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TWI381009B - 具有不同取代基之含磷雙官能之Benzoxazine樹脂及其製造方法 - Google Patents

具有不同取代基之含磷雙官能之Benzoxazine樹脂及其製造方法 Download PDF

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TWI381009B
TWI381009B TW98142742A TW98142742A TWI381009B TW I381009 B TWI381009 B TW I381009B TW 98142742 A TW98142742 A TW 98142742A TW 98142742 A TW98142742 A TW 98142742A TW I381009 B TWI381009 B TW I381009B
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Taiwan
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resin
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TW98142742A
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Wen Chiung Su
Ching Hsuan Lin
Po Wen Cheng
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Chung Shan Inst Of Science
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Description

具有不同取代基之含磷雙官能之Benzoxazine樹脂及其製造方法
本發明是有關於一種含磷雙官能Benzoxazine樹脂製造方法,且特別是有關於一種可以由含磷雙胺合成高純度、高產率Benzoxazine的方法。
酚醛樹酯為目前常用的熱固性樹脂,係由酚類單體和醛類單體縮聚而得。近年發展出的Benzoxazine也屬於酚醛樹酯的一種,其特點是單體加熱後會開環硬化。Benzoxazine與傳統酚醛樹酯相較,具有高玻璃轉移溫度(Tg)、高模數(Modulus)、低吸濕率、良好的電氣性質、高焦炭殘餘量(Char Yield)、硬化時不需加強酸的觸媒、硬化時不產生副產物及硬化時體積變化率小等優點。
然而酚醛樹脂的組成為碳、氫、氧,容易燃燒,是其應用上主要的缺點。隨著電子產業的發展,產品要求越來越輕薄短小,因此傳統之穿孔插裝技術(Pin Through Hole,PTH)已發展為表面黏著技術(Surface Mount Technology,SMT):如球腳陣列矩陣(Ball Grid Array,BGA)與覆晶技術(Flip Chip Package),及晶片尺寸封裝(Chip Size Package,CSP)等封裝方式,帶動了印刷電路板快速朝向「高密度」與「多層化」的方向發展。此外,半導體工業對於材料耐高溫及耐燃的要求層次也日漸提高,像電子材料就規範必須達到UL-94 V-0級,所以電子材料的難燃化也是必然的趨勢。
目前市面上可以看到的難燃Benzoxazine商品必須在其樹脂中搭配添加碳纖維,藉以增加其耐燃的特性。然而純粹只有使用其Benzoxazine樹脂是無法達到難燃的效果,因此如何讓Benzoxazine樹脂具有難燃的特性是許多電子產業所關注的問題。為了使高分子材料具有難燃化的特性,不少國內外的學者也進行著相關的研究。因此有學者提出導入alkyen,deoxybenzin或含磷的材料可以提高分子材料的難燃性質。
從許多文獻上可以觀察到,大多數的雙官能Benzoxazine都是由芳香族雙酚及單官能胺類單體和甲醛所製備而得,因此我們可以藉由導入具有難燃特性的元素於芳香族雙酚或單官能胺類之中,例如添加具有磷氧鍵的雙酚單體,或將DOPO的衍生物導入,以達到使Benzoxazine具有難燃特性的目的。
