CN1733822A - 聚酰亚胺树脂及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新颖的聚酰亚胺树脂，其特征为通过四氨基化合物与双酸酐化合物共聚合而制得。本发明聚酰亚胺树脂具有低双折射率，可应用于光波导元件中。

Description

聚酰亚胺树脂及其用途

技术领域

本发明涉及一种新颖的聚酰亚胺树脂，其可用于光波导元件中作为核心层或包覆层的材料或部分材料。本发明聚酰亚胺树脂具有低双折射率、高光学穿透度、抗溶剂性、高热稳定性且对于基材有良好的附着性。

背景技术

毋庸置疑地，光纤将取代主导电信通讯近二百年的铜导体，成为本世纪最重要的通信传输媒体。而光波导元件为光纤通讯的基础，其结构包含一核心层(core layer)和包覆层(cladding layer)，且核心层的折射率大于包覆层，因此可通过全反射传递。

为了使光传输效率提高，一般应用于光波导元件的材料，其性质要求为在光通讯范围为低吸收、高穿透度、高热稳定性、抗溶剂性、高附着性与低双折射率。

近年来以高分子材料为主的光波导元件逐渐受到重视，这是因为高分子材料具有价格便宜和加工容易等优点。然而具有苯环的基团往往造成双折射率过高，为解决这问题，先前技艺中已提出使用丙烯酸酯聚合物，如美国专利第5062680号所揭示者，但是使用丙烯酸酯虽然可以降低双折射率，但是因为Tg值太低，热稳定性不佳，导致制程困难。

一般而言，聚酰亚胺(Polyimides)树脂由二氨与二酸酐反应制备而得，因为具有良好的热稳定性及可以容忍高温过程。已有多项专利文献提出以聚酰亚胺作为光波导元件材料，如美国专利第5108201、5572619、5659648、6417321、6489431号等所揭示。但由于聚酰亚胺具有刚硬的主结构，因此难以达成具有低双折射率的目标，此为其缺点。

本案发明人经广泛研究发现，以四氨基化合物作为单体所制得的聚酰亚胺树脂，具有低双折射率、高光学穿透度、抗溶剂性、高热稳定性且对于基材有良好的附着性，所以能有效解决上述光波导元件材料所面临的缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种新颖的聚酰亚胺树脂。

本发明的另一目的是提供一种含聚酰亚胺树脂的光波导元件。

具体实施方式

本发明所揭示的聚酰亚胺树脂，其特征为通过四氨基化合物与双酸酐化合物共聚合而制得，其中该经四氨基取代的衍生物是选自至少一种由下列化合物所构成的群组：

其中R₁为硫原子、氧原子或氮原子；

其中R₂为碳原子、硅原子、磷原子、硫原子或硼原子；及

其中R₃为硫原子或氧原子。

本发明所使用的双酸酐单体，并无特殊限制，可为脂肪族或芳香族，优选为芳香族。可用于本发明中的芳香族二酸酐，可选自此技术领域中所熟知的，例如但不限于苯均四酸二酐(PMDA)、4，4′-二苯二甲酸二酐(4，4′-Biphthalic dianhydride，BPDA)、4，4′-六氟异亚丙基二苯二甲酸二酐(4，4′-(Hexafluoroisopropylidene)-diphthalic anhydride，6FDA)、1-(三氟甲基)-2，3，5，6-苯四羧酸二酐(P3FDA)、1，4-双(三氟甲基)-2，3，5，6-苯四羧酸二酐(P6FDA)、1-(3′，4′-二羧基苯基)-1，3，3-三甲基茚满-5，6-二羧酸二酐、1-(3′，4′-二羧基苯基)-1，3，3-三甲基茚满-6，7-二羧酸二酐、1-(3′，4′-二羧基苯基)-3-甲基茚满-5，6-二羧酸二酐、1-(3′，4′-二羧基苯基)-3-甲基茚满-6，7-二羧酸二酐、2，3，9，10-二萘嵌苯四羧酸二酐、1，4，5，8-萘四羧酸二酐、2，6-二氯萘-1，4，5，8-四羧酸二酐、2，7-二氯萘-1，4，5，8-四羧酸二酐、2，3，6，7-四氯萘-2，4，5，8-四羧酸二酐、菲-1，8，9，10-四羧酸二酐、3，3′，4，4′-二苯甲酮四羧酸二酐、1，2′，3，3′-二苯甲酮四羧酸二酐、3，3′，4，4′-联苯四羧酸二酐、3，3′，4，4′-二苯甲酮四羧酸二酐、2，2′，3，3′-联苯四羧酸二酐、4，4′-异亚丙基二苯二甲酸二酐、3，3′-亚异丙基二苯二甲酸二酐、4，4′-氧基二苯二甲酸二酐、4，4′-磺酰基二苯二甲酸二酐、3，3′-氧基二苯二甲酸二酐、4，4′-亚甲基二苯二甲酸二酐、4，4′-硫基二苯二甲酸二酐、4，4′-亚乙基二苯二甲酸二酐、2，3，6，7-萘四羧酸二酐、1，2，4，5-萘四羧酸二酐、1，2，5，6-萘四羧酸二酐、苯-1，2，3，4-四羧酸二酐及啶-2，3，5，6-四羧酸二酐及其混合物。优选是苯均四酸二酐、4，4-二苯二甲酸二酐、4，4′-六氟亚异丙基二苯二甲酸二酐、1-(三氟甲基)-2，3，5，6-苯四羧酸二酐或1，4-双(三氟甲基)-2，3，5，6-苯四羧酸二酐或其混合物。

