TW202208506A - 聚醯亞胺高分子、聚醯亞胺混合物及其製備之聚醯亞胺薄膜 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種聚醯亞胺高分子,其具有如式(I)所示之一重複單元,式(I)中各符號如說明書所定義者。藉此,透過引入具有化學反應性的巨大基團於聚醯亞胺高分子的分子鏈上,可提升聚合物的加工及應用性,並應用於電子元件或5G產業中。
Description
本發明是有關於一種聚醯亞胺高分子、聚醯亞胺混合物及其製備之聚醯亞胺薄膜,尤其是關於一種具反應性的聚醯亞胺高分子、聚醯亞胺混合物及其製備之聚醯亞胺薄膜。
現今,高分子已廣泛應用於半導體工業、汽車工業、光電產業、生醫材料以及通訊材料等工業上,因此在高分子領域中,越來越需要具有較高物理性質的功能性高分子,例如耐熱性、耐化性、可塑性、低介電常數或低介電損耗等性質。
在傳統上,聚醯亞胺係由雙胺化合物與雙酸酐化合物聚合成聚醯胺酸後,經溶液法加工成型,再經熱環化反應原位形成聚醯亞胺;另一方面,也可以由化學環化法將聚醯胺酸反應成聚醯亞胺,但受到分子設計及化學反應的限制,鮮少有帶有化學反應性的巨大基團之聚醯亞胺高分子鏈。
有鑑於此,如何開發出一種新穎的聚醯亞胺高分子,進行高分子結構的改良,以獲得高性能之高分子材料,提升其應用性。
本發明之一目的是提供一種聚醯亞胺高分子,其係透過引入具有化學反應性的巨大基團於聚醯亞胺高分子鏈上,使其具有後交聯、後官能化反應等特性。
本發明之另一目的是提供一種聚醯亞胺混合物及其製備之聚醯亞胺薄膜,其係透過含有米氏酸基團之聚醯亞胺高分子,可溶解於有機溶劑中進行加工,使聚醯亞胺薄膜在可見光區具有高透明性。
本發明之一實施方式係在於提供一種聚醯亞胺高分子,其具有如式(I)所示之一重複單元:
其中R1
及R2
彼此相同或不同,且各自獨立為醚基、酯基、胺基或其他雜原子鏈段、烷基、烯基、炔基、芳基或其他純碳鏈段,Ar為含芳香環之四價有機基團。
式(I), |
依據前述實施方式之聚醯亞胺高分子,其中式(I)中,R1
及R2
可為苄基。
本發明之另一實施方式係在於提供一種聚醯亞胺混合物,包含一聚醯亞胺前驅物以及一含二氧化矽溶液。所述聚醯亞胺前驅物係一聚醯亞胺高分子溶解於一第一有機溶劑中,且聚醯亞胺高分子具有如式(I)所示之一重複單元:
其中R1
及R2
彼此相同或不同,且各自獨立為醚基、酯基、胺基或其他雜原子鏈段、烷基、烯基、炔基、芳基或其他純碳鏈段,Ar為含芳香環之四價有機基團。含二氧化矽溶液係於一第二有機溶劑中分散二氧化矽粒子,且以聚醯亞胺高分子與二氧化矽粒子的總重量計,所述二氧化矽粒子的含量為大於0重量百分比且小於或等於40重量百分比。
式(I), |
依據前述實施方式之聚醯亞胺混合物,其中式(I)中,R1
及R2
可為苄基。
依據前述實施方式之聚醯亞胺混合物,其中第一有機溶劑可為N,N-二甲基乙醯胺、N,N-二甲基甲醯胺、N-甲基-2-吡咯烷酮或N,N-二乙基乙醯胺。
依據前述實施方式之聚醯亞胺混合物,其中第二有機溶劑可選自醇類、酮類、醚類、酯類或其混合。
本發明之又一實施方式係在於提供一種聚醯亞胺薄膜,其係由前述之聚醯亞胺混合物塗佈於基板,並進行鍛燒而得。
依據前述實施方式之聚醯亞胺薄膜,其中聚醯亞胺薄膜的黃度(YI)可為6.0以下。
藉此,本發明之聚醯亞胺高分子引入具有化學反應性的基團,使其具有後交聯、後官能化反應等特性,並具有可見光區的高透明性,能夠運用在軟性印刷電路板以及無色透明聚醯亞胺的應用領域。
下述將更詳細討論本發明各實施方式。然而,此實施方式可為各種發明概念的應用,可被具體實行在各種不同的特定範圍內。特定的實施方式是僅以說明為目的,且不受限於揭露的範圍。
