第1章:背景と要件 1.1 フェノール樹脂の紹介 フェノール樹脂は、科学的にはフェノール・ホルムアルデヒド樹脂として知られ、フェノール化合物とホルムアルデヒドの重縮合によって形成される世界で最初に工業化された合成樹脂の一つです…
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1.1 フェノール樹脂の紹介
フェノール樹脂(科学的にはフェノール・ホルムアルデヒド樹脂)は、触媒の作用下でフェノール化合物とホルムアルデヒドが重縮合することによって形成されるものであり、世界で最初に工業化された合成樹脂の一つです。優れた耐熱性、難燃性、機械的強度および電気絶縁性を備えているため、以下のような分野で広く使用されています。
• 電子材料:レジスト樹脂、PCB基板、半導体封止材
• 複合材料:ガラス繊維強化材料、摩擦材(ブレーキパッド)
• コーティング材および接着剤:耐熱性コーティング、木材用接着剤
• 耐火材料:耐火れんが、断熱材
• エンジニアリングプラスチック:電気スイッチ、自動車部品
1.2 高純度フェノール樹脂の市場需要
電子情報産業および新エネルギー材料の急速な発展に伴い、フェノール樹脂に対してより高い純度が要求されるようになっています:
|
応用分野 |
純度要件 |
主要不純物の規制値 |
市場価格(10千人民元/トン) |
|
フォトレジスト樹脂 |
≥99.5% |
遊離フェノール<500ppm |
6-12 |
|
半導体封止材 |
≥99.0% |
金属イオン<10ppm |
4-8 |
|
PCB基板 |
≥98.5% |
遊離フェノール<1000ppm |
2-5 |
|
一般産業グレード |
≥95% |
遊離フェノール<3000ppm |
1-2 |
1.3 国内生産の機会
現在、高品位フェノール樹脂(フォトレジスト用、半導体用)の輸入依存度は60〜80%に達しており、国内での代替可能性が非常に大きい。国内生産には以下の利点がある:
• コストメリット:現地生産は輸入品と比べて30〜50%コストが低い
• 納期メリット:長期の国際物流を必要とせず、1週間以内の納品が可能
• サービスメリット:現地対応の技術サポートにより、顧客ニーズに迅速に対応
• サプライチェーンの安全性:国際貿易摩擦による供給途絶リスクを回避可能
2.1 キー品質指標
高純度フェノール樹脂は以下の主要指標を満たす必要があります:
|
アイテム |
フォトレジストグレード |
半導体パッケージングレベル |
PCBグレード |
|
分子量 (MW ) |
3,000-8,000 |
5,000-12,000 |
8,000-20,000 |
|
ポリデスパーシティPDI |
1.3-1.8 |
1.5-2.0 |
1.8-2.5 |
|
軟化点(℃) |
90-130 |
100-140 |
110-150 |
|
水酸基含有量(%) |
15-25 |
12-20 |
10-18 |
|
遊離フェノール(ppm) |
<500 |
<1,000 |
❤️<3,000 |
|
遊離ホルムアルデヒド(ppm) |
<200 |
<500 |
<1,000 |
|
灰分含量(PPM) |
<50 |
<100 |
<300 |
|
金属イオン (ppb) |
<10 |
<20 |
<50 |
|
塩素イオン (ppm) |
<20 |
<50 |
<100 |
|
色(ガードナー) |
❤️<3 |
<4 |
<5 |
|
湿度 (%) |
<0.5 |
<1.0 |
<2.0 |
2.2 精製における主な課題
3.1 方法1:水洗+中和
【工程フロー】樹脂溶液 → 熱水洗浄 → アルカリ中和 → 静置分層 → 脱水
|
利点 |
制限 |
|
✓低コスト、操作が簡単 |
✗遊離フェノール除去率 < 60% |
|
✓一部の水溶性不純物を除去可能 |
✗金属イオンの除去効果が低い |
|
✓工業用グレード製品に適している |
✗大量の廃水が発生(環境負荷が大きい) |
3.2 方法2:溶媒抽出
【工程フロー】樹脂を有機溶媒に溶解 → 不良溶媒添加による沈殿 → 過濾 → 真空乾燥
|
利点 |
制限 |
|
✓ 低分子量成分を除去可能 |
✗ 溶剤消費量が大きい(樹脂質量の5~10倍) |
|
✓ ある程度のPDI調整が可能 |
✗ 溶剤回収コストが高い |
|
✓ 小ロット・高級製品に適している |
✗ 収率が低い(70~85%) |
3.3 方法3:従来の真空蒸留
【工程】 樹脂の融解 → 減圧蒸留(0.1~1 kPa) → 分画回収
