新型無色透明聚酰亞胺薄膜的制備與性能研究

（自貢天龍化工有限公司 四川 643030）

引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，基板材料的綜合性能有著越來越高的要求，對于聚酰亞胺薄膜的制備來說，將含氟基團、含芴大側(cè)基、脂肪環(huán)和醚鍵結(jié)構(gòu)引入聚酰亞胺可顯著提升其光學性能和溶解性。室溫下PI 5/5無論是在強行溶劑還是在THF等弱性溶劑中都要較好的溶解性；PI 5/5在450nm處的透光率達到92%，紫外線截止波長低至287nm。PI 5/5具有熱穩(wěn)定性、力學性能及較低的介電常數(shù)。這一系列優(yōu)良的綜合性能使其在柔性顯示基板材料、太陽能電池基板材料、液晶顯示器取向膜、通訊連接的光波導材料、平面光波電路的光半波片等領(lǐng)域有著廣泛的應用前景。

1.聚酰亞胺薄膜的制備

傳統(tǒng)的聚酰亞胺是樹脂的顏色，后來從黃色至紅褐色變化，隨著高新技術(shù)的發(fā)展各種光學領(lǐng)域要求用高耐熱、透明無色的聚酰亞胺薄膜。除了均苯型熱固性聚酰亞胺外，還出現(xiàn)了很多類型的聚酰亞胺和改性聚酰亞胺等，制造聚酰亞胺薄膜和化學亞胺化法的工藝過程與設(shè)備比較起來就簡單一些。但是化學亞胺化法的產(chǎn)能高，而且所得的物化性能非常的好。我國大多數(shù)的廠家都在用亞胺化法，并且我國大多數(shù)公司都在技術(shù)與設(shè)備上很好的完成了熱亞胺向化學亞胺的過渡。

(1)聚酰亞胺的GPC測試與聚酰亞胺的溶解性

GPC是凝膠滲透色譜，也稱為尺寸排阻色譜，它是基于體積排阻的分離機理，通過具有分子篩性質(zhì)的固定相來分離相對分子質(zhì)量較小的物質(zhì)，也可以分析分子體積的不同，具有相同化學性質(zhì)高的分子同系物。對于聚酰亞胺的溶解性來說，有些品種不溶解于有機溶劑，對稀酸穩(wěn)定，一般的品種不太耐水解，這個看起來像缺點的性能確讓聚酰亞胺不同于其他高性能聚合物的一個非常大的特點，它可以利用堿性水解回收原料二酐和二胺，對于Kapton薄膜它的回收率可以達到80%-90%。改變結(jié)構(gòu)也可以得到相當耐水解的品種。當前在保持聚酰亞胺優(yōu)異熱性能的基礎(chǔ)上跟進其溶解性是解決該矛盾的有效方法。

(2)聚酰亞胺薄膜的熱能性

聚酰亞胺薄膜又稱為聚酰亞胺高溫膜，聚酰亞胺是綜合性能最好的有機高分子材料之一，耐高溫的程度能夠達到400℃以上，經(jīng)常使用的溫度范圍在200-300℃左右，沒有明顯的熔點。它適用于耐高溫電機電器絕緣材料，熱固性聚酰亞胺具有優(yōu)異的穩(wěn)定性、耐化學腐蝕性和機械性能，有著很高的拉伸度，聚酰亞胺的使用溫度范圍比較廣，從零下一百多度到兩三百度，是最耐高溫的材料之一，可以作為絕緣漆用在電磁線或者耐高溫的涂料上使用，有著比較先進的復合材料，50%的結(jié)構(gòu)材料為以熱塑型聚酰亞胺為基體樹脂的碳纖維增強復合材料，有著纖維、泡沫塑料、工程塑料、分離膜等。

(3)聚酰亞胺薄膜的耐輻射性能

聚酰亞胺薄膜具有良好的耐輻射性能，以優(yōu)良的電氣性能、阻燃性能、耐高溫和耐輻射等多種性能，和其他的絕緣材料比較起來聚酰亞胺薄膜的成本就比較高，但是在絕緣、輻射、減小體積和提高性能方面有著非常大的作用。聚酰亞胺薄膜在5×109rad劑量的輻射后，強度還是保持在86%；某些聚酰亞胺纖維經(jīng)1×1010rad快電子輻射時強度保持率為90%。它可以用于航空器、核電站、核潛艇等場所的電機、電氣和電子設(shè)備中。聚酰亞胺薄膜作為高性能絕緣材料在電機、電器、和電子工業(yè)中越來越廣泛的應用非常的引人關(guān)注。

(4)聚酰亞胺薄膜的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)

聚酰亞胺是典型的剛性鏈聚合物，分子鏈的一次結(jié)構(gòu)比較規(guī)整，構(gòu)象數(shù)少，從理論上來說容易形成穩(wěn)定的聚集態(tài)有序性的結(jié)構(gòu)。由于它具有非常高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或者熔融溫度，非常難溶于大多數(shù)有機溶劑，制備成型受到很大的限制，嚴重的影響聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的形成和控制，影制品的性能。從熱力學和動力學入手，擬通過控制工藝條件、在分子鏈中引入結(jié)構(gòu)規(guī)整的剛性結(jié)構(gòu)或者加入生成核劑等方法，來實現(xiàn)聚酰亞胺薄膜聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和性能的可控設(shè)備，從而達到系統(tǒng)性的理解聚酰亞胺化過程的結(jié)構(gòu)演變和控制。

