高折射率聚芳硫醚砜薄膜及其制备方法与流程

本发明涉及一种高折射率聚芳硫醚砜薄膜及其制备方法，属于高分子合成领域。

背景技术：
新型图像传感中的CMOS图像传感器(complementarymetaloxidesemiconductor(CMOS)imagesensor,CIS)是近年来发展起来的一种技术，其具有集成度高、抗干扰能力强、重量轻等优点，从而使得其在现代数码电子产品、医疗器械、高精度识别系统等领域拥有广泛的应用前景。但目前所使用的图像传感器多使用的为无机材料，成本高、体积大、较重；有机高分子材料具有成本低、重量轻、易加工、耐冲击等优点，但常规的有机高分子材料的折射率通常在1.3～1.7之间，难以满足微透镜折射率的要求，而目前提高CIS分辨率最为有效的途径之一是在CIS器件内部使用微透镜(Innermicrolens，利用微透镜的高折射率将光信号更有效地集中在光检测器(photodetector)上，从而增大整体器件的分辨率[Suwa,M.JournalofPhotopolymerScienceTechnology,2006,19,275-276])。因此，寻求一种具有高折射率、低双折射、高透光率的高分子材料将对提高图像传感技术至关重要。根据Lorentz-Lorenz方程，当聚合物分子结构中引入高摩尔折射率的硫醚、C＝N等结构基元时可有效地改善材料的折射率，为此我们设计了一类既含高含量硫醚结构，又含C＝N基团的含苯并咪唑聚芳硫醚砜树脂，期望通过综合二者的性能优势极大提高材料的折射率，同时通过砜基调控材料的溶解性及薄膜的光学透过率。

技术实现要素：
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种高折射率聚芳硫醚砜薄膜及其制备方法，其特点是我们设计合成了一类既含硫醚、咪唑环同时含砜基的聚合物，以期望引入高含量硫醚、咪唑结构以提高聚合物的折射率，改善材料的双折射；引入砜基提高材料的透光率及溶解性能，同时保持特种工程塑料优良的热性能及力学性能。本发明的目的由以下技术措施实现，其中所述原料份数除特殊说明外，均为重量份数。高折射率聚芳硫醚砜的化学反应式为：其中n＝5-200中的任一种。高折射率聚芳硫醚砜薄膜的起始原料由以下组分制成：含硫醚芳香二酸274-384份双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜494份溶剂1000-5000份其中硫醚芳香二酸为：中的任一种；并按下述工艺步骤及工艺参数制备：1)双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜的制备(1)双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜的制备及纯化将4,4’-二巯基二苯砜28.2份与5-氯-2-硝基苯胺34.4份，有机溶剂150～800份，脱水剂10～40份，碱8～60份依次加入带有搅拌器、温度计和回流冷凝器的三颈瓶中，于温度120℃～200℃反应1～20h生成双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜；将上述双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜溶液倒入水中，过滤，收集滤饼，将滤饼用去离子水回流洗涤、过滤，重复3次，干燥即得纯化的双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜，其结构式如下：(2)双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜的制备及纯化将上述所得的双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜55.4份与1～50份还原剂，还原溶剂100～300份依次加入带有磁力搅拌、回流冷凝器的棕色三颈瓶中，先于温度-5～10℃反应0.5-2h，再在室温反应1-3h，最后于温度60-150℃反应2-48h生成双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜，将上述双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜溶液过滤，收集滤液，将滤液倒入去离子水中，收集滤饼，将滤饼用去离子水回流洗涤3次，真空干燥即得纯化的双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜产品，其结构式如下：2)高折射率聚芳硫醚砜的制备(1)将含硫醚芳香二酸274～384份，双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜494份依次加入到装有1000～5000份的溶剂的三颈烧瓶中，于温度20～110℃搅拌反应1-6h，升温至60-160℃反应1-6h，在升温至100-180℃反应0.5-8h，最后再于温度170-220℃反应0.5-6h，即得到粘稠状聚合物溶液，将反应粘液倒入5000ml水中，即得线条状聚合物；(2)高折射率聚芳硫醚砜的纯化将上述线条状聚合物经水洗涤、粉碎，分别用去离子水、乙醇提纯，于温度80-100℃下干燥4-20h得到含苯并咪唑高折射率聚芳硫醚砜纯树脂；(3)高折射率聚芳硫醚砜薄膜的制备将上述纯化后的高折射率聚芳硫醚砜树脂20份，溶解于60-160份N-甲基吡咯烷酮中，配置成均匀的溶液后，将溶液涂覆在石英片上，于100-1000r/min匀胶1-5min，再在转速1000-5000r/min下匀胶3-10min，将匀胶后的石英片于90-120℃干燥1-6h，再在120-160℃干燥2-8h，最后于温度160-200℃干燥1-4h，即得高折射率聚芳硫醚砜薄膜。