CN113402883B - 一种高导热聚酰亚胺薄膜及其生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高导热聚酰亚胺薄膜，属于聚酰亚胺薄膜技术领域，该聚酰亚胺薄膜包括如下重量份的原料：二胺单体35.4‑50.6份、非质子极性溶剂120‑200份、芳香族二酐单体41.2‑62.1份、导热填料4.5‑10.6份、分散剂0.5‑1.1份，本发明还公开了该聚酰亚胺薄膜的生产工艺。通过对聚酰亚胺合成单体的选择，制备得到高导热、高透明度的聚酰亚胺薄膜，扩展其在太阳能电池领域的适用广谱性，薄膜的高导热性、高透明度主要由二胺单体来贡献，由于二胺单体中多苯环结构的存在使得聚合物的结晶度大大增加，排列整齐的晶格能够通过热振动导热，实现声子导热，显著提高聚酰亚胺薄膜的导热系数。

Description

一种高导热聚酰亚胺薄膜及其生产工艺
技术领域
本发明属于聚酰亚胺薄膜技术领域，涉及一种高导热聚酰亚胺薄膜及其生产工艺。
背景技术
聚酰亚胺(PI)薄膜是一种极具竞争优势的耐高温绝缘材料，已广泛应用于柔性印刷电路基材、微电子集成电路、电池包装与特种电器等领域。然而在这些领域中，微电子处于高密度和高速化运行状态，使得电子元器件和集成电路散发大量的热量。由于聚酰亚胺本身几乎为热的不良导体，传统的聚酰亚胺薄膜导热系数大约为0.16W/(m·K)，导热性能差，容易积累热量，影响电子元器件的稳定、寿命及运行安全并限制了相关产业的升级。为了满足线路板和器件日益增大的导热(散热)需求，就必须考虑让绝缘材料具有较大的热导率，由此推动了高导热聚酰亚胺薄膜的研发和生产。
参考中国专利CN111630088A公开的包含两种以上的填料的高导热性聚酰亚胺薄膜，该发明通过添加碳系或硼系填料以及金属氧化物系填料，从而提高聚酰亚胺薄膜的平面方向导热率以及厚度方向导热率，但是当导热填料用量较少时，填料虽能均匀分散于树脂中，但彼此间未能形成相互接触和相互作用，导热性提高不大，而当填料用量较大时，虽然薄膜导热性能大大提高，却使得薄膜的综合性能，尤其是机械、抗撕裂等性能显著下降，甚至无法流涎拉伸成膜，无法实现工业化生产，同时聚酰亚胺分子链共轭吸收和分子内与分子间电荷转移络合物的作用，使得聚酰亚胺薄膜颜色很深，在可见光波段的透过率低，限制其在太阳能电池领域的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高导热聚酰亚胺薄膜及其生产工艺，解决背景技术中提及的技术问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种高导热聚酰亚胺薄膜，包括如下重量份的原料：
二胺单体35.4-50.6份、非质子极性溶剂120-200份、芳香族二酐单体41.2-62.1份、导热填料4.5-10.6份、分散剂0.5-1.1份；
该高导热聚酰亚胺薄膜由如下步骤制成：
步骤A1，在氮气保护下，设定温度15-20℃，将二胺单体溶于非质子极性溶剂中，向其中加入芳香族二酐单体，搅拌反应40-50min，得到聚酰胺酸溶液；
步骤A2，向聚酰胺酸溶液中加入导热填料、分散剂，超声分散均匀后，得到成膜溶液；
步骤A3，将成膜溶液经真空消泡、流延成膜，然后热环化和双向热牵伸处理，收卷，得到高导热聚酰亚胺薄膜。
进一步，步骤A1中非质子极性溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺中的任意一种。
进一步，步骤A1中芳香族二酐单体为均苯四甲酸二酐、3,3’,4,4’-联苯四羧酸二酐、3,3’,4,4’-二苯甲酮四羧酸二酐、双酚A二酐、双酚F二酐中的任意一种。
进一步，分散剂为聚乙二醇、丙烯酰胺中的任意一种。
二胺单体由如下步骤制得：
