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KR101438840B1 - 폴리이미드 부직포 및 그 제조 방법 - Google Patents

폴리이미드 부직포 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR101438840B1
KR101438840B1 KR1020087030603A KR20087030603A KR101438840B1 KR 101438840 B1 KR101438840 B1 KR 101438840B1 KR 1020087030603 A KR1020087030603 A KR 1020087030603A KR 20087030603 A KR20087030603 A KR 20087030603A KR 101438840 B1 KR101438840 B1 KR 101438840B1
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도오루 기타가와
히사토 고바야시
야쓰오 오타
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도요보 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 고온 환경에 노출되는 용도에 있어서, 내열성, 기계적 강도, 열치수 안정성을 가지고, 매우 큰 표면적을 가지며, 높은 여과 성능을 나타내는 부직포를 얻는 것을 목적으로 한다.
적어도 방향족 테트라카르복실산류와 벤조옥사졸 구조를 갖는 방향족 디아민으로부터 중축합하여 얻어지는 폴리이미드의 섬유 직경이 0.001 ㎛∼1 ㎛의 섬유인 부직포이고, 적어도 방향족 테트라카르복실산류와 벤조옥사졸 구조를 갖는 방향족 디아민으로부터 중축합하여 얻어지는 폴리아미드산을 하전 방사하여 폴리이미드 전구체 부직포를 형성하는 공정, 폴리이미드 전구체 섬유군을 이미드화 처리하는 공정으로부터 얻어진다.

Description

폴리이미드 부직포 및 그 제조 방법{POLYIMIDE NONWOVEN FABRIC AND PROCESS FOR PRODUCTION THEREOF}
본 발명은, 폴리이미드의 섬유 직경이 0.001 ㎛∼1 ㎛의 섬유로 이루어지는 저선팽창계수를 갖는 부직포와 그 제조 방법에 관한 것이다. 자세히는, 적어도 방향족 테트라카르복실산류와 벤조옥사졸 구조를 갖는 방향족 디아민으로부터 중축합하여 얻어지는 폴리이미드로부터 얻어지는 부직포에 관한 것이다.
최근 반도체, 액정 패널, 프린트 배선판 등의 전자 분야나 버그 필터 등의 환경 분야, 우주, 항공 분야 등의 유기 재료 개발에 있어서, 지금까지 이상으로 내열성, 기계적 특성 및 전기적 특성을 요구하고 있다. 예컨대, 전자 분야에서는, 휴대전화나 퍼스널 컴퓨터의 소형화·경량화·고밀도 배선화에 따라, 내부 기기나 충전지의 소형화가 진행되고 있는데, 사용시의 내부 축열 온도는 계속 증가하고 있는 것이 이유이다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 각 분야에서, 폴리이미드 수지가, 막, 필름, 몰드 성형체, 부직포, 초지(抄紙)라는 여러 가지 형태로 개발되어 이용되고 있다. 새로운 시도로서, 최근, 섬유 직경이 1 ㎛ 이하의 폴리이미드인 나노오더 섬유(나노파이버)가 검토되고 있다. 섬유 직경이 작은 섬유의 집합체를 제조하는 방법으로서, 복합 방사법, 고속 방사법, 하전 방사법 등이 있지만, 그 중, 하전 방사법은, 다른 방법보다 간편하게, 적은 공정수로 방사하는 것이 가능하다. 액체(예컨대, 섬유를 형성하는 고분자를 함유하는 용액, 용융시킨 고분자)에 고전압을 거는 것에 의해 액체에 전하를 부여하여, 액체를 대극 물질을 향해 끌게 하고, 섬유를 형성시킨다. 섬유를 형성하는 고분자는 용액으로부터 끌어당겨져, 대극 물질에 포착되기까지의 사이에 섬유를 형성한다. 섬유 형성은, 예컨대 섬유를 형성하는 고분자를 함유하는 용액을 이용한 경우는 용매 증발에 의해, 용융시킨 고분자를 이용한 경우는 냉각에 의해, 또는 화학적 경화에 의해 행해진다. 또한, 얻어지는 섬유는, 필요에 따라 배치된 포집체 위에 포집되고, 필요하면 포집체로부터 박리되어, 섬유의 집합체로서 이용하는 것도 가능하다. 또한, 부직포형의 섬유의 집합체를 직접 얻는 것이 가능하기 때문에, 다른 방법과 같이, 일단 섬유를 방사한 후, 섬유의 집합체를 형성할 필요가 없다.(예컨대 특허 문헌 1∼3 참조).
폴리이미드 수지를 이용한 나노파이버로서, 일반적인 방향족 테트라카르복실산과 방향족 디아민으로 이루어지는 열경화성 폴리이미드를 이용하고, 0.001 ㎛∼1 ㎛의 평균 섬유 직경을 갖는 폴리아미드산 부직포 및 그것을 이미드화한 폴리이미드 부직포(특허 문헌 4)나 용제 가용형의 폴리이미드 수지를 이용하며, 섬유 직경 1 ㎛ 이하의 폴리이미드 극세 섬유로 이루어지는 리튬 2차 전지용 세퍼레이터(특허 문헌 5)가 제안되어 있다. 그러나, 이들은 사용 분야에서 요구되는 선팽창계수와 같은 열치수 안정성을 충분히 만족하는 것이 아니다.
특허 문헌 1: 일본 특허 공고 소48-1466호 공보
특허 문헌 2: 일본 특허 공개 소63-145465호 공보
특허 문헌 3: 일본 특허 공개 제2002-249966호 공보
특허 문헌 4: 일본 특허 공개 제2004-308031호 공보
특허 문헌 5: 일본 특허 공개 제2005-19026호 공보
본 발명은, 전술된 것과 같은 문제점을 해결하기 위해 행해진 것으로, 폴리이미드의 섬유 직경이 0.001 ㎛∼1 ㎛의 섬유로 이루어지는 저선팽창계수를 갖는 부직포를 제공하는 것에 있다. 자세히는, 적어도 방향족 테트라카르복실산류와 벤조옥사졸 구조를 갖는 방향족 디아민으로부터 중축합하여 얻어지는 폴리이미드로부터 얻어지는 저선팽창계수를 갖는 부직포를 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 이하와 같다.
