CN112979949B - 一种透明光敏聚酰亚胺树脂、聚酰亚胺薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及光敏树脂材料技术领域,更具体的,涉及一种透明光敏聚酰亚胺树脂、聚酰亚胺薄膜及其制备方法。
背景技术
聚酰亚胺(PI)是一类主链具有刚性的芳香环和氮原子杂环的高分子材料,具有优异的耐高低温性能、化学稳定性及突出的机械性能。其中光敏聚酰亚胺作为具有感光和耐热双重功能的高分子材料,能够满足微电子加工工艺中一些高温环境,已日益成为研究热点。然而,由于光敏聚酰亚胺的刚性分子链和分子间较强的相互作用,使其难熔融难溶解,加工成型困难。此外,常规光敏聚酰亚胺由于高度芳香共轭性及主链中强的分子间和分子内电荷转移络合物,使其膜材料通常具有较深的颜色且在紫外可见光区域光学透明性较差,无法应用到一些光电子器件中。
中国专利申请CN111995752A通过主链引入双炔基得到本征型光敏聚酰亚胺,但其溶解性改善程度有限,且高温亚胺化处理限制了其在热敏性元器件中的应用。中国专利申请CN110804181A通过缩聚反应得到主链中含氟基团、非共平面结构及羟基或羧基结构的透明聚酰亚胺树脂,然后侧链引入螺吡喃类光敏分子,得到透明光敏聚酰亚胺,该透明聚酰亚胺树脂具有光敏性,但是其只能溶解于强极性有机溶剂,对于低极性溶剂的溶解性不好,且其耐热性有待加强。
因此,需要开发出一种兼具良好溶解性、耐热性的透明光敏聚酰亚胺树脂。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的溶解性、透明性、耐热性较差的缺陷,提供一种透明光敏聚酰亚胺树脂,通过含氟原子、吡啶环的修饰,以及在聚酰亚胺侧链上引入甲基丙烯酸酯基团,有效提高了透明光敏聚酰亚胺树脂的溶解性、耐热性。
本发明的另一目的在于提供上述透明光敏聚酰亚胺树脂的制备方法。
本发明的另一目的在于提供上述透明光敏聚酰亚胺树脂制备的透明光敏聚酰亚胺薄膜。
本发明的另一目的在于提供上述透明光敏聚酰亚胺薄膜的制备方法。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:
一种透明光敏聚酰亚胺树脂(PSPI),具有如式(Ⅰ)所示结构:
其中Ar为二酐单体的残基,m、n为正整数。
本发明的透明光敏聚酰亚胺树脂,通过引入吡啶环和氟原子,使得聚酰亚胺树脂在具有良好热稳定性的同时,可溶于低沸点低极性的有机溶剂;不饱和的甲基丙烯酸酯光敏基团通过羟基引入聚酰亚胺树脂的侧链,能够在紫外线的照射下能发生光交联,使聚酰亚胺树脂具有良好的感光性能。
本发明的透明光敏聚酰亚胺树脂既可溶解于强极性有机溶剂,如N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、N-甲基吡络烷酮(NMP)、二甲基亚砜(DMSO);也可以溶解于低沸点低极性有机溶剂,如四氢呋喃(THF)、丙酮、氯仿(CHCl3)。
本发明的透明光敏聚酰亚胺树脂在氮气气氛中,热失重10%时的温度为360~390℃,具有良好的热稳定性。
发明人研究发现,由于透明光敏聚酰亚胺树脂中氟原子的引入,破坏了原聚合物的规整性,有效减弱了分子间和分子内电荷转移络合效应,从而使得聚酰亚胺树脂具有良好的透明性。
本发明的透明光敏聚酰亚胺树脂在紫外波长420nm处透光率≥80%。
优选地,所述m、n为1~1000000,且m、n为正整数。
更优选地,所述m、n为10~100。
进一步优选地,所述m、n为15~40。
优选地,所述Ar为如下结构所示二酐单体残基的一种或几种:
更优选地,所述Ar为如下结构所示二酐单体残基的一种或几种:
本发明还保护上述透明光敏聚酰亚胺树脂的制备方法,包括如下步骤:
S1.合成4-(4-氟)苯基-2,6-二(4-硝基苯基)吡啶(BNFP):
在惰性气体中,将对硝基苯乙酮、对氟苯甲醛、醋酸铵、冰醋酸混合,于105~125℃下反应4~8h,反应产物经过滤、洗涤、干燥,使用DMF重结晶,得到BNFP;
S2.合成4-(4-氟)苯基-2,6-二(4-氨基苯基)吡啶(BAFP):