本發明中,有時以鍵線式(skeleton formula)表示化合物結構,此種表示法可以省略碳原子、氫原子以及碳氫鍵。倘若,結構式中有明確繪出官能基的,則以繪示者為準。
本發明中,「聚醯亞胺高分子,具有如式(I)所示之一結構」,為了簡潔與通順,有時會表達為式(I)所示的聚醯亞胺高分子或聚醯亞胺高分子(I),其他化合物或基團的表示方式依此類推。
本發明中,如果沒有特別指明某一基團是否經過取代,則該基團可表示經取代或未經取代的基團。例如,「烷基」可表示經取代或未經取代的烷基。
<聚醯亞胺高分子>
本發明提供一種聚醯亞胺高分子,其具有如式(I)所示之一重複單元:
其中R1
及R2
彼此相同或不同,且各自獨立為醚基、酯基、胺基或其他雜原子鏈段、烷基、烯基、炔基、芳基或其他純碳鏈段,Ar為含芳香環之四價有機基團。
式(I), |
藉由上述結構,本發明之聚醯亞胺高分子以米氏酸(Meldrum’s Acid)為反應基團,其可使聚醯亞胺高分子具有化學反應性,並可溶解於有機溶劑中進行加工。另外,米氏酸在高溫下可以進行熱裂解反應而生成烯酮基(ketene),進而可以進行後續反應以及自身交聯反應。
詳細來說,本發明之聚醯亞胺高分子(I)經加熱後,米氏酸會生成烯酮基,如式(I-1)所示之一重複單元,之後可進行自身交聯反應,如式(I-2)所示之一重複單元,或者與其他官能基進行反應例如胺基、醇基或異氰酸酯基進行反應,分別如式(I-3)、式(I-4)或式(I-5)所示之一重複單元,其中R’為特定官能基團(specific functional group),可得知本發明之聚醯亞胺高分子具有化學反應性。
式(I-1), |
式(I-2), |
式(I-3), |
式(I-4), |
式(I-5)。 |
依據前述的聚醯亞胺高分子(I),R1
及R2
可為但不限於苄基,Ar可為但不限於如式(i)、式(ii)或式(iii)所示之一結構:
詳細來說,當式(I)中,R1
及R2
為苄基,Ar為式(i)所示之結構時,其具有如式(I-AA)所示之一結構:
式(i)、 | 式(ii)、 | 式(iii)。 |
式(I-AA)。 |
<聚醯亞胺高分子的製備方法>
配合參照第1圖,其係依照本發明之一實施方式之一種聚醯亞胺高分子的製備方法100的步驟流程圖。詳細來說,本發明之聚醯亞胺高分子的製備方法100係透過化學環化法來製備,在第1圖中,聚醯亞胺高分子的製備方法100包含步驟110、步驟120、步驟130以及步驟140。
步驟120為進行一溶解步驟,其係將雙胺化合物(A)溶解於一有機溶劑中,形成一第一混合物。具體而言,有機溶劑可為但不限於N,N-二甲基乙醯胺(N,N-dimethylacetamide, DMAc)、N,N-二甲基甲醯胺(N,N-dimethylformamide, DMF)、N-甲基-2-吡咯烷酮(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP)或N,N-二乙基乙醯胺等醯胺系溶劑,上述有機溶劑可單獨使用或混合多種使用。
步驟130為提供一二酐單體,其係將二酐單體與第一混合物混合後形成一聚醯胺酸溶液(polyamic acid, PAA)。詳細來說,二酐單體可為但不限於含芳香環之四羧酸二酐,具體實施例為2,2-雙(3,4-二羧基苯基)六氟丙烷二酐(6FDA)、3,3’,4,4’-二苯酮四酸二酐(BTDA)、均苯四甲酸二酐(PMDA)、3,3’,4,4’-聯苯四羧酸二酐(BPDA)或3,3’,4,4’-二苯醚四甲酸二酐(ODPA)。
步驟140為進行一醯亞胺化反應,其係將一脫水劑以及一醯亞胺化劑加入聚醯胺酸溶液中,並加熱反應形成聚醯亞胺高分子(I)。具體而言,脫水劑可為但不限於乙酸酐、丙酸酐、正丁酸酐、苯甲酸酐或三氟乙酸,而醯亞胺化劑可為但不限於吡啶、甲基吡啶、喹啉或異喹啉。