步骤S1，在氩气保护下，向反应釜中加入4’-氯-4-硝基-[1,1’-联苯]-2-腈、K2HPO4、N，N-二甲基乙酰胺，冷却至0℃，加入三氟甲磺酰氯，光源照射反应7-8h，加入去离子水，用乙酸乙酯萃取2-4次，合并有机相后用饱和食盐水洗涤，再用无水硫酸镁干燥，旋蒸除去溶剂，得到中间体1；
反应过程如下：
Figure BDA0003172138750000031
步骤S2，向三口烧瓶中加入中间体1、九水合硫化钠、N，N-二甲基乙酰胺，在氮气保护下，升温至170℃反应24h，过滤，滤饼经水洗、烘干，得到中间体2；
反应过程如下：
Figure BDA0003172138750000032
步骤S3，向三口烧瓶中加入中间体2、冰醋酸、高锰酸钾，升温至80℃反应2h，过滤，向滤液中加入去离子水析出粗产物，再用乙醇重结晶，得到中间体3；
反应过程如下：
Figure BDA0003172138750000033
步骤S4，向三口烧瓶中加入中间体3、钯碳催化剂、无水乙醇，搅拌均匀后，通入氮气保护，加入水合肼，升温至70-75℃反应4-4.5h，过滤，滤液蒸干溶剂，再用乙醇重结晶，得到二胺单体。
反应过程如下：
Figure BDA0003172138750000041
进一步，步骤S1中4’-氯-4-硝基-[1,1’-联苯]-2-腈、K2HPO4、N，N-二甲基乙酰胺、三氟甲磺酰氯的摩尔比为1：3：50：1。
进一步，步骤S1中光源波长为280-780nm。
进一步，步骤S2中中间体1、九水合硫化钠、N，N-二甲基乙酰胺的用量比为0.9-0.92mol：0.45-0.46mol：410-430mL。
进一步，步骤S3中中间体2、冰醋酸、高锰酸钾的用量比为0.15-0.18mol：523-536mL：0.6-0.64mol。
进一步，步骤S4中中间体3、钯碳催化剂、无水乙醇、水合肼的用量比为0.12-0.14mol：0.4-0.5g：510-520mL：1.2-1.4mol。
导热填料由如下步骤制得：
步骤C1，将氧化锌加入质量分数10％的氢氧化钠溶液中，加热至90℃搅拌反应30-40min，离心，沉淀经丙酮洗涤、再干燥后，得到羟基化的氧化锌；
步骤C2，向三口烧瓶中加入质量分数60％的硝酸溶液、碳纳米管，分散均匀后，升温至70℃反应40-45h，用去离子水洗涤至中性，得到酸化后的碳纳米管；
步骤C3，将酸化后的碳纳米管分散在DMF中，超声分散30-40min，加入羟基化的氧化锌，升温至80℃反应20-22h，用二氯甲烷洗涤3-4次，得到导热填料。
进一步，步骤C2中硝酸溶液、碳纳米管的用量为100-110mL：5-5.5g。
进一步，步骤C2中酸化后的碳纳米管、DMF、羟基化的氧化锌的用量比为5-5.5g：50-55mL：0.5-0.6g。
本发明的有益效果：
1)通过对聚酰亚胺合成单体的选择，将二胺单体与芳香族二酐单体发生聚合反应制备得到高导热、高透明度的聚酰亚胺薄膜，薄膜的高导热性、高透明度主要由二胺单体来贡献，首先4’-氯-4-硝基-[1,1’-联苯]-2-腈与三氟甲磺酰氯在K2HPO4催化和光源照射下发生闭环反应生成中间体1，中间体1在九水合硫化钠作用下生成中间体2，中间体2在高锰酸钾作用下反应生成中间体3，中间体3在钯碳催化剂的作用下生成二胺单体。通常二胺作为富电子基团，二酐作为缺电子基团，两者之间发生强烈的电荷转移作用，形成强烈的电荷转移络合物(CTC)，导致薄膜的透明度差。该二胺单体中含有砜基和三氟甲基，由于砜基的柔性较小，吸电子作用强，有效抑制了分子间和分子内的CTC作用，而且双三氟甲基存在位阻效应，使得分子链构象扭曲，分子链堆积疏松，也能够有效减弱了因为分子链堆积造成分子间的CTC作用，使得薄膜的透明度改善，制备得到高透明度的聚酰亚胺薄膜，扩展其在太阳能电池领域的适用广谱性。
