CN105504281A - 一种含萘结构的高阻隔性功能聚酰亚胺及其制备方法和应用 - Google Patents

一种含萘结构的高阻隔性功能聚酰亚胺及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开的是一种含萘结构的高阻隔性功能聚酰亚胺及其制备方法和应用。该类聚酰亚胺材料采用具有高平面性含萘结构的芳香二胺与各种四酸二酐为原料，通过热酰亚胺化或者化学酰亚胺化制备聚酰亚胺材料。由于其中二胺单体的最低能态结构具有高平面性，所制备的聚酰亚胺分子链堆砌紧密，而具有优异的阻隔性能。聚酰亚胺具有较强的刚性而使其具有较高的玻璃化转变温度和热稳定性，以及较低的热膨胀系数。本发明的合成方法工艺简单、多样，因而适于工业生产。本发明所公开的聚酰亚胺可广泛应用于高性能包装与防护以及电子器件封装等高新技术产业领域。

Description

一种含萘结构的高阻隔性功能聚酰亚胺及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及材料科学领域，特别是一种含萘结构的高阻隔性功能聚酰亚胺及其制备方法和应用。
技术背景
有机电致发光器件(OLED)自诞生以来，就以其表现更加准确的色感、完美的视角、无限大的对比度等优势备受行业专家和消费者的青睐；并且，利用柔性聚合物衬底对OLED进行封装，可以实现可弯曲、折叠，甚至可穿戴的柔性显示技术，因此，OLED被认为是最理想、最具发展前景的新一代显示器件之一。但其存在寿命较短的瓶颈，这是因为目前所使用得聚合物衬底材料不能很好的阻隔大气中的水和氧，而OLED的有机功能层对大气中的氧气和水十分敏感，很容易发生分层和腐蚀，导致器件的发光效率和稳定性降低，使用寿命缩短，此外，柔性太阳能电池封装和部分电子器件领域也存在着这种问题。因此必须选用阻隔性能十分优异的柔性聚合物材料对器件进行封装，才能满足产品寿命的严格要求，这使得研发新的封装技术和封装材料成为OLED以及柔性太阳能电池等产业发展的一大热点。
目前，常用的高阻隔聚合物材料有聚偏二氯乙烯(PVDC)，乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)，聚酰胺(PA)，聚乙烯醇(PVA)及聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)代表的热塑性聚酯等，但它们都无法满足OLED对衬底材料苛刻的要求。聚酰亚胺(PI)由于具有突出的耐高温和低温性能；力学性能好、机械强度高；抗蠕变能力强，摩擦性能优良；独特的光电性能、优异的绝缘性能；化学稳定性好、耐有机溶剂、耐辐射性、阻隔性能优良等，成为OLED柔性衬底聚合物最佳选择之一。
但是，目前研究人员提高聚酰亚胺的阻隔性能的主要途径是制备聚酰亚胺纳米复合材料或对聚酰亚胺进行表面涂覆。然而无论是在聚酰亚胺中引入片层状纳米粒子，以延长气体分子在聚酰亚胺中的渗透路径来提高阻隔性能(如专利CN104494249A、CN104817710A)，还是通过表面涂覆高阻隔涂层来提高聚酰亚胺的阻隔性能(如专利CN104284776A、CN104385731A、CN104846350A、CN104254442A等)，都会影响聚酰亚胺封装薄膜的综合性能，并使封装工艺变的更为繁杂。然而从分子结构设计角度出发，不仅能够提高聚酰亚胺的阻隔性能，还能改善聚酰亚胺的综合性能并简化封装工艺。本技术通过在聚酰亚胺中引入具有平面性的萘环，构筑一类新型的聚酰亚胺材料；并通过减少侧链结构、引入极性基团和氢键等方法增强聚合物分子链之间的相互作用，提高分子链刚性和分子链堆砌效率，减小自由体积，从而获得一类综合性能优异、阻隔性能出众的高性能聚酰亚胺材料。该体系研究的重点在于设计合成一类分子链刚性高、自由体积小的新型含萘结构高阻隔聚酰亚胺，然而，目前尚未有人对其开展研究，因此有必要开展新型含萘结构高阻隔聚酰亚胺的设计合成研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种含萘结构的高阻隔性功能聚酰亚胺。
