TWI833110B - 二胺單體化合物及其製備方法、樹脂、柔性薄膜及電子設備 - Google Patents
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Abstract
本申請提供一種二胺單體化合物，該二胺單體化合物的結構通式為：
Description
本申請涉及一種二胺單體化合物及其製備方法、應用該二胺單體化合物製得的聚醯亞胺樹脂、以及應用該聚醯亞胺樹脂的柔性薄膜和電子設備。
印刷電路板中的信號傳輸損耗部分源於介電層引起的損失。介電層引起的損失通常與介電層材料的介電常數和介電損失因子有關。此外，介電層材料的極性會影響導線中電子傳輸的穩定性，若絕緣層材料中分子結構極性過大，電路板極化後，導線中的電子將會受到介電層的吸引，嚴重影響電子傳輸的穩定性。因此，如何有效設計介電層的高分子結構，降低介電層高分子材料的介電損失，達到良好的絕緣效果，將成為重要的課題。
目前，液晶高分子(Liquid-crystalline polymer，LCP)材料因其具有液晶結構，介電損耗較低，被廣泛應用於印刷電路板中。但，因LCP材料具有高順向排列的液晶結構，使得其成膜加工特性較差，成膜工藝限制多，而且成膜後與銅板壓合製作成覆銅板的難度也較大。
有鑑於此，為克服上述缺陷的至少之一，有必要提出一種二胺單體化合物。
另，本申請還提出一種製備該二胺單體化合物的方法、應用該二胺單體化合物製得的聚醯亞胺樹脂、以及應用該聚醯亞胺樹脂的柔性薄膜和電子設備。
本申請提供一種二胺單體化合物，所述二胺單體化合物的結構通式為：
，其中，n1為>1的整數。
在一些可能的實施方式中，n1的取值為2，3或4。
本申請還提供一種聚醯亞胺樹脂，所述聚醯亞胺樹脂的結構通式為：
，其中，X為芳香族二酐殘基或脂環族二酐殘基，R為芳香族二胺殘基或脂環族二胺殘基，m1為>1的整數，m2為>1的整數，n2為>1的整數，Y的結構式為：
，其中，n1為>1的整數。
在一些可能的實施方式中，所述芳香族二酐殘基或脂環族二酐殘基X來自於以下化合物中的一種或多種：均苯四甲酸二酐、3,3',4,4'-聯苯四羧酸二酐、2,3,3',4'-聯苯四甲酸二酐、2,3,5,6-萘四羧酸二酐、2,3,6,7-萘四羧酸二酐、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-1,4,5,8-四羧酸二酐、3,4,9,10-苝四羧酸二酐、吡嗪-2,3,5,6-四羧酸二酐、噻吩-2,3,4,5-四羧酸二酐、2,3,5,6-吡啶四羧酸二酐、1,2,3,4-環戊烷四羧酸二酐、環丁烷-1,2,3,4-四羧酸二酐、環戊烷-1,2,3,4-四羧酸二酐、環己烷-1,2,4,5-四羧酸二酐、降莰烷-2,3,5,6-四羧酸二酐、雙環[2.2.2]辛-7-烯-3,4,8,9-四
羧酸二酐、3,3',4,4'-二苯甲酮四羧酸二酐、2,2',3,3'-二苯甲酮四羧酸二酐、2,3,3',4'-二苯甲酮四羧酸二酐、3,3',4,4'-二苯基碸四羧酸二酐、2,2',3,3'-二苯基碸四羧酸二酐、2,3,3',4'-二苯基碸四羧酸二酐、3,3',4,4'-二苯基醚四羧酸二酐、2,2',3,3'-二苯基醚四羧酸二酐、2,3,3',4'-二苯基醚四羧酸二酐、2,2-[雙(3,4-二羧基苯基)]六氟丙烷二酐、5-(2,5-二氧代四氫)-3-甲基-3-環己烯-1,2-二羧酸酐。
在一些可能的實施方式中，所述芳香族二胺殘基或脂環族二胺殘基R來自於以下化合物中的一種或多種：4,4’-二氨基二苯醚、3,4’-二氨基二苯醚、1,4-雙(4-氨基苯氧基)苯、鄰苯二胺、間苯二胺、對苯二胺、1,5-萘二胺、2,6-萘二胺、雙(4-氨基苯氧基苯基)碸、雙(3-氨基苯氧基苯基)碸、雙(4-氨基苯氧基)聯苯、雙{4-(4-氨基苯氧基)苯基}醚、4,4’-二氨基聯苯、2,2’-二甲基-4,4’-二氨基聯苯、2,2’-二乙基-4,4’-二氨基聯苯、3,3’-二甲基-4,4’-二氨基聯苯、3,3’-二乙基-4,4’-二氨基聯苯、2,2’,3,3’-四甲基-4,4’-二氨基聯苯、3,3’,4,4’-四甲基-4,4’-二氨基聯苯、2,2’-雙(三氟甲基)聯苯胺、2,6,2’,6’-四(三氟甲基)聯苯胺、2,2-雙[4-(3-氨基苯氧基)苯基]六氟丙烷、2,2-雙[4-(4-氨基苯氧基)苯基]六氟丙烷、2,2-雙(4-苯胺基)六氟丙烷、2,2-雙(3-苯胺基)六氟丙烷和2,2-雙(3-氨基-4-甲苯甲醯基)六氟丙烷、1,6-己二胺、1,4-環己二胺、1,3-環己二胺、1,4-雙(氨基甲基)環己烷、1,3-雙(氨基甲基)環己烷、4,4’-二氨基二環己基甲烷和4,4’-二氨基-3,3’-二甲基環己基甲烷。