在惰性气体中,将浓盐酸滴至BNFP、无水氯化亚锡、无水乙醇的混合液中,于70~85℃下反应10~16h,去除溶剂后,使用碱液对反应产物碱化,经过滤、洗涤、干燥,使用甲醇重结晶,得到BAFP;
S3.合成聚酰亚胺(PI):
在惰性气体中,将二酐单体加至含有BAFP、4,6-二氨基间苯二酚盐酸盐(DAR)的有机溶剂中,经过低温缩聚反应,再加入催化剂和脱水剂,经化学亚胺化反应得到PI;
S4.合成透明光敏聚酰亚胺树脂(PSPI):
将三乙胺和甲基丙烯酰氯加至溶有PI的有机溶剂中,在0~8℃下反应1~4h后,升至20~35℃下反应8~14h,沉淀得到反应产物即为PSPI。
优选地,步骤S1中所述对硝基苯乙酮、对氟苯甲醛和醋酸铵的摩尔比为2∶1∶(5~10)。
优选地,步骤S2中所述BNFP、无水氯化亚锡与浓盐酸的摩尔比为1∶(3~6)∶(10~20)。
优选地,步骤S2中所述碱液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或碳酸氢钠溶液。
优选地,步骤S3中所述二酐单体与BAFP、DAR的摩尔比为5∶(1~2)∶(4~3)。
优选地,步骤S3中所述二酐单体和BAFP在有机溶剂中总浓度为10~40w/v%。
优选地,步骤S3中所述二酐单体为如下结构所示一种或几种:
优选地,步骤S3中所述催化剂为三乙胺、吡啶或4-二甲氨基吡啶中的一种或几种;所述脱水剂为乙酸酐;所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N-N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡络烷酮、二甲基亚砜或γ-戊内酯中的一种或几种。
优选地,步骤S3中所述催化剂与脱水剂的摩尔比为(1~8)∶1。
优选地,步骤S4中所述PI与甲基丙烯酰氯摩尔比为(5~4)∶(4~5)。
优选地,S1的具体过程为:在惰性气氛中,在无水无氧瓶中加入对硝基苯乙酮、对氟苯甲醛、醋酸铵、冰醋酸,120℃下反应回流6h;反应结束后冷却到室温,减压抽滤,并用无水乙醇洗涤数次至沉淀由黄色变成浅黄色沉淀,再用热水和无水乙醇交替洗涤,干燥过夜;用DMF重结晶,减压抽滤后用去离子水洗涤,最终得到淡黄色絮状晶体BNFP。
优选地,S2的具体过程为:在惰性气氛中,在无水无氧瓶中加入BNFP、无水氯化亚锡、无水乙醇,并缓慢滴加浓盐酸,75℃下反应回流12h;反应结束后,冷却到室温,蒸出过量的乙醇,用碱液对其充分碱化,减压过滤,然后用热水洗涤,干燥过夜;再用甲醇重结晶,干燥得到淡黄色固体粉末BAFP。
优选地,S3的具体过程为:在惰性气氛中,在无水无氧瓶中加入BAFP,DAR和有机溶剂,搅拌至完全溶解;将二酐分批加入反应瓶内,在0℃下搅拌4h,升温至室温后继续反应0~20h;加入催化剂和脱水剂,室温搅拌1h,100℃下反应4h;反应结束后,将反应液缓慢倒入乙醇中沉淀析出,析出沉淀用乙醇反复洗涤,减压抽滤,干燥得到粉末状PI。
优选地,S4的具体过程为:在圆底烧瓶中加入所述PI和有机溶剂,搅拌至完全溶解,缓慢加入三乙胺和甲基丙烯酰氯,在0℃下反应2h后升温到室温反应12h,反应结束后,在甲醇中沉淀析出,经过洗涤、干燥,得到粉末状PSPI。
本发明还保护一种透明光敏聚酰亚胺薄膜,包括如下重量份的组分:
所述PSPI 20~50份,光引发剂0.5~10份,活性稀释剂5~20份,有机溶剂10~70份。
优选地,所述光引发剂为二苯甲酮、米氏酮、苯偶姻及其衍生物、苯偶酰衍生物、二烷氧基苯乙酮、α-羟烷基苯酮、α-胺烷基苯酮、酰基膦氧化物或硫杂蒽酮类中的一种或几种。
优选地,所述活性稀释剂为丙烯酸羟乙酯、二缩三丙二醇二丙烯酯、三羟甲基丙三丙烯酸酯或丙烯酸酯中的一种或几种。
本发明还保护上述透明光敏聚酰亚胺薄膜的制备方法,包括如下步骤:
将所述PSPI、光引发剂、活性稀释剂与有机溶剂混合后,旋涂在衬底上,制得透明光敏聚酰亚胺薄膜。