本发明之聚酰亚胺树脂可通过所属领域的技术人员所熟知的任何一种方式制备。例如，将氨类单体和酸酐单体与适合的溶剂，如二甲基乙酰氨(Dimethylacetamide，DMAC)或3-甲氧基丙酸甲酯(Methyl 3-methoxypropionate，MMP)加以混合，反应聚合成聚酰氨酸高分子(Polyamic acid，简称PAA)，之后经过合环反应(Imidization)脱水形成聚酰亚胺树脂，而合环反应可利用加热或化学反应方式进行，优选为加热方式，加热温度须高于树脂的玻璃转化温度(Tg)。

本发明的聚酰亚胺树脂，主要是利用四氨基化合物所具有的四个官能基与酸酐反应形成立体网状结构，以达到降低双折射率的目的。当用于本发明中时，四氨基化合物可单独与双酸酐形成聚酰亚胺，或与二氨基化合物混合后与双酸酐共聚合形成聚酰亚胺。

本发明可形成网状结构的聚酰亚胺，具有良好热安定性和低双折射率的特性，因此可应用于光波导元件中作为核心层或包覆层之材料。本发明的聚酰亚胺树脂可利用任何熟知方法应用作为核心层或包覆层的材料。另外，当同时使用四氨基化合物与二氨基化合物时，四氨基化合物可与二氨基化合物以不同比例混合，再与双酸酐化合物聚合形成聚酰亚胺。当二氨基化合物所占比率越高时，聚酰亚胺的双折射率也越高。

本发明另揭示一种光波导元件，其包含一基材，与在基材上所沉积的三层，中间一层为核心层，上下层是包覆层，其中，该核心层或包覆层的材料或部份材料是由本发明聚酰亚胺树脂所构成。

本发明的光波导元件，其中基材的材料并无特殊，是任何所属领域的技术人员所熟知的，其例如但不限于硅晶圆、玻璃、石英、磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)等。

本发明的光波导元件，其中核心层与包覆层分属不同折射率的聚酰亚胺，且核心层的折射率须大于包覆层，而核心层和包覆层的折射率差为介于0.0001～0.01之间。

以下实施例是用于对本发明作进一步说明，并非用以限制本发明的范围。任何所属领域的技术人员可轻易达成的修饰及改变，均包括于本案说明书揭示内容和所附权利要求书的范围之内。

实施例

实施例1

2，2′，4，4′-四氨基联苯单体的合成

先将联苯(20g，0.13mol)溶于冰水浴的浓硫酸(113mL)中搅拌，缓慢加入浓硝酸(87mL)，待浓硝酸添加完成后，将溶液在100℃下搅拌，反应结束后将溶液倒入冰水中，有固体析出。以抽气过滤收集固体，再以乙酸乙酯进行再结晶，得到2，2′，4，4′-四硝基联苯淡黄色固体(37.5g，86％)。将所得的2，2′，4，4′-四硝基联苯(15.1g，0.07mmol)溶于THF(450ml)中，加入10％Pd/C(2.03g)，在室温下通入氢气搅拌，过滤收集液体、抽干得到2，2′，4，4′-四氨基联苯棕色固体(9.2g，95％)。

聚酰亚胺树脂之合成

将2，2′，4，4′-四氨基联苯(0.5g，2.3mmol)加入DMAc(23.13g)中，在25℃下搅拌到溶解，待固体溶解后加入2，2-双(3，4-二羧苯基)-六氟丙烷二酸酐(″2，2-bis(3，4-dicarboxphenyl)-hexafluoropropane dianhydride″)(2.07g，4.6mmol)搅拌，反应24小时后，将溶液旋转应用(2000rpm，60Sec)在硅晶片上。将所得的硅晶片放入高温(320℃)烘箱加热。所得的聚酰亚胺以Prism Coupler测量，其在1330nm的nTE为1.5892，nTM为1.5891，其双折射率为0.0001。

Claims (7)

1.一种聚酰亚胺树脂，其特征为通过四氨基化合物与双酸酐化合物共聚合而制得。

2.根据权利要求1所述的聚酰亚胺树脂，其中该四氨基化合物为选自至少一种由下列化合物所构成的群组：

其中R₁为硫原子、氧原子或氮原子；

其中R₂为碳原子、硅原子、磷原子、硫原子或硼原子；及

(VI)

其中R₃为硫原子或氧原子。

3.根据权利要求1所述的聚酰亚胺树脂，其用于光波导元件中作为核心层(core layer)或包覆层(cladding layer)的材料或部份材料。

4.一种光波导元件，其包含一基材，和在基材上所沉积三层具不同折射率的材质，中间一层为核心层，上下层是包覆层，其中，该核心层或包覆层的材料或部份材料是由根据权利要求1所述的聚酰亚胺树脂所构成。

5.根据权利要求4所述的光波导元件，其中该核心层的折射率大于包覆层。

6.根据权利要求4所述的光波导元件，其中该核心层和包覆层的折射率差介于0～0.01之间。

7.根据权利要求4所述的光波导元件，其中该基材为硅晶圆、玻璃、石英、磷化铟或砷化镓。