CN103360347A

CN103360347A - 一种含氟环氧树脂及其制备方法

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Publication number: CN103360347A
Application number: CN2012101001394A
Authority: CN
Inventors: 尚呈元; 黄伟; 赵晓娟; 杨欣; 张英
Original assignee: Institute of Chemistry CAS
Current assignee: Institute of Chemistry CAS
Priority date: 2012-04-06
Filing date: 2012-04-06
Publication date: 2013-10-23

Abstract

本发明涉及环氧树脂，特别涉及一种含氟环氧树脂及其制备方法。本发明首先将取代的α，α，α，-三氟-多氟取代苯基乙酮与2-甲基苯酚(或2，6-二甲基苯酚)在路易斯酸催化下通过缩合反应制备得到含氟二酚化合物；然后将该含氟二酚化合物与环氧氯丙烷在碱催化下反应得到具有下式结构的本发明的含氟环氧树脂。本发明的含氟环氧树脂采用常用的环氧树脂固化剂进行固化，本发明的含氟环氧树脂固化后具有玻璃化转变温度高、电性能优异、吸水率低及疏水性强等优点，有望在微电子封装和表面涂层领域中得到应用。

Description

一种含氟环氧树脂及其制备方法

技术领域

本发明涉及环氧树脂，特别涉及一种含氟环氧树脂及其制备方法。

背景技术

环氧树脂由于其黏结性强、电绝缘性优良、化学性能稳定及加工性优异等优点而被广泛应用于涂料、胶黏剂、电子电气、土木建筑、复合材料等领域。特殊结构的高性能环氧树脂，作为重要的微电子器件的封装材料，包括环氧模塑料、导电银浆等，在微电子封装领域具有十分重要的地位和作用。随着微电子器件向短、小、轻、薄的方向发展，对环氧树脂提出了越来越高的要求，主要包括：1)高耐热性能，2)低吸水率，3)低介电常数和介电损耗，4)低应力，5)高电绝缘性等。此外，环氧树脂表面能高，使固化物表面易于污染；分子结构中大量存在的羟基增大了材料的吸湿率，大大限制了环氧树脂在船舶和大型结构件涂料方面的应用。因此，近年来，国内外围绕低介电常数、高绝缘性、低吸水率、低表面能的环氧树脂进行了大量的研究。

氟原子具有电负性大，摩尔极化率低的特点；同时氟原子间斥力大，C-F键长短，键能高，自由体积大。由于这些特性，将含氟基团引入环氧树脂中可显著降低材料的介电常数、吸水率和表面张力，改善材料的抗污性和电绝缘性能。Alberto等(EP Pat.293889)公开了一系列含六氟异丙基的含氟环氧树脂的制备方法，指出了所发明的含氟环氧树脂具有疏水疏油的表面性质和低摩擦系数，固化物的介电常数为3.1-3.2；F.Montefusco等(F.Montefusco，R.Bongiovanni，et al.Polymer，2004，31：4663)报道了一种主链上含有氟烷基的新型环氧化合物，其具有良好的憎水性，适用于光纤涂层和印刷电路板等。Van de Grampel等(Van de Grampel，R.D.，Ming，W.，et al.Polymer，2005，46：10531)报道了一种含氟的环氧树脂涂料，固化成膜后表面张力明显降低。Lee(Lee，J.R.，Jin，F.L，et al.Surf.Coat.Technol.，2004，180：650.)和Misaki等(Masiki，T.，Hirohata，T.，et al.J.Polym.Sci.，1989，37：2617.)报道了带含氟基团的环氧树脂固化物比DGEBA具有更低介电常数和更优异的机械性能。王等(Wang，C.Z.，Zuo，Y.J.Appl.Poly.Sci.，2009，114，2528-2532.)用十二氟缩水甘油醚改性DGEBA环氧树脂，改性后的环氧树脂的吸水率大大降低，同时机械性能有所提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种含氟环氧树脂。

本发明的再一目的是提供一种含氟环氧树脂的制备方法。

本发明的含氟环氧树脂具有式I所示的结构：

其中：Ar为

A为H或CH₃。

更具体的，本发明的含氟环氧树脂为1，1-双[3-甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基]-1-(2’，3’，4’，5’，6’-五氟苯基)-2，2，2-三氟乙烷、1，1-双[3，5-二甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基]-1-(2’，3’，4’，5’，6’-五氟苯基)-2，2，2-三氟乙烷、1，1-双[3-甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基]-1-(3’-三氟甲基苯基)-2，2，2-三氟乙烷、1，1-双[3，5-二甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基]-1-(3’-三氟甲基苯基)-2，2，2-三氟乙烷、1，1-双[3-甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基]-1-(3’，5’-二三氟甲基苯基)-2，2，2-三氟乙烷或1，1-双[3，5-二甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基]-1-(3’，5’-二三氟甲基苯基)-2，2，2-三氟乙烷。