芳香族雙胺為基質的雙官能Benzoxazine單體之文獻,是相當少見的。最主要的原因在於芳香族雙胺若以傳統路徑合成,將會產生凝膠現象(gel),其最主要的原因是當雙胺與甲醛類和酚類反應時,雙胺會與甲醛反應生成一個不溶之triazine中間產物,因此無法順利合成以雙胺為基質之Benzoxazine單體。
因此,為了解決此問題,在本發明中藉由分子設計的概念,提出了一種新穎的合成路徑來合成以雙胺為基質之Benzoxazine單體。又因為電子業對於材料難燃性的需求,因此在雙胺的結構中我們導入了含磷基團,以一系列具有各種不同取代基之含磷二胺作為基質,藉此合成具有難燃性質之Benzoxazine樹脂。
本發明之一範疇在於提供一種含磷雙官能之Benzoxazine樹脂,其具有如通式(I)之結構:
其中,R1-R3係分別選自由氫原子、C1~C6烷基、C3~C6環烷基及苯基所組成之群組中之一。根據一具體實施例,當上述式(I)化合物之R1為甲基,R2~R3為甲基,該式(I)化合物之之結構式可為:
根據另一具體實施例,當上述式(I)化合物之R1為甲基,R2~R3為甲基,該式(I)化合物之結構式可為:
根據一具體實施例,當上述式(I)化合物之R1為甲基,R2~R3為乙基,該式(I)化合物之結構式可為:
根據一具體實施例,當上述式(I)化合物之R1為苯基,R2~R3為氫原子,該式(I)化合物之結構式可為:
本發明之另一範疇在於提供一種具有雙醚之含磷雙官能之Benzoxazine樹脂,其具有如通式(V)之結構:
其中,R4係分別選自由C1~C6烷基、C3~C6環烷基及苯基所組成之群組中之一。
根據一具體實施例,當上述式(V)化合物之R4為甲基,該式(V)化合物之結構式可為:
本發明之另一範疇在於提供一種製備含磷雙官能Benzoxazine之方法。
根據一具體實施例,本發明之製備含磷雙官能之Benzoxazine之方法可利用含磷雙胺作為基質合成含磷Benzoxazine。含磷雙胺之結構如下:
利用含磷雙胺(IV)與2-hydroxybenzaldehyde經由一系列反應製得具有不同結構的Benzoxazine。於本具體實施例中,製造Benzoxazine樹脂之方法可分為以下三階段步驟。
在第一階段的反應中,先將含磷雙胺(IV)及2-hydroxybenzaldehyde溶解於混合溶劑中,並且架設迪安-斯塔克(Dean-Stark)裝置進行除水反應,於沸騰溫度下進行反應,先行生成具有imine鍵結之反應中間體(III),接著將混合溶劑中的疏水溶劑移除,等待反應系統降至室溫,直接進行第二階段反應。
第一階段所可使用之混合溶劑包含DMAC/Toluene、NMP/Toluene、DMSO/Toluene、DMF/Xylene、DMAC/Xylene、NMP/Xylene、DMSO/Xylene等反應溶劑。疏水溶劑包含Toluene與Xylene。
在第二階段的反應中,等待第一階段反應完成降至室溫後,直接將NaBH4加入上述之反應系統中,於室溫下進行還原反應,接著將反應液體滴入水中析出,得反應中間體(II)。
第三階段的反應,將反應中間體(II)溶解於溶劑中,接著將甲醛水溶液(或聚甲醛)放入反應器中,先於35℃下攪拌一段時間,接著將溫度升至迴流溫度,最後以旋轉濃縮機將溶劑除去,得最終產物(I)。於第三階段可使用之溶劑包含Toluene、Xylene、CHCl3 、Dioxane等反應溶劑。
根據本具體實施例,上述三階段反應以化學通式表示如下:
其中,R1係選自由C1~C6烷基、C3~C6環烷基及苯基所組成之群組中之一;R2~R3係分別選自氫原子、C1~C6烷基、C3~C6環烷基及苯基所組成之群組中之一。
根據本發明之另一實施例,可利用含磷雙醚胺作為基質,合成具有醚基之含磷Benzoxazine,含磷雙醚胺之結構如下:
其中,R4係選自由C1~C6烷基、C3~C6環烷基及苯基所組成之群組中之一。
利用此含磷雙醚胺(VIII),同樣的以三階段的方式合成含磷Benzoxazine。在第一階段的反應中,先將含磷雙醚胺(VIII)及2-hydroxybenzaldehyde溶解於混合溶劑中,並且架設迪安-斯塔克(Dean-Stark)裝置進行除水反應,於沸騰溫度下進行反應,先行生成具有imine鍵結之反應中間體(VII),接著將混合溶劑中的疏水溶劑移除,等待反應系統降至室溫,直接進行第二階段反應。