1. 적어도 방향족 테트라카르복실산류와 벤조옥사졸 구조를 갖는 방향족 디아민으로부터 중축합하여 얻어지는 폴리이미드로 이루어지고, 섬유 직경이 0.001 ㎛∼1 ㎛인 부직포.
2. 선팽창계수가 -6 ppm/℃∼14 ppm/℃인 부직포.
3. 방향족 테트라카르복실산류와 벤조옥사졸 구조를 갖는 방향족 디아민으로부터 중축합하여 얻어지는 폴리아미드산을 하전 방사하여 폴리이미드 전구체 부직포를 형성하는 공정, 폴리이미드 전구체 섬유군을 이미드화 처리하여 섬유 직경이 0.001 ㎛∼1 ㎛인 부직포를 형성하는 공정을 포함한 부직포의 제조 방법.
4. 선팽창계수가 -6 ppm/℃∼14 ppm/℃인 청구항 3에 기재한 부직포의 제조 방법.
5. 폴리이미드 전구체 고분자와 유기 용매를 주성분으로 하는 용액에 고전압을 인가하여 하전 방사함으로써, 포집 기판에 폴리이미드 전구체 섬유를 포집하는 것을 특징으로 하는 부직포의 제조 방법.
6. 폴리이미드 전구체 고분자와 유기 용매를 주성분으로 하는 용액에 고전압을 인가하여 하전 방사함으로써, 적층하는 기재 위에 직접 폴리이미드 전구체 섬유를 포집하고, 적층하는 것을 특징으로 하는 부직포의 제조 방법.
발명의 효과
본 발명에 의해 얻어지는 부직포의 용도는, 얻어지는 부직포는 매우 큰 표면적을 가지며, 여과 성능, 내열성, 기계적 물성, 열치수 안정성이 우수하기 때문에, 버그 필터, 공기 청정기용 필터, 정밀기기용 필터, 자동차, 열차 등의 캐빈 필터, 엔진 필터, 및 빌딩 공기 조절용 필터 등, 각종 에어 필터 용도로 이용할 수 있다. 특히 내열성, 기계적 강도, 열치수 안정성이 요구되는 공기 정화 용도나 오일 필터 등의 액체 필터 분야나 경소단박(輕小短薄)인 전자 회로의 절연성 기판이나 충방전시(充放電時)의 전지 내부가 고온이 되는 2차 전지 세퍼레이터 등의 전자 용도 등으로서 유효하게 이용할 수 있다. 특히 고온 환경에 노출되는 용도에는 유효하다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
본 발명에 있어서의 폴리이미드 섬유에 사용되는 폴리이미드는, 적어도 방향족 테트라카르복실산(무수물)류와 벤조옥사졸 구조를 갖는 방향족 디아민을 중축합하여 얻어지는 폴리이미드이면, 특별히 한정되는 것이 아니다. 용매 중에서 방향족 디아민류와 방향족 테트라카르복실산(무수물)류를 (개환)중부가 반응에 제공하여 폴리이미드 전구체인 폴리아미드산의 용액을 얻고, 계속해서, 이 폴리아미드산의 용액으로부터, 하전 방사 등으로 0.001 ㎛∼1 ㎛의 섬유 직경을 갖는 섬유군을 제조하며, 이 폴리이미드 전구체 섬유군을 건조·열처리·탈수 축합(이미드화) 등을 함으로써 폴리이미드 섬유군인 부직포로 하는 것이면 좋다.
이 폴리이미드 벤조옥사졸이 사용되는, 벤조옥사졸 구조를 갖는 방향족 디아민류로서, 하기의 화합물을 예시할 수 있다.
5-아미노-2-(p-아미노페닐)벤조옥사졸
Figure 112008086334231-pct00001
6-아미노-2-(p-아미노페닐)벤조옥사졸
Figure 112008086334231-pct00002
5-아미노-2-(m-아미노페닐)벤조옥사졸
Figure 112008086334231-pct00003
6-아미노-2-(m-아미노페닐)벤조옥사졸
Figure 112008086334231-pct00004
2,2'-p-페닐렌비스(5-아미노벤조옥사졸)
Figure 112008086334231-pct00005
2,2'-p-페닐렌비스(6-아미노벤조옥사졸)
Figure 112008086334231-pct00006
1-(5-아미노벤조옥사졸로)-4-(6-아미노벤조옥사졸로)벤젠
Figure 112008086334231-pct00007
2,6-(4,4'-디아미노디페닐)벤조[1,2-d:5,4-d']비스옥사졸
Figure 112008086334231-pct00008
2,6-(4,4'-디아미노디페닐)벤조[1,2-d:4,5-d']비스옥사졸
Figure 112008086334231-pct00009
2,6-(3,4'-다이미노디페닐)벤조[1,2-d:5,4-d']비스옥사졸
Figure 112008086334231-pct00010
2,6-(3,4'-디아미노디페닐)벤조[1,2-d:4,5-d']비스옥사졸
Figure 112008086334231-pct00011
2,6-(3,3'-디아미노디페닐)벤조[1,2-d:5,4-d']비스옥사졸
Figure 112008086334231-pct00012
2,6-(3,3'-디아미노디페닐)벤조[1,2-d:4,5-d']비스옥사졸
Figure 112008086334231-pct00013
이들 중에서도, 합성하기 쉬운 관점에서, 아미노(아미노페닐)벤조옥사졸의 각 이성체가 바람직하다. 여기서, 「각 이성체」란, 아미노(아미노페닐)벤조옥사졸이 갖는 2개의 아미노기가 배위 위치에 따라 정해지는 각 이성체이다(예; 상기 「화학식 1」∼「화학식 4」에 기재한 각 화합물). 이들 디아민은, 단독으로 이용하여도 좋고, 이종 이상을 병용하여도 좋다.
