新型无色透明聚酰亚胺薄膜的制备与性能研究

（自贡天龙化工有限公司 四川 643030）

引言

随着技术的发展，基板材料的综合性能有着越来越高的要求，对于聚酰亚胺薄膜的制备来说，将含氟基团、含芴大侧基、脂肪环和醚键结构引入聚酰亚胺可显著提升其光学性能和溶解性。室温下PI 5/5无论是在强行溶剂还是在THF等弱性溶剂中都要较好的溶解性；PI 5/5在450nm处的透光率达到92%，紫外线截止波长低至287nm。PI 5/5具有热稳定性、力学性能及较低的介电常数。这一系列优良的综合性能使其在柔性显示基板材料、太阳能电池基板材料、液晶显示器取向膜、通讯连接的光波导材料、平面光波电路的光半波片等领域有着广泛的应用前景。

1.聚酰亚胺薄膜的制备

传统的聚酰亚胺是树脂的颜色，后来从黄色至红褐色变化，随着高新技术的发展各种光学领域要求用高耐热、透明无色的聚酰亚胺薄膜。除了均苯型热固性聚酰亚胺外，还出现了很多类型的聚酰亚胺和改性聚酰亚胺等，制造聚酰亚胺薄膜和化学亚胺化法的工艺过程与设备比较起来就简单一些。但是化学亚胺化法的产能高，而且所得的物化性能非常的好。我国大多数的厂家都在用亚胺化法，并且我国大多数公司都在技术与设备上很好的完成了热亚胺向化学亚胺的过渡。

(1)聚酰亚胺的GPC测试与聚酰亚胺的溶解性

GPC是凝胶渗透色谱，也称为尺寸排阻色谱，它是基于体积排阻的分离机理，通过具有分子筛性质的固定相来分离相对分子质量较小的物质，也可以分析分子体积的不同，具有相同化学性质高的分子同系物。对于聚酰亚胺的溶解性来说，有些品种不溶解于有机溶剂，对稀酸稳定，一般的品种不太耐水解，这个看起来像缺点的性能确让聚酰亚胺不同于其他高性能聚合物的一个非常大的特点，它可以利用碱性水解回收原料二酐和二胺，对于Kapton薄膜它的回收率可以达到80%-90%。改变结构也可以得到相当耐水解的品种。当前在保持聚酰亚胺优异热性能的基础上跟进其溶解性是解决该矛盾的有效方法。

(2)聚酰亚胺薄膜的热能性

聚酰亚胺薄膜又称为聚酰亚胺高温膜，聚酰亚胺是综合性能最好的有机高分子材料之一，耐高温的程度能够达到400℃以上，经常使用的温度范围在200-300℃左右，没有明显的熔点。它适用于耐高温电机电器绝缘材料，热固性聚酰亚胺具有优异的稳定性、耐化学腐蚀性和机械性能，有着很高的拉伸度，聚酰亚胺的使用温度范围比较广，从零下一百多度到两三百度，是最耐高温的材料之一，可以作为绝缘漆用在电磁线或者耐高温的涂料上使用，有着比较先进的复合材料，50%的结构材料为以热塑型聚酰亚胺为基体树脂的碳纤维增强复合材料，有着纤维、泡沫塑料、工程塑料、分离膜等。

(3)聚酰亚胺薄膜的耐辐射性能

聚酰亚胺薄膜具有良好的耐辐射性能，以优良的电气性能、阻燃性能、耐高温和耐辐射等多种性能，和其他的绝缘材料比较起来聚酰亚胺薄膜的成本就比较高，但是在绝缘、辐射、减小体积和提高性能方面有着非常大的作用。聚酰亚胺薄膜在5×109rad剂量的辐射后，强度还是保持在86%；某些聚酰亚胺纤维经1×1010rad快电子辐射时强度保持率为90%。它可以用于航空器、核电站、核潜艇等场所的电机、电气和电子设备中。聚酰亚胺薄膜作为高性能绝缘材料在电机、电器、和电子工业中越来越广泛的应用非常的引人关注。

(4)聚酰亚胺薄膜的聚集态结构

聚酰亚胺是典型的刚性链聚合物，分子链的一次结构比较规整，构象数少，从理论上来说容易形成稳定的聚集态有序性的结构。由于它具有非常高的玻璃化转变温度或者熔融温度，非常难溶于大多数有机溶剂，制备成型受到很大的限制，严重的影响聚集态结构的形成和控制，影制品的性能。从热力学和动力学入手，拟通过控制工艺条件、在分子链中引入结构规整的刚性结构或者加入生成核剂等方法，来实现聚酰亚胺薄膜聚集态结构和性能的可控设备，从而达到系统性的理解聚酰亚胺化过程的结构演变和控制。

