CN115895256B - 一种高强度、高模量及低热膨胀系数的聚酰亚胺薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种高强度、高模量及低热膨胀系数的聚酰亚胺薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高强度、高模量剂及低热膨胀系数的聚酰亚胺薄膜及其制备方法,具体包括以下步骤:将无机盐加入到极性溶剂中进行溶解得到无机盐分散液,分别往二胺单体中加入一定量的极性溶剂、改性剂、离子液、无机盐分散液和冰醋酸按照一定比例混合后,加热搅拌一段时间后加入等量二酐单体,经过反应得到改性聚酰胺酸树脂。将该聚酰胺酸树脂通过刮刀涂布在钢板上,将涂布后的钢板放入烘箱中通过调节烘箱温度进行脱溶剂、酰亚胺化等工序,得到高强度、高模量及低热膨胀系数的聚酰亚胺薄膜。本发明得到的高强度、高模量及低热膨胀系数的聚酰亚胺薄膜,经测试,其强度为300‑400MPa,模量为7‑9GPa,CTE为5‑10ppm/K。

Description

一种高强度、高模量及低热膨胀系数的聚酰亚胺薄膜及其制 备方法
技术领域
本发明涉及石墨膜制备技术领域,尤其涉及一种高强度、高模量及低热膨胀系数的聚酰亚胺薄膜及其制备方法。
背景技术
聚酰亚胺薄膜具有优异的机械强度和良好的耐热性能,因此在汽车材料、微电子、航空航天等领域有着广泛的使用。
常规的均苯型聚酰亚胺薄,由均苯四甲酸酐与二氨基二苯醚制得;联苯型聚酰亚胺薄膜,由联苯二胺和联苯二酐制得,其制备方法为:聚酰胺酸溶液流延成膜、拉伸后,高温酰亚胺化,薄膜呈黄色透明,前者拉伸强度达150MPa左右,模量3-4GPa,CTE20-22ppm/K,后者拉伸强度250MPa左右,模量5-7GPa,CTE 10-15ppm/K,整体力学性能相较于其他诸如PP、PE、PET等材料具有明显优势,但在COF等领域使用时仍具有明显的不足。
选择高刚性单体制备的薄膜虽然力学性能增加,但是会导致薄膜脆性大,生产不易;引入无机填料(二氧化硅、氧化铝等)虽然一定程度会提升薄膜耐热性能,但是会导致膜面外观较差,薄膜整体力学性能下降。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题,本发明提出了种高强度、高模量及低热膨胀系数的聚酰亚胺薄膜及其制备方法,采用如下技术方案:
一种高强度、高模量及低热膨胀系数的聚酰亚胺薄膜的制备方法,具体包括以下步骤:
S1、无机盐分散液制备:将无机盐加入到极性溶剂中,利用高速分散机进行分散,带起完全溶解;
S2、加料:将二胺单体加入到三口烧瓶中,加入极性溶剂快速搅拌,水浴加热搅拌至二胺单体溶解后,分别加入改性剂、离子液、冰醋酸和步骤S1中得到的无机盐分散液;
S3、聚酰亚胺树脂制备:将与二胺等摩尔量的二酐单体逐步加入至S2所制备的二胺溶液中,调节聚酰亚胺树脂的黏度;
S4、将步骤S3得到的聚酰亚胺树脂通过刮刀涂布在钢板上,调节刮刀的厚度,将涂布后的钢板放入烘箱中进行脱溶剂、酰亚胺化等工序,即得聚酰亚胺薄膜。
优选地,所述聚酰亚胺薄膜的原料包括以下组分,各组分的重量配比组成:聚酰胺酸10~30份、极性溶剂70~80份、改性剂0.2~3份、离子液0.1~2份、无机盐0.1~2份、冰醋酸0.1~1份。
优选地,所述极性溶剂为N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的一种或多种。
优选地,所述改性剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷、异丙基三(二辛基磷酸酰氧基)钛酸酯中的一种。
优选地,所述离子液为1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-乙基-3甲基咪唑四氟硼酸盐中的一种或多种。
优选地,述无机盐为无水氯化铜、无水硫酸铜、氯化铁中的一种或多种。
优选地,在S1中,所述高速分散机的转速为1000-3000r/min,分散时间30min-2h。
优选地,在S2中,所述水浴温度保持在40-60℃。
优选地,在S3中,所述聚酰亚胺树脂的黏度为8-15万mPa·s。
优选地,在S4中,所述刮刀厚度为18-75μm;所述脱溶剂时烘箱温度为90-150℃;所述酰亚胺化工序的温度为在150-400℃温度区间内多次阶段性升温
本发明具有以下有益效果:
1、聚酰亚胺薄膜具有良好的力学性能和耐热性能,但是作为COF领域使用,其力学性能和热膨胀系数难以满足生产需求。本发明采用添加改性剂、离子液、无机盐等作为填料的方法制备的聚酰亚胺薄膜,具有工业化生产、良好的力学性能和低热膨胀性能。可以用于覆晶薄膜的生产,满足对聚酰亚胺薄膜力学、低热膨胀系数的要求。
