含氟聚酰亚胺聚合物、制备方法及聚酰亚胺复合薄膜与流程

本专利涉及聚酰亚胺材料技术领域，尤其涉及一种含氟聚酰亚胺聚合物、制备方法及聚酰亚胺复合薄膜。

背景技术：

聚酰亚胺树脂是一种用途广泛的特殊的高分子材料，具有优良的物理机械特性，如耐高温和耐低温性能，较高的拉伸强度，较低的线性膨胀系数，适宜的弹性模量，极小的热收缩率，良好的自润滑性和很强的抗辐射能力，由于其优良的化学稳定性使聚酰亚胺具有其它高聚物无法比拟的优异的热、机械和电性能，在微电子领域和航空航天领域有着广泛的应用。

然而，传统聚酰亚胺难溶难熔，加工性能差,限制了聚酰亚胺的进一步应用，加之聚酰亚胺薄膜颜色深(黄色或棕色)、光学透明性差，限制了聚酰亚胺材料在许多高技术领域中的应用。因此，研究并制备具有高光学透明性、溶解性和热稳定性，较好的高介电、低介电损耗因子的含氟聚酰亚胺复合材料非常必要。

技术实现要素：

本发明公开了一种含氟聚酰亚胺聚合物及其制备方法，其解决了传统聚酰亚胺难溶难熔，加工性能差，光学透明性差的技术问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种含氟聚酰亚胺聚合物，其结构式包含如式1所示的重复结构单元：

本发明还提供了一种所述的含氟聚酰亚胺聚合物的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

步骤一，合成1,4-双(4-氨基-2-三氟甲基苯氧基)苯：在干燥的三口烧瓶，将2-氯-5-硝基-三氟甲苯和对苯二酚按预设的摩尔比加入到极性有机溶剂中，搅拌均匀后，加热回流，然后再分批加入碳酸钾，以薄层色谱监控反应进度，待反应结束后，趁热抽滤，滤液倒入体积比10:1-1:1的甲醇/水混合液中，静置后抽滤，充分洗涤，得到浅黄色粗产物，将粗产物在甲醇/dmf混合溶液中重结晶，获得精制1,4-双(4-硝基-2-三氟甲基苯氧基)苯，在干燥的三口烧瓶加入预设量的酸和预设浓度的乙醇，再加入1,4-双(4-硝基-2-三氟甲基苯氧基)苯，待混合均匀后，分批加入还原铁粉，加热回流4-12小时，用循环水式真空泵趁热抽滤，用有机溶剂重结晶，在烘箱中50-100℃干燥过夜后得到纯净的二胺1,4双(4-氨基-2-三氟甲基苯氧基)苯；

步骤二，合成含氟聚酰胺酸：在三口烧瓶中加入新蒸馏的有机溶剂和1,4双(4-氨基-2-三氟甲基苯氧基)苯，搅拌混合均匀后，加入二苯羧酸二酐，搅拌反应15-25小时，得到淡黄色聚酰胺酸溶液；

步骤三，合成含氟聚酰亚胺聚合物：在三口烧瓶中加入聚酰胺酸paa溶液，在搅拌下加入乙酸酐和三乙胺，惰性气体氛围中反应3-6小时后，将溶液倒入甲醇中，析出产品聚酰亚胺，重结晶干燥后，得到纯净的含氟聚酰亚胺聚合物。

优选的，在步骤一中，所述极性有机溶剂包括n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、n-甲基吡咯烷酮以及n-乙基-2-吡咯烷酮一种或两种。

优选的，在步骤一中，所述酸包括盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、亚硫酸以及亚硝酸中的一种或两种。

优选的，在步骤一中，所述有机溶剂包括甲醇、乙醇、丙三醇、乙二醇、dmf、dmac以及n-甲基吡咯烷酮中一种或两种混合物。

优选的，在步骤二中，所述二酐为3,3',4,4'-二苯醚四甲酸二酐、4,4'-六氟异丙基邻苯二甲酸酐、3,3',4,4'-联苯四甲酸二酐以及3,3',4,4'－二苯酮四酸二酐中的一种或几种混合物。

