聚酰亚胺及其制造方法与流程

聚酰亚胺及其制造方法
1.交叉引用与相关应用
2.本发明基于日期为2019年5月13日的韩国专利申请10-2019-0055736要求优先权，其公开内容通过引用全部并入本文。
技术领域
3.本发明涉及聚酰亚胺及其制造方法。


背景技术：

4.聚酰亚胺(pi)是一种基于刚性芳香族主链的具有热稳定性的聚合物材料，其基于酰亚胺环的化学稳定性具有优异的机械性能，例如强度、耐化学性、耐候性和耐热性。
5.此外，聚酰亚胺具有绝缘性能和优异的电气性能，例如低介电常数，因此作为一种高功能聚合物材料而备受关注，适用于广泛的工业领域，例如电子、通信和光学。
6.然而，一般来说，聚酰亚胺树脂很难被认为在聚合物树脂中具有高粘附力，并且已经进行了各种研究以进一步提高粘附力。
7.例如，为了提高聚酰亚胺树脂的粘附力，在某些情况下尝试了限制单体含量的方法，但粘附力略有提高，而诸如伸长率和拉伸强度之类的机械性能可能降低，并且可能牺牲尺寸稳定性。
8.因此，需要一种新型聚酰亚胺树脂，其能够确保适当水平的玻璃化转变温度和尺寸稳定性，同时具有比传统聚酰亚胺树脂更好的粘附力。


技术实现要素：

9.技术问题
10.本发明的目的在于提供一种聚酰亚胺及其制造方法，该聚酰亚胺能够通过解决上述常规问题实现优异的粘附力，同时保持聚酰亚胺的固有特性。
11.技术方案
12.本发明涉及聚酰亚胺。本发明的聚酰亚胺适用于需要使用清漆(如显示器、搪瓷、半导体和粘合剂)的附着力或需要尺寸稳定性的领域。
13.一种示例性聚酰亚胺包含二胺单体和二酐单体聚合的聚合物，其在380nm至780nm波长区域的平均透光率在49％至61％的范围内，且550nm波长的透光率在40％至64％的范围内。在本说明书中，可使用紫外-可见分光光度计测量透光率。在一个实例中，380nm至780nm波长区域中的平均透光率的下限可为49.5％、50％、51％、53％、54％、55％、56％或56.5％，且其上限可为60.8％、60.5％、60.3％、60％、58％、55％、53％或50％。此外，在一个实施例中，550nm波长处的透光率下限可为45％、50％、53％、54.1％、54.5％、55％、56％或58％，其上限可为63.8％、63.5％、63.3％、63％、61％、58％、56％、55％、54％或52％。在本发明中，通过如上所述调整聚酰亚胺的透光率，可在聚酰亚胺分子结构中形成附着力促进剂，并且相应地，具有常规低附着力的聚酰亚胺的附着力可在期望水平上实施。调整透光率
的方法不受特别限制。
14.在一个实例中，本发明的聚酰亚胺可衍生自其中二胺单体及二酐单体聚合之聚酰胺酸。在一个实施例中，衍生自聚酰胺酸的物质是指，聚酰胺酸被亚胺化以形成本发明的聚酰亚胺。
15.聚酰胺酸是聚酰亚胺前体组合物，在亚胺化时可形成长聚合物链。但是，在此过程中可能会产生短链。由于短链在组合物中充当杂质，因此粘附力降低。本发明可通过氧化短链来增加粘附力。在本发明中，由于聚酰亚胺膜的透光率降低，一些链可能被氧化。因此，通过将380nm到780nm波长区域和550nm波长区域的透光率调整到上述范围，本发明可以氧化聚酰亚胺分子结构中的一些链，从而提高粘附力。