본 발명에서는, 상기 벤조옥사졸 구조를 갖는 방향족 디아민을 70 몰% 이상 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명은, 상기 사항에 한정되지 않고 하기의 방향족 디아민을 사용하여도 좋지만, 바람직하게는 전체 방향족 디아민의 30몰% 미만이면 하기에 예시되는 벤조옥사졸 구조를 갖지 않는 디아민류를 일종 또는 이종 이상, 병용한 폴리이미드이다.
이와 같은 디아민류로서는, 예컨대 4,4'-비스(3-아미노페녹시)바이페닐, 비스[4-(3-아미노페녹시)페닐]케톤, 비스[4-(3-아미노페녹시)페닐]술피드, 비스[4-(3-아미노페녹시)페닐]술폰, 2,2-비스[4-(3-아미노페녹시)페닐]프로판, 2,2-비스[4-(3-아미노페녹시)페닐]-1,1,1,3,3,3-헥사플루오로프로판, m-페닐렌디아민, o-페닐렌디아민, p-페닐렌디아민, m-아미노벤질아민, p-아미노벤질아민,
3,3'-디아미노디페닐에테르, 3,4'-디아미노디페닐에테르, 4,4'-디아미노디페 닐에테르, 3,3'-디아미노디페닐술피드, 3,3'-디아미노디페닐설폭시드, 3,4'-디아미노디페닐설폭시드, 4,4'-디아미노디페닐설폭시드, 3,3'-디아미노디페닐술폰, 3,4'-디아미노디페닐술폰, 4,4'-디아미노디페닐술폰, 3,3'-디아미노벤조페논, 3,4'-디아미노벤조페논, 4,4'-디아미노벤조페논, 3,3'-디아미노디페닐메탄, 3,4'-디아미노디페닐메탄, 4,4'-디아미노디페닐메탄, 비스[4-(4-아미노페녹시)페닐]메탄, 1,1-비스[4-(4-아미노페녹시)페닐]에탄, 1,2-비스[4-(4-아미노페녹시)페닐]에탄, 1,1-비스(4-아미노페녹시)페닐]프로판, 1,2-비스[4-(4-아미노페녹시)페닐]프로판, 1,3-비스[4-(4-아미노페녹시)페닐]프로판, 2,2-비스[4-(4-아미노페녹시)페닐]프로판,
1,1-비스[4-(4-아미노페녹시)페닐]부탄, 1,3-비스[4-(4-아미노페녹시)페닐]부탄, 1,4-비스[4-(4-아미노페녹시)페닐]부탄, 2,2-비스[4-(4-아미노페녹시)페닐]부탄, 2, 3-비스[4-(4-아미노페녹시)페닐]부탄, 2-[4-(4-아미노페녹시)페닐]-2-[4-(4-아미노페녹시)-3-메틸페닐]프로판, 2,2-비스[4-(4-아미노페녹시)-3-메틸페닐]프로판, 2-[4-(4-아미노페녹시)페닐]-2-[4-(4-아미노페녹시)-3, 5-디메틸페닐]프로판, 2,2-비스[4-(4-아미노페녹시)-3, 5-디메틸페닐]프로판, 2,2-비스[4-(4-아미노페녹시)페닐]-1,1,1,3,3,3-헥사플루오로프로판,
1,4-비스(3-아미노페녹시)벤젠, 1,3-비스(3-아미노페녹시)벤젠, 1,4-비스(4-아미노페녹시)벤젠, 4,4'-비스(4-아미노페녹시)바이페닐, 비스[4-(4-아미노페녹시)페닐]케톤, 비스[4-(4-아미노페녹시)페닐]술피드, 비스[4-(4-아미노페녹시)페닐]설폭시드, 비스[4-(4-아미노페녹시)페닐]술폰, 비스[4-(3-아미노페녹시)페닐]에테르, 비스[4-(4-아미노페녹시)페닐]에테르, 1,3-비스[4-(4-아미노페녹시)벤조일]벤젠, 1,3-비스[4-(3-아미노페녹시)벤조일]벤젠, 1,4-비스[4-(3-아미노페녹시)벤조일]벤젠, 4,4'-비스[(3-아미노페녹시)벤조일]벤젠, 1,1-비스[4-(3-아미노페녹시)페닐]프로판, 1,3-비스[4-(3-아미노페녹시)페닐]프로판, 3,4'-디아미노디페닐술피드,
2,2-비스[3-(3-아미노페녹시)페닐]-1,1,1,3,3,3-헥사플루오로프로판, 비스[4-(3-아미노페녹시)페닐]메탄, 1,1-비스[4-(3-아미노페녹시)페닐]에탄, 1,2-비스[4-(3-아미노페녹시)페닐]에탄, 비스[4-(3-아미노페녹시)페닐]설폭시드, 4,4'-비스[3-(4-아미노페녹시)벤조일]디페닐에테르, 4,4'-비스[3-(3-아미노페녹시)벤조일]디페닐에테르, 4,4'-비스[4-(4-아미노-α,α-디메틸벤질)페녹시]벤조페논, 4,4'-비스[4-(4-아미노-α,α-디메틸벤질)페녹시]디페닐술폰, 비스[4-{4-(4-아미노페녹시)페녹시}페닐]술폰, 1,4-비스[4-(4-아미노페녹시)페녹시-α,α-디메틸벤질]벤젠, 1,3-비스[4-(4-아미노페녹시)페녹시-α,α-디메틸벤질]벤젠, 1,3-비스[4-(4-아미노-6-트리플루오로메틸페녹시)-α,α-디메틸벤질]벤젠, 1,3-비스[4-(4-아미노-6-플루오로페녹시)-α,α-디메틸벤질]벤젠, 1,3-비스[4-(4-아미노-6-메틸페녹시)-α,α-디메틸벤질]벤젠, 1,3-비스[4-(4-아미노-6-시아노페녹시)-α,α-디메틸벤질]벤젠,
3,3'-디아미노-4,4'-디페녹시벤조페논, 4,4'-디아미노-5,5'-디페녹시벤조페논, 3,4'-디아미노-4,5'-디페녹시벤조페논, 3,3'-디아미노-4-페녹시벤조페논, 4,4'-디아미노-5-페녹시벤조페논, 3,4'-디아미노-4-페녹시벤조페논, 3,4'-디아미노-5'-페녹시벤조페논, 3,3'-디아미노-4,4'-디페녹시벤조페논, 4,4'-디아미노-5,5'-디페녹시벤조페논, 3,4'-디아미노-4,5'-디페녹시벤조페논, 3,3'-디아미노-4-페녹시벤조페논, 4,4'-디아미노-5-비페녹시벤조페논, 3,4'-디아미노-4-비페녹시벤조페논, 3,4'-디아미노-5'-비페녹시벤조페논, 1,3-비스(3-아미노-4-페녹시벤조일)벤젠, 1,4-비스(3-아미노-4-페녹시벤조일)벤젠, 1,3-비스(4-아미노-5-페녹시벤조일)벤젠, 1,4-비스(4-아미노-5-페녹시벤조일)벤젠, 1,3-비스(3-아미노-4-비페녹시벤조일)벤젠, 1,4-비스(3-아미노-4-비페녹시벤조일)벤젠, 1,3-비스(4-아미노-5-비페녹시벤조일)벤젠, 1,4-비스(4-아미노-5-비페녹시벤조일)벤젠, 2,6-비스[4-(4-아미노-α,α-디메틸벤질)페녹시]벤조니트릴 및 상기 방향족 디아민에서의 방향환 위의 수소 원자의 일부 또는 모두가 할로겐 원자, 탄소수 1∼3개의 알킬기 또는 알콕시기, 시아노기, 또는 알킬기 또는 알콕시기의 수소 원자의 일부 또는 모두가 할로겐 원자로 치환된 탄소수 1∼3개의 할로겐화 알킬기 또는 알콕시기로 치환된 방향족 디아민 등을 들 수 있다.
