CN111057236A - 一种低热膨胀系数热塑性聚酰亚胺树脂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低热膨胀系数热塑性聚酰亚胺树脂，具有如下结构式，本发明还公开了该树脂的制备方法，以偏苯三酸酐酰氯和二元伯胺为聚合单体，在反应溶剂中进行反应制备聚酰胺酸，并用封端剂封端，然后进行亚胺化反应制备得到。该聚酰亚胺树脂将含有酰胺键的结构引入到聚酰亚胺体系中，通过分子内氢键的相互作用力，降低聚酰亚胺树脂的热膨胀系数，此外通过引入柔性的结构单元来提高热塑性，使得该分子结构同时兼具热塑性和低热膨胀系数两大优点，其中熔融指数为0.1‑5g/10min，可以满足热塑加工，热膨胀系数在10‑30ppm/K。

Description

一种低热膨胀系数热塑性聚酰亚胺树脂及其制备方法
技术领域
本发明涉及热塑性聚酰亚胺树脂的技术领域，具体涉及一种低热膨胀系数热塑性聚酰亚胺树脂及其制备方法。
背景技术
热塑性聚酰亚胺树脂一般都需要引入柔性的氧醚键来提高其热塑加工性，因此其热膨胀系数(CTE)一般较高，在40-60ppm/K，如无定型的Ultem 1000的CTE在56ppm/K，结晶性的热塑性聚酰亚胺Aurum的CTE也很高，在60ppm/K。
目前知道的CTE最低的热塑性聚酰亚胺是Torlon，其CTE在31ppm/K，但是由于Torlon是结晶料，不透明。另一方面，具有低CTE的聚酰亚胺一般是采用刚性的二酐和刚性的二胺，如均苯二酐(PMDA)和对苯二胺(p-PDA)制备的聚酰亚胺薄膜的CTE是2ppm/K左右；PMDA和4,4’-二氨基-2,2’-双三氟甲基联苯(TFDB)制备的聚酰亚胺薄膜其CTE甚至能达到负数，为-4.7ppm/K；联苯二酐(BPDA)和p-PDA制备的聚酰亚胺薄膜的CTE—般认为是11ppm/K左右；PMDA、BPDA、对-亚苯基-双苯偏三酸酯二酐(TAHQ)与反式1,4-环己烷二胺(trans-1,4-CHDA)反应所得的聚酰亚胺的热膨胀系数都小于13ppm/K，分别为9.6、10、12.7ppm/K。
这些刚性结构制备的聚酰亚胺虽然CTE比较低，但是其玻璃化转变温度一般大于320℃，没有热塑加工性，所以一般用来制作聚酰亚胺薄膜。因此目前迫切需要开发一种具有低热膨胀系数的无定形热塑性聚酰亚胺树脂材料。
中国专利申请CN101407589A公开了一种低热膨胀系数热塑性聚酰亚胺薄膜的制备方法，其具体步骤如下：A、聚酰胺酸(PAA)溶液的制备，在反应器中加入摩尔比为1∶1～5的柔性二胺和刚性二胺，同时加入极性溶剂，控制温度进行搅拌，待其完全溶解后，分批加入与柔性和刚性二胺等摩尔量总量的酸酐，搅拌，制得PAA溶液；B、PAA/SiO2杂化溶液的制备a、将正硅酸乙酯加入到极性溶剂中，搅拌，加入水，继续搅拌，至溶液均匀透明，加入催化剂至溶液澄清，控制温度陈化，制得凝胶；其中水硅比3～5∶1，催化剂与水的摩尔比为1～1.1∶1；b、在步骤A中制得的PAA溶液中加入步骤a制得的凝胶中，连续搅拌，制得PAA/SiO2杂化溶液；C、杂化PI/SiO2薄膜的制备，将PAA/SiO2杂化溶液浸涂在玻璃平板上，放入真空烘箱中阶梯升温，升温到280～300℃恒温55～65min，脱水环化得PI/SiO2杂化薄膜。所得材料的热膨胀系数(CTE)为40.8×10-6K-1～23.8×10-6K-1，玻璃化转变温度(Tg)为319.5～286.1℃。该材料制备的产物是薄膜形态，且制备工艺复杂，引入Si-O后耐溶剂腐蚀性、耐水解性能都会下降。