本发明的含氟环氧树脂的合成路线为：

A:H或CH₃

制备方法主要包括以下步骤：

a)以取代具有式III结构的α，α，α，-三氟-多氟取代苯基乙酮的重量份为基准，将100重量份的具有式III结构的α，α，α，-三氟-多氟取代苯基乙酮、50～200重量份的具有式II结构的单酚和5～15重量份的路易斯酸混合，加热至温度为80～120℃进行缩合反应(一般缩合反应的时间为5～8小时)；然后对缩合反应得到的混合物进行减压蒸馏除去过量的反应原料式II结构的单酚；粗产物在乙醇与水(乙醇：水的体积比优选为1∶1～4∶1)的混合液中进行重结晶，得到纯化的含氟二酚化合物；

b)以含氟二酚化合物的重量份为基准，将步骤a)制备得到的100重量份的含氟二酚化合物与400～800重量份的环氧氯丙烷搅拌混合均匀并加入质量浓度为40％～50％的NaOH水溶液50～80重量份，升温至50～70℃进行环氧化反应2～4小时，萃取，洗涤，得到所述的含氟环氧树脂。

本发明在制备过程中所用的路易斯酸选自甲基磺酸、对甲苯磺酸、三氟甲磺酸、三氟乙酸、盐酸、发烟硫酸和硝酸等中的一种或几种。

本发明的含氟环氧树脂的使用方法和通用环氧树脂的使用方法基本相同。本发明的含氟环氧树脂可以单独使用，也可以和其它通用环氧树脂混合使用。

本发明的含氟环氧树脂可用常用的环氧树脂固化剂来固化。可选用的固化剂主要包括有机胺类固化剂、有机酸酐类固化剂或其它类型的固化剂。所述的有机胺类固化剂如4，4’-二氨基二苯醚、4，4’-二氨基二苯甲烷、4，4’-二氨基二苯砜或3，3’，5，5’-四甲基-4，4’-二氨基二苯甲烷等。所述的有机酸酐类固化剂如4-甲基六氢苯酐、4-甲基四氢苯酐、六氢苯酐、四氢苯酐或甲基纳迪克酸酐等。

本发明的含氟环氧树脂具有确定的化学结构和确定的分子量。本发明的含氟环氧树脂固化后具有玻璃化转变温度高、电性能优异、吸水率低及疏水性强等优点，这些优异的性能使其在微电子封装和表面涂层领域中具有潜在的应用价值。

具体实施方式

下述实施例为含氟环氧树脂的制备方法并附上其固化物的性能以说明所述含氟环氧树脂固化后具备的优异性能。

表征及测试方法：红外光谱采用Perkin-Elmer 782型傅立叶变换红外光谱仪测定，制样方法采用KBr压片法或薄膜法，量程为4000～400cm^-1。电性能利用Hewlett-Packard 4284A Presion LCR测试仪测试。介电常数和介电损耗采用LKI-1电容仪，温度为25℃，频率为1MHz。动态机械分析(DMA)测试采用美国TA公司的Q-800型仪器测定，玻璃化转变温度(T_g)以损耗角正切(tanδ)峰值对应的温度表示。

实施例1

1，1-双[3-甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基]-1-(2’，3’，4’，5’，6’-五氟苯基)-2，2，2-三氟乙烷

室温下将132克2-甲基苯酚，10克三氟甲磺酸与66克2，3，4，5，6-五氟-α，α，α-三氟苯乙酮在250ml的反应瓶中混合均匀，加热至50℃搅拌1小时左右使2-甲基苯酚完全溶解形成均相液体。升温至120℃并搅拌，在三氟乙酸催化下进行缩合反应6～8小时，得棕红色液体，减压蒸馏除去过量的2-甲基苯酚，粗产物在乙醇与水(乙醇∶水的体积比为1∶1)的混合液中进行重结晶，得到白色固体98.175g，产率85％。