16.在本发明的实施例中，本发明的聚合物包括第一链和比第一链短的第二链，其中第二链可处于氧化状态。如果第一链是上述聚合物长链，则第二链可以是短链。在本说明书中，长链和短链是相对的，不限制绝对值。相反，通过上述380nm到780nm波长区域和550nm波长的透光率范围，可以知道第二链是否被氧化。在一个实例中，第二链可包括在总聚合物中5wt％或更小的范围内。第二链的含量上限可为4.8wt％、4.5wt％、4.3wt％、4.0wt％、3.8wt％、3.5wt％、3.3wt％、3.0wt％、2.8wt％、2.5wt％、2.3wt％、2.0wt％、1.5wt％、1.0wt％或0.8wt％。此外，第二链含量的下限可为0wt％、0.3wt％、0.5wt％、0.7wt％、1.0wt％或1.3wt％。本发明可提供具有优异粘附力的聚酰亚胺，同时通过氧化的第二链保持诸如固有聚酰亚胺强度、耐化学性、耐候性和耐热性等机械性能。
17.可用于制备聚酰胺酸溶液的二酐单体可为芳香族四羧基二酐，其中芳香族四羧基二酐可以举出，均苯四甲酸二酐(或pmda)、3,3',4,4'-联苯四羧基二酐(或bpda)、2,3,3'4'-联苯四羧酸二酐(或a-bpda)、氧化二苯二甲酸二酐(或odpa)、二苯砜-3,4,3',4'-四羧酸二酐(或dsda)、双(3,4-二羧基苯基)硫化物二酐、2,2-双(3,4-二羧基苯基)-1,1,1,3,3,3-六氟丙烷二酐、2,3,3',4'-二苯甲酮四羧酸二酐、3,3',4,4'-二苯四甲酸二酐(或btda)、双(3,4-二羧基苯基)甲烷二酐、2,2-双(3,4-二羧基苯基)丙烷二酐、对亚苯基二酐(偏苯三甲酸单酯酸酐)、对联苯二甲酸(偏苯三酯酸酐)、间三联苯基-3,4,3',4'-四羧酸二酐、对三联苯基-3,4,3',4'-四羧酸二酐、1,3-双(3,4-二羧基苯氧基)苯二酐、1,4-双(3,4-二羧基苯氧基)苯二酐、1,4-双(3,4-二羧基苯氧基)联苯二酐、2,2-二[(3,4-二羧基苯氧基)苯基]丙烷二酐(bpada)、2,3,6,7-萘四甲酸二酐、1,4,5,8-萘四羧酸二酐、4,4'-(2,2-六氟异丙基)二苯甲酸二酐等。
[0018]
上述二酐单体可根据需要单独使用或与两个或两个以上单体组合使用，但考虑到上述键离解能，本发明包括例如均苯四甲酸二酐(pmda)、3,3',4,4'-联苯四羧酸二酐(s-bpda)或2,3,3',4'-联苯四羧酸二酐(a-bpda)。
[0019]
此外，可用于制备聚酰胺酸溶液的二胺单体为芳香族二胺，其可分类并举例如下。
[0020]
1)具有相对刚性结构的二胺，如结构上具有一个苯核的二胺，例如1,4-二氨基苯(或对苯二胺，pda)、1,3-二氨基苯、2,4-二氨基甲苯、2,6-二氨基甲苯、3,5-二氨基苯甲酸(或daba)等；
[0021]
2)结构上具有两个苯核的二胺，例如4,4'-二氨基二苯醚(或氧化二苯胺，oda)、3,4'-二氨基二苯醚等的二氨基二苯醚；4,4'-二氨基二苯甲烷(亚甲基二胺)、3,3'-二甲基-4,4'-二氨基二苯、2,2'-二甲基-4,4'-二氨基二苯、2,2'-双(三氟甲基)-4,4'-二氨基二