|
利点 |
制限: |
|
✓ 遊離フェノールおよびホルムアルデヒドを効果的に除去 |
✗ 高温を必要とする(180~250℃) ℃)により、樹脂の重合/劣化が容易に起こる。 |
|
✓ 溶剤残留物なし |
✗ 滞留時間長(2~6時間)で、変色が生じる。 |
|
✓ リサイクル可能なモノマー |
✗ 高粘度であり、物質移動効率が低い。 |
3.4 従来手法の比較まとめ
|
方法: |
遊離フェノール除去率 |
PDI制御 |
生産性 |
カラー |
費用 |
適用グレード: |
|
水洗+中和 |
50-60% |
✗ |
90-95% |
劣化 |
低 |
工業用品 |
|
溶媒抽出 |
70-85% |
✓ |
70-85% |
改善 |
高い |
電子グレード |
|
従来の真空蒸留 |
80-90% |
✗ |
75-88% |
著しい劣化 |
中 |
PCBグレード |
|
ショートパス分子蒸留 |
95-99% |
✓ 精密 |
88-95% |
素晴らしい |
中 |
フォトレジストグレード |
明らかに、従来の手法では高純度、低色度および精密な分子量制御において顕著な欠点があり、フォトレジスト用および半導体封止材用フェノール樹脂の要求を満たすことができません。
4.1 核心技術:ショートパス分子蒸留
元輝YHCHEM分子蒸留システムは、異なる物質の分子の平均自由行程の差を利用して、高真空かつ低温条件下で分離を実現する特殊な液体-液体分離技術であり、特に熱に弱い、高粘度、高沸点の材料の精製に適しています。
4.2 作動原理
|
ステップ: |
プロセス説明 |
主要パラメータ |
|
① 材料供給 |
予熱された樹脂溶液が蒸発器に流入します。 |
流動性:良好 |
|
② フィルム形成 |
ヘラが材料を薄い膜状に広げる。 |
回転速度:10~300 rpm |
|
③ ヒーティング |
加熱面は比較的低い温度に保たれる。 |
圧力:従来の蒸留よりもはるかに低い |
|
④ 蒸発 |
軽成分(沸点が低い)が蒸発して逃げる。 |
平均自由行程:>2-5 cm |
|
⑤ 短距離輸送 |
蒸発した分子は直線的に凝縮面へと移動する。 |
距離:2~5 cmで衝突なし |
|
⑥ 結露 |
軽成分が凝縮面に凝縮する。 |
温度:-10~20 ℃ |
|
⑦ 分離 |
重成分は加熱面に沿って下方に流れる。 |
未気化の高分子量物質 |
|
⑧ 集める |
軽成分と重成分は別々に回収される。 |
連続セグメント運転 |
フェノール樹脂の精製における独自の利点
|
技術的特長: |
フェノール樹脂における意義: |
|
超高真空 |
沸点を80~150低下 ℃熱的重合/分解を防ぐ |
|
極めて短い滞留時間 |
2〜30秒、変色なし、透明な淡黄色を維持 |
|
低温操作 |
80-180℃熱に敏感な水酸基およびエーテル結合を保護 |
|
連続セグメント式回収 |
低分子量物、中分子量物、高分子量物を正確に分離し、PDIを制御 |
|
ワイプフィルム構造 |
高粘度樹脂の均一な膜形成、高い物質移動効率 |
|
すべての材料接触部は316Lステンレス鋼製 |
金属イオン汚染を排除 |
(1)コア蒸留装置
|
コンポーネント |
仕様/材質 |
特徴: |
|
蒸発面積 |
0.1-10 m ² |
カスタマイズ可能、処理能力は5-500 kg/h |
|
スクレーパー |
PTFE/316L |
回転速度10-300 rpmで、0.1-1 mmの薄膜を形成 |
|
加熱方法 |
サーマルオイル/電気加熱 |
温度制御精度 ±2℃ |
|
コンデンサ |
316L 不鋼 |
内蔵スパイラルチューブ、-10~20 ℃ |
|
材質 |
すべて316Lステンレス鋼+PTFEシール |
耐腐食性、金属イオン汚染が少ない |
(2) 真空システム
• ロータスポンプ+ロータリーバインプンプの組み合わせ:最終真空度0.1 Pa
• 真空計:容量型ダイヤフラム真空計、精度0.1 Pa
• 冷 traps(冷凍トラップ):-80°C、真空ポンプを保護し、モノマーを回収
(3) 自動制御システム
• PLC+タッチスクリーン:Siemens/Mitsubishi
• 実時間監視:温度、真空度、供給速度、回転速度
• データ記録:履歴カーブ、ロットトレーサビリティ
• アラーム保護:過熱、真空異常、液面異常時の自動停止
6.1 完全な工程フロー

6.2 主要工程パラメーター
第1段蒸留(軽成分の除去)
|
パラメータ: |
設定値: |
目的: |
|
