CN115353576A - 一种高收率窄分布聚羟基苯乙烯树脂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高收率窄分布聚羟基苯乙烯树脂的制备方法。采用甲氧基苯乙烯单体活性阴离子聚合，甲氧基苯乙烯中甲基占比很小，且不影响反应的正常聚合，反应结束后，可正常脱离甲基，形成羟基。采用活性阴离子聚合方法，最终可实现窄分子量分布、分子量可控以及高收率等性能优势。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，尤其涉及用于248nm光刻胶树脂的窄分布羟基苯乙烯活性阴离子聚合提高产率的制备方法。
背景技术
随着5G通讯、智能终端、车联网、物联网的快速发展，对芯片出现了更大的需求，而光刻技术又是芯片制作过程中的核心工艺，在光刻工艺中，光刻胶是芯片走向市场的关键材料之一。随着光刻技术趋向精细化的发展，光刻胶组分中的聚合物也一直在变化，从早起的环化橡胶，到用于G线、I线的酚醛树脂，以及到目前深紫外工艺所用的聚对羟基苯乙烯、丙烯酸树脂等。
由于聚对羟基苯乙烯在248nm具有非常优异的光透过性、碱溶性、耐热性和成膜性，已经成为248nm光刻胶的核心树脂。专利CN105924553B中，提供了一种光刻胶用窄分布的聚对羟基苯乙烯及其金属离子除去工艺的方法，主要采用对乙酰氧基苯乙烯作为聚合单体，采用活性自由基聚合的方法。但是该聚合方法反应时间需要持续18-22小时，反应时间过长，限制了生产的产能，分子量分布也过宽（PDA＞1.4），同时所得聚乙酰氧基苯乙烯聚合物，在酯解反应脱去乙酰基之后，收率也相对较低。专利CN100478362C中，公开了阴离子聚合物的制造方法，该方法能够精确控制分子量，并且在存在阻聚物的情况下，依旧可正常引发聚合反应。该专利以苯乙烯、乙烯基萘、丁二烯以及叔丁氧基苯乙烯、甲基丙烯酸丁酯等单体共聚或单独聚合，之后酸解反应脱离保护基团，可合成聚对羟基苯乙烯或含聚对羟基苯乙烯的分子链锻。但是，在酸解分离掉叔丁氧基苯乙烯分子上的叔丁基变成对羟基苯乙烯后，由于侧基上的叔丁基质量占比过高，质量换算之后，收率大幅下降，且在聚合后需使用大量的甲醇沉淀，在成本控制、环境友好型上不具有优势。
发明内容
针对现有技术中合成聚羟基苯乙烯的树脂采用自由基聚合，反应时间过长，分子量分布过宽，产能利用率过低，而采用叔丁氧基苯乙烯阴离子活性聚合，叔丁基占比过高，最终收率过低的缺陷，本发明采用甲氧基苯乙烯单体活性阴离子聚合，甲氧基苯乙烯中甲基占比很小，且不影响反应的正常聚合，反应结束后，可正常脱离甲基，形成羟基。采用活性阴离子聚合方法，最终可实现窄分子量分布、分子量可控以及高收率等性能优势。
本发明提供一种聚羟基苯乙烯树脂的活性阴离子聚合制备方法，
所述聚羟基苯乙烯树脂包含式（1）表示的重复单元：
式（1），
本发明所提供的聚羟基苯乙烯树脂的活性阴离子聚合制备方法，为：将式（2）所示的单体通过活性阴离子聚合，合成分子量窄分布的聚甲氧基苯乙烯聚合物；所得聚甲氧基苯乙烯聚合物在氢卤酸和水存在下发生水解反应，脱去甲基，获得聚羟基苯乙烯聚合物，经提纯制得分子量窄分布的聚羟基苯乙烯树脂；
式（2），
式（2）所示单体包含如下结构中的一种或多种，即4-甲氧基苯乙烯、3-甲氧基苯乙烯、2-甲氧基苯乙烯；
所述活性阴离子聚合中，所用引发剂可为正丁基锂、仲丁基锂、叔丁基锂、氯化锂、萘钠、钠、钾的一种或多种，所用引发剂的摩尔含量为单体总摩尔质量的0.01%-10%；
所述活性阴离子聚合的温度可为：-80至80°，具体可为-78°；
