聚酰亚胺前体组合物、制备聚酰亚胺成形体的方法和聚酰亚胺成形体的制作方法_2

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价有机基团,并且B表示二价有机基团。
[0110] 此处,式(I)中A所表示的四价有机基团是通过从作为原料的四羧酸二酐中除去 4个羧基后得到的残基。
[0111] 另一方面,B所表示的二价有机基团是通过从作为原料的二胺化合物中除去2个 氣基后得到的残基。
[0112] 即,具有式(I)所示重复单元的特定聚酰亚胺前体是通过使四羧酸二酐和二胺化 合物进行聚合而获得的聚合物。
[0113] 对于四羧酸二酐,可以列举任意的芳香族和脂肪族化合物,但是芳香族化合物是 优选的。即,在式(I)中,A所表示的四价有机基团优选为芳香族有机基团。
[0114] 芳香族四羧酸二酐的例子包括均苯四酸二酐、3, 3',4, 4'-二苯酮四羧酸二 酐、3, 3',4, 4'-联苯砜四羧酸二酐、1,4, 5, 8-萘四羧酸二酐、2, 3, 6, 7-萘四羧酸二酐、 3, 3',4, 4' -联苯醚四羧酸二酐、3, 3',4, 4' -二甲基二苯基硅烷四羧酸二酐、3, 3',4, 4' -四 苯基硅烷四羧酸二酐、1,2, 3, 4-呋喃四羧酸二酐、4, 4'-双(3, 4-二羧基苯氧基)二苯 硫醚二酐、4, 4' -双(3, 4-二羧基苯氧基)二苯砜二酐、4, 4' -双(3, 4-二羧基苯氧基) 二苯基丙烷二酐、3, 3',4, 4'-全氟异亚丙基酞酸二酐、3, 3',4, 4'-联苯基四羧酸二酐、 2, 3, 3',4'-联苯基四羧酸二酐、双(酞酸)苯基氧化膦二酐、对-苯-双(三苯基酞酸)二 酐、间-苯-双(三苯基酞酸)二酐、双(三苯基酞酸)-4, 4'-二苯醚二酐、双(三苯基酞 酸)-4, 4'-二苯基甲烷二酐等。
[0115] 脂肪族四羧酸二酐的例子包括:脂肪族或脂环状四羧酸二酐,如丁烷四羧酸二 酐、1,2, 3, 4-环丁烷四羧酸二酐、1,3-二甲基-1,2, 3, 4-环丁烷四羧酸二酐、1,2, 3, 4-环 戊烷四羧酸二酐、2, 3, 5-三羧基环戊基乙酸二酐、3, 5, 6-三羧基降冰片烯-2-乙酸二酐、 2, 3, 4, 5-四氢呋喃四羧酸二酐、5-(2, 5-二氧杂四氢呋喃基)-3-甲基-3-环己烯-1,2-二 羧酸二酐和双环[2, 2, 2]-辛-7-烯-2, 3, 5, 6-四羧酸二酐;具有芳环的脂肪族四羧酸二 酐,如 1,3, 3a, 4, 5, 9b_(六氢-2, 5-二氧杂-3-呋喃基)-萘并[1,2_c]-呋喃-1,3-二 酮、1,3, 3a,4, 5, 9b-六氢-5-甲基-5-(四氢-2, 5-二氧杂-3-呋喃基)-萘并[1,2-c]呋 喃-1,3-二酮或1,3, 3a,4, 5, 9b-六氢-8-甲基-5-(四氢-2, 5-二氧杂-3-呋喃基)-萘 并[l,2-c]呋喃-1,3-二酮;等。
[0116] 在这些当中,芳香族四羧酸二酐优选作为四羧酸二酐。具体而言,例如,优选均苯 四酸二酐、3, 3',4, 4' -联苯四羧酸二酐、2, 3, 3',4' -联苯四羧酸二酐、3, 3',4, 4' -二苯醚 四羧酸二酐和3, 3',4, 4' -二苯酮四羧酸二酐,更优选均苯四酸二酐、3, 3',4, 4' -联苯四羧 酸二酐、3, 3',4, 4' -二苯酮四羧酸二酐,并且特别优选3, 3',4, 4' -联苯四羧酸二酐。
[0117] 另外,可以单独使用一种四羧酸二酐,或者可以组合使用两种或更多种。