发明内容
针对上述技术难题，本发明提供一种低热膨胀系数热塑性聚酰亚胺树脂，该低热膨胀系数热塑性聚酰亚胺树脂是无定形的非晶结构。该热塑性聚酰亚胺树脂的热膨胀系数可以达到30ppm/K以下，可满足热塑加工。
一种低热膨胀系数热塑性聚酰亚胺树脂，具有如下结构式：
Figure BDA0002299075400000021
其中，R1，R2是二元伯胺单体残基，n是大于等于0的整数，m是大于等于0的整数，n>m。其中R1是刚性二元伯胺单体残基，R2是柔性二元伯胺单体残基。
所述的R1是下列基团中的一种或两种以上：
Figure BDA0002299075400000022
所述的R2是下列基团中的一种或两种以上：
Figure BDA0002299075400000031
所述低热膨胀系数热塑性聚酰亚胺树脂的玻璃化转变温度为250-320℃，熔融指数为0.1-5g/10min，热膨胀系数在10-30ppm/K。该低热膨胀系数热塑性聚酰亚胺树脂是无定形的非晶结构。
作为优选，
所述的R1是如下基团：
Figure BDA0002299075400000032
所述的R2是如下基团的一种或两种：
Figure BDA0002299075400000033
本发明还提供了上述的低热膨胀系数热塑性聚酰亚胺树脂的制备方法，具有操作简便、易于控制等优点。
一种低热膨胀系数热塑性聚酰亚胺树脂的制备方法，以偏苯三酸酐酰氯和二元伯胺为聚合单体，在反应溶剂中进行反应制备聚酰胺酸，并用封端剂封端，然后进行亚胺化反应，将反应产物冷却，倒入沉淀剂中，过滤，收集沉淀后充分洗涤、干燥，制得低热膨胀系数热塑性聚酰亚胺树脂。
所述的反应溶剂是N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
所述的封端剂为苯酐，或者偏苯三酸酐。
所述的制备聚酰胺酸的反应可以在催化剂条件下聚合，所述的催化剂为硅烷偶联剂和有机胺类组成。硅烷偶联剂可选用三甲基氯硅烷等，有机胺类可选用三乙胺、吡啶、4-二甲氨基吡啶等。
所述的制备聚酰胺酸的反应也可以不加任何催化剂，由偏苯三酸酐酰氯和二元伯胺直接进行反应制备。
采用催化剂，可以有效的提高原料的反应活性，更利于聚合反应，调控并提高热塑性聚酰亚胺树脂的分子量。
所述的亚胺化反应可以采用化学亚胺化，化学亚胺化的试剂为酸酐类和有机胺类的混合物，酸酐类可选用乙酸酐等，有机胺类可选用三乙胺、吡啶等。
所述的亚胺化反应可以采用热亚胺化进行制备，热亚胺的试剂为苯类溶剂，例如甲苯、乙苯等。
作为优选，亚胺化反应采用化学亚胺化的方法，化学亚胺化的试剂为乙酸酐和吡啶的混合物。
采用化学亚胺化方法可以有效的控制制备的聚酰亚胺的分子量，使反应更稳定。其中以乙酸酐和吡啶的混合物左右化学亚胺化制备，可以有效的控制反应过程中的溶解性。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：该聚酰亚胺树脂将含有酰胺键的结构引入到聚酰亚胺体系中，通过分子内氢键的相互作用力，降低聚酰亚胺树脂的热膨胀系数，此外通过引入柔性的单元来提高热塑性，使得该分子结构同时兼具热塑性和低热膨胀系数两大优点，其中熔融指数为0.1-5g/10min，可以满足热塑加工，热膨胀系数在10-30ppm/K，远低于常规的热塑性聚酰亚胺树脂。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