본 발명에서 이용되는 방향족 테트라카르복실산류는 예컨대 방향족 테트라카르복실산 무수물류이다. 방향족 테트라카르복실산 무수물류로서는, 구체적으로는 이하의 것을 들 수 있다.
피로멜리트산 무수물
Figure 112008086334231-pct00014
3,3',4,4'-피페닐테트라카르복실산 무수물
Figure 112008086334231-pct00015
4,4'-옥시디프탈산 무수물
Figure 112008086334231-pct00016
3,3',4,4'-벤조페논테트라카르복실산 무수물
Figure 112008086334231-pct00017
3,3',4,4'-디페닐술폰테트라카르복실산 무수물
Figure 112008086334231-pct00018
2,2-비스[4-(3,4-디카르복시페녹시)페닐]프로판산 무수물
Figure 112008086334231-pct00019
이들 테트라카르복실산 이무수물은 단독으로 이용하여도 좋고, 이종 이상을 병용하여도 좋다.
본 발명에서는, 전체 테트라카르복실산 이무수물의 30몰% 미만이면 하기에 예시되는 비방향족의 테트라카르복실산 이무수물류를 일종 또는 이종 이상, 병용하여도 상관없다. 이와 같은 테트라카르복실산 무수물로서는, 예컨대 부탄-1,2,3,4-테트라카르복실산 이무수물, 펜탄-1,2,4,5-테트라카르복실산 이무수물, 시클로부탄테트라카르복실산 이무수물, 시클로펜탄-1,2,3,4-테트라카르복실산 이무수물, 시클로헥산-1,2,4,5-테트라카르복실산 이무수물, 시클로헥사-1-엔-2,3,5,6-테트라카르복실산 이무수물, 3-에틸시클로헥사-1-엔-3-(1,2),5,6-테트라카르복실산 이무수물, 1-메틸-3-에틸시클로헥산-3-(1,2),5,6-테트라카르복실산 이무수물, 1-메틸-3-에틸시클로헥사-1-엔-3-(1,2),5,6-테트라카르복실산 이무수물, 1-에틸시클로헥산-1- (1,2),3,4-테트라카르복실산 이무수물, 1-프로필시클로헥산-1-(2,3),3,4-테트라카르복실산 이무수물, 1,3-디프로필시클로헥산-1-(2,3),3-(2,3)-테트라카르복실산 이무수물, 디시클로헥실-3,4,3',4'-테트라카르복실산 이무수물.
비시클로[2.2.1]헵탄-2,3,5,6-테트라카르복실산 이무수물, 1-프로필시클로헥산-1-(2,3),3,4-테트라카르복실산 이무수물, 1,3-디프로필시클로헥산-1-(2,3),3-(2,3)-테트라카르복실산 이무수물, 디시클로헥실-3,4,3',4'-테트라카르복실산 이무수물, 비시클로[2.2.1]헵탄-2,3,5,6-테트라카르복실산 이무수물, 비시클로[2.2.2]옥탄-2,3,5,6-테트라카르복실산 이무수물, 비시클로[2.2.2]옥토-7-엔-2,3,5,6-테트라카르복실산 이무수물 등을 들 수 있다. 이들 테트라카르복실산 이무수물은 단독으로 이용하여도 좋고, 이종 이상을 병용하여도 좋다.
상기 방향족 디아민류와, 방향족 테트라카르복실산(무수물)류를 중축합(중합)하여 폴리아미드산을 얻을 때에 이용하는 용매는, 원료가 되는 단량체 및 생성하는 폴리아미드산 중 어느 것이라도 용해하는 것이면 특별히 한정되지 않지만, 극성 유기 용매가 바람직하고, 예컨대 N-메틸-2-피롤리돈, N-아세틸-2-피롤리돈, N, N-디메틸포름아미드, N, N-디에틸포름아미드, N, N-디메틸아세트아미드, 디메틸설폭시드, 헥사메틸포스포릭아미드, 에틸셀로솔브아세테이트, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 설포란, 할로겐화페놀류 등을 들을 수 있다. 이들 용매는, 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 용매의 사용량은, 원료가 되는 단량체를 용해하는 데 충분한 양이면 좋고, 구체적인 사용량으로서는 단량체를 용해한 용액에 차지하는 단량체의 질량이, 통상 5 질량%∼40 질량%, 바람직하게는 10 질량%∼30 질량%가 되는 양을 들 수 있다.