2)由于二胺单体中多苯环结构的存在使得聚合物的结晶度大大增加，排列整齐的晶格能够通过热振动导热，实现声子导热，显著提高聚酰亚胺薄膜的导热系数，而且在聚酰胺酸中加入了导热填料，氧化锌、碳纳米管均是优异的导热材料，能够非常显著地提高薄膜的导热系数，并且分别对氧化锌、碳纳米管做表面处理，得到羟基化的氧化锌和酸化后的碳纳米管，两者发生氢键作用，结合力更强，此外，氧化锌、碳纳米管结构中未反应的羟基和羧基能够与聚酰亚胺结合，解决了有机与无机材料相容性差的缺点，更容易在聚合物基体中形成较多的声子传热通道，显著改善基体的导热性能。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
制备二胺单体：
步骤S1，在氩气保护下，向反应釜中加入4’-氯-4-硝基-[1,1’-联苯]-2-腈、K2HPO4、N，N-二甲基乙酰胺，冷却至0℃，加入三氟甲磺酰氯，光源照射反应7h，加入去离子水，用乙酸乙酯萃取2次，合并有机相后用饱和食盐水洗涤，再用无水硫酸镁干燥，旋蒸除去溶剂，得到中间体1，其中4’-氯-4-硝基-[1,1’-联苯]-2-腈、K2HPO4、N，N-二甲基乙酰胺、三氟甲磺酰氯的摩尔比为1：3：50：1，光源波长为280nm；
步骤S2，向三口烧瓶中加入0.9mol中间体1、0.45mol九水合硫化钠、410mL N，N-二甲基乙酰胺，在氮气保护下，升温至170℃反应24h，过滤，滤饼经水洗、烘干，得到中间体2；
步骤S3，向三口烧瓶中加入0.15mol中间体2、523mL冰醋酸、0.6mol高锰酸钾，升温至70℃反应2h，过滤，向滤液中加入去离子水析出粗产物，再用乙醇重结晶，得到中间体3；
步骤S4，向三口烧瓶中加入0.12mol中间体3、0.4g钯碳催化剂、510mL无水乙醇，搅拌均匀后，通入氮气保护，加入1.2mol水合肼，升温至80℃反应4h，过滤，滤液蒸干溶剂，再用乙醇重结晶，得到二胺单体。
实施例2
制备二胺单体：
步骤S1，在氩气保护下，向反应釜中加入4’-氯-4-硝基-[1,1’-联苯]-2-腈、K2HPO4、N，N-二甲基乙酰胺，冷却至0℃，加入三氟甲磺酰氯，光源照射反应7h，加入去离子水，用乙酸乙酯萃取2次，合并有机相后用饱和食盐水洗涤，再用无水硫酸镁干燥，旋蒸除去溶剂，得到中间体1，其中4’-氯-4-硝基-[1,1’-联苯]-2-腈、K2HPO4、N，N-二甲基乙酰胺、三氟甲磺酰氯的摩尔比为1：3：50：1，光源波长为350nm；
步骤S2，向三口烧瓶中加入0.91mol中间体1、0.45mol九水合硫化钠、420mL N，N-二甲基乙酰胺，在氮气保护下，升温至170℃反应24h，过滤，滤饼经水洗、烘干，得到中间体2；
步骤S3，向三口烧瓶中加入0.16mol中间体2、529mL冰醋酸、0.62mol高锰酸钾，升温至80℃反应2h，过滤，向滤液中加入去离子水析出粗产物，再用乙醇重结晶，得到中间体3；
步骤S4，向三口烧瓶中加入0.13mol中间体3、0.45g钯碳催化剂、515mL无水乙醇，搅拌均匀后，通入氮气保护，加入1.3mol水合肼，升温至72℃反应4h，过滤，滤液蒸干溶剂，再用乙醇重结晶，得到二胺单体。
实施例3
制备二胺单体：
步骤S1，在氩气保护下，向反应釜中加入4’-氯-4-硝基-[1,1’-联苯]-2-腈、K2HPO4、N，N-二甲基乙酰胺，冷却至0℃，加入三氟甲磺酰氯，光源照射反应8h，加入去离子水，用乙酸乙酯萃取4次，合并有机相后用饱和食盐水洗涤，再用无水硫酸镁干燥，旋蒸除去溶剂，得到中间体1，其中4’-氯-4-硝基-[1,1’-联苯]-2-腈、K2HPO4、N，N-二甲基乙酰胺、三氟甲磺酰氯的摩尔比为1：3：50：1，光源波长为780nm；
步骤S2，向三口烧瓶中加入0.92mol中间体1、0.46mol九水合硫化钠、430mL N，N-二甲基乙酰胺，在氮气保护下，升温至170℃反应24h，过滤，滤饼经水洗、烘干，得到中间体2；
步骤S3，向三口烧瓶中加入0.18mol中间体2、536mL冰醋酸、0.64mol高锰酸钾，升温至80℃反应2h，过滤，向滤液中加入去离子水析出粗产物，再用乙醇重结晶，得到中间体3；