本实施例中，聚酰亚胺树脂材料具有如下结构式：
Figure BDA0002299075400000041
制备方法(加催化剂)如下：
氮气保护下，在反应瓶中加入4,4’-二氨基-2,2’-双三氟甲基联苯(6.7248g，21.0mmol)，4,4’-二氨基-2,2’-双三氟甲基二苯醚(3.0261g，9.0mmol)，25mL的N,N-二甲基乙酰胺，室温搅拌溶解，然后加入三甲基氯硅烷(3.2592g，30.0mmol)，吡啶(2.1350g，27.0mmol)和4-二甲氨基吡啶(0.3665g，3.0mmol)，室温搅拌15分钟，然后冷却到0℃，加入偏苯三酸酐酰氯(6.0644，28.8mmol),在加入25mL的N,N-二甲基乙酰胺，自然升温至室温，搅拌12小时，然后加入苯酐(0.3554g，2.4mmol)封端，继续反应2小时，然后加入乙酸酐(120mmol)和三乙胺(60mmol)的混合液，在80℃反应2小时。将反应液滴入乙醇中得到纤维状的聚酰亚胺沉淀，烘干，得到聚酰亚胺粉末。
树脂性能测定如下：玻璃化转变温度为295℃，熔融指数为1.6g/10min，热膨胀系数在23ppm/K。
实施例2：
本实施例中，聚酰亚胺树脂材料具有如下结构式：
Figure BDA0002299075400000051
制备方法(不加催化剂)如下：
氮气保护下，在反应瓶中加入4,4’-二氨基-2,2’-双三氟甲基联苯(6.7248g，21.0mmol)，4,4’-二氨基-2,2’-双三氟甲基二苯醚(3.0261g，9.0mmol)，25mL的N,N-二甲基乙酰胺，室温搅拌溶解，然后冷却到0℃，加入偏苯三酸酐酰氯(6.0644，28.8mmol),在加入25mL的N,N-二甲基乙酰胺，自然升温至室温，搅拌12小时，然后加入苯酐(0.3554g，2.4mmol)封端，继续反应2小时，然后加入乙酸酐(120mmol)和吡啶(60mmol)的混合液，在80℃反应2小时。将反应液滴入乙醇中得到纤维状的聚酰亚胺沉淀，烘干，得到聚酰亚胺粉末。
树脂性能测定如下：玻璃化转变温度为293℃，熔融指数为2.3g/10min，热膨胀系数在25ppm/K。
实施例3：
本实施例中，聚酰亚胺树脂材料具有如下结构式：
Figure BDA0002299075400000061
制备方法如下：
氮气保护下，在反应瓶中加入4,4’-二氨基-2,2’-双三氟甲基联苯(9.6069g，30.0mmol)，25mL的N-甲基吡咯烷酮，室温搅拌溶解，然后加入三甲基氯硅烷(3.2592g，30.0mmol)，吡啶(2.1350g，27.0mmol)和4-二甲氨基吡啶(0.3665g，3.0mmol)，室温搅拌15分钟，然后冷却到0℃，加入偏苯三酸酐酰氯(6.2750，29.8mmol),在加入25mL的N-甲基吡咯烷酮，自然升温至室温，搅拌12小时，然后加入苯酐(0.0889g，0.6mmol)封端，继续反应2小时，然后加入乙酸酐(120mmol)和吡啶(60mmol)的混合液，在80℃反应2小时。将反应液滴入乙醇中得到纤维状的聚酰亚胺沉淀，烘干，得到聚酰亚胺粉末。
树脂性能测定如下：玻璃化转变温度为295℃，熔融指数为0.2g/10min，热膨胀系数在21ppm/K。
实施例4：
本实施例中，聚酰亚胺树脂材料具有如下结构式：
Figure BDA0002299075400000062