[0118] 另外,当组合使用两种或更多种四羧酸二酐时,可以分别地组合使用芳香族四羧 酸或脂肪族四羧酸,或者可以将芳香族四羧酸与脂肪族四羧酸组合使用。
[0119] 另外,二胺化合物是在分子结构中具有两个氨基的二胺化合物。二胺化合物的例 子可以是任意的芳香族和脂肪族化合物,并且芳香族化合物是优选的。即,在式(I)中,B所 表示的二价有机基团优选为芳香族有机基团。
[0120] 二胺化合物的例子包括:芳香族二胺,如对-苯二胺、间-苯二胺、4, 4' -二氨基 二苯基甲烷、4, 4' -二氨基二苯基乙烷、4, 4' -二氨基二苯基醚、4, 4' -二氨基二苯硫醚、 4, 4' -二氨基二苯砜、1,5-二氨基萘、3, 3-二甲基-4, 4' -二氨基联苯、5-氨基_1_(4' -氨 基苯基)_1,3, 3-二甲基讳满、6-氣基-1-(4' -氣基苯基)-1,3, 3-二甲基讳满、4, 4' - _. 氨基苯甲酰苯胺、3, 5-二氨基-3' -二氟甲基苯甲酰苯胺、3, 5-二氨基-4' -二氟甲基苯甲 酰苯胺、3, 4' -二氨基二苯醚、2, 7-二氨基莉、2, 2-双(4-氨基苯基)六氟丙烷、4, 4' -亚 甲基-双(2-氯苯胺)、2, 2',5, 5' -四氯-4, 4' -二氨基联苯、2, 2' -二氯-4, 4' -二氨 基-5, 5' -二甲氧基联苯、3, 3' -二甲氧基_4, 4' -二氛基联苯、4, 4' -二氛基_2, 2' -双(二 氟甲基)联苯、2, 2-双[4_(4_氨基苯氧基)苯基]丙烷、2, 2-双[4_(4_氨基苯氧基)苯基] 六氟丙烷、1,4-双(4-氨基苯氧基)苯、4, 4' -双(4-氨基苯氧基)联苯、1,3' -双(4-氨基 苯氧基)苯、9, 9-双(4-氨基苯基)莉、4, 4' -(对-苯异亚丙基)联苯胺、4, 4' -(间-苯异 亚丙基)联苯胺、2, 2' -双[4-(4-氨基-2-二氟甲基苯氧基)苯基]六氟丙烷和4, 4' -双 [4-(4-氨基-2-三氟甲基)苯氧基]-八氟联苯;除了具有与芳环结合的两个氨基以外还 具有其它杂原子的芳香族二胺(如二氨基四苯基噻吩)以及除了具有与芳环结合的两个氨 基和氨基上的氮原子之外还具有其它杂原子的芳香族二胺;脂肪族二胺或脂环状二胺,如 1,1_间苯二甲二胺、1,3-丙二胺、四亚甲基二胺、五亚甲基二胺、八亚甲基二胺、九亚甲基 二胺、4, 4-二氨基七亚甲基二胺、1,4-二氨基环己烷、异佛尔酮二胺、四氢二环五(二亚乙 基)二胺、六氢-4, 7-桥亚甲基亚茚满基二亚甲基二胺、三环[6, 2, 1,O2 7]-十一碳烯二甲 基二胺和4, 4'-亚甲基双(环己胺);等。
[0121] 在这些当中,芳香族二胺化合物优选作为二胺化合物,具体而言,例如,优选 对-苯二胺、间-苯二胺、4, 4' -二氨基二苯基甲烧、4, 4' -二氨基二苯醚、3, 4' -二氨基二 苯醚、4, 4' -二氨基二苯硫醚和4, 4' -二氨基二苯砜,并且特别优选4, 4' -二氨基二苯醚和 对-苯二胺。
[0122] 另外,可以单独使用一种二胺化合物,或者可以组合使用两种或更多种。另外,当 组合使用两种或更多种二胺化合物时,可以分别地组合使用芳香族二胺化合物或脂肪族二 胺化合物,或者可以将芳香族二胺化合物与脂肪族二胺化合物组合使用。
[0123] 特定聚酰亚胺前体可以是具有0. 2或更低的酰亚胺化率的树脂。即,特定聚酰亚 胺前体可以是部分地酰亚胺化的树脂。
[0124] 具体而言,作为特定聚酰亚胺前体,可以列举具有式(1-1)、式(1-2)和式(1-3)表 示的重复单元的树脂。
