CN102822237A - 制备具有抗静电性或导电性的全芳族聚酰亚胺粉末的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制备具有抗静电性或导电性的全芳族聚酰亚胺粉末的方法,更特别的,本发明涉及制备全芳族聚酰亚胺复合粉末的方法,包括将芳族四羧酸二酐和芳族二胺单体的混合物加入分散有导电炭黑和多壁碳纳米管(MWCNT)粉末的酚类极性有机溶剂中实施聚合的步骤。根据本发明制备的全芳族聚酰亚胺粉末相比常规聚酰亚胺树脂,具有相同水平的耐热性和机械性能,并具有优良的抗静电性或导电性。
Description
[发明领域]
本发明涉及一种制备具有抗静电性或导电性的全芳族聚酰亚胺粉末的方法。
[背景]
一般的,术语聚酰亚胺(以下,被称为“PI””)树脂指的是通过使芳族四羧酸或其衍生物和芳族二胺或芳族二异氰酸酯反应,随后亚胺化制备得到的高耐热树脂。取决于所使用的单体的种类,PI树脂可具有多种类型的分子结构。代表性的芳族四羧酸衍生物可包括均苯四酸二酐(PMDA)和3,3’,4,4’-联苯四羧酸二酐(BPDA),以及代表性的芳族二胺可包括4,4’-二氨基二苯醚(ODA)和对苯二胺(p-PDA)。最具代表性的聚酰亚胺树脂具有式1表示的结构作为重复单元:
包括式1的重复单元的聚酰亚胺树脂是超高耐热树脂,所述树脂是不溶/不熔的,具有优良的耐热性,例如良好的热氧化稳定性,其长期工作温度是280℃和短期工作温度是480℃,并显示高的电绝缘性和机械性能、抗辐射性和低温性,以及耐化学品性。因此,聚酰亚胺树脂已被广泛用作各种高技术工业中的核心材料,包括电气/电子,汽车,半导体和航空工业。
然而,在半导体或平板显示器领域中,由于晶片和玻璃基板的扩大,静电的问题已经被提出,并因而已有数项赋予具有绝缘性的聚酰亚胺模塑制品(moldedarticle)以导电性的尝试。
作为赋予不溶/不熔的全芳族聚酰亚胺以导电性的代表性方法,加拿大专利No.708,869、美国专利No.4,568,412、美国专利No.5,075,036和美国专利No.5,078,936公开了使用导电碳黑或者导电碳黑和石墨粉末的组合的方法。但是,这种方法受限于通过将混合物分散于作为前体的聚酰胺酸中来制备聚酰亚胺薄膜,没有将其应用于聚酰亚胺粉末的制备的实例,所述聚酰亚胺粉末是用于通过聚酰亚胺的压模(compression molding)来制备加工材料。美国专利公开No.2007/0152195A1公开了使用各种类型的金属氧化物赋予导电性的方法。在某些商业化的产品中,石墨和碳纤维已经被使用,但是它们存在着由于碳纤维取向而导致电性能局部不同和在半导体或平板显示器的生产过程中暴露于表面的碳纤维导致在半导体和玻璃基板表面上形成轻划伤(fine scratches)的问题。进一步的,这些方法难以通过控制填料来再现性地显示出106-109Ω/□的抗静电范围。为了显示出105Ω/□或更低的表面电阻,这些方法需要使用过量的导电填料。在粉末聚合中,这样添加的填料吸收溶剂并且是膨胀的,这使得难以形成均一的浆料混合物。因此,难以进行包括过滤、洗涤和干燥的后处理步骤,由此,生产模塑制品时存在机械性能降低、磨损导致过量粒子的产生、高温和高真空下的挥发或排气的数个问题。
[发明概述]
本发明的目的之一是提供一种制备保持良好的耐热性和机械性能的同时具有优良电性能的全芳族聚酰亚胺粉末的方法,其特征是制备不溶、不熔、具有106-109Ω/□范围表面电阻的优良抗静电性的聚酰亚胺树脂粉末。
本发明的另一个目的是提供一种制备具有表面电阻为105Ω/□或更低的优良导电性的、不溶、不熔聚酰亚胺树脂粉末的方法。