폴리아미드산을 얻기 위한 중합 반응(이하, 단순히 「중합 반응」이라고 함)의 조건은 종래 공지의 조건을 적용하면 좋고, 구체예로서, 유기 용매 중, 0℃∼80℃의 온도 범위에서, 10분∼30시간 연속하여 교반 및/또는 혼합하는 것을 들 수 있다. 필요에 따라 중합 반응을 분할하거나, 온도를 조정하여도 상관없다. 이 경우에, 양 단량체의 첨가 순서에는 특별히 제한은 없지만, 방향족 디아민류의 용액 중에 방향족 테트라카르복실산 무수물류를 첨가하는 것이 바람직하다. 중합 반응에 의해 얻어지는 폴리아미드산 용액에 차지하는 폴리아미드산의 질량은, 바람직하게는 5 질량%∼40 질량%, 보다 바람직하게는 10 질량%∼30 질량%이고, 상기 용액의 점도는 브룩필드 점도계에 의한 측정(25℃)으로, 액 공급의 안정성 측면에서, 바람직하게는 10 Pa·s∼2000 Pa·s이고, 보다 바람직하게는 100 Pa·s∼1000 Pa·s이다.
본 발명에서의 폴리아미드산의 환원 점도(ηsp/C)는, 특별히 한정하는 것이 아니지만 3.0 dl/g 이상이 바람직하고, 3.5 dl/g 이상이 보다 바람직하다.
중합 반응 중에 진공 탈포하는 것은, 양질인 폴리아미드산의 유기 용매 용액을 제조하는 데 유효하다. 또한, 중합 반응 전에 방향족 디아민류에 소량의 말단 밀봉제를 첨가하여 중합을 제어하는 것을 행하여도 좋다. 말단 밀봉제로서는, 무수말레산 등이라고 하는 탄소-탄소 이중 결합을 갖는 화합물을 들 수 있다. 무수 말레산을 사용하는 경우의 사용량은, 방향족 디아민류 1몰 당 바람직하게는 0.001∼1.0몰이다.
고온 처리에 의한 이미드화 방법으로서는, 종래 공지의 이미드화 반응을 적절하게 이용하는 것이 가능하다. 예컨대 폐환 촉매나 탈수제를 포함하지 않는 폴리아미드산 용액을 이용하여 가열 처리에 제공함으로써 이미드화 반응을 진행시키는 방법(소위, 열폐환법)이나 폴리아미드산 용액에 폐환 촉매 및 탈수제를 함유시켜 두고 상기 폐환 촉매 및 탈수제의 작용에 의해 이미드화 반응을 행하게 하는 화학 폐환법을 들 수 있다.
열폐환법의 가열 최고 온도는, 100℃∼500℃가 예시되고, 바람직하게는 200℃∼480℃이다. 가열 최고 온도가 이 범위보다 낮으면 충분히 잘 폐환되지 않게 되고, 또한 이 범위보다 높으면 열화가 진행되어, 복합체가 취약해지기 쉬워진다. 보다 바람직한 양태로서는, 150℃∼250℃로 3∼20 분간 처리한 후에 350℃∼500℃로 3∼20분간 처리하는 2단계 열처리를 들 수 있다.
화학 폐환법으로는, 폴리아미드산 용액의 이미드화 반응을 일부 진행시켜 자기 지지성을 갖는 폴리이미드 전구체를 형성한 후에, 가열에 의해 이미드화를 완전히 행하게 할 수 있다.
이 경우, 이미드화 반응을 일부 진행시키는 조건으로서는, 바람직하게는 100℃∼200℃에 의한 3∼20분간의 열처리이고, 이미드화 반응을 완전히 행하게 하기 위한 조건은, 바람직하게는 200℃∼400℃에 의한 3∼20분간의 열처리이다.
폐환 촉매를 폴리아미드산 용액에 가하는 타이밍은 특별히 한정은 없고, 폴리아미드산을 얻기 위한 중합 반응을 행하기 전에 미리 가해 두어도 좋다. 폐환 촉매의 구체예로서는, 트리메틸아민, 트리에틸아민 등이라고 하는 지방족 제3급 아민 이나, 이소퀴놀린, 피리딘, 베타피콜린 등이라고 하는 복소환식 제3급 아민 등을 들 수 있고, 그 중에서도, 복소환식 제3급 아민으로부터 선택되는 적어도 일종의 아민이 바람직하다. 폴리아미드산 1몰에 대한 폐환 촉매의 사용량은 특별히 한정은 없지만, 바람직하게는 0.5몰∼8몰이다.
탈수제를 폴리아미드산 용액에 가하는 타이밍도 특별히 한정은 없고, 폴리아미드산을 얻기 위한 중합 반응을 행하기 전에 미리 가해 두어도 좋다. 탈수제의 구체예로서는, 무수초산, 무수프로피온산, 무수부티르산 등이라고 하는 지방족 카르복실산 무수물이나, 무수안식향산 등이라고 하는 방향족 카르복실산 무수물 등을 들 수 있고, 그 중에서도, 무수초산, 무수안식향산 또는 이들의 혼합물이 바람직하다. 또한, 폴리아미드산 1몰에 대한 탈수제의 사용량은 특별히 한정은 없지만, 바람직하게는 0.1몰∼4몰이다. 탈수제를 이용하는 경우에는, 아세틸아세톤 등이라고 하는 겔화지연제를 병용하여도 좋다.
본 발명에서는, 정전 방사에 의해 얻어지는 부직포의 여러 가지 특성을 개선할 목적으로, 무기 또는 유기 필러 등의 첨가제를 배합할 수도 있다. 폴리아미드산과 친화성이 낮은 첨가제의 경우, 그 크기는, 얻어지는 폴리아미드산 섬유의 직경보다 작은 것이 바람직하다. 큰 것이면, 하전 방사 중에 첨가제가 석출되고, 실의 끊김을 일으키는 원인이 된다. 첨가제를 배합하는 방법으로서는, 예컨대 필요량의 첨가제를 폴리아미드산 중합의 반응계 중에 미리 첨가해 두는 방법과 폴리아미드산 중합의 반응 종료 후에 필요량의 첨가제를 첨가하는 방법을 들 수 있다. 중합 저해를 하지 않는 첨가제의 경우는 전자 쪽이 균일하게 첨가제의 분산된 부직포를 얻을 수 있기 때문에 바람직하다.