供給温度 |
60-80℃ |
輸送を容易にするために粘度を低下 |
|
蒸発温度 |
120-150℃ |
遊離フェノール(沸点181 ℃) |
|
真空レベル |
1-5 Pa |
沸点を80-120まで低下させるため ℃ |
|
ワイパー速度 |
150-250 rpm |
均一な薄膜を形成するため |
|
送り速度 |
10-30 kg/h ·m ² |
滞留時間:5-15秒 |
|
回収された成分 |
軽成分(遊離フェノール、ホルムアルデヒド、水) |
5-15% |
効果:遊離フェノールが3000-8000 ppmから<500 ppmまで低減
第2段階蒸留(分子量分布の調整)
|
パラメータ: |
設定: |
目的: |
|
蒸発温度 |
150-170℃ |
オリゴマーの気化(Mw < 2000) |
|
真空レベル |
0.5-2 Pa |
低い沸点 |
|
ワイパー速度 |
100-200 rpm |
物質移動と滞留時間のバランス |
|
送り速度 |
8-20 kg/h ·m ² |
滞留時間:10-30秒 |
|
回収された成分 |
軽成分(オリゴマー) |
10-20% |
効果:PDIが2.5-3.5から1.5-2.0に狭まった
第三段階蒸留(精製)
|
パラメータ: |
設定: |
目的: |
|
蒸発温度 |
170-180℃ |
触媒および色素の除去 |
|
真空レベル |
0.1-1 Pa |
極限真空 |
|
ワイパー速度 |
80-150 rpm |
精密分離 |
|
送り速度 |
5-15 kg/h ·m ² |
十分な接触 |
|
回収された成分 |
中間留出物(目的製品) |
70-85% |
効果:純度 >99.0%、金属イオン(イオン交換併用) <10 ppb
6.3 材料収支の例
100 kgの未精製樹脂を基準とした例:
|
工程段階 |
材料タイプ |
質量 (kg) |
使用される原材料の割合 |
材料の行方 |
|
餌 |
未精製フェノール樹脂 |
100 |
100% |
原材料 |
|
前処理 |
溶剤損失、ろ過残渣 |
2-3 |
2-3% |
溶剤は再利用可能 |
|
第1蒸留 |
軽成分(遊離フェノール、ホルムアルデヒドなど) |
8-12 |
8-12% |
有効に再利用可能 |
|
第2蒸留 |
軽成分(オリゴマー) |
10-15 |
10-15% |
一部再利用可能 |
|
第3蒸留 |
重成分(ポリマー、不純物) |
3-5 |
3-5% |
廃棄または他の用途向けにグレードダウン |
|
出力 |
高純度フェノール樹脂 |
70-80 |
70-80% |
電子グレード/フォトリソグラフィー用グレード製品 |
【総収率】70-80% 【純度向上】95% → 99%+
7.1 従来手法との比較
|
インジケーター: |
従来の真空蒸留 |
溶媒抽出 |
Y HChem 分子蒸留 |
|
動作温度 |
180-250℃ |
室温 - 60 ℃ |
80-180℃ |
|
滞留時間 |
2〜6時間 |
数時間 |
10〜60秒 |
|
真空レベル |
0.1-1 kPa |
大気圧 |
0.1-10 Pa |
|
遊離フェノール除去率 |
80-90% |
70-85% |
95-99% |
|
PDI制御 |
✗ |
✓ |
精度 |
|
色が変わる |
劣化:3-5段階 |
1〜2段階向上 |
劣化なし |
|
生産性 |
75-88% |
70-85% |
88-95% |
|
溶剤消費量 |
なし |
5〜10倍 |
なし |
|
エネルギー消費量(kWh/トン) |
800-1200 |
300〜500(回収分を含む) |
400-600 |
|
装置の汚損 |
深刻な |
なし |
わずか |
|
金属イオン制御 |
適度 |
不良 |
優れている(すべて316L) |
|
連続生産 |
難しい |
難しい |
サポート |
7.2 コアメリットの概要
✓ 超高純度 - フェノールフリー<500 ppm、ホルムアルデヒドフリー<200 ppmで、フォトレジストグレードの要件を満たす
✓ 精密な分子量制御 - PDI を 1.3~1.8 に調整可能で、さまざまな応用に対応
✓ 色調保持性 - 淡黄色透明、熱分解なし
✓ 高収率 - 88~95%、溶媒抽出法より10~20%高効率
✓ 環境にやさしいゼロ排出 - 廃水、廃溶媒が発生せず、環境規制に準拠
✓ 連続生産 - 高度な自動化により、労働コストが低減
✓ 長寿命の装置 - 316Lステンレス鋼を使用、耐腐食性で清掃容易