本发明的另一个目的是提供一种使用根据本发明方法制备的聚酰亚胺树脂粉末制备的模塑制品。
根据本发明的第一个方面,本发明提供一种制备聚酰亚胺树脂粉末的方法,包括:
将芳族二胺溶解于分散有导电炭黑粉末和多壁碳纳米管(MWCNT)粉末的酚类(phenolic)极性有机溶剂中,
向其中加入芳族四羧酸二酐单体,和
一步聚合得到的混合物。
另外,根据本发明的第二个方面,本发明提供一种制备具有导电性的聚酰亚胺树脂粉末的方法,包括:
将芳族二胺溶解于分散有导电炭黑粉末和多壁碳纳米管(MWCNT)粉末的酚类极性有机溶剂中,
向其中加入芳族四羧酸二酐单体,
一步聚合得到的混合物,从而得到聚酰亚胺树脂粉末,和
通过干混将由此得到的聚酰亚胺树脂粉末和额外量的多壁碳纳米管(MWCNT)粉末结合。
进一步的,根据本发明的第二个方面,本发明提供使用根据本发明的方法制备的聚酰亚胺复合粉末制备的聚酰亚胺模塑制品。
[发明效果]
根据本发明的方法,芳族二胺单体和芳族四羧酸二酐单体的混合物被溶解于酚类极性有机溶剂中,其中分散有由导电碳黑和多壁碳纳米管构成的两种导电性无机颗粒粉末,然后,将得到的混合物逐渐加热从而同时进行亚胺化和复合反应。结果,本发明提供了保持常规聚酰亚胺固有的耐热性和机械性能并且具有由于导电性无机颗粒在聚酰亚胺粉末中的均一分散而带来的表面电阻为106-109Ω/□的范围的抗静电性的聚酰亚胺树脂粉末,以及使用其制备的模塑制品。进一步的,由于本发明的方法采用了通过使用球磨机的简单干混方法而得到的聚酰亚胺树脂粉末和多壁碳纳米管(MWCNT)的组合,可制备表面电阻为105Ω/□或更低的导电性的聚酰亚胺粉末,以及使用其制备的模塑制品。
因此,根据本发明的方法制备的具有耐热性、耐磨性、机械性能和导电性的聚酰亚胺树脂粉末可以克服在电气/电子、平板显示器和太阳能电池工业中所导致的静电问题,如此,可在包括上述在内的诸多高技术工业中有效地用作核心材料。
[附图说明]
图1是比较使用导电性聚酰亚胺树脂粉末制备的模塑制品的表面电阻的图,所述导电性聚酰亚胺树脂粉末可通过根据本发明的具有106Ω/□-109Ω/□的导电性的聚酰亚胺树脂粉末和多壁碳纳米管的干混得到。
[发明详述]
以下,本发明会被更详细的描述。
本发明是制备全芳族聚酰亚胺共聚物,其中对常规聚酰亚胺树脂赋予导电性。根据本发明通过液相亚胺化制备的高耐热聚酰亚胺共聚物具有下式1表示的结构。
根据本发明,赋予具有如上所示结构的聚酰亚胺共聚物以导电性的方法如下所示:
按需要的浓度将芳族二胺溶解于可容易分散导电碳黑和MWCNT的酚类极性有机溶剂中;和
向其中按需要的浓度加入经良好研磨的导电炭黑和MWCNT,并分散于其中。
碳纳米管(CNT)按结构可以分为单壁和多壁两种。本发明的特征在于使用在溶剂相中具有良好分散性的多壁碳纳米管。
碳纳米管已经被详细描述于聚合物(Polymer)(韩国),Vol 31,No 5,P422-427,2007中。只要是行业中熟知的,对于多壁碳纳米管的种类没有限制。
作为根据本发明方法的优选实施方案,下面的方法可作为例子。方法是,混合物被搅拌30分钟从而使芳族二胺可完全溶解以及炭黑和MWCNT可以在其中均一分散。然后将反应混合物经1~2小时加热使温度升高至60~80℃。此时,四羧酸二酐以固相分三次逐渐加至反应混合物中。
作为适合本发明的芳族二胺的例子,选自由4,4’-二氨基二苯醚(ODA)、对苯二胺(p-PDA)、间苯二胺(m-PDA)、4,4’-亚甲基双苯胺(MDA)、2,2’-二氨基苯基六氟丙烷(HFDA)、间二氨基苯氧基二苯砜(m-BAPS)、对二氨基苯氧基二苯砜(p-BAPS)、1,4-二氨基苯氧基苯(TPE-Q)、二氨基苯氧基苯(TPE-R)、2,2’-二氨基苯氧基苯基丙烷(BAPP)、2,2’二氨基苯氧基苯基六氟丙烷(HFBAPP)和4,4’-苯酰替苯胺(DABA)组成的组中的一种或多种可用作必要组分,以及可进一步使用已经在聚酰亚胺聚合中使用的常规芳族二胺单体。