所述制备双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜所用的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、六甲基磷酰三胺、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或1,3-二甲基-2-咪唑啉酮中的任一种。所述制备双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜所用的脱水剂为甲苯或二甲苯。所述制备双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜所用的碱为氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸锂、碳酸钠或碳酸钾中的任一种。所述制备双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜所用的还原溶剂为四氯甲烷、乙醇、乙二醇、聚乙二醇300、聚乙二醇400或聚乙烯醇中的任一种。所述制备双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜所用的还原剂为Pd/C+水合肼、瑞尼镍、Zn+盐酸、Fe+盐酸或锌汞齐中的任一种。所述制备高折射率聚芳硫醚砜薄膜溶剂为多聚磷酸、N，N，N’，N’-四甲基脲、1-甲基-3-丙基咪唑溴代盐、1-甲基-3-异丙基咪唑溴代盐、1，3-二丙基咪唑溴代盐、N,N-二甲基丙烯基脲、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、N-甲基吡咯烷酮、N-甲基己内酰胺、N-环基吡咯烷酮、环丁砜、六甲基磷酰三胺、2,4-二甲基环丁砜、ε-己内酰胺或2-吡咯烷酮中的任一种。结构表征与性能测试：1、通过调控反应温度、反应时间、物料配比及加料方式，制备不同粘度的含苯并咪唑高折射率聚芳硫醚砜；并以NMP为溶剂，配制0.5g/dl的样品液，在温度30.0±0.1℃下用乌氏粘度计测定聚合物的特性粘数[η]＝0.50～1.1dl/g；2、所制备双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜单体的结构经红外光谱测试得到了证实，详见图1所示；2、所制备双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜单体的的结构经核磁共振(1H-NMR)测试得到了证实，图谱详见图2所示；3、对所制备的聚合物分别进行了光学性能测试，详见表1所示；本发明具有如下优点：1.采用含硫醚结构芳族二酸及高硫含量四胺作为反应单体，高含量硫醚键的引入，有效地提高了聚合物折射率、降低了其双折射率；同时其聚合后又生成了摩尔折射率更高的咪唑环基元，更进一步提高了材料的折射率，另外砜基的引入可有效调控材料的溶解加工性能及膜的透光率。2、聚合反应过程中采用二酸与四胺反应，单体反应活性大、转化率高、工艺简单，稳定性好，产品分子量高、收率高、纯度高等优点。3、该类聚合物由于其高的折射率、透光性及较低的双折射率，可用于制备新型图像传感器用微透镜膜材料。附图说明图1为经红外光谱测试双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜单体的结构图图2为经核磁共振(1H-NMR)测试双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜单体的结构图具体实施方式下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明包括范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。实施例1(1)双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜的制备将4,4’-二巯基二苯砜28.2g与5-氯-2-硝基苯胺34.4g，N-甲基吡咯烷酮150ml，甲苯10ml，氢氧化锂8g依次加入带有搅拌器、温度计和回流冷凝器的三颈瓶中，于温度120℃反应1h生成双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜；将上述双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜溶液倒入水中，过滤，收集滤饼，将滤饼用去离子水回流洗涤、过滤，重复3次，干燥即得纯化的双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜；(2)双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜的制备将上述所得的双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜55.4g与1gPd/C+100ml水合肼，四氯甲烷100ml依次加入带有磁力搅拌、回流冷凝器的棕色三颈瓶中，先于温度-5℃反应0.5h，再在室温反应1h，最后于温度60℃反应2h生成双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜，将上述双