在一些可能的實施方式中，所述聚醯亞胺樹脂為所述的二胺單體化合物與其他的芳香族二胺單體或脂環族二胺單體、以及芳香族二酐單體或脂環族二酐單體聚合形成。
在一些可能的實施方式中，所述的二胺單體化合物與其他的芳香族二胺單體或脂環族二胺單體的總二胺單體的莫耳數之比為1：9-3：7。
在一些可能的實施方式中，所述的二胺單體化合物與其他的芳香族二胺單體或脂環族二胺單體的總莫耳數與所述的芳香族二酐單體或脂環族二酐單體的總莫耳數之比為0.9-1.1。
本申請還提供一種二胺單體化合物的製備方法，所述方法包括：製備二酸化合物
；製備二硝基化合物
；所述二硝基化合物(B-2)藉由氫化反應，得到
，其中，n1為>1的整數。
本申請還提供一種柔性薄膜，所述柔性薄膜包括如上所述的聚醯亞胺樹脂。
本申請還提供一種電子設備，所述電子設備包括電路板，所述電路板包括如上所述的柔性薄膜。
相較於習知技術，本發明的二胺單體化合物引入了長偶數碳鏈和液晶單元，長偶數碳鏈使分子鏈具有柔性，相較於習知液晶材料可以有效的降低分子鏈的規整度和剛性，使聚醯亞胺樹脂便於成膜加工；主鏈中引入長偶數碳鏈和液晶單元，液晶單元具有剛性且順向排列，從而使得聚醯亞胺樹脂具有高順向排列的液晶形態，可進行退火處理進而提升結晶度，提高尺寸穩定性，使材料具有優良的機械性能和熱性能，同時能有效降低材料的損耗因子(Df)和熱膨脹係數(CTE)，另外，長偶數碳鏈結構具有疏水性，且能增加分子鏈的柔性，能有效降低材料的介電常數(Dk)和熱膨脹係數(CTE)。
圖1是本申請一實施例提供的中間體I的氫譜圖。
圖2是本申請一實施例提供的中間體I的紅外光譜圖。
圖3是本申請一實施例提供的中間體II的氫譜圖。
圖4是本申請一實施例提供的中間體II的紅外光譜圖。
圖5是本申請一實施例提供的二胺單體的氫譜圖。
圖6是本申請一實施例提供的二胺單體的紅外光譜圖。
圖7是本申請一實施例提供的二胺單體的DSC譜圖。
圖8是本申請一實施例提供的二胺單體的偏光顯微鏡照片。
圖9是本申請另一實施例提供的中間體I’的氫譜圖。
圖10是本申請另一實施例提供的中間體I’的紅外光譜圖。
圖11是本申請另一實施例提供的中間體II’的氫譜圖。
圖12是本申請另一實施例提供的中間體II’的紅外光譜圖。
圖13是本申請另一實施例提供的二胺單體的氫譜圖。
圖14是本申請另一實施例提供的二胺單體的紅外光譜圖。
圖15是本申請另一實施例提供的二胺單體的DSC譜圖。
圖16是本申請另一實施例提供的二胺單體的偏光顯微鏡照片。
圖17是本申請聚合物實施例1-3與對比例1的XRD譜圖。
圖18是本申請聚合物實施例4-6與對比例1的XRD譜圖。
如下具體實施方式將結合上述附圖進一步說明本發明。
下面將結合具體實施例對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施方式僅是本發明一部分實施方式，而不是全部的實施方式。
除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。在本發明的說明書中所使用的技術手段的名稱只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在於限制本發明。
在不衝突的情況下，下述的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。
為了製備得到具有優異的綜合性能的聚醯亞胺，一般都採用剛性的芳香二酐和二胺結構進行製備，以增強分子內和分子間的相互作用。但也使得聚醯亞胺薄膜的成膜加工性較差。為了得到綜合性能優異，且易於成膜的聚醯亞胺，通常在聚醯亞胺的主鏈或側鏈中引入長碳鏈或柔性基團(例如：C=O、-O-、-S-、-SO2-、-CH2-、-C(CH3)2-)來降低主鏈的剛性，從而降低聚醯亞胺的玻璃化轉變溫度(Tg)和熔點(Tm)。而上述長碳鏈或柔性基團通常藉由合成聚醯亞胺的單體(二胺單體、二酐單體)引入。
本申請實施例提供了一種二胺單體化合物，其可用於製備具有良好的介電性質、機械性能和熱性能且易於成膜加工的聚醯亞胺樹脂。
所述二胺單體化合物的結構通式為：
，其中，n1為>1的整數。
一些實施例中，n1的取值為2，3或4。