制备方法如下：
氮气保护下，在反应瓶中加入4,4’-二氨基-2,2’-双三氟甲基联苯(8.6462g，27.0mmol)，苯二胺(0.3244g，3.0mmol)，25mL的N,N-二甲基乙酰胺，室温搅拌溶解，然后加入三甲基氯硅烷(3.2592g，30.0mmol)，吡啶(2.1350g，27.0mmol)和4-二甲氨基吡啶(0.3665g，3.0mmol)，室温搅拌15分钟，然后冷却到0℃，加入偏苯三酸酐酰氯(6.2328，29.6mmol),在加入25mL的N,N-二甲基乙酰胺，自然升温至室温，搅拌12小时，然后加入苯酐(0.1778g，1.2mmol)封端，继续反应2小时，然后加入乙酸酐(120mmol)和吡啶(60mmol)的混合液，在80℃反应2小时。将反应液滴入乙醇中得到纤维状的聚酰亚胺沉淀，烘干，得到聚酰亚胺粉末。
树脂性能测定如下：玻璃化转变温度为293℃，熔融指数为0.5g/10min，热膨胀系数在22ppm/K。

Claims (10)

1.一种低热膨胀系数热塑性聚酰亚胺树脂，其特征在于，所述的低热膨胀系数热塑性聚酰亚胺树脂具有如下结构式：
Figure FDA0002299075390000011
其中，R1，R2是二元伯胺单体残基，n是大于0的整数，m是大于等于0的整数，n>m。
2.根据权利要求1所述的低热膨胀系数热塑性聚酰亚胺树脂，其特征在于，所述的R1是下列基团中的一种或两种以上：
Figure FDA0002299075390000012
所述的R2是下列基团中的一种或两种以上：
Figure FDA0002299075390000013
3.根据权利要求1所述的低热膨胀系数热塑性聚酰亚胺树脂，其特征在于，所述低热膨胀系数热塑性聚酰亚胺树脂的玻璃化转变温度为250-320℃，熔融指数为0.1-5g/10min，热膨胀系数在10-30ppm/K。
4.根据权利要求1所述的低热膨胀系数热塑性聚酰亚胺树脂的制备方法，其特征在于，以偏苯三酸酐酰氯和二元伯胺为聚合单体，在反应溶剂中进行反应制备聚酰胺酸，并用封端剂封端，然后进行亚胺化反应，将反应产物冷却，倒入沉淀剂中，过滤，收集沉淀后充分洗涤、干燥，制得低热膨胀系数热塑性聚酰亚胺树脂。
5.根据权利要求4所述的低热膨胀系数热塑性聚酰亚胺树脂的制备方法，其特征在于，所述的反应溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺或N-甲基吡咯烷酮。
6.根据权利要求4所述的低热膨胀系数热塑性聚酰亚胺树脂的制备方法，其特征在于，所述的制备聚酰胺酸的反应在催化剂条件下聚合，所述的催化剂为硅烷偶联剂和有机胺类组成。
7.根据权利要求4所述的低热膨胀系数热塑性聚酰亚胺树脂的制备方法，其特征在于，所述的制备聚酰胺酸的反应由偏苯三酸酐酰氯和二元伯胺直接进行反应制备。
8.根据权利要求4所述的低热膨胀系数热塑性聚酰亚胺树脂的制备方法，其特征在于，所述的封端剂为苯酐或者偏苯三酸酐。
9.根据权利要求4所述的低热膨胀系数热塑性聚酰亚胺树脂的制备方法，其特征在于，所述的亚胺化反应采用化学亚胺化，化学亚胺化的试剂为酸酐类和有机胺类的混合物。
10.根据权利要求4所述的低热膨胀系数热塑性聚酰亚胺树脂的制备方法，其特征在于，所述的亚胺化反应采用热亚胺化进行制备，热亚胺的试剂为苯类溶剂。
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