폴리아미드산의 중합 반응 종료 후에 필요량의 첨가제를 첨가하는 방법의 경우, 초음파에 의한 교반, 호모게나이저 등에 의한 기계적인 강제 교반이 이용된다. 본 발명의 폴리아미드산 부직포는 평균 섬유 직경이 0.001 ㎛∼1 ㎛인 섬유로부터 형성된다. 평균 섬유 직경이 0.001 ㎛보다 작으면, 자기 지지성이 부족하기 때문에 바람직하지 않다. 또한 평균 섬유 직경이 1 ㎛보다 크면 표면적이 작아져 바람직하지 않다. 바람직한 평균 섬유 직경은 0.01 ㎛∼0.5 ㎛이다. 예컨대 에어 필터 용도의 경우는 더 바람직하게는 0.001 ㎛∼0.3 ㎛이다. 섬유 직경은 가늘수록, 높은 포집 효율을 얻을 수 있어 바람직하고, 특히 0.5 ㎛보다 가늘어지면 통상의 부직포 필터와 비교하여 통기 저항이 작아지는 슬립 플로 효과가 발현되기 때문에 보다 바람직하다. 0.001 ㎛보다 가늘어지면, 부직포 강도가 저하되거나 보풀에 의한 핸들링성이 좋지 않게 된다.
본 발명의 폴리이미드 부직포를 제조하는 방법으로서는, 0.001 ㎛∼1 ㎛의 섬유 직경의 섬유 등을 얻을 수 있는 방법이면 특별히 한정되지 않지만, 정전 방사법(이하, 하전 방사법이라고도 함)이 바람직하다. 이하 정전 방사법에 의해 제조하는 방법에 대해서 상세히 설명한다.
본 발명에서 이용하는 정전 방사법이란, 용액 방사의 일종이고, 일반적으로는 폴리머 용액에 플러스의 고전압을 부여하여, 그것이 어스나 마이너스에 대전한 표면에 스프레이되는 과정에서 섬유화를 일으키게 하는 방법이다. 정전 방사 장치의 일례를 도 1에 도시한다. 도면에 있어서, 정전 방사 장치(1)에는, 섬유의 원료 가 되는 폴리머를 토출하는 방사 노즐(2)과 방사 노즐(2)에 대향하여, 대향 전극(5)이 배치되어 있다. 이 대향 전극(5)은 어스되어 있다. 고전압을 걸고 하전한 폴리머 용액은, 방사 노즐(2)로부터 대극 전극(5)을 향해 분사된다. 이 때, 섬유화된다. 폴리이미드를 유기 용매에 용해한 용액을 전극 사이에서 형성된 정전기장 중에 토출하고, 용액을 대향 전극을 향하여 끌며, 형성되는 섬유상 물질을 포집 기판에 누적하는 것에 의해 부직포를 얻을 수 있다. 여기서 말하는 부직포란 이미 용액의 용매가 증류 제거되고, 부직포로 되어 있는 상태뿐만 아니라, 용액의 용매를 포함하고 있는 상태도 나타내고 있다.
용매를 포함한 부직포의 경우, 정전 방사 후에, 용제 제거를 행한다. 용제를 제거하는 방법으로서는, 예컨대 빈용매 중에 침지시켜, 용제를 추출하는 방법이나 열처리에 의해 잔존 용제를 증발시키는 방법 등을 들 수 있다.
용액조(3)로서는, 재질은 사용하는 유기 용제에 대하여 내성이 있는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 또한, 용액조(3) 중의 용액은, 기계적으로 압출되는 방식이나 펌프 등에 의해 흡출되는 방식 등에 의해, 전기장 내에 토출할 수 있다.
방사 노즐(2)로서는, 내경 0.1 ㎜∼3 ㎜ 정도의 것이 바람직하다. 노즐 재질로서는, 금속제라도, 비금속제라도 좋다. 노즐이 금속제이면 노즐을 한쪽 전극으로서 사용할 수 있고, 노즐이 비금속제인 경우에는, 노즐 내부에 전극을 설치함으로써, 압출한 용해액에 전계를 작용시킬 수 있다. 생산 효율을 고려하여, 노즐을 복수개 사용하는 것도 가능하다. 또한, 일반적으로는 노즐 형상으로서는, 원형 단면의 것을 사용하지만, 폴리머종이나 사용 용도에 따라서, 이형 단면의 노즐 형상을 이용하는 것도 가능하다.
대향 전극(5)으로서는, 도 1에 도시하는 롤형의 전극이나 평판형, 벨트형의 금속제 전극 등의 용도에 따라서, 여러 가지 형상의 전극을 사용할 수 있다.
또한, 지금까지의 설명은, 전극이 섬유를 포집하는 기판을 겸하는 경우이지만, 전극 사이에 포집하는 기판이 되는 것을 설치함으로써, 거기에 폴리이미드 섬유를 포집하여도 좋다. 이 경우, 예컨대 벨트형의 기판을 전극 사이에 설치함으로써, 연속적인 생산도 가능해진다.
또한, 한 쌍의 전극으로 형성되어 있는 것이 일반적이지만, 또 다른 전극을 도입하는 것도 가능하다. 한 쌍의 전극으로 방사를 행하고, 또한 도입한 전위가 상이한 전극에 의해서, 전기장 상태를 제어하며, 방사 상태를 제어하는 것도 가능하다.
전압 인가 장치(4)는 특별히 한정되는 것이 아니지만, 직류 고전압 발생 장치를 사용할 수 있는 것 외에, 밴더그래프 정전발전기를 이용할 수도 있다. 또한 인가 전압은 특별히 한정하는 것이 아니지만, 일반적으로 3 kV∼100 kV, 바람직하게는 5 kV∼50 kV, 한층 더 바람직하게는 5 kV∼30 kV이다. 또한, 인가 전압의 극성은 플러스와 마이너스 중 어느 것이라도 좋다.