优选的，在步骤二中，所述极性有机溶剂包括n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、n-甲基-2-吡咯烷酮、n-乙基-2-吡咯烷酮、二甲基亚砜、二氯甲烷、二氯乙烷、三氯甲烷、甲苯、丙酮、四氢呋喃、甲基四氢呋喃、乙二醇单甲醚、乙二醇二甲醚、乙二醇单乙醚以及乙二醇二乙醚中的一种或多种混合物。

优选的，在步骤二中，聚合反应在惰性气体保护下进行，所述惰性气体为氮气或氩气。

优选的，所述三口烧瓶为150毫升三口烧瓶。

本发明还提供了一种含氟聚酰亚胺复合薄膜，由所述的含氟聚酰亚胺聚合物制备而成。

本发明的有益效果如下：

1、本发明提供的含氟聚酰亚胺聚合物具有很好溶解性，在常温下即可在dmf、dmac、dmso、氯仿等溶剂中溶解；

2、本发明提供的含氟聚酰亚胺聚合物具有良好的透光率；

3、本发明提供的含氟聚酰亚胺聚合物可应用于嵌入式电容器等电子器件中；

4、本发明提供的含氟聚酰亚胺复合薄膜的截止波长为308nm，在405nm至800nm的波长范围内，含氟聚酰亚胺聚合物的透光率超过80％；

5、本发明提供的含氟聚酰亚胺复合薄膜具有较好的热稳定性，在380℃之前，含氟聚酰亚胺聚合物的质量变化较小。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1为本发明制备的含氟聚酰亚胺聚合物的红外光谱图；

图2为本发明制备的含氟聚酰亚胺聚合物的核磁共振氢谱图；

图3为本发明制备的含氟聚酰亚胺聚合物的光学性能曲线图；

图4为本发明制备的含氟聚酰亚胺聚合物的热重曲线图。

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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做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。

本发明提供了一种含氟聚酰亚胺聚合物，其结构式包含如式1所示的重复结构单元：

本发明还提供了一种所述的含氟聚酰亚胺聚合物的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

步骤一，合成1,4-双(4-氨基-2-三氟甲基苯氧基)苯：在干燥的三口烧瓶，将2-氯-5-硝基-三氟甲苯和对苯二酚按预设的摩尔比加入到极性有机溶剂中，搅拌均匀后，加热回流，然后再分批加入碳酸钾，以薄层色谱监控反应进度，待反应结束后，趁热抽滤，滤液倒入体积比10:1-1:1的甲醇/水混合液中，静置后抽滤，充分洗涤，得到浅黄色粗产物，将粗产物在甲醇/dmf混合溶液中重结晶，获得精制1,4-双(4-硝基-2-三氟甲基苯氧基)苯，在干燥的三口烧瓶加入预设量的酸和预设浓度的乙醇，再加入1,4-双(4-硝基-2-三氟甲基苯氧基)苯，待混合均匀后，分批加入还原铁粉，加热回流4-12小时，用循环水式真空泵趁热抽滤，用有机溶剂重结晶，在烘箱中50-100℃干燥过夜后得到纯净的二胺1,4双(4-氨基-2-三氟甲基苯氧基)苯；

具体的，所述极性有机溶剂包括n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、n-甲基吡咯烷酮以及n-乙基-2-吡咯烷酮一种或两种。所述酸包括盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、亚硫酸以及亚硝酸中的一种或两种。所述有机溶剂包括甲醇、乙醇、丙三醇、乙二醇、dmf、dmac以及n-甲基吡咯烷酮中一种或两种混合物。

步骤二，合成含氟聚酰胺酸：在三口烧瓶中加入新蒸馏的有机溶剂和1,4双(4-氨基-2-三氟甲基苯氧基)苯，搅拌混合均匀后，加入二苯羧酸二酐，搅拌反应15-25小时，得到淡黄色聚酰胺酸溶液；

具体的，所述二酐为3,3',4,4'-二苯醚四甲酸二酐、4,4'-六氟异丙基邻苯二甲酸酐、3,3',4,4'-联苯四甲酸二酐以及3,3',4,4'－二苯酮四酸二酐中的一种或几种混合物。所述极性有机溶剂包括n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、n-甲基-2-吡咯烷酮、n-乙基-2-吡咯烷酮、二甲基亚砜、二氯甲烷、二氯乙烷、三氯甲烷、甲苯、丙酮、四氢呋喃、甲基四氢呋喃、乙二醇单甲醚、乙二醇二甲醚、乙二醇单乙醚以及乙二醇二乙醚中的一种或多种混合物。聚合反应在惰性气体保护下进行，所述惰性气体为氮气或氩气。