二胺單體中引入長碳鏈，藉由長碳鏈的結構不對稱性來降低聚醯亞胺高分子的對稱性和分子鏈的規則性，從而降低聚醯亞胺的Tg和Tm。而二胺單體中長碳鏈的碳數選擇，尤其是奇數碳和偶數碳的選擇會影響分子排列，進而會影響所形成液晶的結構形式，此現象稱為奇偶效應。奇數碳鏈將使得分子更為彎曲、擁有較大的亂度、需要更高溫度才可形成液晶相，此外，形成的液晶型態為彎曲狀液晶(也可稱為香蕉狀液晶)，此彎曲狀液晶大多擁有鐵電性，而鐵電材料容易受到電場極化而產生分子反轉的現象，因此，含有奇數碳鏈的
材料大多應用於儲存元件或電容器。而偶數碳鏈能夠使分子易於形成液晶相，通常形成常見的層狀液晶或相列形液晶。因此，本申請所述二胺單體化合物中引入的長碳鏈結構包含偶數個碳，同時偶數碳鏈兩端引入具有酯基的液晶單元，可以有效的降低分子鏈的規整度，降低分子鏈的剛性，增加分子鏈的柔性，有利於降低材料的熱膨脹係數，提升尺寸穩定性。
本申請實施例還提供一種聚醯亞胺樹脂，所述聚醯亞胺樹脂為上述的二胺單體化合物與其他不同於上述的二胺單體化合物的芳香族或脂環族二胺單體、以及芳香族或脂環族二酐單體聚合而成。
所述聚醯亞胺樹脂的結構通式為：
，其中，X為芳香族二酐殘基或脂環族二酐殘基，R為芳香族二胺殘基或脂環族二胺殘基，m1為>1的整數，m2為>1的整數，n2為>1的整數，Y的結構式為：
，其中，n1為>1的整數。
本申請中，芳香族或脂環族二酐單體、芳香族或脂環族二胺單體、上述二胺單體化合物是聚合形成所述聚醯亞胺樹脂的單體，芳香族或脂環族二酐單體、芳香族或脂環族二胺單體在聚合後形成的聚醯亞胺樹脂的結構式中的呈現，不再是一個單體化合物，而是一個基團，定義為殘基。
所述聚醯亞胺樹脂包括n2個重複單元，每一個重複單元包括m1個和m2個，本申請對中所述m1個和m2個在所述聚醯亞胺樹脂的主鏈上無規排列，呈隨機分佈。
所述芳香族二酐殘基或脂環族二酐殘基X來自於以下化合物中的一種或多種：均苯四甲酸二酐、3,3',4,4'-聯苯四羧酸二酐、2,3,3',4'-聯苯四甲酸二酐、2,3,5,6-萘四羧酸二酐、2,3,6,7-萘四羧酸二酐、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-1,4,5,8-四羧酸二酐、3,4,9,10-苝四羧酸二酐、吡嗪-2,3,5,6-四羧酸二酐、噻吩-2,3,4,5-四羧酸二酐、2,3,5,6-吡啶四羧酸二酐、1,2,3,4-環戊烷四羧酸二酐、環丁烷-1,2,3,4-四羧酸二酐、環戊烷-1,2,3,4-四羧酸二酐、環己烷-1,2,4,5-四羧酸二酐、降莰烷-2,3,5,6-四羧酸二酐、雙環[2.2.2]辛-7-烯-3,4,8,9-四羧酸二酐、3,3',4,4'-二苯甲酮四羧酸二酐、2,2',3,3'-二苯甲酮四羧酸二酐、2,3,3',4'-二苯甲酮四羧酸二酐、3,3',4,4'-二苯基碸四羧酸二酐、2,2',3,3'-二苯基碸四羧酸二酐、2,3,3',4'-二苯基碸四羧酸二酐、3,3',4,4'-二苯基醚四羧酸二酐、2,2',3,3'-二苯基醚四羧酸二酐、2,3,3',4'-二苯基醚四羧酸二酐、2,2-[雙(3,4-二羧基苯基)]六氟丙烷二酐、5-(2,5-二氧代四氫)-3-甲基-3-環己烯-1,2-二羧酸酐。
所述芳香族二胺殘基或脂環族二胺殘基R來自於以下化合物中的一種或多種：4,4’-二氨基二苯醚、3,4’-二氨基二苯醚、1,4-雙(4-氨基苯氧基)苯、鄰苯二胺、間苯二胺、對苯二胺、1,5-萘二胺、2,6-萘二胺、雙(4-氨基苯氧基苯基)碸、雙(3-氨基苯氧基苯基)碸、雙(4-氨基苯氧基)聯苯、雙{4-(4-氨基苯氧基)苯基}醚、4,4’-二氨基聯苯、2,2’-二甲基-4,4’-二氨基聯苯、2,2’-二乙基-4,4’-二氨基聯苯、3,3’-二甲基-4,4’-二氨基聯苯、3,3’-二乙基-4,4’-二氨基聯苯、2,2’,3,3’-四甲基-4,4’-二氨基聯苯、3,3’,4,4’-四甲基-4,4’-二氨基聯苯、2,2’-雙(三氟甲基)聯苯胺、2,6,2’,6’-四(三氟甲基)聯苯胺、2,2-雙[4-(3-氨基苯氧基)苯基]六氟丙烷、2,2-雙[4-(4-氨基苯氧基)苯基]六氟丙烷、2,2-雙(4-苯胺基)六氟丙烷、2,2-雙(3-苯胺基)六氟丙烷和2,2-雙(3-氨基-4-甲苯甲醯基)六氟丙烷、1,6-己二胺、1,4-環己二胺、1,3-環己二胺、1,4-雙(氨基甲基)環己烷、1,3-雙(氨基甲基)環己烷、4,4’-二氨基二環己基甲烷和4,4’-二氨基-3,3’-二甲基環己基甲烷。