<聚醯亞胺混合物>
本發明提供一種聚醯亞胺混合物,其包含一聚醯亞胺前驅物以及一含二氧化矽溶液。詳細來說,聚醯亞胺前驅物係一聚醯亞胺高分子溶解於一第一有機溶劑中,且聚醯亞胺高分子具有如式(I)所示之一重複單元:
其中R1
及R2
彼此相同或不同,且各自獨立為醚基、酯基、胺基或其他雜原子鏈段、烷基、烯基、炔基、芳基或其他純碳鏈段,Ar為含芳香環之四價有機基團,且所述第一有機溶劑可為但不限於N,N-二甲基乙醯胺、N,N-二甲基甲醯胺、N-甲基-2-吡咯烷酮或N,N-二乙基乙醯胺等醯胺系溶劑,並可單獨使用或混合多種使用。關於聚醯亞胺高分子(I)請參考上文,在此不另贅述。
式(I), |
在本發明中,聚醯亞胺混合物係將前述聚醯亞胺前驅物與含二氧化矽溶液混合,其中含二氧化矽溶液係於一第二有機溶劑中分散二氧化矽粒子,且以聚醯亞胺高分子與二氧化矽粒子的總重量計,二氧化矽粒子的含量為大於0重量百分比且小於或等於40重量百分比。本發明之第二有機溶劑係選自醇類、酮類、醚類、酯類或其混合,較佳地,第二有機溶劑可為但不限於甲基異丁基酮(methyl isobutyl ketone, MIBK)。
<聚醯亞胺薄膜>
本發明提供一種聚醯亞胺薄膜,其係由前述聚醯亞胺混合物塗佈於基板,並進行鍛燒而得,在本發明中,聚醯亞胺薄膜係將二氧化矽摻混於聚醯亞胺高分子中,其具有如式(II)所示之一結構:
其中R1
及R2
彼此相同或不同,且各自獨立為醚基、酯基、胺基或其他雜原子鏈段、烷基、烯基、炔基、芳基或其他純碳鏈段,x大於0且小於1,Ar為含芳香環之四價有機基團,如式(i)、式(ii)或式(iii)所示之一結構:
式(II), |
式(i)、 | 式(ii)、 | 式(iii)。 |
詳細來說,聚醯亞胺混合物的塗布方式可為但不限於刮刀塗佈法、旋轉塗佈法、滾筒塗佈法、狹縫式塗佈法等習知塗佈法,而基材可為但不限於織物、銅箔、塑膠、玻璃等合適的基材。
茲以下列具體實施例進一步示範說明本發明,用以有利於本發明所屬技術領域通常知識者,可在不需過度解讀的情形下完整利用並實踐本發明,而不應將這些實施例視為對本發明範圍的限制,但用於說明如何實施本發明的材料及方法。
<實施例>
本發明之實施例1為聚醯亞胺高分子(I-AA),其合成方法係將3克(8.465 mmole)的雙胺化合物(A-1)和35 mL的乾燥NMP放入100 mL的雙頸圓底燒瓶中,雙頸圓底燒瓶入口裝有冷凝器,出口裝有氮氣,並放置於磁力攪拌器上,於25o
C下攪拌至完全溶解。接著分批加入3.76克(8.465 mmole)的4,4’-(六氟異丙基)二鄰苯二甲酸酐(6FDA),並於室溫下反應24小時後,形成聚醯胺酸。接著,加入4.32克(42.325 mmole)的乙酸酐(acetic anhydride, AcO2
)以及3.348克(43.325 mmole)的吡啶(pyridine)進行醯亞胺化反應,之後於室溫下攪拌2小時,再於氮氣環境下,以100o
C的油浴中加熱5小時,冷卻後,將其倒入1 L的甲醇中,不斷地攪拌以產生沉澱,並利用過濾收集沉澱物且於真空下乾燥,即可得到聚醯亞胺高分子(I-AA)。
將實施例1進行FTIR分析、1
H-NMR分析、13
C-NMR分析以及19
F-NMR分析,以確認實施例1之結構。請配合參照第2A圖、第2B圖、第2C圖以及第2D圖,其中第2A圖係繪示實施例1以及比較例1的FTIR光譜圖,第2B圖係繪示實施例1的1
H-NMR光譜圖,第2C圖係繪示實施例1的13
C-NMR光譜圖,第2D圖係繪示實施例1的19
F-NMR光譜圖。由第2A圖至第2D圖的結果可確認實施例1的產物為聚醯亞胺高分子(I-AA),其中比較例1為雙胺化合物(A-1)。