第一階段所可使用之混合溶劑包含DMAC/Toluene、NMP/Toluene、DMSO/Toluene、DMF/Xylene、DMAC/Xylene、NMP/Xylene、DMSO/Xylene等反應溶劑。疏水溶劑包含Toluene與Xylene。
在第二階段的反應中,等待第一階段反應完成降至室溫後,直接將NaBH4加入上述之反應系統中,於室溫下進行還原反應,接著將反應液體滴入水中析出,得反應中間體(VI)。
第三階段的反應,將反應中間體(VI)溶解於溶劑中,接著將甲醛水溶液(或聚甲醛)放入反應器中,先於35℃下攪拌一段時間,接著將溫度升至迴流溫度,最後以旋轉濃縮機將溶劑除去,得最終產物(V)。於第三階段可使用之溶劑包含Toluene、Xylene、CHCl3 、Dioxane等反應溶劑。
根據本具體實施例,上述三階段反應以化學通式表示如下:
其中,R4係選自C1~C6烷基、C3~C6環烷基及苯基所組成之群組中之一。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
根據本發明之一具體實施例,製備含磷雙官能之Benzoxazine之方法可以下流程圖一表示,並且以下列之具體實施例說明流程圖一。
合成例1:化合物(I-A)之合成
取含磷二胺單體(IV-A)21.32克(0.05莫耳)、2-hydroxybenzaldehyde 12.82克(0.105莫耳)溶解於DMAc/Toluene中,置於三頸反應瓶中攪拌並且架設迪安-斯塔克(Dean-Stark)裝置進行除水反應。反應於沸騰溫度下反應12小時,反應終了將Toluene去除降至室溫,取NaBH4分批加入三頸瓶中,在室溫下攪拌反應24小時,反應結束後將溶液滴入去離子水中得白色粉末析出,抽氣過濾並將濾餅烘乾得白色粉末(II-A)30.33克,產率95%。
接著取單體(II-A)10.0克(0.0156莫耳)溶解於Toluene中,並取Paraformaldehyde 1.4976克(0.0499莫耳)放到三頸反應瓶中,於沸騰溫度下反應24小時,反應結束後使用旋轉濃縮儀將濾液Toluene抽乾,得到淡黃色粉末(I-A)10.27克,產率99%。請參閱圖一,圖一係繪示I-A化合物的1H NMR示意圖。
合成例2:化合物(I-B)之合成
取含磷二胺單體(IV-B)22.73克(0.05莫耳)、2-hydroxybenzaldehyde 12.82克(0.105莫耳)溶解於DMAc/Toluene中,置於三頸反應瓶中攪拌並且架設迪安-斯塔克(Dean-Stark)裝置進行除水反應。反應於沸騰溫度下反應12小時,反應終了將Toluene去除降至室溫,取NaBH4分批加入三頸瓶中,在室溫下攪拌反應24小時,反應結束後將溶液滴入去離子水中得白色粉末析出,抽氣過濾並將濾餅烘乾得白色粉末(II-B)30.33克,產率91%。
接著取單體(II-B)10.0克(0.0149莫耳)溶解於Toluene中,並取1.437克(0.0479莫耳)Paraformaldehyde放到三頸反應瓶中,於沸騰溫度下反應24小時,反應結束後使用旋轉濃縮儀將濾液Toluene抽乾,得到淡黃色粉末(I-B)10.09克,產率98%。
合成例3:化合物(I-C)之合成
取含磷二胺單體(IV-C)24.123克(0.05莫耳)、2-hydroxybenzaldehyde 12.82克(0.105莫耳)溶解於DMAc/Toluene中,置於三頸反應瓶中攪拌並且架設迪安-斯塔克(Dean-Stark)裝置進行除水反應。反應於沸騰溫度下反應12小時,反應終了將Toluene去除降至室溫,取NaBH4分批加入三頸瓶中,在室溫下攪拌反應24小時,反應結束後將溶液滴入去離子水中得白色粉末析出,抽氣過濾並將濾餅烘乾得白色粉末(II-C)32.66克,產率94%。
接著取單體(II-C)10.0g(0.0143 mol)溶解於Toluene中,並取1.381g(0.046 mole)的Paraformaldehyde放到三 頸反應瓶中,於沸騰溫度下反應24小時,反應結束後使用旋轉濃縮儀將濾液Toluene抽乾,得到淡黃色粉末(I-C)10.14克,產率98%。
合成例4:化合物(I-D)之合成