步骤三，合成含氟聚酰亚胺聚合物：在三口烧瓶中加入聚酰胺酸paa溶液，在搅拌下加入乙酸酐和三乙胺，惰性气体氛围中反应3-6小时后，将溶液倒入甲醇中，析出产品聚酰亚胺，重结晶干燥后，得到纯净的含氟聚酰亚胺聚合物。

在上述各步骤中，所述三口烧瓶均为150毫升三口烧瓶。

为了让本领域技术人员更清楚本发明提供的所述的含氟聚酰亚胺聚合物的制备方法，下面将以具体实施例进行详细说明。

实施例1

本发明提供的所述含氟聚酰亚胺聚合物的制备方法，该制备方法具体如下：

步骤一，合成1,4-双(4-氨基-2-三氟甲基苯氧基)苯：

在干燥的150毫升三口烧瓶，将45克2-氯-5-硝基-三氟甲苯和11克对苯二酚加到150毫升的n,n′-二甲基甲酰胺中，搅拌回流，然后将分批加入16.2克碳酸钾，以薄层色谱监控反应进度，待反应结束后，趁热抽滤，滤液倒入体积比10:1的150毫升甲醇/水混合液中，静置后抽滤，洗涤，得到浅黄色粗产物，将粗产物用甲醇/dmf混合溶液重结晶，获黄色的1,4-双(4-硝基-2-三氟甲基苯氧基)苯固体43.5克。

在干燥的150毫升三口烧瓶加入5毫升37％盐酸和15毫升50％乙醇，再加入8克的1,4-双(4-硝基-2-三氟甲基苯氧基)苯，待混合均匀后，分批加入5克还原铁粉，加热回流4h，抽滤，用乙醇中重结晶，在烘箱中80℃干燥过夜后得到纯净的二胺1,4双(4-氨基-2-三氟甲基苯氧基)苯6.0克。

步骤二，合成含氟聚酰胺酸：

在150ml三口烧瓶中加入新蒸馏的有机溶剂n,n'-二甲基乙酰胺70毫升和6.0克1,4双(4-氨基-2-三氟甲基苯氧基)苯，搅拌混合均匀后，加入3,3',4,4'-二苯酮四酸二酐7.0克，搅拌反应4小时，得到淡黄色聚酰胺酸溶液。

步骤三，合成含氟聚酰亚胺聚合物：

将步骤二得到的淡黄色聚酰胺酸溶液在搅拌下加入适量乙酸酐和三乙胺，氮气氛围中反应3-6小时后，将溶液倒入甲醇中，析出产品聚酰亚胺，重结晶干燥后，得到纯净含氟聚酰亚胺聚合物10.5克。

实施例2

本发明提供的所述含氟聚酰亚胺聚合物的制备方法，该制备方法具体如下：

步骤一，合成1,4-双(4-氨基-2-三氟甲基苯氧基)苯：

在干燥的150毫升三口烧瓶，将30克2-氯-5-硝基-三氟甲苯7.0克对苯二酚加到100毫升n,n′-二甲基乙酰胺中，搅拌回流，然后分批加入9.6克碳酸钾，以薄层色谱监控反应进度。待反应结束后，趁热抽滤，滤液倒入体积比2:1的120毫升甲醇/水混合液中，静置后抽滤，洗涤，得到浅黄色粗产物，将粗产物用甲醇/dmac混合溶液重结晶，获黄色的1,4-双(4-硝基-2-三氟甲基苯氧基)苯固体27.8克。

在干燥的150毫升三口烧瓶加入6毫升37％盐酸和18毫升80％乙醇，再加入8克1,4-双(4-硝基-2-三氟甲基苯氧基)苯，待混合均匀后，分批加入5克还原铁粉，加热回流4小时，抽滤，用乙醇中重结晶，在烘箱中80℃干燥过夜后得到纯净的二胺1,4双(4-氨基-2-三氟甲基苯氧基)苯6.3克。