2、本发明添加改性剂、离子液、无机盐,具有良好的化学稳定性、分散稳定性和结合性能,在此重量范围内具有最佳的效果,超过此范围,降低了分散性从而导致降低薄膜力学性能,少于此范围,则会降低使用效果。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步详细介绍,但本具体实施例仅是对本发明的解释,其并不是对本发明的限制,本领域技术人员可根据需要对本实施例作出没有创造性的修改,但只要在本发明的权利要求范围内,都受到专利法的保护。
实施例1
一种高强度、高模量及低热膨胀系数的聚酰亚胺薄膜的制备方法,包括如下步骤:
S1、将0.5份的无水氯化铜加入4.5份的DMAC中,通过高速分散机进行分散,转速2000r/min,分散时间1h,得到5份的氯化铜分散液;
S2、将7份PDA(联苯二胺)和3份DABA(4,4’-二胺基苯酰替苯胺)加入三口烧瓶中,加入74份DMAC进行搅拌,保持水浴锅温度45℃;待二胺完全溶解,将5份氯化铜分散液、0.5份异丙基三(二辛基磷酸酰氧基)钛酸酯、0.3份1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、0.2份冰醋酸逐步加入到二胺分散液中,分散30min后得到二胺溶液;
S3、向S2所述体系内分别加入7份BPDA(联苯二酐),搅拌30min后再加入3份PMDA(均苯四甲酸二酐),搅拌1h后关闭加热,得到黏度为12万mPa·s的改性聚酰胺酸树脂;
S4、将得到的聚酰胺酸树脂通过刮刀涂在钢板上,调节刮刀厚度36μm,将钢板放入烘箱经100℃/30min脱溶剂,150℃/30min、200℃/30min、250℃/30min、300℃/30min、350℃/30min阶段酰亚胺化得到聚酰亚胺薄膜。
实施例2
一种高强度、高模量及低热膨胀系数的聚酰亚胺薄膜的制备方法,包括如下步骤:
S1、将0.5份的无水氯化铜加入4.5份的DMAC中,通过高速分散机进行分散,转速2000r/min,分散时间1h,得到5份的氯化铜分散液;
S2、将10份PDA(联苯二胺)加入三口烧瓶中,加入74份DMAC进行搅拌,保持水浴锅温度45℃;待二胺完全溶解,将5份氯化铜分散液、0.5份异丙基三(二辛基磷酸酰氧基)钛酸酯、0.3份1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、0.2份冰醋酸逐步加入到二胺分散液中,分散30min后得到二胺溶液;
S3、向S2所述体系内分别加入10份BPDA(联苯二酐),搅拌1h后关闭加热,得到黏度为15万mPa·s的改性聚酰胺酸树脂;
S4、将得到的聚酰胺酸树脂通过刮刀涂在钢板上,调节刮刀厚度36μm,将钢板放入烘箱经100℃/30min脱溶剂,150℃/30min、200℃/30min、250℃/30min、300℃/30min、350℃/30min阶段酰亚胺化得到聚酰亚胺薄膜。
实施例3
一种高强度、高模量及低热膨胀系数的聚酰亚胺薄膜的制备方法,包括如下步骤:
S1、将0.5份的无水氯化铜加入4.5份的DMAC中,通过高速分散机进行分散,转速2000r/min,分散时间1h,得到5份的氯化铜分散液;
S2将4份PDA(联苯二胺)和6份DABA(4,4’-二胺基苯酰替苯胺)加入三口烧瓶中,加入74份DMAC进行搅拌,保持水浴锅温度45℃;待二胺完全溶解,将5份氯化铜分散液、0.5份异丙基三(二辛基磷酸酰氧基)钛酸酯、0.3份1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、0.2份冰醋酸逐步加入到二胺分散液中,分散30min后得到二胺溶液;
S3、向S2所述体系内分别加入7份BPDA(联苯二酐),搅拌30min后再加入3份PMDA(均苯四甲酸二酐),搅拌1h后关闭加热,得到黏度为10万mPa·s的改性聚酰胺酸树脂;
S4、将得到的聚酰胺酸树脂通过刮刀涂在钢板上,调节刮刀厚度36μm,将钢板放入烘箱经100℃/30min脱溶剂,150℃/30min、200℃/30min、250℃/30min、300℃/30min、350℃/30min阶段酰亚胺化得到聚酰亚胺薄膜。
对比例1
一种聚酰亚胺薄膜的制备方法,具体包括以下步骤:
S1、将7份PDA(联苯二胺)和3份DABA(4,4’-二胺基苯酰替苯胺)加入三口烧瓶中,加入80份DMAC进行搅拌,保持水浴锅温度45℃,待二胺完全溶解;
S2、向体系内分别加入7份BPDA(联苯二酐),搅拌30min后再加入3份PMDA(均苯四甲酸二酐),搅拌1h后关闭加热,得到黏度为12万mPa·s的改性聚酰胺酸树脂;