[0125]
[0126] 在式(1-1)、式(1-2)和式(1-3)中,A表示四价有机基团,并且B表示二价有机基 团。另外,A和B具有与式(I)中的A和B相同的定义。
[0127] 1表示大于或等于1的整数,m和η各自独立地表示0或者1或者更大的整数,并 且满足关系式(2n+mV(21+2m+2n)兰0.2。
[0128] 在式(I-I)至(1-3)中,1表示大于或等于1的整数,但优选表示1或更大至200 或更小的整数,更优选表示1或更大至100或更小的整数。m和η各自独立地表示0或者或 1或更大的整数,优选独立地表示〇或者1或更大至200或更小的整数,更优选表示0或者 1或更大至100或更小的整数。
[0129] 然后,1、m和η满足关系式(2n+m)/(21+2m+2n) = 0. 2,优选满足关系式(2n+m)/ (21+2m+2n)兰 0· 15,更优选满足关系式(2n+m)A21+2m+2n)兰 0· 10。
[0130] 本文中,"(2n+mV(21+2m+2n) "表示:在特定聚酰亚胺前体的结合部分(四羧酸二 酐与二胺化合物之间的反应部分)中,酰亚胺环闭合的结合部分的数量(2n+m)相对于所有 结合部分的数量(21+2m+2n)的比率。即,"(2n+mV(21+2m+2n)"表示特定聚酰亚胺前体的 酰亚胺化率。
[0131] 然后,当特定聚酰亚胺前体的酰亚胺化率("(2n+mV(21+2m+2n) "的值)为0· 2 或更低(优选为〇. 15或更低,并且更优选为0. 10或更低)时,抑制了特定聚酰亚胺前体发 生凝胶化或者沉淀分离。
[0132] 通过以下方法测量特定聚酰亚胺前体的酰亚胺化率("(2n+mV(21+2m+2n) "的 值)。
[0133] 聚酰亚胺前体的酰亚胺化率的测量
[0134] 聚酰亚胺前体样品的制备
[0135] (i)将作为测量目标的聚酰亚胺前体组合物以1 μ m或更大至10 μ m或更小的厚度 涂覆到硅晶片上,以制备涂膜样品。
[0136] (ii)将涂膜样品浸于四氢呋喃(THF)中20分钟,以将涂膜样品中的溶剂置换为四 氢呋喃(THF)。用于浸渍的溶剂不限于THF,可以选自不溶解聚酰亚胺前体并且可以与聚酰 亚胺前体组合物中所含有的溶剂组分混合的溶剂。
[0137] 具体来说,可以使用甲醇或乙醇等醇溶剂、或者二噁烷等醚化合物。
[0138] (iii)从THF中取出涂膜样品,并将N2气吹向附着在涂膜样品表面上的THF,从而 除去附着至所述涂膜样品的THF。通过在5°C或更高至25°C或更低的温度范围内、在IOmmHg 或更低的减压下处理12小时或更长时间以将涂膜样品干燥,从而制备聚酰亚胺前体样品。
[0139] 100 %酰亚胺化标准样品的制备
[0140] (iv)将作为测量目标的聚酰亚胺前体组合物按照与项(i)中相同的方式涂覆到 硅晶片上以制备涂膜样品。
[0141] (V)将涂膜样品在380°C下加热60分钟以进行酰亚胺化反应,从而制备100%酰亚 胺化的标准样品。
[0142] 测量和分析(包含4, 4' -二氨基二苯基醚和3, 3' 4, 4' -二苯基四羧酸二酐的聚酰 亚胺前体样品的测量例子和分析例子)
[0143] (vi)通过使用傅立叶变换红外分光光度计(HORIBA,Ltd.制造的FT-730),测量 100%酰亚胺化标准样品和聚酰亚胺前体样品的红外吸收光谱。获得了 1780CHT1附近的来 自于100%酰亚胺化标准样品的酰亚胺键的吸收峰(Ab'(HSOcnT1))相对于1500CHT1附近 的来自于其芳环的吸收峰(Ab'(ΙδΟΟοπΓ1))的比率Γ (100)。