将100克上述白色固体和400克环氧氯丙烷搅拌混合均匀并加入50克质量浓度为40％的NaOH水溶液，60℃下进行环氧化反应3小时，产物用甲苯萃取，去离子水洗涤三次。旋转蒸馏除去全部溶剂，得1，1-双[3-甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基]-1-(2’，3’，4’，5’，6’-五氟苯基)-2，2，2-三氟乙烷，产率89％。

FTIR(KBr，cm^-1)：3088，2929，1613，1512，1341，1254，1153，920，835。

取上述1，1-双[3-甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基]-1-(2’，3’，4’，5’，6’-五氟苯基)-2，2，2-三氟乙烷100克，4，4’-二氨基二苯砜(DDS)21克混合并加热及搅拌成均相溶液后，于160℃固化2小时，210℃固化2小时。测得其固化物的玻璃化转变温度为180℃，体积电阻率为9.56×10¹⁵Ω·cm，25℃测得1MHz时介电常数为3.2，采用Q表法测定其介电损耗为0.0035；将固化树脂圆片在室温下浸泡24小时后测得吸水率为0.37％。

实施例2

1，1-双[3，5-二甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基]-1-(2’，3’，4’，5’，6’-五氟苯基)-2，2，2-三氟乙烷

室温下将90克2，6-二甲基苯酚，5克三氟甲磺酸与48克2，3，4，5，6-五氟-α，α，α-三氟苯乙酮在250ml的反应瓶中混合均匀后，加热至50℃并搅拌1小时左右使2，6-二甲基苯酚完全溶解形成均相液体。升温至120℃并搅拌，在三氟甲磺酸催化下缩合反应12小时，得到棕红色液体，减压蒸馏除去过量的2，6-二甲基苯酚，粗产物在乙醇与水(乙醇∶水的体积比为4∶1)的混合液中进行重结晶，得白色固体71g，产率80％。

将100克上述白色固体与800克环氧氯丙烷搅拌混合均匀并加入65克质量浓度为40％的NaOH水溶液，65℃下进行环氧化反应3小时，产物用甲苯萃取，去离子水洗涤三次。旋转蒸馏除去全部溶剂，得无色1，1-双[3，5-二甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基]-1-(2’，3’，4’，5’，6’-五氟苯基)-2，2，2-三氟乙烷，产率82％。

FTIR(KBr，cm^-1)：3082，2941，1616，1525，1341，1254，1155，929，839。

取上述无色1，1-双[3，5-二甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基]-1-(2’，3’，4’，5’，6’-五氟苯基)-2，2，2-三氟乙烷100克，4，4’-二氨基二苯甲烷(DDM)16克混合并加热及搅拌成均相溶液后，于150℃固化3小时，210℃固化1小时。测得其固化物玻璃化转变温度为185℃，体积电阻率为2.8×10¹⁶Ω·cm，25℃测得1MHz时介电常数为3.3，采用Q表法测定其介电损耗为0.0032；将固化树脂圆片在室温下浸泡24小时后测得吸水率为0.35％。

实施例3

4，4’-双(3-甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基)-1-(3’-三氟甲基苯基)-2，2，2-三氟乙烷

室温下将75.6克2-甲基苯酚，10克硝酸与60.5克3-三氟甲基-α，α，α-三氟苯乙酮在250ml的反应瓶中混合均匀，加热至40℃并搅拌1小时左右使2-甲基苯酚完全溶解形成均相液体。将反应产物加热至100℃并搅拌，在硝酸催化下进行缩合反应6～8小时，得到棕红色液体，减压蒸馏除去过量的2-甲基苯酚，粗产物在乙醇与水(乙醇∶水的体积比为3∶1)的混合液中进行重结晶，得到白色固体79g，产率72％。

将100克上述白色固体和700克环氧氯丙烷搅拌混合均匀并加入80克质量浓度为50％的NaOH水溶液，在70℃下进行环氧化反应3小时，产物用甲苯萃取，并用水洗涤。旋转蒸馏除去有机相全部溶剂，得无色4，4’-双(3-甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基)-1-(3’-三氟甲基苯基)-2，2，2-三氟乙烷，产率88％。