优选地,所述衬底为玻璃板、石英片或硅片中的一种。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)本发明通过引入吡啶环和氟原子,使得PSPI具有良好的热稳定性,在氮气气氛中热失重10%时的温度为360~390℃,且可溶于低沸点低极性的有机溶剂,如四氢呋喃、丙酮、氯仿。
(2)不饱和的甲基丙烯酸酯基团通过羟基引入PSPI分子中,使得PSPI可在紫外线照射下下发生光交联,使聚酰亚胺树脂具有良好的感光性能。
附图说明
图1为本发明PSPI及PSPI薄膜的合成路线图。
图2为实施例1制备的BAFP、PI和PSPI-1的核磁氢谱图。
图3为实施例1制备的BNFP、BAFP、PI-1和PSPI-1和实施例4制备的PI-4、PSPI-4的红外光谱图。
图4为实施例1制备的PSPI薄膜-1和实施例4制备的PSPI薄膜-4的紫外可见透射光谱图。
图5为实施例1制备的PSPI薄膜-1和实施例4制备的PSPI薄膜-4的外观,PSPI薄膜覆盖在印有黑字的纸上层。
图6为实施例1制备的PSPI薄膜-1的紫外可见吸收光谱图。
图7为实施例4制备的PSPI薄膜-4的紫外可见吸收光谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例中的原料均可通过市售得到;
除非特别说明,本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
实施例1提供一种透明光敏聚酰亚胺树脂(PSPI-1)及其制得的透明光敏聚酰亚胺薄膜(PSPI薄膜-1),合成路线如图1所示,制备方法如下:
S1.氮气氛围下,在无水无氧瓶中加入对硝基苯乙酮(16.5g,100mmol),对氟苯甲醛(6.5g,50mmol),醋酸铵(38.5g,500mmol),冰醋酸120ml,120℃下反应回流6h。反应结束后,冷却到室温,减压抽滤,并用无水乙醇洗涤数次至沉淀由黄色变成浅黄色沉淀,再用热水和无水乙醇交替洗涤三次,干燥过夜。用300ml DMF重结晶,减压抽滤后用去离子水洗涤三次,最终得到淡黄色絮状晶体BNFP 12.5g,产率60.2%。
S2.氮气氛围下,在无水无氧瓶中加入BNFP(4.2g,10mmol),无水氯化亚锡(9.6g,40mmol),无水乙醇100ml,并缓慢滴加(12ml,144mmol)浓盐酸,75℃下反应回流12h。反应结束后,冷却到室温,蒸出过量的乙醇,用质量分数10%的氢氧化钠溶液对其充分碱化,减压过滤,然后用热水洗涤三次,干燥过夜。再用150ml甲醇重结晶,干燥得到淡黄色固体粉末BAFP 2.5g,产率70.4%。
S3.氮气氛围下,在无水无氧瓶中加入BAFP(0.355g,1mmol),DAR(0.56g,4mmol)和NMP 18ml,搅拌至完全溶解。将二酐单体6FDA(2.23g,5mmol)在2h内分4批加入反应瓶内,在0℃下搅拌4h,升温至室温后继续反应20h。将三乙胺/乙酸酐以1:1的摩尔比加入反应液中,室温搅拌1h,100℃下反应4h。反应结束后,将反应液缓慢倒入乙醇中沉淀析出,析出沉淀用乙醇反复洗涤,减压抽滤,干燥得白色粉末PI-1,2.7g;
S4.在圆底烧瓶中加入PI-1(0.5g,0.065mmol)和NMP 7ml,搅拌至完全溶解,缓慢加入甲基丙烯酰氯(8μl,0.08mmol)和三乙胺1ml,在0℃下反应2h后升温到室温反应12h,反应结束后,在甲醇中沉析,反复洗涤,干燥得白色粉末PSPI-1,0.43g;
PSPI-1的结构式为:
S5.将PSPI-1与光引发剂、活性稀释剂、DMF溶剂进行复配得到混合溶液,其中各组分质量份为:PSPI-1 27份,米氏酮(MK)和2-羟基-2甲基苯丙酮(1173)作为光引发剂各3份,三羟基甲基丙烷三甲基丙烯酸酯(TMPTA)作为活性稀释剂11份,DMF溶剂56份;通过匀胶机以转速2000r/min将混合溶液旋涂在石英片上制得浅黄色透明PSPI薄膜-1。
实施例2
实施例2提供一种透明光敏聚酰亚胺树脂(PSPI-2)及其制得的透明光敏聚酰亚胺薄膜(PSPI薄膜-2),制备方法与实施例1的区别在于:
S1中对硝基苯乙酮为100mmol,对氟苯甲醛为50mmol,醋酸铵为1000mmol。
实施例3
实施例3提供一种透明光敏聚酰亚胺树脂(PSPI-3)及其制得的透明光敏聚酰亚胺薄膜(PSPI薄膜-3),制备方法与实施例1的区别在于:
S2中BNFP为10mmol,无水氯化亚锡为60mmol,浓盐酸为200mmol。
实施例4
实施例4提供一种透明光敏聚酰亚胺树脂(PSPI-4)及其制得的透明光敏聚酰亚胺薄膜(PSPI薄膜-4),制备方法与实施例1的区别在于:
S3中二酐单体为5mmol,BAFP为2mmol,DAR为3mmol。
实施例5
实施例5提供一种透明光敏聚酰亚胺树脂(PSPI-5)及其制得的透明光敏聚酰亚胺薄膜(PSPI薄膜-5),制备方法与实施例1的区别在于:
S4中PI为0.15mmol,甲基丙烯酰氯为0.12mmol。
实施例6
实施例6提供一种透明光敏聚酰亚胺树脂(PSPI-6)及其制得的透明光敏聚酰亚胺薄膜(PSPI薄膜-6),制备方法与实施例1的区别在于:
实施例7
实施例7提供一种透明光敏聚酰亚胺树脂(PSPI-7)及其制得的透明光敏聚酰亚胺薄膜(PSPI薄膜-7),制备方法与实施例1的区别在于:
实施例8
实施例8提供一种透明光敏聚酰亚胺树脂(PSPI-8)及其制得的透明光敏聚酰亚胺薄膜(PSPI薄膜-8),制备方法与实施例1的区别在于:
S5中PSPI-1与光引发剂、活性稀释剂、DMF溶剂的质量份分别为PSPI-1 36份、光引发剂MK和1173各2份,活性稀释剂TMPTA 10份,DMF 50份。
实施例9
实施例9提供一种透明光敏聚酰亚胺树脂(PSPI-9)及其制得的透明光敏聚酰亚胺薄膜(PSPI薄膜-9),制备方法与实施例1的区别在于:
S5中光引发剂为3质量份的TPO和3质量份的1173。
实施例10
实施例10提供一种透明光敏聚酰亚胺树脂(PSPI-10)及其制得的透明光敏聚酰亚胺薄膜(PSPI薄膜-10),制备方法与实施例1的区别在于:
S5中活性稀释剂为丙烯酸羟乙酯。
测试结果
(1)结构表征
以实施例1和实施例4为例进行结构表征。
图2为实施例1制备的BAFP、PI和PSPI-1的核磁氢谱图,核磁氢谱(1H NMR)检测方法为使用AVANCEⅢHD 400核磁共振仪,其中BAFP溶于CDCl3,PI和PSPI溶于DMSO-d6。根据图2可以看出,PSPI分子中含有吡啶环和氟原子,且聚酰亚胺侧链中引入了甲基丙烯酸酯类光敏基团。
对实施例1制备的BNFP、BAFP、PI-1和PSPI-1和实施例4制备的PI-4、PSPI-4进行红外光谱检测,使用Nicolet 6700研究型红外光谱仪,KBr压片法。
结果如图3所示,PI和PSPI均出现了亚胺环、吡啶环和氟原子的特征吸收峰,且PSPI在1620cm-1附近出现了碳碳双键特征吸收峰,表明成功制备了PSPI。
(2)PSPI溶解性
以实施例1、实施例4、实施例8、实施例9为例,检测各实施例制备的PSPI在有机溶剂中的溶解性能,结果如表1所示。
表1 PSPI溶解性
样品 | NMP | DMAc | DMF | DMSO | THF | CHCl<sub>3</sub> | 丙酮 | 异丙醇 | 甲醇 |
实施例1 | ++ | ++ | ++ | ++ | ++ | ++ | ++ | + | - |
实施例4 | ++ | ++ | ++ | ++ | ++ | ++ | ++ | + | - |
实施例8 | ++ | ++ | ++ | ++ | ++ | ++ | ++ | + | - |
实施例9 | ++ | ++ | ++ | ++ | ++ | ++ | ++ | + | - |
注:++:室温25℃全部溶解;+:60℃加热或超声下溶胀;-:室温、加热或超声均不溶;测试浓度为10mg/ml。
根据表1可以看出,本发明制得的PSPI既可溶解于强极性有机溶剂,如DMF、DMAc、NMP、DMSO,也可以溶解于低沸点低极性有机溶剂,如THF、丙酮、CHCl3。
(3)PSPI分子量和热稳定性