所述活性阴离子聚合的时间可为1min-90min，具体可为30min；
所述活性阴离子聚合在惰性气氛中进行，所述惰性气氛具体可为氮气；
所述活性阴离子聚合在有机溶剂中进行，所述有机溶剂可为苯、甲苯、四氢呋喃、乙醚、异丙醚、乙二醚、正丙醚、己烷、环己烷、庚烷、正庚烷、乙酸乙酯中的一种或多种；
所述氢卤酸具体可为浓溴酸；
所述水解反应在甲苯与乙醇的混合溶剂中进行，其中甲苯与乙醇的体积比为1.6:1；
所述水解反应的温度可为0-100℃，具体可为90℃；
所述水解反应的时间可为1-12h，具体可为3h。
合成所述聚羟基苯乙烯树脂所用单体，在式（2）所示单体的基础上，还可选择其他单体与其进行共聚，所述单体可选自：苯乙烯、4-乙酰氧基苯乙烯、3-乙酰氧基苯乙烯、丙烯酸叔丁酯、叔丁氧基苯乙烯中的一种或多种，所述其他单体的摩尔占比小于50%。
所得树脂固含为5%-50%，所述单体制得的含羟基聚苯乙烯树脂收率可达到65%及以上。
所得树脂重均分子量在1万-20万之间，优选在1万-10万之间，PDI（重均分子量Mw与数均分子量Mn之比）在1.2及以内。
上述聚羟基苯乙烯树脂在光刻胶基体树脂制备中的应用也属于本发明的保护范围。
所述应用中，所述光刻胶为248nm光刻胶。
本说明书中聚合物的重均分子量、数均分子量以及分散度均采用凝胶渗透色谱仪进行测定，具体而言，GPC装置可以使用Waters株式会社的Alliance E2695进行测定，溶剂使用四氢呋喃。
本发明采用甲氧基苯乙烯单体活性阴离子聚合制备聚羟基苯乙烯树脂，甲氧基苯乙烯中甲基占比很小，且不影响反应的正常聚合，反应结束后，可正常脱离甲基，形成羟基。采用活性阴离子聚合方法，最终可实现窄分子量分布、分子量可控以及高收率等优势。
附图说明
图1为本发明实施例1制备得到的对羟基苯乙烯聚合物分子量分布图。
图2为本发明实施例2制备得到的羟基苯乙烯聚合物分子量分布图。
图3为本发明实施例3制备得到的对羟基苯乙烯-苯乙烯共聚物分子量分布图。
图4为本发明实施例4制备得到的对羟基苯乙烯聚合物分子量分布图。
图5为对比例1制备得到的羟基苯乙烯聚合物分子量分布图。
图6为对比例2制备得到的羟基苯乙烯聚合物分子量分布图。
图7为对比例3制备得到的羟基苯乙烯聚合物分子量分布图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。以下提供的实施例可作为本技术领域普通技术人员进行进一步改进的指南，并不以任何方式构成对本发明的限制。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1、
氮气环境下，向-78℃的450g四氢呋喃（THF）溶剂中加入50g的4-甲氧基苯乙烯（0.3726mol），搅拌20分钟，然后加入3.2ml（4mmol）正丁基锂溶液，于-78℃下搅拌30分钟，接着在得到的反应混合物中添加20g甲醇淬灭，使反应停止后，用甲醇溶剂进行沉淀操作，过滤取出后晾干。
将树脂粉末溶解在甲苯与乙醇质量比为1.6:1的100g混合溶剂中，加入浓溴酸186mmol和纯水10g,于90℃搅拌3个小时，冷却至室温后，加入三乙胺190mmol，搅拌20分钟后，加入乙酸190mmol并浓缩。然后用乙酸乙酯和纯水质量比为1:1的混合溶液800g进行分液，浓缩含有树脂的有机相，减压干燥后得到树脂固体42.1g。
将得到的对羟基苯乙烯聚合物进行GPC测定，并计算投入物料与所得产物占比，所得结果如表1所示。
实施例2
