CN110903504A - 一种超细玻璃纤维及其制备方法、应用和聚酰亚胺薄膜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超细玻璃纤维的制备方法,包括如下步骤:S1、玻璃纤维经氢氧化钠水溶液浸泡后,洗涤烘干,均匀分散于有机溶剂中得到溶液A,加入二异氰酸酯和催化剂进行反应,过滤,洗涤滤饼得到中间物料;S2、将中间物料均匀分散于有机溶剂中得到溶液B,在惰性气体氛围中,向溶液B中加入二胺进行反应,过滤,洗涤滤饼,烘干得到超细玻璃纤维。本发明还公开了一种超细玻璃纤维,按照上述超细玻璃纤维的制备方法制得。本发明还公开了上述超细玻璃纤维在聚酰亚胺薄膜中的应用。本发明还公开了一种低热收缩聚酰亚胺薄膜。本发明制备的超细玻璃纤维表面接枝有‑NH2,可与聚酰亚胺结合,达到降低聚酰亚胺薄膜热收缩并保持力学性能的作用。
Description
技术领域
本发明涉及聚酰亚胺薄膜和玻璃纤维技术领域,尤其涉及一种超细玻璃纤维及其制备方法、应用和聚酰亚胺薄膜。
背景技术
聚酰亚胺是一种性能优异的特种工程塑料。因其绝佳的耐热性能,绝缘性能被广泛应用于航空航天设备制造、印刷线路板、集成电路、电池包装等方面。在制造电路板时需要将聚酰亚胺薄膜粘贴到铜板上。金属材料一般不会产生热收缩,而作为聚合物的聚酰亚胺薄膜则会产生0.15-0.3%左右的收缩,这就会导致薄膜撕裂或者铜板变形,元器件报废。因此降低聚酰亚胺薄膜的热收缩成为聚酰亚胺薄膜研发的主要方向。
目前国内外主要有两种方法来降低聚酰亚胺薄膜的热收缩性能。方法一是通过调整不同二酐和二胺的种类,在分子链中引入一些刚性强的链段,通过提高高分子链的刚性,来抑制薄膜的热收缩。但是此方法会导致薄膜的柔韧性变差,降低生产效率。方法二是通过引入无机填充来固定薄膜的分子链,限制分子链自由移动来降低热收缩特性。但是其中的无机填充物表面与薄膜基体处于相分离状态,这会导致薄膜的综合力学性能下降。
因此在尽可能低的降低热收缩的情况下,保持较高的生产效率和薄膜的力学性能的研究显得非常重要。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题,本发明提出了一种超细玻璃纤维及其制备方法、应用和聚酰亚胺薄膜,本发明制备的超细玻璃纤维表面接枝有-NH2,可与聚酰亚胺分子链中含有的酸酐反应生成酰胺,在通过亚胺化反应,使玻璃纤维表面与聚酰亚胺基体牢牢结合成一体,由于玻璃纤维的强刚性作用,限制了聚酰亚胺分子链的移动,使薄膜对抗内应力的能力更强,从而降低了聚酰亚胺薄膜的收缩率,同时玻纤和薄膜基体的结合紧密产生的缺陷较少,力学性能保持更好,聚酰亚胺薄膜的综合性能提升。
本发明提出的一种超细玻璃纤维的制备方法,包括如下步骤:
S1、玻璃纤维经氢氧化钠水溶液浸泡后,洗涤烘干,均匀分散于有机溶剂中得到溶液A,加入二异氰酸酯和催化剂进行反应,过滤,洗涤滤饼得到中间物料;
S2、将中间物料均匀分散于有机溶剂中得到溶液B,在惰性气体氛围中,向溶液B中加入二胺进行反应,过滤,洗涤滤饼,烘干得到超细玻璃纤维。
上述玻璃纤维经氢氧化钠浸泡后,在玻璃纤维表面含有-OH,与二异氰酸酯中的一个的-NCO结合,而另一个-NCO基团连接在玻璃纤维表面即为中间物料;玻璃纤维表面的-NCO基团和二胺中的一个-NH2反应,从而将二胺中的另一个-NH2接枝再玻璃纤维表面即为超细玻璃纤维,并且一个-NCO可与2个-NH2反应,从而引进了2个-NH2,提高了玻璃纤维的接枝效率。
优选地,在S1中,玻璃纤维的直径为0.5-1μm,长度为20-40μm。