以实施例1、实施例4、实施例8、实施例9为例,检测各实施例制备的PSPI的分子量及热稳定性。分子量采用Waters 1525/2414型凝胶渗透色谱仪检测,流动相THF,单分散聚苯乙烯为标样,流速1ml/min。热稳定性采用STA 409PC热重分析仪检测,测试条件为氮气氛围,升温速率:10℃/min。
结果如表2所示。
表2 PSPI的分子量及热稳定性
根据表2可以看出,所得聚合物分子量均在8000以上,表明已成功共聚得PSPI。且PSPI热失重10%的温度均超过360℃,残炭率均超过45%,具有很好的热稳定性。
(4)PSPI透明性能
以实施例1和实施例4为例,检测PSPI-1及PSPI-4的透明性能。
图4为PSPI薄膜-1和PSPI薄膜-4的紫外可见透射光谱图,测试设备为紫外可见分光光度计,测试范围500nm~200nm。可以看出,PSPI薄膜-1和PSPI薄膜-4在紫外波长420nm处的透光率均达到80%以上。
图5为PSPI薄膜-1和PSPI薄膜-4的外观,其中PSPI薄膜覆盖于印有黑字的纸上层,可以看出本发明的PSPI具有良好的透明性,黑字能够清晰地透过PSPI薄膜,PSPI薄膜透光率良好。
(5)PSPI光敏性
以实施例1和实施例4为例,检测PSPI-1及PSPI-4的光敏性,检测设备为紫外可见分光光度计,测试范围500nm~200nm,通过观察365nm附近吸收峰变化评估光敏性。PSPI薄膜分别在365nm的紫外灯下曝光0min,10s,30s,1min,5min,10min。
图6为PSPI薄膜-1的紫外可见吸收光谱图,图7为PSPI薄膜-4的紫外可见吸收光谱图。可以看出,随着紫外光照射时间的延长,PSPI薄膜由于发生光交联反应,导致其在360nm附近的吸收峰逐渐减弱,在照射10min后,其吸收峰基本消失,这表明PSPI薄膜具有良好的感光性能。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种透明光敏聚酰亚胺树脂,其特征在于,具有如式(Ⅰ)所示结构:
其中Ar为二酐单体的残基,m、n为正整数;
所述透明光敏聚酰亚胺树脂的制备方法,包括如下步骤:
S1.合成BNFP:
在惰性气体中,将对硝基苯乙酮、对氟苯甲醛、醋酸铵、冰醋酸混合,于105~125℃下反应4~8h,反应产物经过滤、洗涤、干燥,使用DMF重结晶,得到BNFP;
S2.合成BAFP:
在惰性气体中,将浓盐酸滴至BNFP、无水氯化亚锡、无水乙醇的混合液中,于70~85℃下反应10~16h,去除溶剂后,使用碱液对反应产物碱化,经过滤、洗涤、干燥,使用甲醇重结晶,得到BAFP;
S3.合成PI:
在惰性气体中,将二酐单体加至含有BAFP、DAR的有机溶剂中,经过低温缩聚反应,再加入催化剂和脱水剂,经化学亚胺化反应得到PI;
S4.合成透明光敏聚酰亚胺树脂:
将三乙胺和甲基丙烯酰氯加至溶有PI的有机溶剂中,在0~8℃下反应1~4h后,升至20~35℃下反应8~14h,沉淀得到反应产物即为透明光敏聚酰亚胺树脂;
步骤S1中所述对硝基苯乙酮、对氟苯甲醛和醋酸铵的摩尔比为2∶1∶(5~10);
步骤S2中所述BNFP、无水氯化亚锡与浓盐酸的摩尔比为1∶(3~6)∶(10~20);
步骤S3中所述二酐单体、BAFP与DAR的摩尔比为5∶(1~2)∶(4~3);
步骤S4中所述PI与甲基丙烯酰氯摩尔比为(5~4)∶(4~5)。
3.一种透明光敏聚酰亚胺薄膜,其特征在于,包括如下重量份的组分:
权利要求1~2任一项所述透明光敏聚酰亚胺树脂20~50份,光引发剂0.5~10份,活性稀释剂5~20份,有机溶剂10~70份。
4.权利要求3所述透明光敏聚酰亚胺薄膜的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
将权利要求1~2任一项所述透明光敏聚酰亚胺树脂、光引发剂、活性稀释剂与有机溶剂混合后,旋涂在衬底上,制得透明光敏聚酰亚胺薄膜。
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