所述聚醯亞胺樹脂的結構中藉由上述二胺單體化合物引入了長偶數碳鏈，長偶數碳鏈使分子鏈具有柔性，相較於習知液晶材料可以有效的降低分子鏈的規整度和剛性，使聚醯亞胺樹脂便於成膜加工；主鏈中引入長偶數碳鏈和液晶單元(例如酯類液晶元)，液晶單元具有剛性且順向排列，從而使得聚醯亞胺樹脂具有高順向排列的液晶形態，可進行退火處理進而提升結晶度，提高尺寸穩定性，使材料具有優良的機械性能和熱性能，同時能有效降低材料的損耗因子(Df)和熱膨脹係數(CTE)，另外，長偶數碳鏈結構具有疏水性，且能增加分子鏈的柔性，搭配液晶單元結構，能有效降低材料的介電常數(Dk)和熱膨脹係數(CTE)。
本申請還提供一種柔性薄膜，包括如上所述的聚醯亞胺樹脂。
本申請還提供一種電子設備，所述電子設備包括電路板，所述電路板包括如上所述的柔性薄膜。
所述電路板包括一基材，柔性薄膜附著於基材的表面，採用上述聚醯亞胺樹脂的分子量柔性提高，極性降低，成膜性提升，製備的柔性薄膜與基材之間的介面結合力強，製備的電路板具有優良的機械性能和電性能；且所述聚醯亞胺樹脂的熱膨脹係數低，因此製備電路板時，所述柔性薄膜不會出現剝離、開裂、翹曲等問題。
本申請還提供一種二胺單體化合物的製備方法，所述方法包括：製備含有偶數碳鏈的二酸化合物
，其中，n1為>1的整數，具體地，n1可以為2，3或4。
製備含有偶數碳鏈和液晶單元的二硝基化合物
所述二硝基化合物(B-2)藉由氫化反應，得到
上述聚醯亞胺樹脂的製備方法，包括：製備二胺單體化合物，所述二胺單體化合物的結構通式為
將所述二胺單體化合物與其他的芳香族二胺單體或脂環族二胺單體、以及芳香族二酐單體或脂環族二酐單體聚合反應，得到
，其中，X為芳香族二酐殘基或脂環族二酐殘基，R為芳香族二胺殘基或脂環族二胺殘基，m1為>1的整數，m2為>1的整數，n2為>1的整數。
一些實施例中，製備聚醯亞胺樹脂的過程中，總的二胺單體和總的二酐單體的莫耳數之比為0.9-1.1，莫耳數之比優選為1。即，所述的二胺單體化合物與其他的芳香族二胺單體或脂環族二胺單體的總莫耳數與所述的芳香族二酐單體或脂環族二酐單體的總莫耳數之比為0.9-1.1。
一些實施例中，所述的二胺單體化合物與其他的芳香族二胺單體或脂環族二胺單體總的二胺單體的莫耳數之比為1：9-3：7，即上述二胺單體化合物的莫耳數與其他二胺單體總莫耳數的比為1：9-3：7。
下面藉由具體實施例對本申請實施例進行進一步的說明。
單體實施例一
單體的製備：
第一步，將氫氧化鈉水溶液(NaOH 2.0g+去離子水10mL)加入100mL的三頸反應器中，並加入乙醇3mL，再將對羥基苯甲酸(2.76g,0.02mol)攪拌溶於上述氫氧化鈉水溶液中，加熱至85℃進行回流，同時使用進料管滴入1,4-二溴丁烷(2.20g,0.01mmol)，在氮氣環境下反應12h。反應結束後，對產物進行抽氣過濾並取濾餅，將濾餅溶於60℃的熱水中，滴入鹽酸酸化至pH為2.0，此時會有析出物出現，再對析出物進行抽氣過濾並取濾餅，以去離子水清洗數次後放入110℃真空環境下進行乾燥，得到中間產物I。
由圖1的氫譜1H-NMR(ppm,DMSO-d 6 )可看出，δ=1.87(2H,H1)，4.10(2H,H2)，7.00(2H,H4,H8)，7.86(2H,H5,H7)，12.63(1H,H10)。由圖2的紅外光譜可見，分子結構中-OH信號峰消失，且於2400~3500cm-1生成羧酸的信號峰，證明二酸結構成功合成。
第二步，取中間產物I(0.933g)加入100ml三頸反應器中，加入氯化亞碸(SOCl2,10mL)，並加入二甲基甲醯胺(DMF)作為起始劑，於65℃下反應6h進行末端官能基醯氯化，反應結束後使用減壓濃縮裝置將過多的氯化亞碸抽掉，得到二醯氯產物，隨後將四氫呋喃(THF，20mL)倒入二醯氯產物中配置成二醯氯溶液。
將對硝基苯酚(0.776g,2.79mmol*2)、三乙胺(Et3N,0.847g,2.79mmol*3)和四氫呋喃(THF，20mL)加入另一三頸反應器中，並在冰浴下攪拌1h，使用進料管滴入上述二醯氯溶液，攪拌1h後，於常溫下反應12h，反應過程中三乙胺的鹽類自然析出，反應結束後過濾取濾餅將其中的鹽類洗掉，再用乙醇洗滌後放入75℃真空環境下進行乾燥，得到中間產物II。