氮气环境下，向-78℃的450g四氢呋喃（THF）溶剂中，然后加入50g（0.3726mol）的3-甲氧基苯乙烯，搅拌20分钟，然后加入3.2ml（4mmol）正丁基锂溶液，于-78℃下搅拌30分钟，接着在得到的反应混合物中添加20g甲醇淬灭，使反应停止后，用甲醇溶剂进行沉淀操作，过滤取出后晾干。
将树脂粉末溶解在甲苯与乙醇质量比为1.6:1的100g混合溶剂中，加入浓溴酸186mmol和纯水10g,于90℃搅拌3个小时，冷却至室温后，加入三乙胺190mmol，搅拌20分钟后，加入乙酸190mmol并浓缩。然后用乙酸乙酯和纯水质量比为1:1 的混合溶液800g进行分液，浓缩含有树脂的有机相，减压干燥后得到树脂固体41.8g。
将得到的羟基苯乙烯聚合物进行GPC测定，并计算投入物料与所得产物占比，所得结果如表1所示。
实施例3
氮气环境下，向-78℃的450g四氢呋喃（THF）溶剂中，然后加入40g的4-甲氧基苯乙烯（0.3mol）和7.6g的苯乙烯（0.0726mol），搅拌20分钟，然后加入3.2ml（4mmol）正丁基锂溶液，于-78℃下搅拌30分钟，接着在得到的反应混合物中添加20g甲醇猝灭，使反应停止后，用甲醇溶剂进行沉淀操作，过滤取出后晾干。
将树脂粉末溶解在甲苯与乙醇质量比为1.6:1的100g混合溶剂中，加入浓溴酸186mmol和纯水10g,于90℃搅拌3个小时，冷却至室温后，加入三乙胺190mmol，搅拌20分钟后，加入乙酸190mmol并浓缩。然后用乙酸乙酯和纯水质量比为1:1 的混合溶液800g进行分液，浓缩含有树脂的有机相，减压干燥后得到树脂固体43.2g。
将得到的对羟基苯乙烯聚合物进行GPC测定，并计算投入物料与所得产物占比，所得结果如表1所示。
实施例4
氮气环境下，向-78℃的450g四氢呋喃（THF）溶剂中，然后加入20.1g的4-甲氧基苯乙烯（0.15mol）和24.3g的4-乙酰氧基苯乙烯（0.15mol），搅拌20分钟，然后加入3.2ml（4mmol）正丁基锂溶液，于-78℃下搅拌30分钟，接着在得到的反应混合物中添加20g甲醇猝灭，使反应停止后，用甲醇溶剂进行沉淀操作，过滤取出后晾干。
将树脂粉末溶解在甲苯与乙醇质量比为1.6:1的100g混合溶剂中，加入浓溴酸186mmol和纯水5g,于90℃搅拌3个小时，冷却至室温后，加入三乙胺190mmol，搅拌20分钟后，加入乙酸190mmol并浓缩。然后用乙酸乙酯和纯水质量比为1:1 的混合溶液800g进行分液，浓缩含有树脂的有机相，减压干燥后得到树脂固体37.7g。
将得到的对羟基苯乙烯聚合物进行GPC测定，并计算投入物料与所得产物占比，所得结果如表1所示。
对比例1
氮气环境下，向-40℃的450g四氢呋喃（THF）溶剂中，然后加入50g的乙酰氧基苯乙烯（0.308mol），搅拌20分钟，然后加入3.2ml（4mmol）正丁基锂溶液，于-78℃下搅拌30分钟，接着在得到的反应混合物中添加20g甲醇猝灭，使反应停止后，用甲醇溶剂进行沉淀操作，过滤取出后晾干。
将树脂粉末溶解在甲苯与乙醇质量比为1.6:1的100g混合溶剂中，加入浓溴酸186mmol和纯水10g,于90℃搅拌3个小时，冷却至室温后，加入三乙胺190mmol，搅拌20分钟后，加入乙酸190mmol并浓缩。然后用乙酸乙酯和纯水质量比为1:1 的混合溶液800g进行分液，浓缩含有树脂的有机相，减压干燥后得到树脂固体34.9g。
将得到的羟基苯乙烯聚合物进行GPC测定，并计算投入物料与所得产物占比，所得结果如表1所示。
对比例2