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜溶液过滤，收集滤液，将滤液倒入去离子水中，收集滤饼，将滤饼用去离子水回流洗涤3次，真空干燥即得纯化的双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜，红外及核磁表征分别如图1、图2所示；(3)高折射率聚芳硫醚砜的制备及纯化将4,4’-二羧基二苯硫醚27.4g，双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜49.4g依次加入到装有100ml的多聚磷酸的三颈烧瓶中，于温度20℃搅拌反应1h，升温至60℃反应1h，再升温至180℃反应8h，最后再于温度190℃反应0.5h，即得到粘稠状聚合物溶液，将反应粘液倒入500ml水中，即得线条状聚合物；将上述线条状聚合物经水洗涤、粉碎，分别用去离子水、乙醇提纯，于温度80℃下干燥4h得到含苯并咪唑高折射率聚芳硫醚砜纯树脂，产品产率为93.9％；用NMP为溶剂配置浓度为0.5g/dl的溶液，在温度30.0±0.1℃下用乌氏粘度计，测定特性粘数[η]＝0.97dl/g；(4)高折射率聚芳硫醚砜薄膜的制备将上述纯化后的含苯并咪唑高折射率聚芳硫醚砜树脂20g，溶解于60mlN-甲基吡咯烷酮中，配置成均匀的溶液后，将溶液涂覆在石英片上，于100r/min匀胶1min，再在转速1000r/min下匀胶3min，将匀胶后的石英片于90℃干燥1h，再在120℃干燥2h，最后于温度160℃干燥4h，即得含苯并咪唑高折射率聚芳硫醚砜薄膜，光学性能结果详见表1所示。实施例2(1)双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜的制备将4,4’-二巯基二苯砜28.2g与5-氯-2-硝基苯胺34.4g，二甲基亚砜800ml，二甲苯40ml，氢氧化钠30g依次加入带有搅拌器、温度计和回流冷凝器的三颈瓶中，于温度180℃反应20h生成双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜；将上述双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜溶液倒入水中，过滤，收集滤饼，将滤饼用去离子水回流洗涤、过滤，重复3次，干燥即得纯化的双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜；(2)双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜的制备将上述所得的双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜55.4g与50g瑞尼镍，乙醇300ml依次加入带有磁力搅拌、回流冷凝器的棕色三颈瓶中，先于温度10℃反应2h，再在室温反应1h，最后于温度78℃反应20h生成双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜，将上述双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜溶液过滤，收集滤液，将滤液倒入去离子水中，收集滤饼，将滤饼用去离子水回流洗涤3次，真空干燥即得纯化的双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜，红外及核磁表征分别如图1、图2所示；(3)高折射率聚芳硫醚砜的制备及纯化将双(4-羧基苯基硫醚)苯38.2g，双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜49.4g依次加入到装有500ml的N，N，N’，N’-四甲基脲的三颈烧瓶中，于温度110℃搅拌反应6h，升温至130℃反应0.5h，再升温至170℃反应0.5h，最后再于温度220℃反应6h，即得到粘稠状聚合物溶液，将反应粘液倒入500ml水中，即得线条状聚合物；将上述线条状聚合物经水洗涤、粉碎，分别用去离子水、乙醇提纯，于温度100℃下干燥20h得到含苯并咪唑高折射率聚芳硫醚砜纯树脂，产品产率为94.1％；用NMP为溶剂配置浓度为0.5g/dl的溶液，在温度30.0±0.1℃下用乌氏粘度计，测定特性粘数[η]＝0.95dl/g；(4)高折射率聚芳硫醚砜薄膜的制备将上述纯化后的含苯并咪唑高折射率聚芳硫醚砜树脂20g，溶解于160mlN-甲基吡咯烷酮中，配置成均匀的溶液后，将溶液涂覆在石英片上，于300r/min匀胶2min，再在转速5000r/min下匀胶10min，将匀胶后的石英片于120℃干燥6h，再在160℃干燥8h，最后于温度200℃干燥1h，即得含苯并咪唑高折射率聚芳硫醚砜薄膜，光学性能结果详见表1所示。