CN109337101A - 一种聚酰亚胺薄膜的制备方法 - Google Patents

一种聚酰亚胺薄膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚酰亚胺薄膜的制备方法，包括在氮气环境下，将芳香二胺溶于非质子极性溶剂中，再将芳香二酐分批加入到芳香二胺溶液中，充分反应后，得到聚酰胺酸溶液；加入催化剂和脱水剂，并使用机械搅拌器将其充分分散得混合溶液；将混合溶液涂布在镜面钢板上，经加热亚胺化、干燥、剥离后得到凝胶膜；将凝胶膜的周边固定在金属框架上，放入高温干燥箱内进一步热处理后，得到聚酰亚胺薄膜。本发明避免了传统的高温亚胺化工艺，在300℃以下即能够完成亚胺化过程，制备得到的聚酰亚胺薄膜具有高强度、高延伸率和高耐热等性能。

Description

一种聚酰亚胺薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及薄膜制备技术领域，特别涉及一种工艺改良的聚酰亚胺薄膜的制备方法。
背景技术
聚酰亚胺薄膜具有超高的耐高温和耐低温特性，同时还具有耐氧化、耐辐射、耐化学腐蚀等一系列的优异性能。因此，聚酰亚胺薄膜被广泛应用于宇宙航空材料、汽车材料等的尖端耐热材料，以及微电子领域柔性电路板的基膜和覆盖膜等。
要充分发挥聚酰亚胺薄膜的性能，必须要保证薄膜被完全亚胺化，而在不添加任何反应助剂的条件下，常见的聚酰亚胺薄膜完全亚胺化温度在400℃以上。现有国内大部分厂家都是通过高温来实现亚胺化，在消耗大量能源的同时，设备也承受了巨大的负荷，对设备的运行稳定性和使用寿命都会有较大的影响。而常见的化学亚胺化法，通常是以乙酸酐作为脱水剂，其配合的催化剂脱水能力很强，导致在常温条件下聚酰胺酸充分脱水后生成聚酰亚胺而失去了流动性，给之后的流延步骤带来了很大的不便。如何节能、便捷地实现聚酰胺酸的亚胺化，是业内亟需解决的一个重要课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺改良的聚酰亚胺薄膜制备方法，以制备得到具有高强度、高延伸率、高耐热性能的聚酰亚胺薄膜。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种聚酰亚胺薄膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在氮气环境下，将芳香二胺溶于非质子极性溶剂中，再将芳香二酐分批加入到芳香二胺溶液中，充分反应后，得到聚酰胺酸溶液；
(2)在聚酰胺酸溶液中加入催化剂和脱水剂，并使用机械搅拌器将其充分分散得混合溶液，所述催化剂、脱水剂与芳香二胺的摩尔比为2-3:2-3:1；所述脱水剂为原甲酸酯；
(3)将混合溶液涂布在镜面钢板上，经加热亚胺化、干燥、剥离后得到凝胶膜；
(4)将凝胶膜的周边固定在金属框架上，放入高温干燥箱内进一步热处理后，得到聚酰亚胺薄膜。
进一步方案，步骤(1)中所述芳香二胺与芳香二酐的摩尔比为1:0.992-0.998，其反应温度为15-25℃；所述非质子极性溶剂为N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺。
进一步方案，步骤(1)中所述芳香二胺是由4,4’-二氨基二苯醚和对苯二胺组成，其中4,4’-二氨基二苯醚占芳香二胺摩尔总量的80-100％；所述芳香二酐是由均苯四甲酸二酐和3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐组成，其中均苯四甲酸二酐占芳香二酐摩尔总量的80-100％；
所述芳香二酐分三批加入，其中第一批次加入总摩尔量的95％，第三批次加入不大于总摩尔量的1％，余量为第二批次加入；并且前两个批次加入芳香二酐后的反应时间均为30min，第三批次加入芳香二酐后的反应时间为60min。
进一步方案，步骤(1)中聚酰胺酸溶液的固含量为10-20wt％，粘度为1500-3000泊。
进一步方案，所述催化剂为吡啶、异喹啉、3-甲基吡啶中的一种；所述原甲酸酯为原甲酸三甲酯或原甲酸三乙酯中的一种或两种。
进一步方案，步骤(3)中加热亚胺化的温度为80-120℃、时间为10-20min；干燥的温度为150-200℃、时间为5-10min。