步骤S4，向三口烧瓶中加入0.14mol中间体3、0.5g钯碳催化剂、520mL无水乙醇，搅拌均匀后，通入氮气保护，加入1.4mol水合肼，升温至75℃反应4.5h，过滤，滤液蒸干溶剂，再用乙醇重结晶，得到二胺单体。
实施例4
制备导热填料：
步骤C1，将氧化锌加入质量分数10％的氢氧化钠溶液中，加热至90℃搅拌反应30min，离心，沉淀经丙酮洗涤、再干燥后，得到羟基化的氧化锌；
步骤C2，向三口烧瓶中加入100mL质量分数60％的硝酸溶液、5g碳纳米管，分散均匀后，升温至70℃反应40h，用去离子水洗涤至中性，得到酸化后的碳纳米管；
步骤C3，将5g酸化后的碳纳米管分散在50mL DMF中，超声分散30min，加入0.5g羟基化的氧化锌，升温至80℃反应20h，用二氯甲烷洗涤3次，得到导热填料。
实施例5
制备导热填料：
步骤C1，将氧化锌加入质量分数10％的氢氧化钠溶液中，加热至90℃搅拌反应35min，离心，沉淀经丙酮洗涤、再干燥后，得到羟基化的氧化锌；
步骤C2，向三口烧瓶中加入105mL质量分数60％的硝酸溶液、5.2g碳纳米管，分散均匀后，升温至70℃反应43h，用去离子水洗涤至中性，得到酸化后的碳纳米管；
步骤C3，将5.3g酸化后的碳纳米管分散在53mL DMF中，超声分散35min，加入0.55g羟基化的氧化锌，升温至80℃反应21h，用二氯甲烷洗涤3次，得到导热填料。
实施例6
制备导热填料：
步骤C1，将氧化锌加入质量分数10％的氢氧化钠溶液中，加热至90℃搅拌反应40min，离心，沉淀经丙酮洗涤、再干燥后，得到羟基化的氧化锌；
步骤C2，向三口烧瓶中加入110mL质量分数60％的硝酸溶液、5.5g碳纳米管，分散均匀后，升温至70℃反应45h，用去离子水洗涤至中性，得到酸化后的碳纳米管；
步骤C3，将5.5g酸化后的碳纳米管分散在55mL DMF中，超声分散40min，加入0.6g羟基化的氧化锌，升温至80℃反应22h，用二氯甲烷洗涤4次，得到导热填料。
实施例7
一种高导热聚酰亚胺薄膜，包括如下重量份的原料：
二胺单体35.4份、非质子极性溶剂120份、均苯四甲酸二酐41.2份、导热填料4.5份、聚乙二醇0.5份；
该高强度耐高温给水管由如下步骤制成：
步骤A1，在氮气保护下，设定15℃，将实施例1制备的二胺单体溶于非质子极性溶剂中，向其中加入均苯四甲酸二酐，搅拌反应40min，得到聚酰胺酸溶液；
步骤A2，向聚酰胺酸溶液中加入实施例4制备的导热填料、聚乙二醇，超声分散均匀后，得到成膜溶液；
步骤A3，将成膜溶液经真空消泡、流延成膜，然后热环化和双向热牵伸处理，收卷，得到高导热聚酰亚胺薄膜。
实施例8
一种高导热聚酰亚胺薄膜，包括如下重量份的原料：
二胺单体42.5份、非质子极性溶剂150份、3,3’,4,4’-联苯四羧酸二酐50.3份、导热填料7.2份、聚乙二醇0.7份；
该高强度耐高温给水管由如下步骤制成：
步骤A1，在氮气保护下，设定18℃，将实施例2制备的二胺单体溶于非质子极性溶剂中，向其中加入3,3’,4,4’-联苯四羧酸二酐，搅拌反应45min，得到聚酰胺酸溶液；
步骤A2，向聚酰胺酸溶液中加入实施例5制备的导热填料、聚乙二醇，超声分散均匀后，得到成膜溶液；
步骤A3，将成膜溶液经真空消泡、流延成膜，然后热环化和双向热牵伸处理，收卷，得到高导热聚酰亚胺薄膜。
实施例9
一种高导热聚酰亚胺薄膜，包括如下重量份的原料：
二胺单体50.6份、非质子极性溶剂200份、双酚A二酐62.1份、导热填料10.6份、丙烯酰胺1.1份；
该高强度耐高温给水管由如下步骤制成：
步骤A1，在氮气保护下，设定20℃，将实施例3制备的二胺单体溶于非质子极性溶剂中，向其中加入双酚A二酐，搅拌反应50min，得到聚酰胺酸溶液；
步骤A2，向聚酰胺酸溶液中加入实施例6制备的导热填料、丙烯酰胺，超声分散均匀后，得到成膜溶液；
步骤A3，将成膜溶液经真空消泡、流延成膜，然后热环化和双向热牵伸处理，收卷，得到高导热聚酰亚胺薄膜。