实施例3(1)双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜的制备将4,4’-二巯基二苯砜28.2g与5-氯-2-硝基苯胺34.4g，二甲基乙酰胺500ml，二甲苯20ml，氢氧化钾40g依次加入带有搅拌器、温度计和回流冷凝器的三颈瓶中，于温度166℃反应10h生成双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜；将上述双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜溶液倒入水中，过滤，收集滤饼，将滤饼用去离子水回流洗涤、过滤，重复3次，干燥即得纯化的双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜；(2)双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜的制备将上述所得的双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜55.4g与30gZn粉+100ml浓盐酸，乙二醇200ml依次加入带有磁力搅拌、回流冷凝器的棕色三颈瓶中，先于温度0℃反应1h，再在室温反应3h，最后于温度100℃反应48h生成双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜，将上述双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜溶液过滤，收集滤液，将滤液倒入去离子水中，收集滤饼，将滤饼用去离子水回流洗涤3次，真空干燥即得纯化的双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜，红外及核磁表征分别如图1、图2所示；(3)高折射率聚芳硫醚砜的制备及纯化将4,6-双(4-羧基苯基硫醚)嘧啶38.4g，双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜49.4g依次加入到装有400ml的1-甲基-3-丙基咪唑溴代盐的三颈烧瓶中，于温度100℃搅拌反应3h，升温至150℃反应6h，再升温至180℃反应5h，最后再于温度190℃反应4h，即得到粘稠状聚合物溶液，将反应粘液倒入500ml水中，即得线条状聚合物；将上述线条状聚合物经水洗涤、粉碎，分别用去离子水、乙醇提纯，于温度90℃下干燥10h得到含苯并咪唑高折射率聚芳硫醚砜纯树脂，产品产率为93.1％；用NMP为溶剂配置浓度为0.5g/dl的溶液，在温度30.0±0.1℃下用乌氏粘度计，测定特性粘数[η]＝0.84dl/g；(4)高折射率聚芳硫醚砜薄膜的制备将上述纯化后的含苯并咪唑高折射率聚芳硫醚砜树脂20g，溶解于120mlN-甲基吡咯烷酮中，配置成均匀的溶液后，将溶液涂覆在石英片上，于200r/min匀胶5min，再在转速3000r/min下匀胶3min，将匀胶后的石英片于100℃干燥2h，再在130℃干燥6h，最后于温度180℃干燥4h，即得含苯并咪唑高折射率聚芳硫醚砜薄膜，光学性能结果详见表1所示。实施例4(1)双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜的制备将4,4’-二巯基二苯砜28.2g与5-氯-2-硝基苯胺34.4g，1,3-二甲基-2-咪唑啉酮600ml，甲苯15ml，碳酸钾60g依次加入带有搅拌器、温度计和回流冷凝器的三颈瓶中，于温度200℃反应12h生成双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜；将上述双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜溶液倒入水中，过滤，收集滤饼，将滤饼用去离子水回流洗涤、过滤，重复3次，干燥即得纯化的双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜；(2)双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜的制备将上述所得的双(3-硝基-4-氨基苯基硫醚)二苯砜55.4g与40g锌汞齐，聚乙二醇400250ml依次加入带有磁力搅拌、回流冷凝器的棕色三颈瓶中，先于温度0℃反应2h，再在室温反应2h，最后于温度80℃反应30h生成双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜，将上述双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜溶液过滤，收集滤液，将滤液倒入去离子水中，收集滤饼，将滤饼用去离子水回流洗涤3次，真空干燥即得纯化的双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜，红外及核磁表征分别如图1、图2所示；(3)高折射率聚芳硫醚砜的制备及纯化将3,6-双(4-羧基苯基硫醚)哒嗪38.4g，双(3,4-二氨基苯基硫醚)二苯砜49.4g依次加入到装有350ml的N-甲基吡咯烷酮的三颈烧瓶中，于温度110℃搅拌反应6h，升温至130℃反应2h，再升温至150℃反应4h，最后再于温度220℃反应0.5h，即得到粘稠状聚合物溶液，将反应粘液倒入500ml水中，即得线条状聚合物；将上述线条状聚合物经水洗涤、粉碎，分别用去离子水、乙醇提纯，于温度100℃下干燥12h得到含苯并咪唑高折射率聚芳硫醚砜纯树脂，产品产率为93.6％；用NMP为溶剂配置浓度为0.5g/dl的溶液，在温度30.0±0.1℃下用乌氏粘度计，测定特性粘数[η]＝1.03dl/g；(4)高折射率聚芳硫醚砜薄膜的制备将上述纯化后的含苯并咪唑高折射率聚芳硫醚砜树脂20g，溶解于100mlN-甲基吡咯烷酮中，配置成均匀的溶液后，将溶液涂覆在石英片上，于300r/min匀胶2min，再在转速4000r/min下匀胶5min，将匀胶后的石英片于100℃干燥2h，再在150℃干燥3h，最后于温度180℃干燥3h，即得含苯并咪唑高折射率聚芳硫醚砜薄膜，光学性能结果详见表1所示。表1为高折射率聚芳硫醚砜薄膜的光学性能﹡﹡**T450：聚合物薄膜450nm透过率；nTE：面内折射率(632.8nm)；nTM：面外折射率(632.8nm)；nAV：平均折射率(632.8nm)；Δn：双折射率。