本發明實施例2至實施例4之聚醯亞胺薄膜之製備方式係先將1克的實施例1之聚醯亞胺高分子(I-AA)溶於5.6 mL的NMP溶劑中,之後添加含二氧化矽溶液,以形成聚醯亞胺混合物。接著用200 μm的刮刀澆鑄於玻璃板上,通過真空烘箱加熱至120o
C並持續3小時,之後分別以180o
C、200o
C、240o
C以及280o
C各加熱1小時,再以300o
C加熱30分鐘,即可得到實施例2至實施例4之聚醯亞胺薄膜。關於實施例2至實施例4的差別在於二氧化矽粒子的添加量不同,以聚醯亞胺高分子與二氧化矽粒子的總重量計,實施例2之二氧化矽粒子的添加量為20 wt%,實施例3之二氧化矽粒子的添加量為30 wt%,實施例4之二氧化矽粒子的添加量為40 wt%。
將實施例2至實施例4進行ATR-FTIR分析以及XRD分析,以確認實施例2至實施例4之結構。請配合參照第3圖以及第4圖,其中第3圖繪示實施例1至實施例4以及比較例2的ATR-FTIR光譜圖,第4圖繪示實施例1至實施例4以及比較例2至比較例3的XRD繞射分析圖,其中比較例2為實施例1加熱後之薄膜,比較例3為二氧化矽。
首先,由第3圖的結果可觀測到實施例2至實施例4以及比較例2的米氏酸內酯結構之特徵峰(1337 cm-1
)已消失,證明了米氏酸開環反應的發生,而由實施例2至實施例4的分析結果中可觀察到米氏酸與二氧化矽反應造成的變化,透過新生成的C-O stretching (1250 cm-1
、1050 cm-1
)可證明烯酮基與羥基親核加成反應的進行。此外,實施例2至實施例4除了可觀察到imide結構上imide ring(741 cm-1
)、C-N stretching (1364 cm-1
)與C=O asymmetrical and symmetrical stretching (1779 cm-1
, 1724 cm-1
)等特徵峰值之外,仍可觀察到二氧化矽之Si-O-Si結構特徵(1100 cm-1
),確認實施例2至實施例4的產物為摻有二氧化矽之聚醯亞胺薄膜。
另外,根據第4圖顯示的寬廣之峰值(2θ=9o
~24o
)可知所製備的聚醯亞胺薄膜皆為無定型的型態,分子鏈間距(d-spacing)可透過Bragg’s equation:計算而得,薄膜展示最大的繞射峰值2θ約為13.43o
~13.79o
,計算所得d-spacing約為6.59 Å~6.42 Å,此數值說明了此類聚醯亞胺薄膜材料展現比於芳香族Kapton(d=3 Å)兩倍多的分子鏈間距。此外,比較例3的繞射值約為22.08o
,d-spacing約為4.03 Å,而實施例2至實施例4於此區間中皆無明顯地繞射峰值出現,證明二氧化矽粒子均勻分散於分子鏈段間,且透過比較例2與實施例2至實施例4之d-spacing差異,可說明了二氧化矽的加入確實可於分子鏈段架構出較大的空間以提升材料的自由體積,其中實施例1至實施例4以及比較例2至比較例3的繞射角度(2θ)以及分子鏈間距(d)的量測結果如下表二所示。
表二 | ||
2θ(degree) | d(Å) | |
實施例1 | 13.43 | 6.59 |
實施例2 | 13.66 | 6.48 |
實施例3 | 13.51 | 6.55 |
實施例4 | 13.55 | 6.53 |
比較例2 | 13.79 | 6.42 |
比較例3 | 22.08 | 4.03 |
<熱性質量測>
將實施例1至實施例4以及比較例2進行熱性質評估,熱性質評估方式包含熱重分析(TGA)以及動態機械分析(DMA)。
請參閱第5A圖、第5B圖以及第5C圖,其中第5A圖繪示實施例1以及比較例2的TGA分析圖,第5B圖繪示實施例2至實施例4以及比較例2於氮氣下的TGA分析圖,第5C圖繪示實施例2至實施例4以及比較例2於空氣下的TGA分析圖。