对比例1
许昌市宇能电气绝缘材料有限公司生产的聚酰亚胺薄膜。
对比例2
对比例2的聚酰亚胺薄膜的制备方法参照实施例7，不同点在于不添加导热填料。
对比例3
对比例3的聚酰亚胺薄膜的制备方法参照实施例8，不同点在于将二胺单体替换为对苯二胺。
对实施例7-9和对比例1-3得到的聚酰亚胺薄膜做如下性能测试，(1)透光率的测量，使用UV分光光度计(Konita Minolta,CM-3700d)在550nm下测量透光率；(2)热导率，测试方法参照ASTM-D696；(3)拉伸强度、断裂伸长率，测试方法参照ASTM-D882；测试结果见表1：
表1
Figure BDA0003172138750000111
由表1可知，相较于对比例1-3，实施例7-9制备的聚酰亚胺薄膜有较优的力学性能，并且透光率较高，热导率高，可作为微电子器件包装散热用途的理想材料。
在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高导热聚酰亚胺薄膜，其特征在于，包括如下重量份的原料：二胺单体35.4-50.6份、非质子极性溶剂120-200份、芳香族二酐单体41.2-62.1份、导热填料4.5-10.6份、分散剂0.5-1.1份；
其中二胺单体由如下步骤制得：
步骤S1，将4’-氯-4-硝基-[1,1’-联苯]-2-腈、K2HPO4、N，N-二甲基乙酰胺混合均匀，冷却至0℃，加入三氟甲磺酰氯，光源照射反应7-8h，加入去离子水，用乙酸乙酯萃取，合并有机相后经洗涤、干燥、旋蒸，得到中间体1；
步骤S2，将中间体1、九水合硫化钠、N，N-二甲基乙酰胺混合，升温至170℃反应24h，过滤，滤饼经水洗、烘干，得到中间体2；
步骤S3，将中间体2、冰醋酸、高锰酸钾混合，升温至80℃反应2h，过滤，向滤液中加入去离子水析出粗产物，重结晶，得到中间体3；
步骤S4，将中间体3、钯碳催化剂、无水乙醇混合，加入水合肼，升温至70-75℃反应，过滤，滤液蒸干溶剂，重结晶，得到二胺单体。
2.根据权利要求1所述的一种高导热聚酰亚胺薄膜，其特征在于：步骤S1中光源波长为280-780nm。
3.根据权利要求1所述的一种高导热聚酰亚胺薄膜，其特征在于：导热填料由如下步骤制得：
将酸化后的碳纳米管分散在DMF中，超声分散后，加入羟基化的氧化锌，升温至80℃反应20-22h，经二氯甲烷洗涤，得到导热填料。
4.根据权利要求3所述的一种高导热聚酰亚胺薄膜，其特征在于：羟基化的氧化锌由如下步骤制得：
将氧化锌加入氢氧化钠溶液中，加热至90℃搅拌反应30-40min，离心，沉淀经丙酮洗涤、再干燥，得到羟基化的氧化锌。
5.根据权利要求3所述的一种高导热聚酰亚胺薄膜，其特征在于：酸化后的碳纳米管由如下步骤制得：
将硝酸溶液、碳纳米管分散均匀后，升温至70℃反应40-45h，用去离子水洗涤至中性，得到酸化后的碳纳米管。
6.根据权利要求1所述的一种高导热聚酰亚胺薄膜的生产工艺，其特征在于：包括如下制备步骤：
步骤A1，将二胺单体溶于非质子极性溶剂中，加入芳香族二酐单体，反应得到聚酰胺酸溶液；
步骤A2，向聚酰胺酸溶液中加入导热填料、分散剂，得到成膜溶液；
步骤A3，将成膜溶液经真空消泡、流延成膜、热环化和双向热牵伸处理、收卷，得到高导热聚酰亚胺薄膜。
7.根据权利要求6所述的一种高导热聚酰亚胺薄膜的生产工艺，其特征在于：步骤A1中非质子极性溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺中的任意一种。
8.根据权利要求6所述的一种高导热聚酰亚胺薄膜的生产工艺，其特征在于：步骤A1中芳香族二酐单体为均苯四甲酸二酐、3,3’,4,4’-联苯四羧酸二酐、3,3’,4,4’-二苯甲酮四羧酸二酐、双酚A二酐、双酚F二酐中的任意一种。
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