氮气环境下，向-78℃的450g四氢呋喃（THF）溶剂中，然后加入50g的叔丁氧基苯乙烯（0.284mol），搅拌20分钟，然后加入3.2ml（4mmol）正丁基锂溶液，于-78℃下搅拌30分钟，接着在得到的反应混合物中添加20g甲醇猝灭，使反应停止后，用甲醇溶剂进行沉淀操作，过滤取出后晾干。
将树脂粉末溶解在甲苯与乙醇质量比为1.6:1的100g混合溶剂中，加入浓溴酸186mmol和纯水10g,于90℃搅拌3个小时，冷却至室温后，加入三乙胺190mmol，搅拌20分钟后，加入乙酸190mmol并浓缩。然后用乙酸乙酯和纯水质量比为1:1 的混合溶液800g进行分液，浓缩含有树脂的有机相，减压干燥后得到树脂固体31.7g。
将得到的羟基苯乙烯聚合物进行GPC测定，并计算投入物料与所得产物占比，所得结果如表1所示。
对比例3
氮气环境下，向-78℃的450g四氢呋喃（THF）溶剂中，然后加入30.0g的叔丁氧基苯乙烯（0.1704mol）/15.2g的甲氧基苯乙烯（0.1136mol），搅拌20分钟，然后加入3.2ml（4mmol）正丁基锂溶液，于-78℃下搅拌30分钟，接着在得到的反应混合物中添加20g甲醇猝灭，使反应停止后，用甲醇溶剂进行沉淀操作，过滤取出后晾干。
将树脂粉末溶解在甲苯与乙醇质量比为1.6:1的100g混合溶剂中，加入浓溴酸186mmol和纯水10g,于90℃搅拌3个小时，冷却至室温后，加入三乙胺190mmol，搅拌20分钟后，加入乙酸190mmol并浓缩。然后用乙酸乙酯和纯水质量比为1:1 的混合溶液800g进行分液，浓缩含有树脂的有机相，减压干燥后得到树脂固体31.7g。
将得到的羟基苯乙烯聚合物进行GPC测定，并计算投入物料与所得产物占比，所得结果如表1所示。
表1测试结果
| Mw/万 | Mn/万 | PDI | 甲氧基苯乙烯单体比例/% | 投料/g | 收料/g | 理论产率/% | 实际产率/% | |
| 实施例1 | 3.62 | 3.31 | 1.09 | 100 | 50 | 37.5 | 79.1 | 75.0 |
| 实施例2 | 3.43 | 2.93 | 1.17 | 100 | 50 | 37.8 | 79.1 | 75.6 |
| 实施例3 | 3.30 | 2.97 | 1.11 | 80 | 47.6 | 38.1 | 82.9 | 80.0 |
| 实施例4 | 3.26 | 2.93 | 1.11 | 50 | 44.4 | 29.7 | 71.7 | 66.9 |
| 对比例1 | 3.23 | 2.81 | 1.15 | 100 | 50 | 30.9 | 65.5 | 61.8 |
| 对比例2 | 3.22 | 2.81 | 1.15 | 100 | 50 | 29.1 | 60.2 | 58.2 |
| 对比例3 | 3.14 | 2.84 | 1.11 | 40 | 45.2 | 28.2 | 66.7 | 62.3 |
表1是实施例与对比例的测试结果，通过活性阴离子聚合的方法，分子量分布可控制在1.2以内，可满足光刻胶对基体树脂的要求。通过对比实施例1、实施例2，由甲氧基苯乙烯单独聚合，可以实现75%以上的产率；对比实施例1、实施例3，由于苯乙烯没有取代基，因此损失很小，产率可以达到80%以上，但是含羟基单体比例只有80%；对比实施例1、实施例4，由于侧基乙酰氧基比甲基分子量更大，因此酯解后，损失更多，其产率进一步降低，只有67%；对比实施例4、对比例3，如果共聚单体中甲氧基苯乙烯占比过低，其聚羟基苯乙烯收率进一步减小；对比实施例1、对比例1、对比例2，由乙酰氧基苯乙烯、叔丁氧基苯乙烯单独聚合，其产率相比甲氧基苯乙烯的产率小15%以上，因此，采用甲氧基苯乙烯单体聚合制备聚羟基苯乙烯在规模化量产上具有相当大的优势，可以减少溶剂的使用，避免了资源的浪费，也提高了设备的利用率。