苯、3,3'-二甲基-4,4'-二氨基二苯甲烷、3,3'-二羧基-4,4'-二氨基二苯甲烷、3,3',5,5'-四甲基-4,4'-二氨基二苯甲烷、双(4-氨基苯基)硫化物、4,4'-二氨基苯甲酰胺、3,3'-二氯联苯胺、3,3'-二甲基联苯胺(或邻甲苯胺)、2,2'-二甲基联苯胺(或间甲苯胺)、3,3'-二甲氧基联苯胺、2,2'-二甲氧基联苯胺、3,3'-二氨基二苯醚、3,4'-二氨基二苯醚、4,4'-二氨基二苯醚、3,3'-二氨基二苯硫醚、3,4'-二氨基二苯硫醚、4,4'-二氨基二苯硫醚、3,3'-二氨基二苯砜、3,4'-二氨基二苯砜、3,3'-二氨基二苯砜、4'-二氨基二苯砜、3,3'-二氨基苯砜、4'-二氨基苯砜、3,3'-二氨基-4,4'-二氯二苯甲酮、3,3'-二氨基-4,4'-二甲氧基二苯甲酮、3,3'-二氨基二苯甲烷、3,4'-二氨基二苯甲烷、4,4'-二氨基二苯甲烷、2,2-双(3-氨基苯基)丙烷、2,2-双(3-氨基苯基)-1,1,3,3,3-六氟丙烷、2-双(4-氨基苯基)-1,1,1,3,3,3-六氟丙烷、3,3'-二氨基二苯亚砜、3,4'-二氨基二苯亚砜、4,4'-二氨基二苯亚砜等；
[0022]
3)结构上有三个苯核的二胺，如1,3-双(3-氨基苯基)苯、1,3-双(4-氨基苯基)苯、1,4-双(3-氨基苯基)苯、1,4-双(4-氨基苯基)苯、1,3-双(4-氨基苯氧基)苯、1,4-双(3-氨基苯氧基)苯(或tpe-q)、1,4-双(4-氨基苯氧基)苯(或tpe-q)、1,3-双(3-氨基苯氧基)-4-三氟甲基苯、3,3'-二氨基-4-(4-苯基)苯氧基二苯甲酮、3,3'-二氨基-4,4'-双(4-苯氧基)二苯甲酮、1,3-双(3-氨基苯硫醚)苯、1,3-双(4-氨基苯硫醚)苯、1,4-双(4-氨基苯硫醚)苯、1,3-双(3-氨基苯砜)、1,3-双(4-氨基苯砜)、1,4-双(4-氨基苯砜)苯、1,3-双[2-(4-氨基苯基)异丙基]苯、1,4-双[2-(3-氨基苯基)异丙基]苯、1,4-双[2-(4-氨基苯基)异丙基]苯等；
[0023]
4)结构上有四个苯核的二胺，例如3,3'-双(3-氨基苯氧基)联苯、3,3'-双(4-氨基苯氧基)联苯、4,4'-双(3-氨基苯氧基)联苯、4,4'-双(4-氨基苯氧基)联苯、双[3-(3-氨基苯氧基)苯基]醚、双[3-(4-氨基苯氧基)苯基]醚、双[4-(3-氨基苯氧基)苯基]醚、双[4-(4-氨基苯氧基)苯基]醚、双[3-(3-氨基苯氧基)苯基]酮、双[3-(4-氨基苯氧基)苯基]酮、双[4-(3-氨基苯氧基)苯基]酮、双[4-(4-氨基苯氧基)苯基]酮、双[3-(3-氨基苯氧基)苯基]硫化物、双[3-(4-氨基苯氧基)苯基]硫化物、双[4-(4-氨基苯氧基)苯基]硫化物、双[3-(3-氨基苯氧基)苯基]砜、双[3-(4-氨基苯氧基)苯基]砜、双[4-(3-氨基苯氧基)苯基]砜、双[4-(4-氨基苯氧基)苯基]砜、双[3-(3-氨基苯氧基)苯基]甲烷、双[3-(4-氨基苯氧基)苯基]甲烷、双[4-(4-氨基苯氧基)苯基]甲烷、2,2-双[3-(3-氨基苯氧基)苯基]丙烷、2-双[3-(4-氨基苯氧基)苯基]丙烷、2,2-双[4-(3-氨基苯氧基)苯基]丙烷、2,2-双[4-(4-氨基苯氧基)苯基]丙烷(bapp)、2,2-双[3-(3-氨基苯氧基)苯基]-1,1,1,3,3,3-六氟丙烷、2,2-双[3-(4-氨基苯氧基)苯基]-1,1,1,3,3,3-六氟丙烷、2,2-双[4-(3-氨基苯氧基)苯基]-1,1,1,3,3,3-六氟丙烷、2,2-双[4-氨基苯氧基]苯基-1,1,1,3,3,3-六氟丙烷等。
[0024]
根据需要，二胺单体可单独使用或与两种或两种以上单体组合使用，其可包括例如3,5-二氨基苯甲酸、3,3-二羟基-4,4-二氨基联苯、2,5-二羟基-p-苯二胺、4,6-二氨基间苯二酚、1,4-二氨基苯(ppd)、1,3-二氨基苯(mpd)、2,4-二氨基甲苯、2,6-二氨基甲苯或4,4'-亚甲基二胺(mda)。