由TGA分析可得知實施例1至實施例4以及比較例2的熱裂解溫度(Td
),其量測結果如下表三所示。
表三 | ||
Td (o C) | ||
氮氣 | 空氣 | |
實施例1 | 235 | - |
實施例2 | 437 | 447 |
實施例3 | 427 | 423 |
實施例4 | 433 | 440 |
比較例2 | 439 | 430 |
請參閱第6A圖、第6B圖、第6C圖以及第6D圖,其中第6A圖繪示比較例2的DMA分析圖,第6B圖繪示實施例2的DMA分析圖,第6C圖繪示實施例3的DMA分析圖,第6D圖繪示實施例4的DMA分析圖。
由DMA分析可得知實施例2至實施例4以及比較例2的玻璃轉移溫度(o
C)以及50o
C下的儲存模數,其量測結果如下表四所示。
表四 | ||
Tg (o C) | 儲存模數(MPa) | |
實施例2 | 298 | 5212 |
實施例3 | 275 | 6013 |
實施例4 | 279 | 6564 |
比較例2 | 303 | 4358 |
<機械性質量測>
將實施例1至實施例4以及比較例2進行拉力強度分析,以量測其機械性質,並請參閱第7圖,其係繪示實施例1至實施例4以及比較例2的應力應變圖。由拉力強度分析可得知實施例1至實施例4以及比較例2之應力、應變以及楊氏模數,其量測結果如下表五所示。
表五 | |||
應力 (MPa) | 應變 (%) | 楊氏模數 (MPa) | |
實施例1 | 70.92±3.65 | 9.81±0.36 | 1871.9±38.1 |
實施例2 | 82.71±1.06 | 3.86±0.13 | 3647.6±44.9 |
實施例3 | 70.19±1.54 | 2.52±0.05 | 3483.9±58.2 |
實施例4 | 72.67±2.72 | 3.26±0.11 | 3194.6±62.0 |
比較例2 | 91.49±2.10 | 5.41±0.25 | 2467.2±83.3 |
<光學性質量測>
將實施例1至實施例4以及比較例2進行UV光譜分析,並請參閱第8圖以及第9圖,其中第8圖繪示實施例1至實施例4以及比較例2的UV分析圖,第9圖繪示實施例1至實施例4以及比較例2的薄膜示意圖。由UV分析可知實施例1至實施例4以及比較例2的光穿透率(Tλ
)及截止波長(λ),其量測結果如下表六所示。
表六 | ||||
T400 (%) | T450 (%) | T500 (%) | λ (nm) | |
實施例1 | 69.9 | 84.7 | 87.0 | 319 |
實施例2 | 43.8 | 80.4 | 85.9 | 353 |
實施例3 | 65.3 | 86.6 | 88.9 | 323 |
實施例4 | 60.4 | 84.9 | 88.0 | 328 |
比較例2 | 44.0 | 78.5 | 84.9 | 350 |
另外,量測實施例1至實施例4以及比較例2的折射率、介電常數以及色彩參數,其中折射率(RI)以及介電常數(ε)的量測結果如下表七所示,而色彩參數包含明度(L*)、紅綠度(a*)、黃藍度(b*)、黃度(YI)以及霧度(HAZE)之量測結果如下表八所示。
表七 | ||
折射率(RI) | 介電常數(ε) | |
實施例1 | 1.57 | 2.71 |
實施例2 | 1.56 | 2.68 |
實施例3 | 1.53 | 2.61 |
實施例4 | 1.54 | 2.71 |
比較例2 | 1.59 | 2.78 |
表八 | |||||
L* | a* | b* | YI | HAZE | |