步骤二，合成含氟聚酰胺酸：

在150毫升三口烧瓶中加入新蒸馏的有机溶剂n,n'-二甲基甲酰胺60毫升和6.3克1,4双(4-氨基-2-三氟甲基苯氧基)苯，搅拌混合均匀后，加入3,3',4,4'-二苯酮四酸二酐7.2克，搅拌反应4小时，得到淡黄色聚酰胺酸溶液。

步骤三，合成含氟聚酰亚胺聚合物：

将步骤二得到的淡黄色聚酰胺酸溶液在搅拌下加入适量乙酸酐和三乙胺，在氩气氛围中反应2-5小时后，将溶液倒入甲醇中，析出产品聚酰亚胺，重结晶干燥后，得到纯净含氟聚酰亚胺11.4克。

实施例3

本发明提供的所述含氟聚酰亚胺聚合物的制备方法，该制备方法具体如下：

步骤一，合成1,4-双(4-氨基-2-三氟甲基苯氧基)苯：

将48克2-氯-5-硝基-三氟甲苯，12克对苯二酚和150毫升n,n′-二甲基甲酰胺加入到干燥的150毫升三口烧瓶中，搅拌回流，然后分批加入17.5克碳酸钾，以薄层色谱监控反应进度。待反应结束后，趁热抽滤，滤液倒入体积比5:1的180毫升甲醇/水混合液中，静置后抽滤，洗涤，得到浅黄色粗产物，将粗产物用甲醇/dmf混合溶液重结晶，获黄色的1,4-双(4-硝基-2-三氟甲基苯氧基)苯固体47.2克。

在干燥的250ml三口烧瓶加入30毫升37％盐酸和90毫升50％乙醇，再加入47.2克1,4-双(4-硝基-2-三氟甲基苯氧基)苯，待混合均匀后，分批加入29克还原铁粉，加热回流4小时，抽滤，用乙醇中重结晶，在烘箱中80℃干燥过夜后得到纯净的二胺1,4双(4-氨基-2-三氟甲基苯氧基)苯38.9克。

步骤二，合成含氟聚酰胺酸：

在150毫升三口烧瓶中加入新蒸馏的有机溶剂n,n'-二甲基乙酰胺70毫升和6.3克1,4双(4-氨基-2-三氟甲基苯氧基)苯，搅拌混合均匀后，加入3,3',4,4'-二苯酮四酸二酐7.2克，搅拌反应4小时，得到淡黄色聚酰胺酸溶液。

步骤三，合成含氟聚酰亚胺聚合物：

将步骤二得到的淡黄色聚酰胺酸溶液在搅拌下加入适量乙酸酐和三乙胺，氮气氛围中反应3-6小时后，将溶液倒入甲醇中，析出产品聚酰亚胺，重结晶干燥后，得到纯净含氟聚酰亚胺10.8克。

检测实施例1-3制备的含氟聚酰亚胺聚合物的溶解性：

将传统聚酰亚胺聚合物和含氟聚酰亚胺聚合物分别制成颗粒状，取2克产品置于烧杯中，在真空烘箱中将聚酰亚胺聚合物烘至质量不再发生变化为止，冷却至室温后加入不同溶剂，在室温和加热条件下探究聚酰亚胺聚合物的溶解性能，传统聚酰亚胺聚合物与含氟聚酰亚胺聚合物在不同溶剂中的溶解情况探究结构如下表1。

表1含氟聚酰亚胺聚合物与传统聚酰亚胺聚合物溶解性比较

其中，++表示常温可溶解；+表示加热可溶解；－表示常温、加热都不溶解。

通过对表1的分析可知，传统聚酰亚胺聚合物的结构非常稳定，在无水乙醇、氯仿、四氢呋喃、nmp(n-甲基吡咯烷酮)、dmf(二甲基甲酰胺)、dmac(二甲基乙酰胺)、dmso(二甲基亚砜)等溶剂中都不溶解，其主要是原因是二酐与二胺分子反应形成结构稳定的聚酰亚胺环，而聚酰亚胺环结构规整、对称，刚性很大，一般的溶液、溶剂难以进入聚酰亚胺分子内部，因此传统聚酰亚胺聚合物难以在溶剂中溶解。