以上对本发明进行了详述。对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明的宗旨和范围，以及无需进行不必要的实验情况下，可在等同参数、浓度和条件下，在较宽范围内实施本发明。虽然本发明给出了特殊的实施例，应该理解为，可以对本发明作进一步的改进。总之，按本发明的原理，本申请欲包括任何变更、用途或对本发明的改进，包括脱离了本申请中已公开范围，而用本领域已知的常规技术进行的改变。
Claims (10)
1.聚羟基苯乙烯树脂的制备方法，
所述聚羟基苯乙烯树脂包含式（1）表示的重复单元：
式（1），
所述聚羟基苯乙烯树脂的制备方法，为：将式（2）所示的单体通过活性阴离子聚合，合成分子量窄分布的聚甲氧基苯乙烯聚合物；所得聚甲氧基苯乙烯聚合物在氢卤酸和水存在下发生水解反应，脱去甲基，获得聚羟基苯乙烯聚合物，经提纯制得分子量窄分布的聚羟基苯乙烯树脂；
式（2）。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：式（2）所示单体包含如下结构中的一种或多种；
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述活性阴离子聚合中，所用引发剂为正丁基锂、仲丁基锂、叔丁基锂、氯化锂、萘钠、钠、钾的一种或多种，
所用引发剂的摩尔含量为单体总摩尔质量的0.01%-10%。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述活性阴离子聚合的温度为：-80至80°；
所述活性阴离子聚合的时间为1min-90min。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述活性阴离子聚合在惰性气氛中进行；
所述活性阴离子聚合在有机溶剂中进行，所述有机溶剂为苯、甲苯、四氢呋喃、乙醚、异丙醚、乙二醚、正丙醚、己烷、环己烷、庚烷、正庚烷、乙酸乙酯中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述氢卤酸为浓溴酸；
所述水解反应在甲苯与乙醇的混合溶剂中进行，其中甲苯与乙醇的质量比为1.6:1。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述水解反应的温度为0-100℃；
所述水解反应的时间为1-12h。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：合成所述聚羟基苯乙烯树脂所用单体，在式（2）所示单体的基础上，还可选择其他单体与其进行共聚，所述单体选自：苯乙烯、4-乙酰氧基苯乙烯、3-乙酰氧基苯乙烯、丙烯酸叔丁酯、叔丁氧基苯乙烯中的一种或多种，
所述其他单体的摩尔占比小于50%。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所得树脂固含为5%-50%，所述单体制得的含羟基聚苯乙烯树脂收率达到65%及以上；
所得树脂重均分子量在1万-20万之间，PDI在1.2及以内。
10.由权利要求1-9中任一项所述方法制得的聚羟基苯乙烯树脂在光刻胶基体树脂制备中的应用，所述光刻胶为248nm光刻胶。
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