전극 사이의 거리는, 하전량, 노즐 치수, 방사액 유량, 방사액 농도 등에 의존하지만, 10 kV∼15 kV일 때에는 5 ㎝∼20 ㎝의 거리가 적절했다.
하전 방사를 하는 분위기로서, 일반적으로는 공기 중에서 행하지만, 이산화탄소 등의 공기보다 방전 시작 전압이 높은 기체 중에서 하전 방사를 행함으로써, 저전압에서의 방사가 가능해지고, 코로나 방전 등의 이상 방전을 막을 수도 있다. 또한 물이 폴리머의 빈용매인 경우, 방사 노즐 근방에서의 폴리머 석출이 발생하는 경우가 있다. 이 때문에 공기 중의 수분을 저하시키기 위해, 건조 유닛을 통과시킨 공기 중에서 행하는 것이 바람직하다.
다음으로 포집 기판에 누적되는 부직포를 얻는 단계에 대해서 설명한다. 본 발명에서는, 이 용액을 포집 기판을 향해 방사하는 동안에, 조건에 따라서 용매가 증발하여 섬유상 물질이 형성된다. 통상의 실온이면 포집 기판 위에 포집될 때까지의 사이에 용매는 완전히 증발하지만, 만약 용매 증발이 불충분한 경우는 감압 조건하에서 방사하여도 좋다. 이 포집 기판 위에 포집된 시점으로 느려도 본 발명의 섬유가 형성되어 있다. 또한, 방사하는 온도는 용매의 증발 거동이나 방사액의 점도에 의존하지만, 통상은 0℃∼50℃이다. 그리고 다공질 섬유가 포집 기판에 누적되어 부직포가 더 제조된다.
본 발명의 부직포의 단위 중량은 사용 용도에 따라 결정되는 것이고, 특별히 한정되는 것이 아니지만, 1 g/m2∼50 g/m2인 것이 바람직하다. 여기서 말하는 단위 중량은 JIS-L1085에 준한 것이다.
본 발명의 부직포의 단위 중량은 사용 용도에 따라 결정되는 것이고, 특별히 한정되는 것이 아니지만, 예컨대 에어필터 용도에서는 0.05 g/m2∼50 g/m2인 것이 바람직하다. 여기서 말하는 단위중량은 JIS-L1085에 준한 것이다. 0.05 g/m2 이하이 면, 필터 포집 효율이 낮아 바람직하지 않고, 50 g/m2 이상이면, 필터 통기 저항이 너무 높아지기 때문에 바람직하지 않다.
본 발명의 부직포의 두께는 사용 용도에 따라서 결정되는 것이고, 특별히 한정되는 것이 아니지만, 예컨대 에어 필터 용도에 있어서는 1 ㎛∼100 ㎛인 것이 바람직하다. 여기서 말하는 두께는 마이크로미터로 측정한 것이다.
본 발명에 의해 얻어지는 부직포는, 단독으로 이용하여도 좋지만, 취급성이나 용도에 따라서, 다른 부재와 조합하여 사용하여도 좋다. 예컨대 포집 기판으로서 지지 기재가 될 수 있는 포백(부직포, 직물, 편물)이나 필름, 드럼, 네트, 평판, 벨트 형상을 갖는, 금속이나 카본 등으로 이루어지는 도전성 재료, 유기 고분자 등으로 이루어지는 비도전성 재료를 사용할 수 있다. 그 위에 부직포를 형성함으로써, 지지 기재와 이 부직포를 조합시킨 부재를 작성하는 것도 할 수 있다.
상기 지지 기재가 될 수 있는 포백으로서는, 경제적 관점에서 부직포가 가장 적합하게 사용 가능하다. 지지 기재의 부직포를 구성하는 섬유 직경은, 하전 처리된 본 발명의 부직포의 섬유 직경보다 큰 섬유 직경을 갖는 것이 바람직하다. 지지기재의 부직포는, 필터로서의 강성을 높여 필터의 변형을 막는 데 유효하다. 상기 목적을 위해, 지지 기재의 부직포를 구성하는 섬유 직경은, 하전 처리된 본 발명의 부직포의 섬유 직경의 1.5배 이상인 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 2배 이상, 특히 바람직하게는 5배 이상의 섬유 직경이다. 섬유 직경이 500배 이상이 되면 양 부직포의 접합이 어려워지는 경우가 있다.
본 발명의 폴리이미드 섬유 부직포의 선팽창계수는 하기와 같이 측정한다.
<선팽창계수(CTE) 측정>
측정 대상에 대해서, 하기 조건으로써 신축율을 측정하고, 90℃∼100℃, 100℃∼110℃와, 이하 10℃의 간격으로의 신축율/온도를 측정하며, 이 측정을 400℃까지 행하여, 100℃부터 350℃까지의 전체 측정값의 평균값을 선팽창계수(평균값)로 하여 산출하였다.
장치명: MAC 사이언스사제 TMA4000S
시료 길이: 10 ㎜
시료 폭: 2 ㎜
승온 시작 온도: 25℃
승온 종료 온도: 400℃
승온 속도: 5℃/분
분위기: 아르곤
이 폴리이미드 섬유 부직포의 선팽창계수는, -6 ppm/℃∼14 ppm/℃인 것이 필수이고, 바람직하게는 -5 ppm/℃∼10 ppm/℃, 더 바람직하게는 -5∼5 ppm/℃인, 이 것이 고온 하에서의 열치수 안정성을 높이고, 예컨대 금속층과의 적층체에서의 박리 방지에 크게 영향을 미친다.
도 1은 하전 방사 장치의 모식적인 단면도
<부호의 설명>
1: 하전 방사 장치
2: 방사 노즐
3: 용액조
4: 고전압 전원
5: 대향 전극(포집 기판)
이하 본 발명을 실시예에 의해 설명하지만, 본 발명은, 이들 실시예에 한정되는 것이 아니다. 또한 이하의 각 실시예에서의 평가 항목은 이하와 같은 방법으로써 실시하였다.
