CN106366313B - 一种无色透明聚酰亚胺薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无色透明聚酰亚胺薄膜及其制备方法。由包含3,3'‑双(4‑硝基苯氧基)联苯胺在内的二胺单体和包含4,4'‑双(3,4‑二羧基苯氧基)二苯醚二酐在内的二酐单体组成,在所述二胺单体中,3,3'‑双(4‑硝基苯氧基)联苯胺的摩尔分数不低于90%,在所述二酐单体中,4,4'‑双(3,4‑二羧基苯氧基)二苯醚二酐的摩尔分数不低于82%;所述二胺单体与所述二酐单体的摩尔比为0.94~0.99:1。本发明所制备的聚酰亚胺薄膜无需使用含氟或含脂肪环的单体,所得薄膜不仅具有优良的无色透明性质,且力学强度高,热膨胀系数小,耐热性能优异。
Description
技术领域
本发明涉及耐热高分子薄膜的制备领域,特别涉及一种无色且透明的聚酰亚胺薄膜及其制备方法。
背景技术
目前无色透明型聚酰亚胺薄膜(PI薄膜)主要是通过在聚酰亚胺分子链中引入含氟基团或脂环族基团来得到。含氟芳香族PI薄膜因氟原子的引入,其分子链间距离增大,阻碍了分子间电荷转移络合物(CTC)的形成,同时氟原子的引入可降低二胺的给电子性,增大电子能级带隙,从而使材料的光透过性大为提高。而脂环族基团的引入可以破坏分子主链上的共轭结构, 同样使分子链之间难以形成电荷转移络合物, 使得脂环族PI的透明性提高(任小龙, 张俊杰, 李立严等,中国塑料,2015,29(5): p.5-13)。
目前,PI薄膜大致分为2类:(1)在聚酰亚胺结构中引入含氟基团(如氟取代基和三氟甲基取代基)能够得到无色透明的聚酰亚胺薄膜,但同时也存在一定缺陷,如含氟单体一般价格昂贵且制备工艺很复杂;氟元素的引入也会带来薄膜力学性能降低、热稳定性下降、黏结性变差、与其他基体的亲和性下降等问题;(2)通过脂环族单体来合成无色透明聚酰亚胺也会带来一系列的问题,其力学强度一般都较低,拉伸强度一般小于100 MPa。通过以上两种方法来制备无色透明聚酰亚胺薄膜,限制了此类材料在高性能柔性太阳能电池底板、柔性显示屏、光通讯领域的光导波材料等方面的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种无色透明且有着较好力学性能的聚酰亚胺薄膜及其制备方法。
本发明的技术方案如下:
一种无色透明聚酰亚胺薄膜,由3,3'-双(4-硝基苯氧基)联苯胺为主的二胺单体和由4,4'-双(3,4-二羧基苯氧基)二苯醚二酐为主的二酐单体组成,在所有二胺单体中,3,3'-双(4-硝基苯氧基)联苯胺的摩尔分数不低于90%,在所有二酐单体中,4,4'-双(3,4-二羧基苯氧基)二苯醚二酐的摩尔分数不低于82%;所有二胺单体与所有二酐单体的摩尔比为0.94~0.99:1。
优选地,所述的二胺单体还包括3,3'-二氨基二苯砜、4,4'-二氨基二苯甲烷、2,2-双[4-(3-氨基苯氧基)苯基]丙烷4,4'-二氨基二联苯、4,4'-二氨基二苯砜、3 3'-二甲基-4,4'-二氨基二苯甲烷、2,5-双(4-氨基苯氧基)甲苯、2,5-双(4-氨基苯氧基)特丁基苯、4,4'-二氨基二苯醚、3,4'-二氨基二苯醚、3,3'-二氨基二苯醚中的一种或几种。
优选地,所述的二酐单体还包括均苯四甲酸二酐、3,3',4,4'-二苯醚四甲酸二酐、3,3',4,4'-二苯酮四甲酸二酐、3,3',4,4'-四甲酸联苯二酐中的一种或几种。
本发明还提供了上述无色透明聚酰亚胺薄膜的制备方法,将二胺单体和二酐单体加入强极性非质子溶剂中,聚合后得到固含量为10-15%的溶液,在脱水剂N,N'-二环己基碳二亚胺存在下于30-50℃下低温亚胺化反应,产物经处理后得到所述的薄膜。
进一步的,强极性非质子溶剂选自N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺中的一种或几种。
进一步的,聚合温度为10-15℃;聚合时间为10-12h。
进一步的,亚胺化反应时间为5h以上。
进一步的,脱水剂用量是二酐单体总摩尔数的2-7%,优选用量为二酐单体总摩尔数的2.5-3.5%。