本发明的另一目的在于提供上述含萘结构的高阻隔性功能聚酰亚胺的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：一种含萘结构的高阻隔性功能聚酰亚胺，其结构通式为：
其中：n为1～10000，Y为以下结构通式中的一种：
其中，Ar1选自下列结构式中的任何一种：
Ar2选自下列结构式中的任何一种：
Ar3选自下列结构式中的任何一种：
Ar4选自下列结构式中的任何一种：
Ar5选自下列结构式中的任何一种：
X为以下结构式中的一种：
本发明另一目的在于提供上述含萘结构的高阻隔性功能聚酰亚胺的制备方法，该方法的反应过程为：氩气气氛中，将含Y结构的二胺与含X结构的二酐按摩尔比为1:(0.9～1.1)溶在N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、二甲基砜、环丁砜、1,4-二氧六环、N，N-二甲基乙酰胺、N，N-二甲基甲酰胺、间甲酚、四氢呋喃中的一种或一种以上的混合强极性非质子有机溶剂中，，在-10～40℃搅拌反应0.5～72h，得到均相、粘稠的聚酰胺酸胶液，并对聚酰胺酸胶液进行脱水得到高阻隔性的聚酰亚胺。
所述热酰亚胺化法的具体操作步骤为：首先将聚酰胺酸胶液刮涂在玻璃板上，再将玻璃板置于真空烘箱中，抽真空，升温程序为：室温升温至100℃后恒温整个过程0.8～2h，从100℃升温至200℃后恒温整个过程0.8～2h，从200℃升温至300℃后恒温整个过程0.8～2h，从300℃升温至350℃～500℃后恒温整个过程0.5～2h，冷却后可取出聚酰亚胺膜。
化学酰亚胺化的具体操作为：在聚酰胺酸胶液中加入吡啶/乙酸酐、或三乙胺/乙酸酐、或乙酸钠/乙酸酐作为脱水剂，升温搅拌，加热至60～170℃继续搅拌0.5～6h，冷却至室温后倒入甲醇或丙酮中得到聚酰亚胺沉淀，过滤干燥，即得到聚酰亚胺粉体，然后将聚酰亚胺粉体溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亚砜(DMSO)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、间甲酚(m-Cresol)或四氢呋喃(THF)中，加热至完全溶解后，将聚酰亚胺溶液刮涂在玻璃板上，70～200℃真空干燥去除溶剂，冷却后可取出聚酰亚胺膜。
发明所提出的含萘结构的高阻隔性功能聚酰亚胺的制备方法，制备工艺简单且多样，条件要求低，因而适于工业生产。由于合成该类聚酰亚胺的二胺单体具有刚性平面结构，使这种聚酰亚胺材料具有优异的阻隔性能，较高的玻璃化转变温度和热稳定性，以及较低的热膨胀系数。本发明所公开的聚酰亚胺可广泛应用于微电子、军工、航空航天、高性能包装与防护以及电子器件封装等高新技术产业领域。
附图说明
图1是实施例1～5所得聚合物的红外光谱图，其中：
a对应NPDA/PMDA-PI
b对应NADPA/PMDA-P
c对应NOC3OPA/PMDA-PI
d对应PDANA/PMDA-PI
e对应NDEPA/PMDA-PI
从红外光谱图中可以看到，在1780和1720cm-1附近是亚胺环上羰基的不对称和对称伸缩振动，725cm-1附近是亚胺环上羰基的弯曲振动，1380cm-1附近是酰亚胺环的伸缩振动。1730cm-1处出现了酯羰基的特征吸收峰，1653cm-1处出现了酰胺羰基的特征吸收峰，1617cm-1，和1503cm-1处出现了特征的苯环骨架伸缩振动吸收峰，1278cm-1附近的吸收峰为Ar-H的变形振动吸收峰，1198cm-1处出现了醚键的特征吸收峰，1172cm-1处出现了酯基的特征吸收峰，827cm-1处为对位二取代Ar-H的特征吸收频率，这些都说明实施例1～5都已成功合成。
具体实施方式
下面给出实例以对本发明作更详细的说明，有必要指出的是以下实施例不能解释为对发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述发明内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整，仍应属于本发明的保护范围。