优选地,在S1中,二异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯中的至少一种。
优选地,在S1中,催化剂为辛酸亚锡和/或三乙胺。
优选地,在S2中,二胺为苯二胺、二氨基二苯醚、环己二胺、己二胺中的至少一种。
优选地,在S1中,二异氰酸酯重量为玻璃纤维重量的5-10%。
优选地,在S1中,催化剂重量为二异氰酸酯重量的0.1-0.5%。
优选地,在S1中,反应温度为60-80℃,反应时间为3-5h。
优选地,在S2中,二胺重量为中间物料重量的10-20%。
优选地,在S2中,反应温度为60-80℃,反应时间为1-3h。
优选地,在S1中,浸泡时间为3-5h。
优选地,在S1中,氢氧化钠水溶液的质量分数为4-6%。
优选地,在S1中,玻璃纤维和氢氧化钠水溶液的重量比为1:8-10。
优选地,在S1中,溶液A中玻璃纤维的含量为10-20%。
优选地,在S2中,溶液B中,中间物料的含量为10-20%。
优选地,在S1、S2中,有机溶剂均为丙酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、甲苯中的至少一种。
上述S1中,烘干时需定期翻动,防止玻璃纤维粘连。
本发明还提出了一种超细玻璃纤维,按照上述超细玻璃纤维的制备方法制得。
本发明还提出了上述超细玻璃纤维在聚酰亚胺薄膜中的应用。
本发明还提出了一种低热收缩聚酰亚胺薄膜,其制备方法包括如下步骤:向二胺溶液中加入上述超细玻璃纤维,搅拌分散均匀,加入二酐反应调节粘度得到胶体,将胶体涂膜,亚胺化得到低热收缩聚酰亚胺薄膜。
优选地,超细玻璃纤维重量为二胺重量的0.5-1%。
优选地,二胺为苯二胺、二氨基二苯醚、环己二胺、己二胺的至少一种。
优选地,二酐为均苯四甲酸二酐、联苯二酐、二苯醚二酐的至少一种。
优选地,粘度为30-130PaS。
优选地,亚胺化程序为:于60-100℃保温5-10min,升温至180-200℃保温5-10min,然后升温至280-320℃保温10-15min,再升温至440-470℃保温3-5min。
优选地,二酐与二胺的摩尔比为0.95-1.05:1。
优选地,二胺溶液中二胺的质量分数为5-15%。
优选地,二胺溶液的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、甲苯中至少一种。
对于超细玻璃纤维的制备、以及在聚酰亚胺基体中的化学键合的反应历程如图1所示,图1为低热收缩聚酰亚胺薄膜的反应流程图,以二苯基甲烷二异氰酸酯、二氨基二苯醚、均苯四甲酸二酐为例,GF为玻璃纤维,Sn2+为锡离子。
本发明通过将二异氰酸酯连接到玻璃纤维表面,并在玻璃纤维表面接枝-NCO,再与二胺溶反应,从而在玻璃纤维表面接枝上-NH2;增加玻璃纤维的化学活性,使其与高分子化学物质(如树脂等)以化学键的形式结合,从而改善高分子化学物质的性能;
玻璃纤维具有较高的长径比及刚性,可以将聚酰亚胺的分子链牢牢固定,降低薄膜热收缩状况;另外,超细玻璃纤维表面的-NH2与聚酰亚胺分子链以共价键的方式结合,最大程度降低了相分离所带来的力学性能降低;同时,在制膜过程中玻纤会微微突出于薄膜表面,这样降低了两层膜之间的静电结合作用,让薄膜更容易开口和绕卷,在大批量生产中能显著提高效率。
附图说明
图1为低热收缩聚酰亚胺薄膜的反应流程图。
具体实施方式
下面,通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
一种超细玻璃纤维的制备方法,包括如下步骤:
S1、取平均直径为0.8μm、平均长度为30μm的玻璃纤维10g,经90g质量分数为5%氢氧化钠水溶液室温浸泡4h后,过滤,水洗滤饼,于70℃真空烘箱中烘干,均匀分散于90g N,N-二甲基甲酰胺中得到溶液A,升温至60℃,加入1g二苯基甲烷二异氰酸酯和0.002g辛酸亚锡,二苯基甲烷二异氰酸酯和辛酸亚锡用N,N-二甲基甲酰胺溶解后加入的,保温反应4h,过滤,用N,N-二甲基甲酰胺洗涤滤饼,于70℃真空烘箱中烘干得到中间物料;
S2、将10g中间物料均匀分散于90g N,N-二甲基甲酰胺中得到溶液B,在氮气氛围中,向溶液B中加入1g二氨基二苯醚,于60℃反应2h,过滤,用N,N-二甲基甲酰胺洗涤滤饼,于70℃真空烘箱中烘干得到超细玻璃纤维。
实施例2
一种超细玻璃纤维的制备方法,将二胺基二苯醚换成对苯二胺,其他同实施例1。
实施例3
一种低热收缩聚酰亚胺薄膜,其制备方法包括如下步骤:将30g二氨基二苯醚溶于300g N,N-二甲基甲酰胺中得到二胺溶液;向二胺溶液中加入0.2g实施例1得到的超细玻璃纤维,搅拌分散均匀,再分次加入均苯四甲酸二酐,搅拌至粘度为30-130PaS时,停止加入均苯四甲酸二酐得到胶体,将胶体置于真空烘箱中室温脱泡,然后用涂膜机在玻璃板上涂成厚度为300μm的膜,然后置于烘箱中逐步亚胺化,亚胺化程序为:于80℃保温5min,升温至180℃保温7min,然后升温至320℃保温10min,再升温至450℃保温5min,冷却后撕下薄膜得到低热收缩聚酰亚胺薄膜。
实施例4
一种低热收缩聚酰亚胺薄膜,将二胺基二苯醚换成对苯二胺,将实施例1得到的超细玻璃纤维替换成实施例2得到的超细玻璃纤维,其他同实施例3。
实施例5
一种低热收缩聚酰亚胺薄膜,将实施例1得到的超细玻璃纤维替换成实施例2得到的超细玻璃纤维,其他同实施例3。
实施例6
一种低热收缩聚酰亚胺薄膜,将二胺基二苯醚换成对苯二胺,其他同实施例3。
实施例7
一种低热收缩聚酰亚胺薄膜,超细玻璃纤维添加量为0.3g,其他同实施例3。
对比例1
一种聚酰亚胺薄膜,不加超细玻璃纤维,其他同实施例3。
对比例2
一种聚酰亚胺薄膜,不加超细玻璃纤维,将二氨基二苯醚替换成对苯二胺,其他同实施例3。
对上述实施例3-7和对比例1-2的聚酰亚胺薄膜进行力学性能测试和热收缩性能测试,结果如下表所示:
由上表可以看出,1.超细玻璃纤维对聚酰亚胺薄膜的热收缩的改善非常显著,且力学性能未见明显降低,反而有部分提升;
2.制备聚酰亚胺薄膜时,当二胺为二氨基二苯醚时,加入超细玻璃纤维,横向热收缩由0.35%降低到0.08%,纵向热收缩由0.28%降低到0.05%;当二胺为对苯二胺时,横向热收缩由0.27%降低到0.07%,纵向热收缩由0.19%降低到0.04%;
3.制备超细玻璃纤维和聚酰亚胺薄膜时,二胺相同时,聚酰亚胺薄膜的热收缩及力学性能最好;二胺不同时,聚酰亚胺薄膜的热收缩依然有改善,但是效果不如二胺相同时好;主要原因是:不同二胺上的氨基反应活性不同,超细玻璃纤维和聚酰亚胺中的氨基反应活性越接近,其在分子链上聚合的可能越大;若超细玻璃纤维上的氨基反应活性高,会优先反应连接超细玻璃纤维上的氨基,则会造成超细玻璃纤维自身之间的相互结合;若聚酰亚胺中的氨基反应活性高,则超细玻璃纤维上的氨基无法大量接入聚酰亚胺的分子链内;这两种情况都会导致超细玻璃纤维无法在聚酰亚胺分子链内形成大量化学交联,会使得聚酰亚胺薄膜综合性能偏低;