进一步的,作为适合本发明的四羧酸二酐的例子,选自由均苯四酸二酐、苯甲酮四羧酸二酐(benzophenonetetracarboxylic dianhydride)、4,4′-氧代双邻苯二甲酸酐(oxydiphthalic dianhydride)、联苯四甲酸二酐(biphthalic dianhydride)和六氟异丙基邻苯二甲酸二酐(hexafluoroisopropylidenediphthalic dianhydride)组成的组中的一种或多种可用作必要组分,以及可进一步使用已经在聚酰亚胺聚合中使用的常规芳族二胺单体。
在60~80℃搅拌反应混合物1~2小时后,温度逐渐升高至160~200℃,接着保持1~2小时以产生浆料。过滤所得浆料。使用例如丙酮或甲醇等具有低沸点的有机溶剂洗涤过滤后的聚酰亚胺粉末,然后在100~250℃、10-1Torr或更低真空度和氮气氛下干燥。这里,干燥温度优选在160~220℃的范围,更优选190℃。
根据本发明,导电炭黑粉末和多壁碳纳米管粉末的总量优选在1~30wt%的范围,基于反应中所使用的单体的总量。特别的,优选使用0.5~18wt%的导电碳黑,基于所使用的单体总量。优选使用0.5~12wt%的MWCNT,基于所使用的单体总量。优选使用具有300m2/g或更高的比表面积的炭黑粉末,但不限于此。
根据本发明,导电炭黑和多壁碳纳米管的相对比例如下:60~80wt%的导电炭黑和40~20wt%的多壁碳纳米管,但不限于此。
得到的聚酰亚胺树脂粉末具有106-109Ω/□的表面电阻,30%或更低的低结晶度,98%或更高的亚胺化度,和50~400m2/g的高比表面积,因此可有效地用于压模。
进一步的,用于赋予导电性的导电碳黑优选以8~12wt%的量添加,基于反应中所使用的单体的总量,和优选使用具有300m2/g或更高的比表面积的炭黑。MWCNT优选以1~5wt%的量使用,基于反应中所使用的单体的总量。
上面反应所使用的具有高沸点的酚类极性有机溶剂优选是间甲酚,但是可以使用邻位、间位和对位异构体非均一混合的混合甲酚。
进一步的,总的固体浓度优选在6~16wt%的范围内,以及更优选在8~12wt%的范围内。
根据本发明如此制备的聚酰亚胺树脂粉末具有0.7~2.5dl/g的特性粘度,20~30%的结晶度,50~400m2/g的比表面积,和98~99%的亚胺化度。
根据本发明的方法制备的导电性聚酰亚胺树脂可以通过在50,000~100,000psi(345~690Mpa)的压力下的室温和高温压模,然后在氮气氛、300~500℃的温度下下烧结1~5小时,或者通过同时在高温和高压下压模,从而制成具有高耐热性和优异的机械强度的导电聚酰亚胺模塑制品。
此时,由此制备的模塑制品显示出优良的机械性能,其中拉伸强度为900kgf/cm2、拉伸率为6.5%或更高,和模塑制品的表面电阻具有106-109Ω/□的抗静电范围。
根据本发明的方法制备的聚酰亚胺粉末可被直接用作用于106-109Ω/□的表面电阻范围的静电防护的抗静电、高热稳定材料。此外,虽然聚酰亚胺粉末被进一步和0.1~1.0wt%的相同种类的MWCNT混合,以粉末相用球磨机干混和然后进行压模,仍然可以制备保持优良机械性能的导电聚酰亚胺模塑制品,其中拉伸强度为900kgf/cm2、拉伸率为6.5%或更高,和表面电阻为105Ω/□或更低。