[0025]
在本发明的实施例中，二胺单体在分子结构中可包含至少一个或多个羟基。如上所述，本发明可调整聚酰亚胺分子结构中的取代基，并且在一个实例中，由于二胺单体包含一个或多个羟基，其可在保持聚酰亚胺现有物理性质的同时实现优异的粘附力。此外，二酐单体在分子结构中可包含至少一个或多个羟基。
[0026]
在一个实施例中，聚酰亚胺的热分解温度可为560℃或更高，或562℃或更高。上限不受特别限制，但可为1000℃或更低，或800℃或更低。在本发明的聚酰亚胺中，可通过调节热分解温度来最小化未反应单体，由此可提供具有所需物理性质的聚酰亚胺。
[0027]
在一个实施例中，本发明的聚酰亚胺可具有500至100000、1000至80000、10000至70000、20000至60000、25000至55000或30000至50000范围内的重量平均分子量。在本发明中，术语重量平均分子量指通过gpc(凝胶渗透色谱仪)测量的换算为标准聚苯乙烯的值。通过调整本发明的聚酰亚胺的重均分子量，可以提供具有所需物理性质的聚酰亚胺。
[0028]
此外，在一个实施例中，聚酰亚胺的玻璃化转变温度可为360℃或更高、370℃或更高、375℃或更高、380℃或更高或400℃或更高。上限不受特别限制，但可为600℃或550℃。此外，聚酰亚胺的热膨胀系数(cte)可为15ppm/℃或更低、13ppm/℃或更低、10ppm/℃或更低或5ppm/℃或更低。下限不受特别限制，但可为0ppm/℃或2ppm/℃。例如，当温度从100℃升高或降低至350℃时，可通过调整聚酰亚胺的物理性质来测量cte，本发明可实现优异的粘附力，同时保持机械性能，例如聚酰亚胺的现有优异强度、耐化学性、耐候性和耐热性。
[0029]
在一个实施例中，本发明的聚酰亚胺可以是在氮和氧气氛下亚胺化的聚酰亚胺。在一个实施例中，聚酰亚胺可以是聚酰胺酸在氧和氮气氛下亚胺化的聚酰亚胺。通过如上所述在氧和氮气氛下对聚酰胺酸进行亚胺化，本发明可诱导由于氧的氧化反应，并通过具有相对低分子量的链提高整个聚酰亚胺的粘附力。
[0030]
在本发明中，聚酰亚胺前体组合物的使用含义与聚酰胺酸相同。只要有机溶剂是可溶解聚酰胺酸的有机溶剂，有机溶剂就不受特别限制，但作为一个实施例，有机溶剂可以是非质子极性溶剂。
[0031]
上述非质子极性溶剂可包括，如n,n'-二甲基甲酰胺(dmf)、n,n'-二乙基甲酰胺(def)、n,n'-二甲基乙酰胺(dmac)和二甲基丙烷酰胺(dmpa)等酰胺基溶剂，如对氯酚、邻氯酚、n-甲基吡咯烷酮(nmp)、γ-丁内酯(gbl)和二聚物等酚类溶剂，这些可以单独使用，也可以组合两种或多种使用。
[0032]
在本发明中，聚酰胺酸的溶解度在某些情况下也可通过使用辅助溶剂如甲苯、四氢呋喃、丙酮、甲乙酮、甲醇、乙醇和水进行调整。
[0033]
在一个实例中，有机溶剂可为例如n-甲基吡咯烷酮(nmp)。
[0034]
同时，本发明的聚酰亚胺前体组合物可包含填料，用于改善薄膜的各种性能，例如滑动性能、导热性、导电性、耐电晕性、回路刚度。待添加的填料不受特别限制，但可包括例如二氧化硅、氧化钛、氧化铝、氮化硅、氮化硼、磷酸氢钙、磷酸钙、云母等。
[0035]