进一步的,产物经乙醇沉淀、水洗涤、抽滤,120℃下真空干燥 10 h,加入N-甲基吡咯烷酮中,配成质量含量5-7%的溶液,涂覆于干净光滑的玻璃板上,置于真空烘箱中,于100℃下干燥12h得到所述的薄膜。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
1)本发明制得的薄膜在拥有优异的无色透明性质的同时,保持了较高的力学强度,且热膨胀系数小,耐温性好。
2)制备过程中没有用到含氟或者含脂肪环的单体,成本低廉。
3)无需高温亚胺化,生产过程能耗较低。
具体实施方式
下面以具体实施例说明本发明的实施方法,需指出的是,本发明并非仅局限在实施例范围内。
实施例一
在带温度计和机械搅拌的反应器中,将0.90mol的3,3'-双(4-硝基苯氧基)联苯胺,0.09mol的3,4'-二氨基二苯醚溶解于N-甲基吡咯烷酮中,随后将温度降至10℃,在2小时内分6次加入0.90mol 的4,4'-双(3,4-二羧基苯氧基)二苯醚二酐,0.10mol的均苯四甲酸二酐,反应物的固含量维持在10%左右,再反应10小时后,将反应釜升温至40℃,加入0.025 mol 的N,N'-二环己基碳二亚胺,再搅拌5h,然后加入乙醇,将沉淀物洗涤、抽滤,120℃下真空干燥 10 小时得到无色粉末状产物。将该无色粉末溶解于N-甲基吡咯烷酮,配成质量含量7%的溶液,涂覆于干净光滑的玻璃板上,在真空烘箱中,100℃下干燥12小时 ,降至室温,所得薄膜的平均厚度为0.024 mm。所得薄膜呈现无色,透明性好,紫外光400nm处的透过率为85.4%,最大透过率93.8%(紫外可见分光光度计测试);拉伸强度182 Mpa,断裂伸长率17%(按ASTMD882方法测试);热膨胀系数1.765×10-5/℃(热机械分析法测试);热分解温度517℃(TGA法测试,取失重5%时的温度作为热分解温度)。
实施例二
在带温度计和机械搅拌的反应器中,将0.90 mol的3,3'-双(4-硝基苯氧基)联苯胺和0.04mol的2,2-双[4-(3-氨基苯氧基)苯基]丙烷4,4'-二氨基二联苯溶解于N,N-二甲基乙酰胺中,随后将温度降至15℃,在2小时内分6次加入1.0 mol 的4,4'-双(3,4-二羧基苯氧基)二苯醚二酐,反应物的固含量维持在15%左右,再反应10小时后,将反应釜升温至40℃,加入0.035 mol 的N,N'-二环己基碳二亚胺,搅拌5h,然后加入乙醇,将沉淀物洗涤、抽滤,120℃下真空干燥 10 小时得到无色粉末状产物。将该无色粉末溶解于N-甲基吡咯烷酮,配成质量含量5%的溶液,涂覆于干净光滑的玻璃板上,在真空烘箱中,100℃下干燥12小时 ,降至室温,所得薄膜的平均厚度为0.025 mm。所得聚酰亚胺薄膜呈现无色透明状,紫外光400nm处的透过率为82.3%,最大透过率91.2%(紫外可见分光光度计测试);拉伸强度221Mpa,断裂伸长率18%(按ASTMD882方法测试);热膨胀系数1.823×10-5/℃(热机械分析法测试);热分解温度521℃(TGA法测试,取失重5%时的温度作为热分解温度)。
实施例三
在带温度计和机械搅拌的反应器中,将0.94 mol的3,3'-双(4-硝基苯氧基)联苯胺溶解于N,N-二甲基甲酰胺中,随后将温度降至12℃,在2小时内分6次加入0.82 mol 的4,4'-双(3,4-二羧基苯氧基)二苯醚二酐和0.18mol的3,3',4,4'-四甲酸联苯二酐,反应物的固含量维持在13%左右,再反应10小时后,将反应釜升温至40℃,加入0.030 mol 的N,N'-二环己基碳二亚胺,搅拌5h,然后加入乙醇,将沉淀物用水洗涤、抽滤,120℃下真空干燥 10小时得到无色粉末状产物。将该无色粉末溶解于N-甲基吡咯烷酮,配成质量含量6%的溶液,涂覆于干净光滑的玻璃板上,在真空烘箱中,100℃下干燥12小时 ,降至室温,所得薄膜的平均厚度为0.025 mm。所得聚酰亚胺薄膜呈现无色,透明状,紫外光400nm处的透过率为83.1%,最大透过率94.0%(紫外可见分光光度计测试);拉伸强度182 Mpa,断裂伸长率11%(按ASTMD882方法测试);热膨胀系数2.101×10-5/℃(热机械分析法测试);热分解温度514℃(TGA法测试,取失重5%时的温度作为热分解温度)。
实施例四