因此,本发明提供制备导电聚酰亚胺粉末和模塑制品的方法,其可以通过一步法直接聚合及加入含量和比例被控制的炭黑和MWCNT制备表面电阻为106-109Ω/□的范围的具有优良抗静电性能的主粉末,然后通过简单的方法向其中加入极小量的MWCNT。根据本发明的方法,可以容易的控制聚酰亚胺粉末的表面电阻在所需要的范围,并且可以有效地制备机械性能几乎不发生改变的导电性聚酰亚胺粉末和模塑制品。
通过以下实施例进一步的解释本发明。但是,应当理解这些实施例仅用于特别地阐释本发明,而不是理解为被用于以任意形式限制本发明。
实施例1:炭黑(10wt%)+MWCNT(3wt%)
将36.11g 4,4’-二氨基二苯醚(ODA)、8.92g导电碳黑(AkzoNobel,KETJENBLACK EC 300J)和2.68g MWCNT(NANOCYL,NC7000)加至装有搅拌器、温度控制器和氮气注入器的2-L反应器中,将得到的混合物溶解分散于653g混合甲酚中,然后室温下向混合物中通入氮气。
经1~2小时将混合物的温度从室温升高至60~80℃的同时,向其中以固相加入39.45g的均苯四酸二酐(PMDA)。这里,加入分三次进行,每次是等量的,以及固体的浓度被设定为11wt%。在60~80℃使混合物反应1~2小时后,将反应溶液的温度升高至160~200℃,搅拌1~2小时以进行亚胺化。反应一完成,将从反应中沉淀的聚酰亚胺聚合物过滤,使用2L丙酮洗涤,然后在真空(10-1Torr)、氮气氛、190℃下干燥16小时。
在30℃、浓度为0.5g/dl的以浓硫酸为溶剂的条件下测定由此得到的聚酰亚胺树脂粉末的特性粘度。结果,聚酰亚胺树脂具有1.20dl/g的特性粘度,和它的亚胺化度为99%。
在100,000psi的压力下将聚酰亚胺树脂粉末进行压模,然后在氮气氛、400℃的条件下烧结3小时,由此得到聚酰亚胺模塑制品。
实施例2:实施例1+0.1wt%MWCNT
将36.11g 4,4’-二氨基二苯醚(ODA)、8.92g导电碳黑和2.68gMWCNT加至装有搅拌器、温度控制器和氮气注入器的2-L反应器中,将得到的混合物溶解分散于653g混合甲酚中,然后室温下向混合物中通入氮气。
经1~2小时将混合物的温度从室温升高至60~80℃的同时,向其中以固相加入39.45g的均苯四酸二酐(PMDA)。这里,加入分三次进行,每次是等量的,以及固体的浓度被设定为11wt%。在60~80℃使混合物反应1~2小时后,将反应溶液的温度升高至160~200℃,搅拌1~2小时以进行亚胺化。反应一完成,将从反应中沉淀的聚酰亚胺聚合物过滤,使用2L丙酮洗涤,然后在真空(10-1Torr)、氮气氛、190℃下干燥16小时。
向得到的混合物加入0.1wt%的MWCNT,然后在旋转球磨机中以60rpm的速率进行研磨和混合1~3小时。
在100,000psi的压力下将聚酰亚胺树脂粉末进行压模,然后在氮气氛、400℃的条件下烧结3小时,由此得到聚酰亚胺模塑制品。
实施例3:实施例1+0.2wt%MWCNT
将36.11g 4,4’-二氨基二苯醚(ODA)、8.92g导电碳黑和2.68gMWCNT加至装有搅拌器、温度控制器和氮气注入器的2-L反应器中,将得到的混合物溶解分散于653g混合甲酚中,然后室温下向混合物中通入氮气。
经1~2小时将混合物的温度从室温升高至60~80℃的同时,向其中以固相加入39.45g的均苯四酸二酐(PMDA)。这里,加入分三次进行,每次是等量的,以及固体的浓度被设定为11wt%。在60~80℃使混合物反应1~2小时后,将反应溶液的温度升高至160~200℃,搅拌1~2小时以进行亚胺化。反应一完成,将从反应中沉淀的聚酰亚胺聚合物过滤,使用2L丙酮洗涤,然后在真空(10-1Torr)、氮气氛、190℃下干燥16小时。