填料的粒径不受特别限制，可根据待改性薄膜的特性和待添加填料的类型确定。平均粒径可为0.05至20μm、0.1至10μm、0.1至5μm或0.1至3μm。在本说明书中，除非另有规定，否则平均粒径可以是根据d50粒度分析测量的平均粒径。
[0036]
通过调整粒径范围，本发明可能不会降低机械性能，而不会损坏表面性能，同时充分保持改性效果。
[0037]
此外，在本发明中，填料的添加量不受特别限制，其可由待改性的薄膜特性或填料的粒径等确定。在本发明中，相对于100重量份的聚酰亚胺树脂，填料的添加量可为0.01重量份至10重量份、0.01重量份至5重量份或0.02重量份至1重量份。通过调整含量，本发明可不损害膜的机械性能，同时充分保持填料的改性效果。
[0038]
关于添加填料的方法不受特别限制，也可以使用同行业中已知的方法。
[0039]
在一个具体实施例中，聚酰亚胺前体组合物的固体含量，占总重量的5至30wt％、8至25wt％或10至20wt％。
[0040]
通过调整聚酰亚胺前体组合物的固体含量，本发明可在控制粘度增加的同时，防止在固化过程中去除大量溶剂所需的制造成本和加工时间的增加。
[0041]
聚酰亚胺前体组合物的粘度可为10000cp或以下，或9000cp或以下，在温度为23℃、转速为0.5rpm的条件下，所述粘度由rv-7主轴中的brookfield粘度计测量。对于粘度下限不受特别限制，但可以是500cp或更大，或1000cp或更大。
[0042]
同时，聚酰胺酸溶液的制备使用例如将全部二胺单体放入溶剂中的方法，然后向其中添加二酐单体，使其与待聚合的二胺单体基本等摩尔或超过二胺单体，或采用将全部二酐单体放入溶剂中的方法，然后，向其中添加二胺单体，使其与待聚合的二酐单体等摩尔或过量，等等。
[0043]
在本发明的一个实施例中，聚酰亚胺可具有0.08n/cm或更大的粘附力，粘附力是根据astm d 3359测量的。例如，粘附力可为0.12n/cm或更大、0.15n/cm或更大、0.18n/cm或更大、0.22n/cm或更大、0.25n/cm或更大、0.3n/cm或更大、0.33n/cm或更大、0.38n/cm或更大、或0.45n/cm或更大，其上限不受特别限制，但可为5n/cm、4n/cm、3n/cm、2n/cm、1n/cm、0.8n/cm或0.6n/cm。粘附力可以是将制备的聚酰亚胺膜以10mm的宽度附着到玻璃基板上，并以20mm/min的剥离速率和180
°
的剥离角剥离时测量的粘附力。
[0044]
本发明还涉及制造聚酰亚胺的方法。制造方法可以是上述聚酰亚胺的制造方法。
[0045]
所述制造方法可包括在氮和氧气氛下对聚酰亚胺前体组合物进行亚胺化的步骤。在本发明的亚胺化步骤中，不仅可以引入氮气，还可以同时引入一定量的氧气。本发明由于氧诱导氧化反应，并通过具有相对低分子量的链改善整个聚酰亚胺的粘附力。
[0046]
在本发明的上述步骤中，氮气和氧气的体积比分别为95:5和5:95。例如，在体积比中，氮体积比可以是94到8、93到20、92到40、91到60或90到82。此外，可在例如6至80、7至60、8至40或9至18的范围内调整氧体积比。通过调节氮和氧的体积比，本发明可氧化聚酰亚胺中具有低分子量的短链并调节聚酰亚胺中的粘附促进剂，从而实现优异的粘附力。此外，本发明还可将聚酰亚胺的现有物理性质保持在上述体积比范围内。
[0047]