进一步方案，步骤(4)中热处理的温度为270-290℃、时间为3-5min。
本发明优点如下：
1、本发明中聚酰胺酸溶液的制备是将芳香二酐分三批加入到芳香二胺溶液中，并且第一批次加入的量最大，第三批次加入后的反应时间最长，从而能更精确地调节聚合物粘度，防止暴聚。
2、本发明采用化学亚胺化法，在相对较低的温度下即可完成亚胺化过程，其中加热亚胺化温度为80-120℃、热处理温度为270-290℃。大幅减少了薄膜制备过程中的能源消耗，同时可以降低设备对高温的负荷，在一定程度上提高设备稳定运行的能力，并延长设备的使用寿命。
3、常见的化学亚胺化法多采用乙酸酐作为脱水剂，其存在两方面缺陷：一方面，乙酸酐属于“易制毒”化学品，在国内处于管制状态。另一方面，乙酸酐与吡啶等叔胺类催化剂配合使用时，脱水能力很强，室温条件下即会使聚酰胺酸迅速脱水生成聚酰亚胺，导致溶液失去流动性，无法进行后续的流延步骤。
而本发明采用原甲酸酯作为脱水剂，其属于常见、非管制类的化学品，市场上容易购得。同时，由于原甲酸酯配合叔胺类催化剂在室温条件下脱水能力较差，加入到聚酰胺酸溶液后仍然能够保持较好的流动性，而进一步流延加热后二者的脱水效果大幅改善，促使聚酰胺酸充分亚胺化得到聚酰亚胺，再进行干燥、热处理得到聚酰亚胺薄膜。
4、所以本发明的制备方法简单、节能，其相对于传统热亚胺化法，本发明省去了400℃以上的高温亚胺化过程，大大节省了能源的消耗。同时，常见的化学亚胺化法的聚合到流延步骤都需要在-20℃温度条件下进行，操作起来繁琐且对设备及人员要求较高，而本发明在室温条件下即可完成这一过程。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明，其目的仅在于更好理解本发明目的，而非限制本发明的保护范围。
下面各实施例中芳香二胺是由4,4’-二氨基二苯醚和对苯二胺组成，其中4,4’-二氨基二苯醚占芳香二胺摩尔总量的80-100％；
所述芳香二酐是由均苯四甲酸二酐和3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐组成，其中均苯四甲酸二酐占芳香二酐摩尔总量的80-100％；
实施例1：
(1)在15℃充满氮气的反应釜内，将0.08mol的4,4’-二氨基二苯醚和0.02mol的对苯二胺溶解于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中配成芳香二胺溶液；
再将0.08mol均苯四甲酸二酐和0.0192mol 3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐混合成芳香二酐；将芳香二酐分三批加入芳香二胺溶液中，先加入0.095mol搅拌反应30min；继续加入0.004mol搅拌反应30min；最后加入0.0002mol搅拌反应60min，得到固含量为10％、粘度为1500泊的聚酰胺酸溶液。
(2)向聚酰胺酸溶液中加入0.2mol吡啶和0.2mol原甲酸三甲酯，利用机械搅拌器将其充分搅拌均匀，然后真空脱泡得混合溶液。
(3)将混合溶液涂布到镜面钢板上后，置于干燥箱内，在80℃温度下加热20min；之后将镜面钢板放入鼓风干燥箱内，在150℃温度下鼓风干燥10min。把薄膜剥离钢板后，再将其四周固定金属框架上，放入高温鼓风干燥箱内，在270℃温度下热处理5min。得到厚度为25μm的聚酰亚胺薄膜。
实施例2：
(1)在20℃充满氮气的反应釜内，将0.09mol的4,4’-二氨基二苯醚和0.01mol的对苯二胺溶解于235g的N,N-二甲基甲酰胺(DMAc)中配成芳香二胺溶液；
将0.08mol均苯四甲酸二酐和0.0095mol 3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐混合成芳香二酐；将芳香二酐分三批加入芳香二胺溶液中，先加入0.085mol搅拌反应30min；再加入0.004mol拌反应30min；最后加入0.0005mol搅拌反应60min；得到固含量为15％的聚酰胺酸溶液，粘度为2300泊。
(2)向聚酰胺酸溶液中加入0.2mol异喹啉和0.3mol原甲酸三甲酯，利用机械搅拌器将其充分搅拌均匀，真空脱泡得混合溶液。