向得到的混合物加入0.2wt%的MWCNT,然后在旋转球磨机中以60rpm的速率进行研磨和混合1小时。
在100,000psi的压力下将聚酰亚胺树脂粉末进行压模,然后在氮气氛、400℃的条件下烧结3小时,由此得到聚酰亚胺模塑制品。
实施例4:实施例1+0.3wt%MWCNT
将36.11g 4,4’-二氨基二苯醚(ODA)、8.92g导电碳黑和2.68gMWCNT加至装有搅拌器、温度控制器和氮气注入器的2-L反应器中,将得到的混合物溶解分散于653g混合甲酚中,然后室温下向混合物中通入氮气。
经1~2小时将混合物的温度从室温升高至60~80℃的同时,向其中以固相加入39.45g的均苯四酸二酐(PMDA)。这里,加入分三次进行,每次是等量的,以及固体的浓度被设定为11wt%。在60~80℃使混合物反应1~2小时后,将反应溶液的温度升高至160~200℃,搅拌1~2小时以进行亚胺化。反应一完成,将从反应中沉淀的聚酰亚胺聚合物过滤,使用2L丙酮洗涤,然后在真空(10-1Torr)、氮气氛、190℃下干燥16小时。
向得到的混合物加入0.3wt%的MWCNT,然后在旋转球磨机中以60rpm的速率进行研磨和混合1~3小时。
在100,000psi的压力下将聚酰亚胺树脂粉末进行压模,然后在氮气氛、400℃的条件下烧结3小时,由此得到聚酰亚胺模塑制品。
实施例5:实施例1+0.4wt%MWCNT
将36.11g 4,4’-二氨基二苯醚(ODA)、8.92g导电碳黑和2.68gMWCNT加至装有搅拌器、温度控制器和氮气注入器的2-L反应器中,将得到的混合物溶解分散于653g混合甲酚中,然后室温下向混合物中通入氮气。
经1~2小时将混合物的温度从室温升高至60~80℃的同时,向其中以固相加入39.45g的均苯四酸二酐(PMDA)。这里,加入分三次进行,每次是等量的,以及固体的浓度被设定为11wt%。在60~80℃使混合物反应1~2小时后,将反应溶液的温度升高至160~200℃,搅拌1~2小时以进行亚胺化。反应一完成,将从反应中沉淀的聚酰亚胺聚合物过滤,使用2L丙酮洗涤,然后在真空(10-1Torr)、氮气氛、190℃下干燥16小时。
向得到的混合物加入0.4wt%的MWCNT,然后在旋转球磨机中以60rpm的速率进行研磨和混合1小时。
在100,000psi的压力下将聚酰亚胺树脂粉末进行压模,然后在氮气氛、400℃的条件下烧结3小时,由此得到聚酰亚胺模塑制品。
实施例6:实施例1+0.5wt%MWCNT
将36.11g 4,4’-二氨基二苯醚(ODA)、8.92g导电碳黑和2.68gMWCNT加至装有搅拌器、温度控制器和氮气注入器的2-L反应器中,将得到的混合物溶解分散于653g混合甲酚中,然后室温下向混合物中通入氮气。
经1~2小时将混合物的温度从室温升高至60~80℃的同时,向其中以固相加入39.45g的均苯四酸二酐(PMDA)。这里,加入分三次进行,每次是等量的,以及固体的浓度被设定为11wt%。在60~80℃使混合物反应1~2小时后,将反应溶液的温度升高至160~200℃,搅拌1~2小时以进行亚胺化。反应一完成,将从反应中沉淀的聚酰亚胺聚合物过滤,使用2L丙酮洗涤,然后在真空(10-1Torr)、氮气氛、190℃下干燥16小时。
向得到的混合物加入0.5wt%的MWCNT,然后在旋转球磨机中以60rpm的速率进行研磨和混合1小时。
在100,000psi的压力下将聚酰亚胺树脂粉末进行压模,然后在氮气氛、400℃的条件下烧结3小时,由此得到聚酰亚胺模塑制品。
对比例1:石墨粉末(15wt%)+炭黑(10wt%)