由圖3的氫譜1H-NMR(ppm,DMSO-d6)可看出，δ=1.92(2H,H1)，4.18(2H,H2)，7.14(2H,H4,H8)，8.09(2H,H5,H7)，7.59(2H,H11,H15)，8.33(2H,H12,H14)。由圖4的紅外光譜(FITR)可見，羧酸基團的信號峰消失，在1347cm-1產生了-NO2信號峰。結合氫譜和紅外光譜可判斷已成功合成中間產物II。
第三步，取中間產物II(10g)加入100mL高壓反應器中，加入DMF(80ml)和鈀碳(Pd/C,0.4g)，反復通入氮氣三次，最後於50℃及140pa的氫氣壓力下反應直到氫氣壓力不再下降，氫氣壓力達到恒壓，即表示反應已結束。反應結束後將矽藻土置於陶瓷漏斗上鋪平以抽氣過濾移除鈀碳，並收集濾液倒入去離子水中析出，並以乙醇清洗，抽氣過濾取濾餅並於110℃真空條件下乾燥，得到二胺單體化合物A。
由圖5的氫譜1H-NMR(ppm,DMSO-d6)可看出，δ=1.91(2H,H1)、4.15(2H,H2)，6.56(2H,H4,H8)，6.85(2H,H5,H7)，7.09(2H,H12,H14)，8.02(2H,H11,H15)，5.10(2H,H16)。由圖6的紅外光譜(FITR)可見，1347cm-1處的-NO2信號峰消失，產生了位於3342cm-1和3454cm-1的-NH2的伸縮振動峰。結合氫譜和紅外光譜可判斷已成功合成二胺A。由圖7的差式掃描熱分析(DSC)圖中的吸熱峰可判斷熔點範圍為173℃至222℃，熔融吸熱峰為195℃，焓值(Delta H)為90.76J/g。其中圖8為二胺A的偏光顯微鏡(POM)圖，其中二胺A的升溫速率為10℃/min，在室溫和200℃條件下二胺A並無任何液晶相，當溫度達到220℃時，開始有液晶相形成，隨著溫度上升液晶相大量出現，在250℃條件下顯示最大量液晶相且液晶相會緩慢流動，此液晶相為向列型液晶；當溫度到達300℃時二胺A還是保持結晶狀態。藉由DSC及POM的對照，可觀察到含有四個
碳的長碳鏈的二胺A即使在環化溫度下仍保有液晶態，可知聚醯氨酸環化形成聚醯亞胺後具有偶數碳鏈的二胺殘基仍具有規則排列的液晶型態。
單體實施例二
單體(結構不同於實施例一的單體)的製備：
第一步，將氫氧化鈉水溶液(NaOH 2.0g+去離子水10mL)加入100mL的三頸反應器中，並加入乙醇3mL，再將對羥基苯甲酸(2.76g,0.02mol)攪拌溶於上述氫氧化鈉水溶液中，加熱至85℃進行回流，同時使用進料管滴入1,6-二溴己烷(2.44g,0.01mmol)，在氮氣環境下反應12h。反應結束後，對產物進行抽氣過濾並取濾餅，將濾餅溶於60℃的熱水中，滴入鹽酸酸化至pH為2.0，此時會有析出物出現，再對析出物進行抽氣過濾並取濾餅，以去離子水清洗數次後放入110℃真空環境下進行乾燥，得到中間產物I’。
由圖9的氫譜1H-NMR(ppm,DMSO-d 6 )可看出，δ=1.44(4H,H1)，1.73(4H,H2)，4.0(4H,H3)，6.96(2H,H5,H9),7.87(2H,H6,H8)，12.6(1H,H11)。由圖10的紅外光譜可見，分子結構中-OH信號峰消失，且於2400~3500cm-1生成羧酸的信號峰，證明二酸結構成功合成。
第二步，取中間產物I’(1.0g)加入100ml三頸反應器中，加入氯化亞碸(SOCl2,10mL)，並加入二甲基甲醯胺(DMF)作為起始劑，於65℃下反應6h進行末端官能基醯氯化，反應結束後使用減壓濃縮裝置將過多的氯化亞碸抽掉，得到二醯氯產物，隨後將四氫呋喃(THF，20mL)倒入二醯氯產物中配置成二醯氯溶液。
將對硝基苯酚(0.776g,2.79mmol*2)、三乙胺(Et3N,0.847g,2.79mmol*3)和四氫呋喃(THF，20mL)加入另一三頸反應器中，並在冰浴下攪拌1h，使用進料管滴入上述二醯氯溶液，攪拌1h後，於常溫下反應12h，反
應過程中三乙胺的鹽類自然析出，反應結束後過濾取濾餅將其中的鹽類洗掉，再用乙醇洗滌後放入75℃真空環境下進行乾燥，得到中間產物II’。
由圖11的氫譜1H-NMR(ppm,DMSO-d6)可看出，δ=1.52(4H,H1)，1.77(4H,H2)，4.17(4H,H3)，7.11(4H,H5,H9)，7.58(4H,H12,H16)，8.10(4H,H6,H8)，8.32(4H,H13,H15)。由圖12的紅外光譜(FITR)可見，羧酸基團的信號峰消失，在1347cm-1產生了-NO2信號峰。結合氫譜和紅外光譜可判斷已成功合成中間產物II，。