[0144] (vii)按照与上述相同的方式,对聚酰亚胺前体样品进行测量以获得1780CHT1附 近的来自于酰亚胺键的吸收峰(Ab (HSOcnT1))相对于1500CHT1附近的来自于芳环的吸收峰 (AbdSOOcnT1))的比率 I(x)。
[0145] 然后,采用所测量的吸收峰Γ (100)和I(X),基于下列等式计算聚酰亚胺前体的 酰亚胺化率。
[0146] ?等式:聚酰亚胺前体的酰亚胺化率=I (X)/1'(100)
[0147] ?等式:1'(100) = (Ab,(1780〇11-1)) / (Ab,(ΙδΟΟαιΓ1))
[0148] ?等式:I (X) = (Ab (1780〇11-1)) / (Ab (ΙδΟΟαιΓ1))
[0149] 另外,聚酰亚胺前体的酰亚胺化率的测量适用于芳香族聚酰亚胺前体的酰亚胺化 率的测量。在测量脂肪族聚酰亚胺前体的酰亚胺化率的情况下,不使用芳环的吸收峰,取而 代之的是,使用来自于酰亚胺化反应之前和之后不发生改变的结构的峰作为内标峰。
[0150] 聚酰亚胺前体的末端氨基
[0151] 特定聚酰亚胺前体优选包括在其末端具有氨基的聚酰亚胺前体(树脂),并且更 优选包括在其全部末端都具有氨基的聚酰亚胺前体。
[0152] 例如,通过使所添加的用于聚合反应的二胺化合物的摩尔当量大于四羧酸二酐的 摩尔当量,则氨基就包括在聚酰亚胺前体的分子末端上。以四羧酸的摩尔当量为1,相对于 此,二胺化合物与四羧酸二酐的摩尔当量比率优选在1. 0001或更大至1. 2或更小的范围 内,更优选在1. 001或更大至1. 2或更小的范围内。
[0153] 如果二胺化合物与四羧酸二酐的摩尔当量比率大于或等于1. 0001,则分子末端上 氨基的效果较大,并且获得优异的分散性。另外,如果摩尔当量比率小于或等于I. 2,则所获 得的聚酰亚胺前体的分子量大,例如,当使用膜状聚酰亚胺成形体时,可容易地获得充分的 膜强度(撕裂强度和拉伸强度)。
[0154] 通过使三氟乙酸酐(其与氨基定量反应)作用于聚酰亚胺前体组合物,来检测特 定聚酰亚胺前体的末端氨基。即,特定聚酰亚胺前体的末端氨基被三氟乙酸酰胺化。在处理 后,通过再沉淀等来纯化特定聚酰亚胺前体以除去多余的三氟乙酸酐和三氟乙酸残余物。 通过核磁共振(NMR)法确定处理后的特定聚酰亚胺前体的量,从而测得特定聚酰亚胺前体 的末端氨基的量。
[0155] 特定聚酰亚胺前体的数均分子量优选为1,000或更大至100, 000或更小,更优选 为5, 000或更大至50, 000或更小,并且还更优选为10, 000或更大至30, 000或更小。
[0156] 如果特定聚酰亚胺前体的数均分子量设定在上述范围内,则抑制了特定聚酰亚胺 前体在溶剂中的溶解度降低,并且容易确保成膜性。尤其是,当使用包含具有末端氨基的树 脂的特定聚酰亚胺前体时,如果分子量下降,则末端氨基的丰度比(presence ratio)提高, 溶解度易于由于受到共存于聚酰亚胺前体组合物中的有机胺化合物的影响而下降。当特定 聚酰亚胺前体的数均分子量范围设定为上述范围,则可以抑制溶解度的降低。
[0157] 另外,通过调整四羧酸二酐与二胺化合物的摩尔当量比率,能够获得具有预期数 均分子量的特定聚酰亚胺前体。
[0158] 通过凝胶渗透色谱(GPC)在以下测量条件下测量特定聚酰亚胺前体的数均分子 量。
[0159] ?柱子:Tosoh 公司生产的 TSK gel a-M(7. 8mm I. DX 30cm)