将36.11g 4,4’-二氨基二苯醚(ODA)、8.92g导电碳黑和13.40g石墨粉末加至装有搅拌器、温度控制器和氮气注入器的2-L反应器中,以及根据实施例1描述的相同的方法使用705g混合甲酚和39.45g均苯四酸二酐(PMDA)制备聚酰亚胺粉末和其模塑制品。由此得到的聚酰亚胺粉末具有0.9dl/g的特性粘度,和它的亚胺化度为98%。
对比例2:炭黑(20wt%)
将36.11g 4,4’-二氨基二苯醚(ODA)、17.84g导电碳黑加至装有搅拌器、温度控制器和氮气注入器的2-L反应器中,以及根据实施例1描述的相同的方法使用755g混合甲酚和39.45g均苯四酸二酐(PMDA)制备聚酰亚胺粉末和其模塑制品。由此得到的聚酰亚胺粉末具有0.95dl/g的特性粘度,和它的亚胺化度为98%。
结果列于下面的表1中。
[表1]
1)拉伸强度和伸长率根据ASTM D-1708方法测试。
2)表面电阻根据JIS K7194(90V)方法测试。
结果,本发明发现了可更有效地制备具有抗静电性、导电性和最理想机械性能的聚酰亚胺树脂粉末的导电填料组合物。本发明的方法相比常规方法在制备更为简便和划算以及可以生产具有改善性能的产品两个方面是更为有利的。
Claims (10)
1.制备全芳族聚酰亚胺复合粉末的方法,包括:
将芳族二胺溶解于分散有导电炭黑粉末和多壁碳纳米管(MWCNT)粉末的酚类极性有机溶剂中,
向其中加入芳族四羧酸二酐,和
聚合得到的混合物。
2.根据权利要求1的方法,其中聚合是通过如下进行的:
完全溶解芳族二胺,搅拌混合物使炭黑和MWCNT可分散,
经1~2小时将混合物的温度升高至60~80℃的同时,向其中以固相加入四羧酸二酐,
在60~80℃的温度搅拌得到的混合物1~2小时,
升高混合物的温度至160~200℃,和
保持混合物在此温度1~2小时。
3.根据权利要求1的方法,其中酚类极性有机溶剂是选自由间甲酚、邻甲酚、间甲酚和对甲酚组成的组中的一种或多种。
4.根据权利要求1的方法,其中芳族二胺选自由4,4’-二氨基二苯醚(ODA)、对苯二胺(p-PDA)、间苯二胺(m-PDA)、4,4’-亚甲基双苯胺(MDA)、2,2’-二氨基苯基六氟丙烷(HFDA)、间二氨基苯氧基二苯砜(m-BAPS)、对二氨基苯氧基二苯砜(p-BAPS)、1,4-二氨基苯氧基苯(TPE-Q)、二氨基苯氧基苯(TPE-R)、2,2’-二氨基苯氧基苯基丙烷(BAPP)、2,2’二氨基苯氧基苯基六氟丙烷(HFBAPP)和4,4’-苯酰替苯胺(DABA)组成的组中的一种或多种。
5.根据权利要求1的方法,其中四羧酸二酐选自由均苯四酸二酐、苯甲酮四羧酸二酐、4,4′-氧代双邻苯二甲酸酐、联苯四甲酸二酐和六氟异丙基邻苯二甲酸二酐组成的组中的一种或多种。
6.根据权利要求1的方法,其中导电炭黑粉末和多壁碳纳米管粉末的总量在1~30wt%的范围内,基于所使用的单体的总量。
7.根据权利要求1的方法,其中导电炭黑和多壁碳纳米管的混合比例是在60~80wt%的导电炭黑和40~20wt%的多壁碳纳米管的范围内。
8.根据权利要求1的方法,进一步包括:
与基于如此制备的复合粉末的量的0.1~1.0wt%的额外的多壁碳纳米管(MWCNT)进行干混。
9.聚酰亚胺模塑制品,其使用根据权利要求1-8任一项的方法制备的聚酰亚胺复合粉末进行制备。
10.聚酰亚胺模塑制品,其是通过在50,000~100,000psi(345~690Mpa)的压力下对如此制备的导电聚酰亚胺树脂粉末进行压模并在300~500℃温度烧结1~5小时制备的。
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