(5)聚酰亚胺薄膜的介电常数

当前技术大多数都应用于微电子技术领域，不过市场上聚酰亚胺薄膜的介电常数比较高，高速、大容量的信号传输成为了发展信息产业的重要基础，高速化成为印刷电路板和覆铜板业的重要作用，聚酰亚胺薄膜为基体材料的介电常数大小直接关系到高频电路中的信号传输速度，因为介电常数越大，信号传输的速度越小，信号传输延迟就越大，所以需要生产一种介电常数比较低的聚酰亚胺薄膜。制备聚酰亚胺薄膜低介电常数应按照质量的百分比进行分组制备出胶液，再将胶液制备成凝胶膜，用拉伸机对凝胶膜进行纵向和横向的拉伸，制备成聚酰亚胺薄膜，具有介电常数低的优点。

(6)聚酰亚胺薄膜的力学性能

由于其芳香型分子结构，聚酰亚胺薄膜的拉伸强度都在115MPa以上，断裂伸长率超过40%。如KaptonH薄膜的拉伸强度为170MPa，弹性模量为2～4GPa。对于聚酰亚胺薄膜的力学性列出了三种聚酰亚胺薄膜的拉伸强度、拉伸模量和断裂伸长率。对PI 0/10、PI 5/5和PI 10/0的拉伸强度、拉伸模量和断裂伸长率做出了不同的比较：PI 0/10的拉伸强度为117/MPa，拉伸模量为2.4/GPa，断裂伸长率为7.8%；PI 5/5的拉伸强度为128.6/MPa拉伸模量为3.1/GPa，断裂伸长率为12.8%；PI 10/0的拉伸强度为150.7/MPa，拉伸模量为3.4/GPa，断裂伸长率为15.6%。由此可见PI 5/5具有比较好的力学能力。

2.应用

(1)柔性显示器件衬底

柔性电子产品具有轻质、可弯曲、可折叠和可卷曲的特性，柔性液晶显示器已经发展为最具前景的高科技产业之一。柔性技术实现了设计与制造技术的密切发展，对各种关键材料的研发与产业化起到了非常重要的支撑作用。柔性显示器对基板材料的耐热性与高温尺寸稳定性有着很高的要求，想要符合做柔性衬底材料，无色透明的聚酰亚胺薄膜是最适合之一，因为需要在柔性基板上溅射上电极材料所以基材非常需要耐高温的聚合物，现在使用最多的基材为耐高温的聚酰亚胺PI材料，聚酰亚胺薄膜具有热稳定性、机械性能优异、抗张强度高等性能，以柔性电子、柔性显示器等为代表的新一代信息产业的快速发展对光学膜材料提出了迫切的需求。

(2)柔性薄膜太阳能电池衬底

对于传统的太阳能电池大多是两层玻璃中间是EVA材料和电池片的结构，这样相对来说比较重，在安装的时候就需要支架，非常不容易移动，相比较下柔性薄膜太阳能电池就不需要用玻璃背板和盖板，重量更是比双层玻璃的太阳能电池组件轻上80%，柔性电池片也更加方便携带，也可以任意弯曲。适用范围比较广泛。

(3)柔性封装材料基板

封装就是把硅片电路上电路管脚用导线接到外部接头处，以便于其他器件的连接，它不仅起着安装、固定、密封、保护芯片及增强电热性能等方面的作用，还通过芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚通过印刷电路板上的导线与其他器件连接，实现内部和外部的连接，封装后的芯片也便于安装和运输。对于传统的玻璃基板厚度非常的大不具备柔性，光电器件的发展就需要高性能柔性的封装材料。无色透明PI薄膜就可以满足柔性的要求标准，而且透明质轻，对于高温和高压也没有什么难度，是未来柔性封装材料基板的首要选择。

3.结论

当前国内外研究者通过不断优化聚酰亚胺的分子结构设计来进行制备可溶性的无色透明聚酰亚胺薄膜，聚酰亚胺薄膜在-269～400℃范围内性能非常的良好，介电性和机械强度都比较的高，可以用作更高级别的电动机的耐热绝缘衬垫和缠绕材料，能作为250℃下工作的绝缘介质，350～400℃感应烘箱的加热绝缘电缆、柔性印刷电路和多层印刷电路。聚酰亚胺薄膜是一种优良的绝缘材料，具有耐高温和低温的性能；力学性能和绝缘性能；化学稳定性；耐湿热和耐辐射的性能，聚酰亚胺薄膜分子结构中N元素的含量达到7%以上，在燃烧的时候有自动熄灭的性能，聚酰亚胺薄膜的价格虽然高，但由于长高的性能让发展的势头保持几十年之久，未来还会继续发展和不断优化。