[0160] ?洗脱剂:DMF(二甲基甲酰胺)/30mM LiBr/60mM磷酸
[0161] ?流速:0· 6mL/ 分钟
[0162] ?注射体积:60 μ L
[0163] ?检测器:RI (差示折射率检测器)
[0164] 相对于全部聚酰亚胺前体组合物,特定聚酰亚胺前体的含量(浓度)优选为0. 1 重量%或更大至40重量%或更小,更优选为0. 5重量%或更大至25重量%或更小,并且还 更优选为1重量%或更大至20重量%或更小。
[0165] 有机胺化合物
[0166] 有机胺化合物是这样的化合物:该化合物能够通过使特定聚酰亚胺前体(的羧 基)成为胺盐从而提高该前体相对于水性溶剂的溶解度并且能够起到酰亚胺化促进剂作 用。该有机胺化合物是不具有表面活性的非表面活性胺化合物。特别地,所述有机胺化合 物优选是具有170或更低分子量的胺化合物。
[0167] 此外,有机胺化合物优选是水溶性化合物。本文中,"水溶性"意指在25°C下对象 物质相对于水溶解1重量%或更大。
[0168] 有机胺化合物的例子包括伯胺化合物、仲胺化合物、和叔胺化合物。
[0169] 其中,选自仲胺化合物和叔胺化合物(特别是叔胺化合物)中的至少一种作为有 机胺化合物是优选的。当叔胺化合物或仲胺化合物(特别是叔胺化合物)被用作有机胺化 合物时,易于增加特定聚酰亚胺前体相对于溶剂的溶解度,易于提高成膜性能,并且易于改 善该聚酰亚胺前体组合物的贮存稳定性。
[0170] 此外,除了一价胺化合物之外,该有机胺化合物的例子还包括二价或更高价的胺 化合物。当采用二价或更高价的胺化合物时,容易在特定聚酰亚胺前体分子之间形成伪交 联结构(pseudo-crosslinked structure),易于提高聚酰亚胺前体组合物的I&存稳定性。
[0171] 伯胺化合物的例子包括甲胺、乙胺、正丙胺、异丙胺、二乙醇胺、和2-氨基-2-甲 基-1-丙醇。
[0172] 仲胺化合物的例子包括二甲胺、2_(甲基氨基)乙醇、2_(乙基氨基)乙醇、和吗 啉。
[0173] 叔胺化合物的例子包括2-二甲基氨基乙醇、2-二乙基氨基乙醇、2-二甲基氨基丙 醇、三乙胺、甲基吡啶、甲基吗啉、和乙基吗啉。
[0174] 多价胺化合物的例子包括异喹啉(具有异喹啉骨架的胺化合物)、吡啶(具有吡啶 骨架的胺化合物)、嘧啶类(具有嘧啶骨架的胺化合物)、吡嗪类(具有吡嗪骨架的胺化合 物)、哌嗪(具有哌嗪骨架的化合物)、三嗪类(具有三嗪骨架的胺化合物)、咪唑类(具有 咪唑骨架的胺化合物)、聚苯胺、聚吡啶、和多胺。
[0175] 其中,作为有机胺化合物,具有大于或等于60°C (更优选的大于等于60°C且小于 等于200°C,进一步优选大于或等于70°C且小于或等于150°C )沸点)的化合物是优选的。 如果所述有机胺化合物的沸点大于或等于60°C,则可以防止所述胺化合物在贮存过程中从 聚酰亚胺前体组合物中挥发,并且容易抑制特定聚酰亚胺前体相对溶剂的溶解度下降。
[0176] 相对于特定聚酰亚胺前体的羧基,所述有机胺化合物的含量优选为大于等于30 摩尔% (mol% )且小于等于500摩尔%,更优选为大于等于50摩尔%且小于等于500摩 尔%,还更优选为大于等于50摩尔%且小于等于250摩尔%,更优选大于等于80摩尔%且 小于等于250摩尔%,甚至更优选为大于等于70摩尔%且小于等于200摩尔%,甚至更优 选为大于等于100摩尔%且小于等于200摩尔%。
[0177] 如果有机胺化合物的含量在上述范围内,特定聚酰亚胺前体相对于溶剂的溶解性 容易提高,并且成膜性质易于提高。此外,聚酰亚胺前体组合物的贮存稳定性也容易提高。