<폴리아미드산의 환원 점도 ηsp/C>
폴리머 농도가 0.2 g/dl이 되도록 N-메틸-2-피롤리돈에 용해한 용액을 30℃로 유지하여 우베르도 점도관을 이용하여 측정하였다.
<평균 섬유 직경>
얻어진 부직포 표면의 주사형 전자현미경 사진(배율 5000배)을 촬영하고, 그 사진으로부터 n=10으로써 섬유 직경을 측정한 평균값을 산출하였다.
[참고예 1]
(폴리아미드산 용액의 조제)
질소 도입관, 온도계, 교반기를 구비한 용기의 접액부, 및 수액용 배관은 오스테나이트계 스테인리스강 SUS316L인 반응 용기 내를 질소 치환한 후, 5-아미노-2-(p-아미노페닐)벤조옥사졸 223 질량부, N, N-디메틸아세트아미드 4448 질량부를 가하여 완전히 용해시킨 후, 피로멜리트산 이무수물 217 질량부를 가하고, 25℃의 반응 온도로 24시간 교반하면, 갈색으로 점조한 폴리아미드산 용액(A1)을 얻을 수 있었다. 이 것의 ηsp/C는 4.0 dl/g이었다.
〔참고예 2〕
(폴리아미드산 용액의 조제)
질소 도입관, 온도계, 교반기를 구비한 용기의 접액부, 및 수액용 배관은 오스테나이트계 스테인리스강 SUS316L인 반응 용기 내를 질소 치환한 후, 200 질량부의 디아미노디페닐에테르를 넣었다. 계속해서, 4202 질량부의 N-메틸-2-피롤리돈을 가하여 완전히 용해시킨 후, 217 질량부의 피로멜리트산 이무수물을 가하여, 25℃로 5시간 교반하면, 갈색의 점조한 폴리아미드산 용액 B를 얻을 수 있었다. 이 환원 점도(ηsp/C)는 3.7 dl/g였다.
〔참고예 3〕
(폴리아미드산 용액의 조제)
질소 도입관, 온도계, 교반 막대를 구비한 용기의 접액부, 및 수액용 배관은 오스테나이트계 스테인리스강 SUS316L인 반응 용기 내를 질소 치환한 후, 108 질량부의 페닐렌디아민을 넣었다. 계속해서, 4042 질량부의 N-메틸-2-피롤리돈을 가하여 완전히 용해시킨 후, 292.5 질량부의 디페닐테트라카르복실산 이무수물을 가하여, 25℃로 12시간 교반하면, 갈색의 점조한 폴리아미드산 용액 C를 얻을 수 있었다. 이 환원 점도(ηsp/C)는 4.5 dl/g였다.
<부직포의 제작>
참고예에 나타내는 폴리아미드산 용액을 도 1에 도시하는 장치를 이용하여, 섬유상 물질 포집 전극(5)에 30분간 토출하였다.
얻어진 섬유군을 질소 치환된 연속식의 열처리로에 통과시키고, 제1단, 제2단의 2단계의 고온 가열을 실시하여, 이미드화 반응을 진행시켰다. 그 후, 5분간 실온으로 냉각함으로써, 갈색을 나타내는 각 예의 폴리이미드 부직포를 얻었다.
얻어진 섬유군(부직포)의 평균 섬유 직경, 선팽창계수 등은 표 1에 나타낸다.
Figure 112008086334231-pct00020
본 발명의 폴리이미드 부직포는, 적어도 방향족 테트라카르복실산류와 벤조옥사졸 구조를 갖는 방향족 디아민으로부터 중축합하여 얻어지는 폴리이미드로부터 제작되고, 부직포의 선팽창계수가 -6 ppm/℃∼+14 ppm/℃이며, 열치수 안정성이 우수한 것이다. 버그 필터, 공기 청정기용 필터, 정밀기기용 필터, 자동차, 열차 등의 캐빈 필터, 엔진 필터, 및 빌딩 공기 조절용 필터 등의 에어 필터 용도, 오일 필터 등의 액체 필터 분야, 경소단박인 전자 회로의 절연성 기판이나 충방전시의 전지 내부가 고온이 되는 이차 전지 세퍼레이터 등의 전자 용도 등으로서 유효하게 이용할 수 있다. 특히 고온 환경에 노출되는 용도에는 유효하고, 공업적으로 매우 의의가 있다.

Claims (6)

  1. 적어도 방향족 테트라카르복실산류와 벤조옥사졸 구조를 갖는 방향족 디아민으로부터 중축합하여 얻어지는 폴리이미드로 이루어지고, 섬유 직경이 0.001 ㎛∼1 ㎛인 부직포.
  2. 제1항에 있어서, 선팽창계수가 -6 ppm/℃∼14 ppm/℃인 부직포.
  3. 방향족 테트라카르복실산류와 벤조옥사졸 구조를 갖는 방향족 디아민으로부터 중축합하여 얻어지는 폴리아미드산을 하전 방사하여 폴리이미드 전구체 부직포를 형성하는 공정, 폴리이미드 전구체 섬유군을 이미드화 처리하고 섬유 직경이 0.001 ㎛∼1 ㎛인 부직포를 형성하는 공정을 포함하는 부직포의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 선팽창계수가 -6 ppm/℃∼14 ppm/℃인 부직포의 제조 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 폴리이미드 전구체 고분자와 유기 용매를 포함하는 용액에 고전압을 인가하여 하전 방사함으로써, 포집 기판에 폴리이미드 전구체 섬유를 포집하는 것을 특징으로 하는 부직포의 제조 방법.
  6. 제3항 또는 제4항에 있어서, 폴리이미드 전구체 고분자와 유기 용매를 포함하는 용액에 고전압을 인가하여 하전 방사함으로써, 적층하는 기재 위에 직접 폴리이미드 전구체 섬유를 포집하고 적층하는 것을 특징으로 하는 부직포의 제조 방법.
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