实施例1
室温下，将3.1040g(0.01mol)4,4'-(naphthalene-2,7-diyl)dianiline(NPDA)和38.8g(41ml)N,N-二甲基甲酰胺加入至100ml的三口烧瓶中，通入氩气，搅拌，完全溶解后，加入2.1812g(0.01mol)Pyromelliticdianhydride(均苯四甲酸二酐，PMDA)，继续搅拌反应6h，获得均相透明粘稠的聚酰胺酸溶液。再将聚酰胺酸溶液刮涂在玻璃板上，再将玻璃板置于真空烘箱中，抽真空，升温程序为：室温升温至100℃后恒温整个过程1h→100℃升温至200℃后恒温整个过程1h→200℃升温至300℃后恒温整个过程1h→300℃升温至400℃后恒温整个过程1h，冷却后可取出聚酰亚胺膜。该聚酰亚胺膜的红外光谱图如附录一所示。
本实施例中的全芳型的高阻隔聚酰亚胺(NPDA/PMDA-PI)薄膜的分子结构式如下：
实施例2
室温下，将5.4865g(0.01mol)N1,N4-bis(3'-amino-[1,1'-biphenyl]-4-yl)terephthalamide(NADPA)和69.012g(73.1ml)N,N-二甲基甲酰胺加入至100ml的三口烧瓶中，通入氩气，搅拌，完全溶解后，加入2.1812g(0.01mol)Pyromelliticdianhydride(均苯四甲酸二酐，PMDA)，继续搅拌反应6h，获得均相透明粘稠的聚酰胺酸溶液。再将聚酰胺酸溶液刮涂在玻璃板上，再将玻璃板置于真空烘箱中，抽真空，升温程序为：室温升温至100℃后恒温整个过程1h→100℃升温至200℃后恒温整个过程1h→200℃升温至300℃后恒温整个过程1h→300℃升温至420℃后恒温整个过程1.5h，冷却后可取出聚酰亚胺膜。该聚酰亚胺膜的红外光谱图如附录一所示。
本实施例中的全芳型的高阻隔聚酰亚胺(NADPA/PMDA-PI)薄膜的分子结构式如下：
实施例3
室温下，将4.5856g(0.01mol)4,4'-(((naphthalene-2,7-diylbis(oxy))-bis-(butane-4,1-diyl))-bis(oxy))dianiline(NOC3OPA)和51.7g(54.7ml)N,N-二甲基甲酰胺加入至100ml的三口烧瓶中，通入氩气，搅拌，完全溶解后，加入2.1812g(0.01mol)Pyromelliticdianhydride(均苯四甲酸二酐，PMDA)，继续搅拌反应6h，获得均相透明粘稠的聚酰胺酸溶液。再将聚酰胺酸溶液刮涂在玻璃板上，再将玻璃板置于真空烘箱中，抽真空，升温程序为：室温升温至100℃后恒温整个过程1h→100℃升温至200℃后恒温整个过程1h→200℃升温至300℃后恒温整个过程1h→300℃升温至400℃后恒温整个过程1h，冷却后可取出聚酰亚胺膜。该聚酰亚胺膜的红外光谱图如附录一所示。
本实施例中的全芳型的高阻隔聚酰亚胺(NOC3OPA/PMDA-PI)薄膜的分子结构式如下：
实施例4
室温下，将4.4651g(0.01mol)N1,N4-bis(5-aminonaphthalen-1-yl)terephthalamide(PDANA)和59.8g(63.3ml)N,N-二甲基甲酰胺加入至100ml的三口烧瓶中，通入氩气，搅拌，完全溶解后，加入2.1812g(0.01mol)Pyromelliticdianhydride(均苯四甲酸二酐，PMDA)，继续搅拌反应6h，获得均相透明粘稠的聚酰胺酸溶液。再将聚酰胺酸溶液刮涂在玻璃板上，再将玻璃板置于真空烘箱中，抽真空，升温程序为：室温升温至100℃后恒温整个过程1h→100℃升温至200℃后恒温整个过程1h→200℃升温至300℃后恒温整个过程1h→300℃升温至400℃后恒温整个过程1h，冷却后可取出聚酰亚胺膜。该聚酰亚胺膜的红外光谱图如附录一所示。
本实施例中的全芳型的高阻隔聚酰亚胺(PDANA/PMDA-PI)薄膜的分子结构式如下：
实施例5