取含磷二胺單體(IV-D)24.426克(0.05莫耳)、2-hydroxybenzaldehyde 12.82克(0.105莫耳)溶解於DMAc/Toluene中,置於三頸反應瓶中攪拌並且架設迪安-斯塔克(Dean-Stark)裝置進行除水反應。反應於沸騰溫度下反應12小時,反應終了將Toluene去除降至室溫,取NaBH4分批加入三頸瓶中,在室溫下攪拌反應24小時,反應結束後將溶液滴入去離子水中得白色粉末析出,抽氣過濾並將濾餅烘乾得白色粉末(II-D)32.2克,產率92%。
接著取單體(II-D)10.0克(0.0142莫耳)溶解於Toluene中,並取Paraformaldehyde 1.37克(0.0454莫耳)放到三頸反應瓶中,於沸騰溫度下反應24小時,反應結束後使用旋轉濃縮儀將濾液Toluene抽乾,得到淡黃色粉末(I-D)10.291克,產率99%。請參閱圖二,圖二係繪示I-D化合物的1H NMR示意圖。
根據本發明之另一具體實施例,製備含磷雙官能之Benzoxazine之方法可以下流程圖二表示,並且以下列之具體實施例說明流程圖二。
合成例5:化合物(V-A)之合成
取含磷二胺單體(VIII-A)30.53克(0.05莫耳)、2-hydroxybenzaldehyde 12.82克(0.105莫耳)溶解於DMAc/Toluene中,置於三頸反應瓶中攪拌並且架設迪安-斯塔克(Dean-Stark)裝置進行除水反應。反應於沸騰溫度下反應12小時,反應終了將Toluene去除降至室溫,取NaBH4 分批加入三頸瓶中,在室溫下攪拌反應24小時,反應結束後將溶液滴入去離子水中得白色粉末析出,抽氣過濾並將濾餅烘乾得白色粉末(VI-A)38.26克,產率93%。
接著取單體(VI-A)10.0克(0.012莫耳)溶解於Toluene中,並取Paraformaldehyde 1.16克(0.0388莫耳)放到三頸反應瓶中,於沸騰溫度下反應24小時,反應結束後使用旋轉濃縮儀將濾液Toluene抽乾,得到淡黃色粉末(V-A)10.084克,產率98%。
藉由以上較佳具體實施例之詳述,係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神,而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地,其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。因此,本發明所申請之專利範圍的範疇應該根據上述的說明作最寬廣的解釋,以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。
圖一係繪示I-A化合物的1H NMR示意圖。
圖二係繪示I-D化合物的1H NMR示意圖。

Claims (2)

  1. 一種含磷雙官能之Benzoxazine樹脂,具有如通式(I)之結構: 其中,R1~R3係分別選自氫原子、C1~C6烷基、C3~C6環烷基及苯基所組成之群組中之一,且當R1為CH3或C6H5時,R2-R3不得為H。
  2. 一種含磷雙官能之Benzoxazine樹脂,具有如通式(V)之結構: 其中,R4係選自由C1~C6烷基、C3~C6環烷基及苯基所組成之群組中之一。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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TW200811118A (en) * 2006-08-17 2008-03-01 Univ Nat Chunghsing New route for the synthesis of benzoxazine
TW200927753A (en) * 2007-12-28 2009-07-01 Chang Chun Plastics Co Ltd Phosphorous-based oxazine compound and preparing method of the same
TW200930724A (en) * 2008-01-15 2009-07-16 Nat Univ Chung Hsing Manufacture of phosphorus-containing diamines and their derivatives

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