第三步，取中間產物II’(10g)加入100mL高壓反應器中，加入DMF(80ml)和鈀碳(Pd/C,0.4g)，反復通入氮氣三次，最後於50℃及140Pa的氫氣壓力下反應直到氫氣壓力不再下降，氫氣壓力達到恒壓，即表示反應已結束。反應結束後將矽藻土置於陶瓷漏斗上鋪平以抽氣過濾移除鈀碳，並收集濾液倒入去離子水中析出，並以乙醇清洗，抽氣過濾取濾餅並於110℃真空條件下乾燥，得到二胺單體化合物B。
由圖13的氫譜1H-NMR(ppm,DMSO-d6)可看出，δ=1.50(2H,H1)，1.78(2H,H2)，4.07(2H,H3)，5.05(2H,H17)，6.58(2H,H5,H9)，6.85(2H,H6,H8)，7.07(2H,H13,H15)，8.04(2H,H12,H16)。由圖14的紅外光譜(FITR)可見，1346cm-1處的-NO2信號峰消失，產生了位於3367cm-1和3460cm-1的-NH2的伸縮振動峰。結合氫譜和紅外光譜可判斷已成功合成二胺B。由圖15的差式掃描熱分析(DSC)圖中的吸熱峰可判斷熔點範圍為183℃至204℃，熔融吸熱峰為195℃，焓值(Delta H)為107.89J/g。其中圖16為二胺B的偏光顯微鏡(POM)圖，其中二胺B的升溫速率為10℃/min，在室溫和200℃條件下二胺B並無任何液晶相，當溫度
達到220℃時，開始有液晶相形成，隨著溫度上升液晶相大量出現，在240℃條件下顯示最大量液晶相且液晶相會緩慢流動，此液晶相為向列型液晶；當溫度到達300℃時二胺B還是保持結晶狀態。藉由DSC及POM的對照，可觀察到含有四個碳的長碳鏈的二胺B即使在環化溫度下仍保有液晶態，可知聚醯氨酸環化形成聚醯亞胺後具有偶數碳鏈的二胺殘基仍具有規則排列的液晶型態。
聚合物實施例一
在氮氣保護下，在反應瓶中加入二胺A(0.57g,1.11mmol)和單體4,4'-二氨基二苯醚(ODA,2.00g,9.99mmol)，加入溶劑N,N-二甲基乙醯胺(DMAc,14.97g)室溫下攪拌至溶解後緩慢加入單體均苯四甲酸二酐(PMDA,2.42g,11.1mmol)，室溫攪拌24h，得到聚醯胺酸組合物。
將上述聚醯胺酸組合物塗布於銅箔基材上，並於100-150℃條件下恒溫10-15min，除溶劑並形成聚醯胺酸膜，然後在氮氣環境及300℃條件下恒溫30~60min，使聚醯胺酸環化形成聚醯亞胺薄膜，膜厚約12-50μm，並藉由退火處理以提生結晶度。
聚合物實施例二
在氮氣保護下，在反應瓶中加入二胺A(0.96g,1.87mmol)和單體4,4'-二氨基二苯醚(ODA,1.50g,7.49mmol)，加入溶劑N,N-二甲基乙醯胺(DMAc,13.51g)室溫下攪拌至溶解後緩慢加入單體均苯四甲酸二酐(PMDA,2.04g,9.36mmol)，室溫攪拌24h，得到聚醯胺酸組合物。
將上述聚醯胺酸組合物塗布於銅箔基材上，並於100-150℃條件下恒溫10-15min，除溶劑並形成聚醯胺酸膜，然後在氮氣環境及300℃條件下恒溫30~60min，使聚醯胺酸環化形成聚醯亞胺薄膜，膜厚約12-50μm，並藉由退火處理以提生結晶度。
聚合物實施例三
在氮氣保護下，在反應瓶中加入二胺A(1.10g,2.14mmol)和單體4,4'-二氨基二苯醚(ODA,1.00g.4.99mmol)，加入溶劑N,N-二甲基乙醯胺(DMAc,
10.96g)室溫下攪拌至溶解後緩慢加入單體均苯四甲酸二酐(PMDA,1.56g,9.36mmol)，室溫攪拌24h，得到聚醯胺酸組合物。
將上述聚醯胺酸組合物塗布於銅箔基材上，並於100-150℃條件下恒溫10-15min，除溶劑並形成聚醯胺酸膜，然後在氮氣環境及300℃條件下恒溫30~60min，使聚醯胺酸環化形成聚醯亞胺薄膜，膜厚約12-50μm，並藉由退火處理以提生結晶度。
聚合物實施例四
在氮氣保護下，在反應瓶中加入二胺B(0.6g,1.11mmol)和單體4,4'-二氨基二苯醚(ODA,2.00g,9.99mmol)，加入溶劑N,N-二甲基乙醯胺(DMAc,15.06g)室溫下攪拌至溶解後緩慢加入單體均苯四甲酸二酐(PMDA,2.42g,11.1mmol)，室溫攪拌24h，得到聚醯胺酸組合物。
將上述聚醯胺酸組合物塗布於銅箔基材上，並於100-150℃條件下恒溫10-15min，除溶劑並形成聚醯胺酸膜，然後在氮氣環境及300℃條件下恒溫30~60min，使聚醯胺酸環化形成聚醯亞胺薄膜，膜厚約12-50μm，並藉由退火處理以提生結晶度。
聚合物實施例五