在一个实施例中，所述制造方法的加工温度可为50至500℃、100至480℃或130至470℃。此外，聚酰亚胺前体组合物可通过施加在载体或基材上制备为具有薄膜形式的聚酰亚胺，其中，聚酰亚胺可具有厚度为5至50μm或10至20μm的膜形式。
[0048]
在一个实施例中，本发明可提供一种用于制造聚酰亚胺膜的方法，包括以下步骤：将聚酰亚胺前体组合物在载体上形成膜，并干燥以制备凝胶膜的步骤；以及固化上述凝胶膜的步骤。
[0049]
具体而言，关于通过亚胺化上述聚酰亚胺前体组合物来制造聚酰亚胺薄膜的方法，可以使用常规已知的方法。
[0050]
此类亚胺化的具体实施例可通过热亚胺化方法、化学亚胺化方法或组合使用热亚胺化方法和化学亚胺化方法的复合亚胺化方法来举例说明。
[0051]
有益效果
[0052]
本发明提供一种聚酰亚胺及其制造方法，该聚酰亚胺能够在保持聚酰亚胺固有特
性的同时实现优异的附着力。
具体实施方式
[0053]
在下文中，将通过根据本发明的实施例和比较例更详细地描述本发明，但本发明的范围不受以下实施例的限制。
[0054]
实施例1
[0055]
将n-甲基吡咯烷酮(nmp)引入配有搅拌器和氮气注入和排放管的500ml反应器中，同时向其中注入氮气，并在将反应器温度设置为30℃后，引入作为二胺单体的1,4-二氨基苯(ppd)，以及作为二酐单体的联苯四羧酸二酐(bpda)和均苯四甲酸二酐(pmda)，以确认它们完全溶解。在氮气气氛下将温度升高至40℃，并在加热的同时继续搅拌120分钟，然后制备在23℃下粘度为7000cp的聚酰胺酸溶液。
[0056]
随后，在氮气气氛下将温度升高至80℃，并在加热的同时继续搅拌2小时，然后将温度冷却至23℃，以制备粘度为5100cp的聚酰亚胺前体组合物。
[0057]
将聚酰亚胺前体组合物以薄膜的形式施加到wizus玻璃(朝日玻璃)载体上，然后在下表1的氧气和氮气气氛下进行热处理，同时将温度从约110℃开始升高至460℃，随后从载体上剥离，以制备平均厚度分别约为15至17μm的薄膜形式的聚酰亚胺。
[0058]
实施例2至5和比较例1至2
[0059]
除了将加工条件改为如表1所示之外，其余按照实施例1相同的聚酰亚胺方法制备。
[0060]
[表1]
[0061][0062]
实验例1-cte
[0063]
使用ta的热机械分析仪q400型号，将聚酰亚胺薄膜切割成2mm宽和10mm长，然后以10℃/min的速率将温度从室温升高到500℃，同时在氮气气氛下施加0.05n的张力，当再次以10℃/min的速率冷却时，测量从100℃到350℃的截面梯度。首先在100℃至350℃的升高温度段测量cte，然后在350℃至100℃的降低温度段测量cte。
[0064]
实验例2-玻璃化转变温度
[0065]
对于玻璃化转变温度，使用tma得到每种聚酰亚胺树脂的损耗弹性模量和储存弹性模量，并测量其切线图中的拐点作为玻璃化转变温度。
[0066]
实验例3-粘附力
[0067]
使用astm d 3359中规定的方法测量附着力。具体而言，将在实施例和比较例中制备的聚酰亚胺薄膜在玻璃基板上附着形成10mm宽的薄膜，并在以20mm/min的剥离速率和180
°
的剥离角剥离时测量附着力。附着力单位为n/cm。
[0068]
实验例4-透光率
[0069]
对于上述制备的聚酰亚胺薄膜，使用uv-vis光谱仪，在380nm至780nm的波长范围内测量透光率，并计算平均值，同时测量550nm处的透光率。
[0070]
[表2]
[0071]