FTIR(KBr，cm^-1)：3085，2926，1612，1528，1345，1259，1150，930，835。

取上述无色4，4’-双(3-甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基)-1-(3’-三氟甲基苯基)-2，2，2-三氟乙烷100克，甲基四氢苯酐60克混合并加热及搅拌成均相溶液后，于150℃固化2小时，210℃固化1小时。测得其固化物玻璃化转变温度为182℃，体积电阻率为3.2×10¹⁶Ω·cm，25℃测得1MHz时介电常数为3.1，采用Q表法测定其介电损耗为0.0030；将固化树脂圆片在室温下浸泡24小时后测得吸水率为0.37％。

实施例4

4，4’-双(3，5-二甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基)-1-(3’-三氟甲基苯基)-2，2，2-三氟乙烷

室温下将121克2，6-二甲基苯酚，9克硝酸与60.5克3-三氟甲基-α，α，α-三氟苯乙酮在250ml的反应瓶中混合均匀，加热至40℃并搅拌1小时左右使2，6-二甲基苯酚完全溶解形成均相液体。将反应产物加热至100℃并搅拌，在硝酸的催化作用下使缩合反应进行6～8小时，得到棕红色液体，减压蒸馏除去过量的2，6-二甲基苯酚，粗产物在乙醇与水(乙醇∶水的体积比为3∶1)的混合液中进行重结晶，得到白色固体105g，产率90％。

将100克上述白色固体和800克环氧氯丙烷搅拌混合均匀并加入60克质量浓度为50％的NaOH水溶液，在70℃下进行环氧化反应3小时，产物用甲苯萃取，并用水洗涤。旋转蒸馏除去有机相全部溶剂，得无色4，4’-双(3，5-二甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基)-1-(3’-三氟甲基苯基)-2，2，2-三氟乙烷，产率为85％。

FTIR(KBr，cm^-1)：3087，2918，1610，1516，1347，1254，1153，929，835。

取上述无色4，4’-双(3，5-二甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基)-1-(3’-三氟甲基苯基)-2，2，2-三氟乙烷100克，4，4’-二氨基二苯醚17克混合并加热及搅拌成均相溶液后，于150℃固化2小时，220℃固化1小时。测得其固化物玻璃化转变温度为183℃，体积电阻率为6.8×10¹⁶Ω·cm，25℃测得1MHz时介电常数为3.3，采用Q表法测定其介电损耗为0.0042；将固化树脂圆片在室温下浸泡24小时后测得吸水率为0.37％。

实施例5

4，4’-双(3-甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基)-1-(3’，5’-二三氟甲基苯基)-2，2，2-三氟乙烷

在一个配有机械搅拌桨、回流冷凝管、温度计的250mL三口瓶中，室温下加入38.75克2-甲基苯酚，77.5克3，5-二三氟甲基-α，α，α-三氟苯乙酮。混合物加热至50℃保持1小时左右至原料完全溶解。将4克甲基磺酸快速滴加到上述混合物中，滴加完毕后升温使反应体系在80℃搅拌缩合反应10小时，得到棕红色液体，减压蒸馏除去过量的2-甲基苯酚，粗产物在乙醇与水(乙醇∶水的体积比为3∶1)的混合液中进行重结晶，得到白色产物95g，产率75％。

将100克上述白色产物和700克环氧氯丙烷搅拌混合均匀并加入55克质量浓度为48％的NaOH水溶液，在50℃下进行环氧化反应3小时，产物用甲苯萃取，并用水洗涤。旋转蒸馏除去有机相全部溶剂，得无色4，4’-双(3-甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基)-1-(3’，5’-二三氟甲基苯基)-2，2，2-三氟乙烷，产率80％。

FTIR(KBr，cm^-1)：3086，2920，1620，1512，1346，1254，1155，928，836。

取上述无色4，4’-双(3-甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基)-1-(3’，5’-二三氟甲基苯基)-2，2，2-三氟乙烷100克，3，3’，5，5’-四甲基-4，4’-二氨基二苯甲烷22克混合并加热及搅拌成均相溶液后，于150℃固化2小时，220℃固化1小时。测得其固化物玻璃化转变温度为188℃，体积电阻率为11×10¹⁶Ω·cm，25℃测得1MHz时介电常数为3.4，采用Q表法测定其介电损耗为0.0068；将固化树脂圆片在室温下浸泡24小时后测得吸水率为0.39％。

实施例6

4，4’-双(3，5-二甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基)-1-(3’，5’-二三氟甲基苯基)-2，2，2-三氟乙烷

