完全硬化物を得た。
得られた完全硬化物の状態(外観、収縮、発泡、半硬化
物からの重量変化)を以下の基準で評価した。結果を表
2に示す。
透明な完全硬化物が得られ、半硬化物からの重量減少も
わずかであった。比較例7で得られた完全硬化物は大き
く重量減少した。比較例8で得られた完全硬化物にはエ
ポキシ樹脂とシリカの相分離によってムラ、発泡、クラ
ックがあり、非常に脆いものであった
で得られた硬化フィルムを5mm×20mmにカット
し、粘弾性測定器(レオロジ社製、商品名「DVE−V
4」、測定条件:振幅0.5μm、振動数10Hz、ス
ロープ3℃/分)を用いて動的貯蔵弾性率を測定して、
耐熱性を評価した。測定結果を図1に示す。比較例2で
は完全硬化物を成形できず、評価を行うことができなか
った。
よび比較例9では、比較例7に比べ、硬化フィルムのガ
ラス転移点は上昇しており、また、高温でも弾性率の低
下が少なく、耐熱性に優れている。
で得られた硬化フィルムを使って、熱応力歪測定装置
(セイコー電子工業(株)製、商品名 TMA120
C)で、40〜100℃の線膨張率を測定した。結果を
表3に示す。比較例9は測定に必要な膜厚のサンプルを
調製できず、検討を行えなかった。
比較例7に比べて熱膨張性が低い。
硬化フィルムの耐熱性の評価結果である。
Claims (10)
- 【請求項1】 ビスフェノール型エポキシ樹脂(1)、
ノボラック型エポキシ樹脂(2)およびメトキシシラン
部分縮合物(3)を脱メタノール縮合反応させて得られ
ることを特徴とするメトキシ基含有シラン変性エポキシ
樹脂(A)の製造方法。 - 【請求項2】 ビスフェノール型エポキシ樹脂(1)
が、エポキシ当量が230g/eqを超え1000g/
eq未満のビスフェノールA型エポキシ樹脂である請求
項1記載のメトキシ基含有シラン変性エポキシ樹脂
(A)の製造方法。 - 【請求項3】 ノボラック型エポキシ樹脂(2)がフェ
ノールノボラック型エポキシ樹脂である請求項1または
2記載のメトキシ基含有シラン変性エポキシ樹脂(A)
の製造方法。 - 【請求項4】 メトキシシラン部分縮合物(3)がメチ
ルトリメトキシシランの部分縮合物および/またはテト
ラメトキシシランの部分縮合物である請求項1〜3のい
ずれかに記載のシラン変性エポキシ樹脂(A)の製造方
法。 - 【請求項5】 ノボラックエポキシ樹脂の重量/ビスフ
ェノール型エポキシ樹脂の重量(重量比)が0.5〜5
である請求項1〜4のいずれかに記載のシラン変性エポ
キシ樹脂(A)の製造方法。 - 【請求項6】 ビスフェノール型エポキシ樹脂(1)の
水酸基とノボラック型エポキシ樹脂(2)との水酸基の
合計当量/メトキシシラン部分縮合物(3)のメトキシ
基の当量(当量比)が、0.03〜0.5である請求項
1〜5のいずれかに記載のシラン変性エポキシ樹脂
(A)の製造方法。 - 【請求項7】 請求項1〜6のいずれかに記載のメトキ
シ基含有シラン変性エポキシ樹脂(A)と潜在性エポキ
シ樹脂用硬化剤(B)とを含有することを特徴とするシ
ラン変性エポキシ樹脂組成物。 - 【請求項8】 潜在性エポキシ樹脂硬化剤(B)が、フ
ェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、
酸無水物、イミダゾール類、ケチミン化合物、ジシアン
ジアミドからなる群より選ばれる少なくとも1種である
請求項7に記載のシラン変性エポキシ樹脂組成物。 - 【請求項9】 請求項7または8記載のシラン変性エポ
キシ樹脂組成物を50〜120℃で乾燥、ゾル−ゲル硬
化させてなるエポキシ樹脂−シリカハイブリッド半硬化
物。 - 【請求項10】 請求項7〜9のいずれかに記載のシラ
ン変性エポキシ樹脂組成物または半硬化物を室温〜25
0℃で完全硬化させてなるエポキシ樹脂−シリカハイブ
リッド硬化物。
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