在氮氣保護下，在反應瓶中加入二胺B(1.01g,1.87mmol)和單體4,4'-二氨基二苯醚(ODA,1.50g,7.49mmol)，加入溶劑N,N-二甲基乙醯胺(DMAc,13.66g)室溫下攪拌至溶解後緩慢加入單體均苯四甲酸二酐(PMDA,2.04g,9.36mmol)，室溫攪拌24h，得到聚醯胺酸組合物。
將上述聚醯胺酸組合物塗布於銅箔基材上，並於100-150℃條件下恒溫10-15min，除溶劑並形成聚醯胺酸膜，然後在氮氣環境及300℃條件下恒溫30~60min，使聚醯胺酸環化形成聚醯亞胺薄膜，膜厚約12-50μm，並藉由退火處理以提生結晶度。
聚合物實施例六
在氮氣保護下，在反應瓶中加入二胺B(1.16g,2.14mmol)和單體4,4'-二氨基二苯醚(ODA,1.00g.4.99mmol)，加入溶劑N,N-二甲基乙醯胺(DMAc,11.14g)室溫下攪拌至溶解後緩慢加入單體均苯四甲酸二酐(PMDA,1.56g,9.36mmol)，室溫攪拌24h，得到聚醯胺酸組合物。
將上述聚醯胺酸組合物塗布於銅箔基材上，並於100-150℃條件下恒溫10-15min，除溶劑並形成聚醯胺酸膜，然後在氮氣環境及300℃條件下恒溫30~60min，使聚醯胺酸環化形成聚醯亞胺薄膜，膜厚約12-50μm，並藉由退火處理以提生結晶度。
聚合物對比例一
在氮氣保護下，在反應瓶中加入單體4,4'-二氨基二苯醚(ODA,2.00g,9.99mmol)，加入溶劑N,N-二甲基乙醯胺(DMAc,12.54g)室溫下攪拌至溶解後緩慢加入單體均苯四甲酸二酐(PMDA,2.18g,9.99mmol)，室溫攪拌24h，得到聚醯胺酸組合物。
將上述聚醯胺酸組合物塗布於銅箔基材上，並於100-150℃條件下恒溫10-15min，除溶劑並形成聚醯胺酸膜，然後在氮氣環境及300℃條件下恒溫30~60min，使聚醯胺酸環化形成聚醯亞胺薄膜，膜厚約12-50μm。
藉由上述DSC及POM的分析可知二胺A和二胺B單體的向列型液晶相生成的溫度範圍為240℃-270℃，在300℃下仍保有液晶相，進一步將二胺A或二胺B與ODA和PMDA經反應製備聚醯胺酸，將聚醯胺酸塗布於銅箔基材上，並於100-150℃條件下恒溫10-15min，除溶劑並形成聚醯胺酸膜，然後在氮氣環境及300℃溫度下進行高溫環化製備聚醯亞胺(PI)薄膜，將聚合物實施例1-6的PI薄膜經由高解析X光繞射儀(XRD)鑒定，如圖17與圖18所示，對比例1及聚合物實施例1-6的2θ在19°附近有寬吸收峰生成，為典型的向列型液晶的吸收峰，與二胺A或二胺B的POM分析結果一致，證實二胺單體(二胺A或二胺B)以向列型液晶相成膜。另外，實施例1-3具有結晶吸收鋒(2θ為38°及44°)，而實施例4~6，此處無明顯結晶吸收鋒，驗證偶數碳鏈結構的碳鏈長度提升，有助於提升PI膜的分子鏈柔性，從而提升高分子薄膜的韌性，降低結晶度(實施例4-6在2θ為38°及44°無明顯結晶吸收峰)，並結晶性排結構增加，從而降低損耗因子(Df)及熱膨脹係數(CTE)。
聚合物實施例1-3採用了二胺A，聚合物實施例4-6採用了二胺B，其中二胺B的長碳鏈的碳數較多，分子鏈柔性增加及結晶性排列結構增加，極性降低，比碳數少的二胺A更有利於降低材料的損耗因子(Df)及熱膨脹係數(CTE)，長偶數碳鏈結合液晶單元結構的存在能有效提升材料的韌性和熱膨脹係數，因此，聚合物實施例4-6的Df、CTE和韌性較好。
藉由在主鏈中引入長偶數碳鏈和液晶單元，相較於對比例1，顯著降低了損耗因子(Df)(降低10-70%)和介電常數(Dk)(降低2-9%)，同時，相較於對比例1，聚合物實施例1-6的介電性能和機械性能較優，並保有良好的熱性質，而且PI聚合物的成膜加工性優良，有利於降低具有液晶單元結構高分子材料的成膜加工難度。
綜上所述，本發明的二胺單體化合物引入了長偶數碳鏈和液晶單元，長偶數碳鏈使分子鏈具有柔性，相較於習知液晶材料可以有效的降低分子鏈的規整度和剛性，使聚醯亞胺樹脂便於成膜加工；主鏈中引入長偶數碳鏈和液晶單元(例如酯類液晶元)，液晶單元具有剛性且順向排列，從而使得聚醯亞胺樹脂具有高順向排列的液晶形態，可進行退火處理進而提升結晶度，提高尺寸穩定性，使材料具有優良的機械性能和熱性能，同時能有效降低材料的損耗因子和熱膨脹係數，另外，長偶數碳鏈結構具有疏水性，且能增加分子鏈的柔性並搭配液晶單元結構，能有效降低材料的介電常數和熱膨脹係數。
Claims (7)