在一个配有机械搅拌桨、回流冷凝管、温度计的250mL三口瓶中，室温下加入112克2，6-二甲基苯酚，77.5克3，5-二三氟甲基-α，α，α-三氟苯乙酮。混合物加热至50℃保持1小时左右直至原料完全溶解。将8克对甲苯磺酸快速滴加到上述混合物中，滴加完毕后升温使反应体系在80℃搅拌下进行缩合反应10小时，得到棕红色液体，减压蒸馏除去过量的2，6-二甲基苯酚，粗产物在乙醇与水(乙醇∶水的体积比为3∶1)的混合液中进行重结晶，得到产物白色固体107g，产率80％。

将100克上述白色固体和400克环氧氯丙烷搅拌混合均匀并加入60克质量浓度为45％的NaOH水溶液，60℃下进行环氧化反应3小时，产物用甲苯萃取，并用水洗涤。旋转蒸馏除去有机相全部溶剂，得无色4，4’-双(3，5-二甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基)-1-(3’，5’-二三氟甲基苯基)-2，2，2-三氟乙烷，产率为82％。

FTIR(KBr，cm^-1)：3080，2929，1613，1512，1340，1252，1148，930，826。

取上述无色4，4’-双(3，5-二甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基)-1-(3’，5’-二三氟甲基苯基)-2，2，2-三氟乙烷100克，4-甲基六氢苯酐50克混合并加热及搅拌成均相溶液后，于140℃固化2小时，200℃固化1小时。测得其固化物玻璃化转变温度为192℃，体积电阻率为4.5×10¹⁶Ω·cm，25℃测得1MHz时介电常数为3.0，采用Q表法测定其介电损耗为0.0029；将固化树脂圆片在室温下浸泡24小时后测得吸水率为0.35％。

比较例

取商品化的环氧树脂E-51100克，4，4’-二氨基二苯砜(DDS)30克混合并加热及搅拌成均相溶液后，于150℃固化3小时，210℃固化1小时。测得其固化物玻璃化转变温度为170℃，体积电阻率为5.1×10¹⁵Ω·cm，25℃测得1MHz时介电常数为3.6，采用Q表法测定其介电损耗为0.032；将固化树脂圆片在室温下浸泡24小时后测得吸水率为0.40％。

从上述实施例与比较例中可以看出，使用本发明所述的含氟环氧树脂固化后具有较高的玻璃化转变温度、优异的电性能、低的介电常数和低的吸水率等优点。

Claims

1.一种含氟环氧树脂，其特征是，所述的含氟环氧树脂具有式I所示的结构式：

其中：Ar为

A为H或CH₃。

2.根据权利要求1所述的含氟环氧树脂，其特征是：所述的含氟环氧树脂为1，1-双[3-甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基]-1-(2’，3’，4’，5’，6’-五氟苯基)-2，2，2-三氟乙烷、1，1-双[3，5-二甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基]-1-(2’，3’，4’，5’，6’-五氟苯基)-2，2，2-三氟乙烷、1，1-双[3-甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基]-1-(3’-三氟甲基苯基)-2，2，2-三氟乙烷、1，1-双[3，5-二甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基]-1-(3’-三氟甲基苯基)-2，2，2-三氟乙烷、1，1-双[3-甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基]-1-(3’，5’-二三氟甲基苯基)-2，2，2-三氟乙烷或1，1-双[3，5-二甲基-4-(2，3-环氧丙基)苯基]-1-(3’，5’-二三氟甲基苯基)-2，2，2-三氟乙烷。

3.一种根据权利要求1或2所述的含氟环氧树脂的制备方法，其合成路线为：

A:H或CH₃

制备方法主要包括以下步骤：

a)以取代具有式III结构的α，α，α，-三氟-多氟取代苯基乙酮的重量份为基准，将100重量份的具有式III结构的α，α，α，-三氟-多氟取代苯基乙酮、50～200重量份的具有式II结构的单酚和5～15重量份的路易斯酸混合，加热至温度为80～120℃进行缩合反应；然后对缩合反应得到的混合物进行减压蒸馏除去过量的式II结构的单酚；粗产物在乙醇与水的混合液中进行重结晶，得到纯化的含氟二酚化合物；

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是：所述的缩合反应的时间为5～8小时。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是：所述的乙醇与水的混合液中的乙醇∶水的体积比为1∶1～4∶1。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是：所述的路易斯酸选自甲基磺酸、对甲苯磺酸、三氟甲磺酸、三氟乙酸、盐酸、发烟硫酸和硝酸中的一种或几种。