フォトレジスト級フェノール樹脂の精製
顧客:電子化学品メーカー(珠江デルタ地域)
原料:工業用グレードのフェノール樹脂(純度95%、遊離フェノール5000ppm)
目標:フォトレジストグレード(純度 ≥99.5%、遊離フェノール <500 ppm、PDI 1.5-1.8)
処理条件:
• 装置:YMD-150
• 三段蒸留、温度 120/150/170℃
• 真空度:5/2/0.5 Pa
• 総処理時間:約40秒
【【精製効果の比較】
|
仕様 |
原材料 |
一回蒸留後 |
二段階蒸留後 |
完成品 |
ターゲット |
|
純度 (%) |
95.0 |
97.5 |
98.8 |
99.6 |
≥99.5 |
|
遊離フェノール (ppm) |
5000 |
800 |
350 |
<200 |
<500 |
|
遊離ホルムアルデヒド (ppm) |
800 |
200 |
80 |
<100 |
<200 |
|
PDI |
2.8 |
2.6 |
1.9 |
1.6 |
1.5-1.8 |
|
軟化点 (°C) |
105 |
108 |
112 |
115 |
110-120 |
|
色 (ガーデナーカラースケール) |
5 |
4 |
3 |
<3 |
<3 |
|
灰分含量 (ppm) |
300 |
150 |
80 |
<50 |
<50 |
|
金属イオン (ppb) |
80 |
50 |
20 |
<10 |
<10 |
経済的メリット:収率:92%
1トンあたりのコストと収益:
• 原料コスト:20,000元/トン
• 精製品販売価格:80,000元/トン
• 1トンあたり粗利益:60,000元
年間生産量200トンのメリット:
• 年間利益増加:1,200万円
付録A フォトレジスト用フェノール樹脂の試験基準
|
測定項目: |
標準方法: |
使用機器および装置: |
|
分子量 |
GPC |
Waters GPC、標準ポリスチレン |
|
水酸基含有量 |
化学的滴定 |
電位差滴定装置 |
|
軟化点 |
GB/T 4507 |
リングアンドボール軟化点測定装置 |
|
フリーフェノール |
GC-FID |
ガスクロマトグラフ |
|
遊離ホルムアルデヒド |
HPLC |
高性能液体クロマトグラフ |
|
金属イオン |
ICP-MS |
誘導結合プラズマ質量分析装置 |
|
灰分含有量 |
GB/T 9345 |
マッフル炉、550 ℃ 焼却 |
|
カラー |
ガードナー法 |
カラーメーター |
|
湿度 |
カール・フィッシャー法 |
カール・フィッシャー水分ティトレーター |
付録B:よくある質問(FAQ)
Q1: 固体フェノール樹脂の処理に分子蒸留を使用できますか?
A: はい。供給前に溶媒(例えばトルエン、エタノール)に溶解するか、溶融状態(通常80~120°C)に加熱する必要があります。
Q2: 装置には特別な防爆仕様が必要ですか?
A: 可燃性溶媒(例えばトルエン、エタノール)を使用する場合、防爆区域(例えばゾーン2)の区分けが必要となり、防爆モーターや防爆計器を備える必要があります。
Q3: 熱硬化性フェノール樹脂を処理できますか?
A: 当社では、熱可塑性(ノボラック)型樹脂の処理を推奨します。熱硬化性(レゾール)型樹脂は、部分的な架橋による流動性の悪化があるため、分子蒸留には適していません。やむを得ず処理を行う場合は、硬化前の液相状態で行う必要があります。
Q4: 精製された樹脂の保管方法について
A: 湿気の吸収や酸化を防ぐため、製品は密閉容器に入れ、涼しく乾燥した場所に保管することをお勧めします。フォトレジストグレードの樹脂については、窒素雰囲気下での保管が推奨され、保存期間は最大12か月となります。
Q5: 1回の装置清掃にはどのくらいの時間がかかりますか?
A: 約2~4時間です。プロセスとしてはトルエンやアセトンなどの溶剤を循環させ、80~100℃に加熱することで効果が高まります。10~20バッチごとに徹底的な清掃を行うことをお勧めします。
Q6: 装置の設置面積と高さの要件は?
A: YHMD-150は約15㎡を占め、装置の高さは約3.5メートルで、工場の天井高さが≥4.5メートルであることが必要です。天井高さが不足する場合は、水平構造へのカスタマイズが可能です。
Q7: 複数の異なるグレードの樹脂を同時に処理できますか?
A: はい、異なったバッチ間では交差汚染を避けるために清掃が必要です。バッチ間の一貫性を確保するために、製品切り替えの標準作業手順(SOP)を確立することをお勧めします。