4.比较实施例3和实施例7发现,当超细玻璃纤维重量为二胺重量从0.67%调高到1%时,聚酰亚胺薄膜的热收缩和力学性能没有明显的提高,且玻纤含量过高会严重影响薄膜外观。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超细玻璃纤维的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1、玻璃纤维经氢氧化钠水溶液浸泡后,洗涤烘干,均匀分散于有机溶剂中得到溶液A,加入二异氰酸酯和催化剂进行反应,过滤,洗涤滤饼得到中间物料;
S2、将中间物料均匀分散于有机溶剂中得到溶液B,加入二胺进行反应,过滤,洗涤滤饼,烘干得到超细玻璃纤维。
2.根据权利要求1所述超细玻璃纤维的制备方法,其特征在于,在S1中,玻璃纤维的直径为0.5-1μm,长度为20-40μm。
3.根据权利要求1或2所述超细玻璃纤维的制备方法,其特征在于,在S1中,二异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯中的至少一种;优选地,在S1中,催化剂为辛酸亚锡和/或三乙胺;优选地,在S2中,二胺为苯二胺、二氨基二苯醚、环己二胺、己二胺中的至少一种。
4.根据权利要求1-3任一项所述超细玻璃纤维的制备方法,其特征在于,在S1中,二异氰酸酯重量为玻璃纤维重量的5-10%;优选地,在S1中,催化剂重量为二异氰酸酯重量的0.1-0.5%;优选地,在S1中,反应温度为60-80℃,反应时间为3-5h;优选地,在S2中,二胺重量为中间物料重量的10-20%;优选地,在S2中,反应温度为60-80℃,反应时间为1-3h。
5.根据权利要求1-4任一项所述超细玻璃纤维的制备方法,其特征在于,在S1中,浸泡时间为3-5h;优选地,在S1中,氢氧化钠水溶液的质量分数为4-6%;优选地,在S1中,玻璃纤维和氢氧化钠水溶液的重量比为1:8-10。
6.根据权利要求1-5任一项所述超细玻璃纤维的制备方法,其特征在于,在S1中,溶液A中玻璃纤维的含量为10-20%;优选地,在S2中,溶液B中,中间物料的含量为10-20%;优选地,在S1、S2中,有机溶剂均为丙酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、甲苯中的至少一种。
7.一种超细玻璃纤维,其特征在于,按照权利要求1-6任一项所述超细玻璃纤维的制备方法制得。
8.一种如权利要求7所述超细玻璃纤维在聚酰亚胺薄膜中的应用。
9.一种低热收缩聚酰亚胺薄膜,其特征在于,其制备方法包括如下步骤:向二胺溶液中加入如权利要求7所述超细玻璃纤维,搅拌分散均匀,加入二酐反应调节粘度得到胶体,将胶体涂膜,亚胺化得到低热收缩聚酰亚胺薄膜。
10.根据权利要求9所述低热收缩聚酰亚胺薄膜,其特征在于,超细玻璃纤维重量为二胺重量的0.5-1%;优选地,二胺为苯二胺、二氨基二苯醚、环己二胺、己二胺的至少一种;优选地,二酐为均苯四甲酸二酐、联苯二酐、二苯醚二酐的至少一种;优选地,粘度为30-130PaS;优选地,亚胺化程序为:于60-100℃保温5-10min,升温至180-200℃保温5-10min,然后升温至280-320℃保温10-15min,再升温至440-470℃保温3-5min;优选地,二酐与二胺的摩尔比为0.95-1.05:1;优选地,二胺溶液中二胺的质量分数为5-15%;优选地,二胺溶液的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、甲苯中至少一种。
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