S3、将得到的聚酰胺酸树脂通过刮刀涂在钢板上,调节刮刀厚度36μm,将钢板放入烘箱经100℃/30min脱溶剂,150℃/30min、200℃/30min、250℃/30min、300℃/30min、350℃/30min阶段酰亚胺化得到聚酰亚胺薄膜。
对比例2
一种聚酰亚胺薄膜的制备方法,具体包括以下步骤:
S1、将10份PDA(联苯二胺)加入三口烧瓶中,加入80份DMAC进行搅拌,保持水浴锅温度45℃,待二胺完全溶解;
S2、向体系内分别加入10份BPDA(联苯二酐),搅拌1h后关闭加热,得到黏度为15万mPa·s的改性聚酰胺酸树脂;
S3、将得到的聚酰胺酸树脂通过刮刀涂在钢板上,调节刮刀厚度36μm,将钢板放入烘箱经100℃/30min脱溶剂,150℃/30min、200℃/30min、250℃/30min、300℃/30min、350℃/30min阶段酰亚胺化得到聚酰亚胺薄膜。
对比例3
一种聚酰亚胺薄膜的制备方法,具体包括以下步骤:
S1、将5份PDA(联苯二胺)和5份DABA(4,4’-二胺基苯酰替苯胺)加入三口烧瓶中,加入80份DMAC进行搅拌,保持水浴锅温度45℃,待二胺完全溶解;
S2、向体系内分别加入7份BPDA(联苯二酐),搅拌30min后再加入3份PMDA(均苯四甲酸二酐),搅拌1h后关闭加热,得到黏度为10万mPa·s的改性聚酰胺酸树脂;
S3、将得到的聚酰胺酸树脂通过刮刀涂在钢板上,调节刮刀厚度36μm,将钢板放入烘箱经100℃/30min脱溶剂,150℃/30min、200℃/30min、250℃/30min、300℃/30min、350℃/30min阶段酰亚胺化得到聚酰亚胺薄膜。
将实施例1-3和对比例1-3所制备的薄膜进行性能测试,性能测试结果如下表所示:
根据上述性能测试结果表可知,实施例1-3所制备的薄膜在拉伸强度、断裂伸长率、弹性模量的力学性能指标上均较对比例1-3所制备的薄膜高,纵向、横向的热膨胀系数较对比例1-3所制备的薄膜低,可见,本发明所制备的薄膜具有较好的力学性能和耐热性能,具有明显的高强度、高模量及低热膨胀系数。
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 (6)

1.一种高强度、高模量及低热膨胀系数的聚酰亚胺薄膜的制备方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
S1、无机盐分散液制备:将无机盐加入到极性溶剂中,利用高速分散机进行分散,带起完全溶解;
S2、加料:将二胺单体加入到三口烧瓶中,加入极性溶剂快速搅拌,水浴加热搅拌至二胺单体溶解后,分别加入改性剂、离子液、冰醋酸和步骤S1中得到的无机盐分散液;
S3、聚酰亚胺树脂制备:将与二胺等摩尔量的二酐单体逐步加入至S2所制备的二胺溶液中,调节聚酰亚胺树脂的黏度;
S4、将步骤S3得到的聚酰亚胺树脂通过刮刀涂布在钢板上,调节刮刀的厚度,将涂布后的钢板放入烘箱中进行脱溶剂、酰亚胺化工序,即得聚酰亚胺薄膜;
所述聚酰亚胺薄膜的原料由以下组分组成,各组分的重量配比组成:聚酰胺酸10~30份、极性溶剂70~80份、改性剂0.2~3份、离子液0.1~2份、无机盐0.1~2份、冰醋酸0.1~1份;
所述改性剂为异丙基三(二辛基磷酸酰氧基)钛酸酯;
所述离子液为1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-乙基-3甲基咪唑四氟硼酸盐中的一种或多种;
所述无机盐为无水氯化铜、无水硫酸铜、氯化铁中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的聚酰亚胺薄膜的制备方法,其特征在于,所述极性溶剂为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的聚酰亚胺薄膜的制备方法,其特征在于,在S1中,所述高速分散机的转速为1000-3000r/min,分散时间30min-2h。
4.根据权利要求1所述的聚酰亚胺薄膜的制备方法,其特征在于,在S2中,所述水浴温度保持在40-60℃。
5.根据权利要求1所述的聚酰亚胺薄膜的制备方法,其特征在于,在S3中,所述聚酰亚胺树脂的黏度为8-15万mPa•s。
6.根据权利要求1所述的聚酰亚胺薄膜的制备方法,其特征在于,在S4中,所述刮刀厚度为18-75μm;所述脱溶剂时烘箱温度为90-150℃;所述酰亚胺化工序的温度为在150-400℃温度区间内多次阶段性升温。
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