(3)将混合溶液涂布到镜面钢板上后，置于干燥箱内，在100℃温度下加热15min。之后将镜面钢板放入鼓风干燥箱内，在180℃温度下鼓风干燥8min。把薄膜剥离钢板后，将其四周固定金属框架上，放入高温鼓风干燥箱内，在280℃温度下热处理4min。得到厚度为25μm的聚酰亚胺薄膜。
实施例3：
(1)在25℃充满氮气的反应釜内，将0.1mol的4,4’-二氨基二苯醚溶解于167g的N,N-二甲基甲酰胺(DMAc)中；
将0.095mol均苯四甲酸二酐加入其中，搅拌反应30min；继续将0.004mol均苯四甲酸二酐加入其中，搅拌反应30min；最后将0.0008mol均苯四甲酸二酐加入其中，搅拌反应60min，得到固含量为20％的聚酰胺酸溶液，粘度为3000泊。
(2)向聚酰胺酸溶液中加入0.3mol的3-甲基吡啶、0.15mol原甲酸三甲酯和0.15mol原甲酸三乙酯，利用机械搅拌器将其充分搅拌均匀，真空脱泡得混合溶液。
(3)将混合溶液涂布到镜面钢板上后，置于干燥箱内，在120℃温度下加热10min。之后将镜面钢板放入鼓风干燥箱内，在200℃温度下鼓风干燥5min。把薄膜剥离钢板后，将其四周固定金属框架上，放入高温鼓风干燥箱内，在290℃温度下热处理3min。得到厚度为25μm的聚酰亚胺薄膜。
将上述实施例1-3所制得的聚酰亚胺薄膜的力学性能和耐热性能进行检测，并与市场上的国产热亚胺化法聚酰亚胺薄膜进行对比，结果如表1所示。
表1：
由表1可以看出，通过本发明制得的聚酰亚胺薄膜具有优秀的力学性能和极强的耐热性，证明通过本发明能够以一种更加安全、节能、便捷的工艺制备性能优秀的聚酰亚胺薄膜。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种聚酰亚胺薄膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）在氮气环境下，将芳香二胺溶于非质子极性溶剂中，再将芳香二酐分批加入到芳香二胺溶液中，充分反应后，得到聚酰胺酸溶液；
（2）在聚酰胺酸溶液中加入催化剂和脱水剂，并使用机械搅拌器将其充分分散得混合溶液，所述催化剂、脱水剂与芳香二胺的摩尔比为2-3:2-3:1；所述脱水剂为原甲酸酯；
（3）将混合溶液涂布在镜面钢板上，经加热亚胺化、干燥、剥离后得到凝胶膜；
（4）将凝胶膜的周边固定在金属框架上，放入高温干燥箱内进一步热处理后，得到聚酰亚胺薄膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述芳香二胺与芳香二酐的摩尔比为1:0.992-0.998，其反应温度为15-25℃；所述非质子极性溶剂为N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述芳香二胺是由4,4’-二氨基二苯醚和对苯二胺组成，其中4,4’-二氨基二苯醚占芳香二胺摩尔总量的80-100%；所述芳香二酐是由均苯四甲酸二酐和3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐组成，其中均苯四甲酸二酐占芳香二酐摩尔总量的80-100%；
所述芳香二酐分三批加入，其中第一批次加入总摩尔量的95%，第三批次加入不大于总摩尔量的1%，余量为第二批次加入；并且前两个批次加入芳香二酐后的反应时间均为30min，第三批次加入芳香二酐后的反应时间为60min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中聚酰胺酸溶液的固含量为10-20wt%，粘度为1500-3000泊。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述催化剂为吡啶、异喹啉、3-甲基吡啶中的一种；所述原甲酸酯为原甲酸三甲酯或原甲酸三乙酯中的一种或两种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）中加热亚胺化的温度为80-120℃、时间为10-20min；干燥的温度为150-200℃、时间为5-10min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（4）中热处理的温度为270-290℃、时间为3-5min。
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