室温下，将4.2647g(0.01mol)bis(4-aminobenzyl)naphthalene-2,6-dicarboxylate(NDEPA)和58.0g(61.4ml)N,N-二甲基甲酰胺加入至100ml的三口烧瓶中，通入氩气，搅拌，完全溶解后，加入2.1812g(0.01mol)Pyromelliticdianhydride(均苯四甲酸二酐，PMDA)，继续搅拌反应6h，获得均相透明粘稠的聚酰胺酸溶液。再将聚酰胺酸溶液刮涂在玻璃板上，再将玻璃板置于真空烘箱中，抽真空，升温程序为：室温升温至100℃后恒温整个过程1h→100℃升温至200℃后恒温整个过程1h→200℃升温至300℃后恒温整个过程1h→300℃升温至350℃后恒温整个过程0.5h，冷却后可取出聚酰亚胺膜。该聚酰亚胺膜的红外光谱图如附录一所示。
本实施例中的全芳型的高阻隔聚酰亚胺(NDEPA/PMDA-PI)薄膜的分子结构式如下：

Claims (9)

1.一种含萘结构的高阻隔性功能聚酰亚胺材料，其分子结构通式为：
其中：n为1～10000，Y选自以下结构通式中的一种或一种以上：
其中，Ar1选自下列结构式中的任何一种：
Ar2选自下列结构式中的任何一种：
Ar3选自下列结构式中的任何一种：
Ar4选自下列结构式中的任何一种：
Ar5选自下列结构式中的任何一种：
X为以下结构式中的一种：
2.根据权利要求1所述含萘结构的高阻隔性功能聚酰亚胺材料，其特征在于：聚酰亚胺材料可以制备成高阻隔薄膜或粉体。
3.根据权利要求1所述含萘结构的高阻隔性功能聚酰亚胺材料的制备方法，其特征在于：氩气气氛中，将含Y结构的二胺与含X结构的二酐按摩尔比为1:(0.9～1.1)溶在强极性非质子有机溶剂中，在-10～40℃搅拌反应0.5～72h，得到均相、粘稠的聚酰胺酸胶液，并对聚酰胺酸胶液进行脱水得到高阻隔性的聚酰亚胺。
4.根据权利要求3所述含萘结构的高阻隔性功能聚酰亚胺材料的制备方法，其特征在于：含Y结构的二胺与含X结构的二酐总质量占反应物料总质量的2～50％。
5.根据权利要求3所述含萘结构的高阻隔性功能聚酰亚胺材料的制备方法，其特征在于：强极性非质子有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、二甲基砜、环丁砜、1,4-二氧六环、N，N-二甲基乙酰胺、N，N-二甲基甲酰胺、间甲酚、四氢呋喃中的一种或一种以上的混合物。
6.根据权利要求3所述含萘结构的高阻隔性功能聚酰亚胺材料的制备方法，其特征在于：聚酰胺酸胶液脱水得到聚酰亚胺的方法可以是热酰亚胺化或化学酰亚胺化。
7.根据权利要求6所述含萘结构的高阻隔性功能聚酰亚胺材料的制备方法，其特征在于：热酰亚胺化的具体操作为：首先将聚酰胺酸胶液刮涂在玻璃板上，再将玻璃板置于真空烘箱中，抽真空，升温程序为：室温升温至100℃后恒温整个过程0.8～3h，从100℃升温至200℃后恒温整个过程0.8～2h，从200℃升温至300℃后恒温整个过程0.8～2h，从300℃升温至350℃～500℃后恒温整个过程0.5～2h，冷却后可取出聚酰亚胺膜。
8.根据权利要求6所述含萘结构的高阻隔性功能聚酰亚胺材料的制备方法，其特征在于：化学酰亚胺化的具体操作为：在聚酰胺酸胶液中加入吡啶/乙酸酐、或三乙胺/乙酸酐、或乙酸钠/乙酸酐作为脱水剂，升温搅拌，加热至60～170℃继续搅拌0.5～6h，冷却至室温后倒入甲醇或丙酮中得到聚酰亚胺沉淀，过滤干燥，即得到聚酰亚胺粉体，然后将聚酰亚胺粉体溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亚砜(DMSO)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、间甲酚(m-Cresol)或四氢呋喃(THF)中，加热至完全溶解后，将聚酰亚胺溶液刮涂在玻璃板上，70～200℃真空干燥去除溶剂，冷却后可取出聚酰亚胺膜。
9.根据权利要求1所述的含萘结构的高阻隔性功能聚酰亚胺材料，其特征在于其可应用于微电子、军工、航空航天、高性能包装与防护以及电子器件封装高新技术产业领域。
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