實施例1 | 95.28 | -0.74 | 2.99 | 5.08 | 0.71 |
實施例2 | 94.73 | -1.10 | 5.43 | 9.36 | 0.92 |
實施例3 | 95.66 | -0.38 | 2.84 | 5.01 | 0.86 |
實施例4 | 95.13 | -1.12 | 5.59 | 9.59 | 0.74 |
比較例2 | 95.01 | -1.17 | 4.97 | 8.44 | 1.64 |
由上述熱性質、機械性質以及光學性質的分析結果可知,本發明摻入二氧化矽之聚醯亞胺薄膜較未摻入二氧化矽之聚醯亞胺薄膜具有熱穩定性、機械強度強以及透光率高之特性,而實施例3之黃度(YI)為6.0以下,其更具有可見光區的高透明性。
綜上所述,本發明之聚醯亞胺高分子引入具有化學反應性的基團,使其具有後交聯、後官能化反應等特性,且與二氧化矽改質後所製備之聚醯亞胺薄膜除了熱穩定性、機械強度強及透光率高之特性外,在可見光區亦具有高透明性,使其可應用於軟性印刷電路板以及無色透明聚醯亞胺之領域。
雖然本發明已以實施方式揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何熟習此技藝者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作各種之更動與潤飾,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:聚醯亞胺高分子的製備方法
110,120,130,140:步驟
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂,所附圖式之說明如下:
第1圖係依照本發明之一實施方式之一種聚醯亞胺高分子的製備方法的步驟流程圖;
第2A圖係繪示實施例1以及比較例1的FTIR光譜圖;
第2B圖係繪示實施例1的1
H-NMR光譜圖;
第2C圖係繪示實施例1的13
C-NMR光譜圖;
第2D圖係繪示實施例1的19
F-NMR光譜圖;
第3圖係繪示實施例1至實施例4以及比較例2的ATR-FTIR光譜圖;
第4圖係繪示實施例1至實施例4以及比較例2至比較例3的XRD繞射分析圖;
第5A圖係繪示實施例1以及比較例2的TGA分析圖;
第5B圖係繪示實施例2至實施例4以及比較例2於氮氣下的TGA分析圖;
第5C圖係繪示實施例2至實施例4以及比較例2於空氣下的TGA分析圖;
第6A圖係繪示比較例2的DMA分析圖;
第6B圖係繪示實施例2的DMA分析圖;
第6C圖係繪示實施例3的DMA分析圖;
第6D圖係繪示實施例4的DMA分析圖;
第7圖係繪示實施例1至實施例4以及比較例2的應力應變圖;
第8圖係繪示實施例1至實施例4以及比較例2的UV分析圖;以及
第9圖係繪示實施例1至實施例4以及比較例2的薄膜示意圖。
Claims (10)
- 如請求項1所述之聚醯亞胺高分子,其中該式(I)中,該R1 及該R2 為苄基。
- 如請求項4所述之聚醯亞胺混合物,其中該式(I)中,該R1 及該R2 為苄基。
- 如請求項4所述之聚醯亞胺混合物,其中該第一有機溶劑為N,N-二甲基乙醯胺、N,N-二甲基甲醯胺、N-甲基-2-吡咯烷酮或N,N-二乙基乙醯胺。
- 如請求項4所述之聚醯亞胺混合物,其中該第二有機溶劑係選自醇類、酮類、醚類、酯類或其混合。
- 一種聚醯亞胺薄膜,其係由請求項4至請求項8中任一項所述之聚醯亞胺混合物塗佈於基板,並進行鍛燒而得。
- 如請求項9所述之聚醯亞胺薄膜,其中該聚醯亞胺薄膜的黃度(YI)為6.0以下。
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