- 一種聚醯亞胺樹脂，其中，所述聚醯亞胺樹脂用於製備電路板的介電薄膜，所述聚醯亞胺樹脂由結構如下式所示的二胺單體化合物與區別於所述二胺單體化合物的芳香族二胺單體或脂環族二胺單體、以及芳香族二酐單體或脂環族二酐單體聚合形成，所述二胺單體化合物的結構式為：
- 如請求項1所述的聚醯亞胺樹脂，其中，所述芳香族二酐單體或脂環族二酐單體包括以下化合物中的一種或多種：均苯四甲酸二酐、3,3',4,4'-聯苯四羧酸二酐、2,3,3',4'-聯苯四甲酸二酐、2,3,5,6-萘四羧酸二酐、2,3,6,7-萘四羧酸二酐、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-1,4,5,8-四羧酸二酐、3,4,9,10-苝四羧酸二酐、吡嗪-2,3,5,6-四羧酸二酐、噻吩-2,3,4,5-四羧酸二酐、2,3,5,6-吡啶四羧酸二酐、1,2,3,4-環戊烷四羧酸二酐、環丁烷-1,2,3,4-四羧酸二酐、環戊烷-1,2,3,4-四羧酸二酐、環己烷-1,2,4,5-四羧酸二酐、降莰烷-2,3,5,6-四羧酸二酐、雙環[2.2.2]辛-7-烯-3,4,8,9-四羧酸二酐、3,3',4,4'-二苯甲酮四羧酸二酐、2,2',3,3'-二苯甲酮四羧酸二酐、2,3,3',4'-二苯甲酮四羧酸二酐、3,3',4,4'-二苯基碸四羧酸二酐、2,2',3,3'-二苯基碸四羧酸二酐、2,3,3',4'-二苯基碸四羧酸二酐、3,3',4,4'-二苯基醚四羧酸二酐、2,2',3,3'-二苯基醚四羧酸二酐、2,3,3',4'-二苯基醚四羧酸二酐、2,2-[雙(3,4-二羧基苯基)]六氟丙烷二酐、5-(2,5-二氧代四氫)-3-甲基-3-環己烯-1,2-二羧酸酐。
- 如請求項1所述的聚醯亞胺樹脂，其中，所述芳香族二胺單體或脂環族二胺單體包括以下化合物中的一種或多種：4,4’-二氨基二苯醚、3,4’-二氨基二苯醚、1,4-雙(4-氨基苯氧基)苯、鄰苯二胺、間苯二胺、對苯二胺、1,5-萘二胺、 2,6-萘二胺、雙(4-氨基苯氧基苯基)碸、雙(3-氨基苯氧基苯基)碸、雙(4-氨基苯氧基)聯苯、雙{4-(4-氨基苯氧基)苯基}醚、4,4’-二氨基聯苯、2,2’-二甲基-4,4’-二氨基聯苯、2,2’-二乙基-4,4’-二氨基聯苯、3,3’-二甲基-4,4’-二氨基聯苯、3,3’-二乙基-4,4’-二氨基聯苯、2,2’,3,3’-四甲基-4,4’-二氨基聯苯、3,3’,4,4’-四甲基-4,4’-二氨基聯苯、2,2’-雙(三氟甲基)聯苯胺、2,6,2’,6’-四(三氟甲基)聯苯胺、2,2-雙[4-(3-氨基苯氧基)苯基]六氟丙烷、2,2-雙[4-(4-氨基苯氧基)苯基]六氟丙烷、2,2-雙(4-苯胺基)六氟丙烷、2,2-雙(3-苯胺基)六氟丙烷和2,2-雙(3-氨基-4-甲苯甲醯基)六氟丙烷、1,6-己二胺、1,4-環己二胺、1,3-環己二胺、1,4-雙(氨基甲基)環己烷、1,3-雙(氨基甲基)環己烷、4,4’-二氨基二環己基甲烷和4,4’-二氨基-3,3’-二甲基環己基甲烷。
- 如請求項1所述的聚醯亞胺樹脂，其中，所述二胺單體化合物與區別於所述二胺單體化合物的芳香族二胺單體或脂環族二胺單體的總二胺單體的莫耳數之比為1：9-3：7。
- 如請求項1所述的聚醯亞胺樹脂，其中，所述二胺單體化合物與區別於所述二胺單體化合物的芳香族二胺單體或脂環族二胺單體的總莫耳數與所述的芳香族二酐單體或脂環族二酐單體的總莫耳數之比為0.9-1.1。
- 一種柔性薄膜，其中，包括請求項1至5中任一項所述的聚醯亞胺樹脂。
- 一種電子設備，其中，所述電子設備包括電路板，所述電路板包括請求項6所述的柔性薄膜。
Priority Applications (2)
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Applications Claiming Priority (1)
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| TW110131546A TWI833110B (zh) | 2021-08-25 | 2021-08-25 | 二胺單體化合物及其製備方法、樹脂、柔性薄膜及電子設備 |
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Patent Citations (1)
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