而本发明提供的含氟聚酰亚胺聚合物，在常温下即可在dmf、dmac、dmso、氯仿等溶剂中溶解，通过加热，可以在nmp、无水乙醇、四氢呋喃中溶解，可见，含氟聚酰亚胺聚合物的溶解性能有显著的提高，主要原因是含氟聚酰亚胺聚合物结构中的三氟甲基能增加聚合物分子间的距离，使得小分子溶剂扩散到聚合物分子中，提高含氟聚酰亚胺聚合物的溶解性能。

实施例1-3制得的含氟聚酰亚胺聚合物的结构如图1和2所示，热稳定性如图3所示。

由于三种不同实施方法制备的含氟聚酰亚胺聚合物性能差异不大，主要是产率上有所区别，因此其热稳定性以其中实施例1为例进行测定，使用tg209f3型热重分析仪测定含氟聚酰亚胺聚合物的热重曲线，测试结果如图3所示。

由图3分析可知，含氟聚酰亚胺聚合物的热分解可分为三个阶段：第一阶段，在380℃之前，含氟聚酰亚胺聚合物的质量变化较小，体现了含氟聚酰亚胺聚合物的良好耐热性能，在经受较高温度下仍能保持各项性能；第二阶段，在400-640℃温度范围内，随着温度的逐渐升高，含氟聚酰亚胺聚合物的质量迅速减少，说明含氟聚酰亚胺聚合物在此范围内已经逐渐分解；在650℃以后，含氟聚酰亚胺聚合物的质量已经不随温度的增加而减少，最终剩余的质量为含氟聚酰亚胺聚合物燃烧后残留物。

实施例1-3制备的含氟聚酰亚胺聚合物的光学性能如图4所示：

由于三种不同实施方法制备的含氟聚酰亚胺聚合物性能差异不大，主要是产率上有所区别，因此其热稳定性以其中实施例2为例进行测定，使用zf-20d型紫外-可见分光光度计(uv-vis)测定含氟聚酰亚胺聚合物的光学透明性，经过测试得到如图3所示的结果。

本发明还提供了一种聚酰亚胺复合薄膜，由所述的含氟聚酰亚胺聚合物制备而成。

由图4分析可以知道，所述含氟聚酰亚胺复合薄膜的截止波长为308nm，在405nm至800nm的波长范围内，含氟聚酰亚胺聚合物的透光率都超过了80％，与传统聚酰亚胺聚合物相比，透光率有显著提高，较高的光学透过率对含氟聚酰亚胺复合薄膜的应用有显著提高。

本发明提供的含氟聚酰亚胺聚合物结构中的三氟甲基体积较大，能减弱苯环的共轭效应，对分子的引力减弱，分子间距增大，当光线照射到含氟聚酰亚胺复合薄膜上时，有更多的光分子透过薄膜，而体现到含氟聚酰亚胺聚合物的透光率增加，使含氟聚酰亚胺聚合物拥有更好的光学性能。

由于三种不同实施方法制备的含氟聚酰亚胺聚合物性能差异不大，主要是产率上有所区别，因此其介电常数测定以其中实施例3进行测定，将所得含氟聚酰亚胺复合薄膜裁出1×1cm样片，利用离子溅射仪在样片两面喷金后进行介电性能测试，结果显示此含氟聚酰亚胺复合薄膜在室温100hz条件下的介电常数16.82，介电损耗为1.25×10^-2，高于传统的没有含氟的聚酰亚胺聚合物3.44。因此，本发明提供的所述含氟聚酰亚胺复合薄膜可用于嵌入式电容器等电子器件中。

本发明的有益效果如下：

1、本发明提供的含氟聚酰亚胺聚合物具有很好溶解性，在常温下即可在dmf、dmac、dmso、氯仿等溶剂中溶解；

2、本发明提供的含氟聚酰亚胺聚合物具有良好的透光率；

3、本发明提供的含氟聚酰亚胺聚合物可应用于嵌入式电容器等电子器件中；

4、本发明提供的含氟聚酰亚胺复合薄膜的截止波长为308nm，在405nm至800nm的波长范围内，含氟聚酰亚胺聚合物的透光率超过80％；

5、本发明提供的含氟聚酰亚胺复合薄膜具有较好的热稳定性，在380℃之前，含氟聚酰亚胺聚合物的质量变化较小。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。