在带温度计和机械搅拌的反应器中,将0.92 mol的3,3'-双(4-硝基苯氧基)联苯胺和0.05mol的3 3'-二甲基-4,4'-二氨基二苯甲烷溶解于N,N-二甲基甲酰胺中,随后将温度降至10℃,在2小时内分6次加入0.90 mol 的4,4'-双(3,4-二羧基苯氧基)二苯醚二酐和0.10mol的3,3',4,4'-二苯醚四甲酸二酐,反应物的固含量维持在11%左右,再反应10小时后,将反应釜升温至40℃,加入0.07 mol 的N,N'-二环己基碳二亚胺,搅拌5h,然后加入乙醇,将沉淀物用水洗涤、抽滤,120℃下真空干燥 10 小时得到无色粉末状产物。将该无色粉末溶解于N-甲基吡咯烷酮,配成质量含量6%的溶液,涂覆于干净光滑的玻璃板上,在真空烘箱中,100℃下干燥12小时 ,降至室温,所得薄膜的平均厚度为0.025 mm。所得聚酰亚胺薄膜呈现无色透明状,紫外光400nm处的透过率为79.8%,最大透过率91.1%(紫外可见分光光度计测试);拉伸强度177 Mpa,断裂伸长率10%(按ASTMD882方法测试);热膨胀系数2.217×10-5/℃(热机械分析法测试);热分解温度503℃(TGA法测试,取失重5%时的温度作为热分解温度)。
Claims (10)
1.一种无色透明聚酰亚胺薄膜,其特征在于,由包含3,3'-双(4-硝基苯氧基)联苯胺在内的二胺单体和包含4,4'-双(3,4-二羧基苯氧基)二苯醚二酐在内的二酐单体组成,在所述二胺单体中,3,3'-双(4-硝基苯氧基)联苯胺的摩尔分数不低于90%,在所述二酐单体中,4,4'-双(3,4-二羧基苯氧基)二苯醚二酐的摩尔分数不低于82%;所述二胺单体与所述二酐单体的摩尔比为0.94~0.99:1。
2.如权利要求1所述的无色透明聚酰亚胺薄膜,其特征在于,所述的二胺单体还包括3,3'-二氨基二苯砜、4,4'-二氨基二苯甲烷、2,2-双[4-(3-氨基苯氧基)苯基]丙烷、4,4'-二氨基二联苯、4,4'-二氨基二苯砜、3 3'-二甲基-4,4'-二氨基二苯甲烷、2,5-双(4-氨基苯氧基)甲苯、2,5-双(4-氨基苯氧基)特丁基苯、4,4'-二氨基二苯醚、3,4'-二氨基二苯醚、3,3'-二氨基二苯醚中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的无色透明聚酰亚胺薄膜,其特征在于,所述的二酐单体还包括均苯四甲酸二酐、3,3',4,4'-二苯醚四甲酸二酐、3,3',4,4'-二苯酮四甲酸二酐、3,3',4,4'-四甲酸联苯二酐中的一种或几种。
4.如权利要求1-3任一所述的无色透明聚酰亚胺薄膜的制备方法,其特征在于,将二胺单体和二酐单体加入强极性非质子溶剂中,聚合后得到固含量为10-15%的溶液,在脱水剂N,N'-二环己基碳二亚胺存在下于30-50℃下低温亚胺化反应,产物经处理后得到所述的薄膜。
5.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,强极性非质子溶剂选自N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺中的一种或几种。
6.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,聚合温度为10-15℃;聚合时间为10-12h。
7.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,亚胺化反应时间为5h以上。
8.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,脱水剂用量是二酐单体总摩尔数的2-7%。
9.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,脱水剂用量是二酐单体总摩尔数的2.5-3.5%。
10.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,产物经乙醇沉淀、水洗涤、抽滤,120℃下真空干燥 10 h,加入N-甲基吡咯烷酮中,配成质量含量5-7%的溶液,涂覆于干净光滑的玻璃板上,置于真空烘箱中,于100℃下干燥12h得到所述的薄膜。
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