[0178] (表面活性剂)
[0179] 本文中,对于表面活性剂,例如,阳离子表面活性剂,阴离子表面活性剂和非离子 表面活性剂可以作为示例。
[0180] 相对于聚酰亚胺前体树脂组合物的总质量,优选包含大于等于0.0001质量%且 小于等于0. 5质量%的所述表面活性剂,更优选地含有大于等于0. 001质量%且小于等于 0. 1质量%,甚至更优选地含有大于等于0. 005质量%,或者大于等于0. 05质量%的表面活 性剂。
[0181] (阳离子表面活性剂)
[0182] 阳离子表面活性剂是具有阳离子亲水性基团并且具有表面活性的化合物。
[0183] 阳离子表面活性剂的例子包括已知的表面活性剂,如胺盐、季铵盐、吡啶鎗盐、和 咪唑啉鎗盐。具体而言,作为阳离子表面活性剂,不包含具有30个或更多碳原子的有机基 团(例如烷基链、烯基链等)、分子量大于或等于200的表面活性剂是优选的。即,作为阳离 子表面活性剂,具有200或更大的分子量和碳原子数小于30的有机基团(例如烷基链、烯 基链等)的表面活性剂是理想的。
[0184] 作为阳离子表面活性剂,特别是从贮存稳定性和减少臭气的观点来看,优选由下 述通式(II)表示的季铵盐。
[0185]
[0186] 在通式(II)中,X表示氯原子或溴原子,并且R1,!?2, R3和R4各自独立地表示具有 1至22个碳原子的有机基团。
[0187] 在上述通式(II)中,作为RSR2,!?3和R 4,具有1至22个碳原子的取代或未取代的 烷基、或者具有1至22个碳原子的取代或未取代的烯基可作为示例。
[0188] 本文中,通式(II)中,从贮存稳定性和减少气味的观点出发,RSR2,!? 3和R4中的至 少一者优选具有8-22个碳原子的有机基团(下文中,简称为"高碳数的有机基团"),其余的 优选为具有1至6个碳原子的有机基团(下文中,简称为"低碳数的有机基团")。具体地, R1,R2, R3和R4中的一者或二者优选为高碳数的有机基团,其余的优选为低碳数的有机基团。
[0189] 高碳数有机基团的实例包括具有8-22个碳原子数的、取代或未取代的烷基,以及 具有8至22个碳原子的取代或未取代的烯基。
[0190] 对于具有8-22个碳原子的未取代烷基,具有10至22个碳原子的烷基是优选的, 并且具有12至22个碳原子的烷基是更优选的。具有8至22个碳原子的未取代的烷基可 以是直链、支链、环状中的任何一种形态。直链或支链形态是优选的,并且直链形态是更优 选的。
[0191] 对于具有8-22个碳原子的未取代的烯基,具有10至22个碳原子的烯基是优选 的,具有12至22个碳原子的烯基是更优选的。所述烯基优选为其碳-碳键中具有一个或 两个双键的基团。所述烯基可以是直链、支链、环状中的任何一种形态。直链或支链形态是 优选的,并且直链形态是更优选的。
[0192] 低碳数的有机基团的实例包括具有1至6个碳原子的取代或未取代的烷基。
[0193] 对于具有1至6个碳原子的未取代烷基,具有1至4个碳原子的烷基是优选的,具 有1-2个碳原子的烷基是更优选的。具有1至6个碳原子的未取代的烷基可以是直链或支 链中任一种形态,并且直链形态是优选的。
[0194] 另外,对于取代所述烷基和烯基的取代基,芳基(例如,苯基等)可以作为不例。
[0195] 特别是,优选的是,对于上述通式(II)表示的季铵盐,其中X表示CUR
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