(5)聚酰亞胺薄膜的介電常數(shù)

當前技術(shù)大多數(shù)都應用于微電子技術(shù)領(lǐng)域，不過市場上聚酰亞胺薄膜的介電常數(shù)比較高，高速、大容量的信號傳輸成為了發(fā)展信息產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)，高速化成為印刷電路板和覆銅板業(yè)的重要作用，聚酰亞胺薄膜為基體材料的介電常數(shù)大小直接關(guān)系到高頻電路中的信號傳輸速度，因為介電常數(shù)越大，信號傳輸?shù)乃俣仍叫?，信號傳輸延遲就越大，所以需要生產(chǎn)一種介電常數(shù)比較低的聚酰亞胺薄膜。制備聚酰亞胺薄膜低介電常數(shù)應按照質(zhì)量的百分比進行分組制備出膠液，再將膠液制備成凝膠膜，用拉伸機對凝膠膜進行縱向和橫向的拉伸，制備成聚酰亞胺薄膜，具有介電常數(shù)低的優(yōu)點。

(6)聚酰亞胺薄膜的力學性能

由于其芳香型分子結(jié)構(gòu)，聚酰亞胺薄膜的拉伸強度都在115MPa以上，斷裂伸長率超過40%。如KaptonH薄膜的拉伸強度為170MPa，彈性模量為2～4GPa。對于聚酰亞胺薄膜的力學性列出了三種聚酰亞胺薄膜的拉伸強度、拉伸模量和斷裂伸長率。對PI 0/10、PI 5/5和PI 10/0的拉伸強度、拉伸模量和斷裂伸長率做出了不同的比較：PI 0/10的拉伸強度為117/MPa，拉伸模量為2.4/GPa，斷裂伸長率為7.8%；PI 5/5的拉伸強度為128.6/MPa拉伸模量為3.1/GPa，斷裂伸長率為12.8%；PI 10/0的拉伸強度為150.7/MPa，拉伸模量為3.4/GPa，斷裂伸長率為15.6%。由此可見PI 5/5具有比較好的力學能力。

2.應用

(1)柔性顯示器件襯底

柔性電子產(chǎn)品具有輕質(zhì)、可彎曲、可折疊和可卷曲的特性，柔性液晶顯示器已經(jīng)發(fā)展為最具前景的高科技產(chǎn)業(yè)之一。柔性技術(shù)實現(xiàn)了設(shè)計與制造技術(shù)的密切發(fā)展，對各種關(guān)鍵材料的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化起到了非常重要的支撐作用。柔性顯示器對基板材料的耐熱性與高溫尺寸穩(wěn)定性有著很高的要求，想要符合做柔性襯底材料，無色透明的聚酰亞胺薄膜是最適合之一，因為需要在柔性基板上濺射上電極材料所以基材非常需要耐高溫的聚合物，現(xiàn)在使用最多的基材為耐高溫的聚酰亞胺PI材料，聚酰亞胺薄膜具有熱穩(wěn)定性、機械性能優(yōu)異、抗張強度高等性能，以柔性電子、柔性顯示器等為代表的新一代信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展對光學膜材料提出了迫切的需求。

(2)柔性薄膜太陽能電池襯底

對于傳統(tǒng)的太陽能電池大多是兩層玻璃中間是EVA材料和電池片的結(jié)構(gòu)，這樣相對來說比較重，在安裝的時候就需要支架，非常不容易移動，相比較下柔性薄膜太陽能電池就不需要用玻璃背板和蓋板，重量更是比雙層玻璃的太陽能電池組件輕上80%，柔性電池片也更加方便攜帶，也可以任意彎曲。適用范圍比較廣泛。

(3)柔性封裝材料基板

封裝就是把硅片電路上電路管腳用導線接到外部接頭處，以便于其他器件的連接，它不僅起著安裝、固定、密封、保護芯片及增強電熱性能等方面的作用，還通過芯片上的接點用導線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳通過印刷電路板上的導線與其他器件連接，實現(xiàn)內(nèi)部和外部的連接，封裝后的芯片也便于安裝和運輸。對于傳統(tǒng)的玻璃基板厚度非常的大不具備柔性，光電器件的發(fā)展就需要高性能柔性的封裝材料。無色透明PI薄膜就可以滿足柔性的要求標準，而且透明質(zhì)輕，對于高溫和高壓也沒有什么難度，是未來柔性封裝材料基板的首要選擇。

3.結(jié)論

當前國內(nèi)外研究者通過不斷優(yōu)化聚酰亞胺的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計來進行制備可溶性的無色透明聚酰亞胺薄膜，聚酰亞胺薄膜在-269～400℃范圍內(nèi)性能非常的良好，介電性和機械強度都比較的高，可以用作更高級別的電動機的耐熱絕緣襯墊和纏繞材料，能作為250℃下工作的絕緣介質(zhì)，350～400℃感應烘箱的加熱絕緣電纜、柔性印刷電路和多層印刷電路。聚酰亞胺薄膜是一種優(yōu)良的絕緣材料，具有耐高溫和低溫的性能；力學性能和絕緣性能；化學穩(wěn)定性；耐濕熱和耐輻射的性能，聚酰亞胺薄膜分子結(jié)構(gòu)中N元素的含量達到7%以上，在燃燒的時候有自動熄滅的性能，聚酰亞胺薄膜的價格雖然高，但由于長高的性能讓發(fā)展的勢頭保持幾十年之久，未來還會繼續(xù)發(fā)展和不斷優(yōu)化。