柔性OLED用高耐热聚酰亚胺薄膜的制备与性能

聚酰亚胺(PI)薄膜作为柔性有机发光显示(OLED)基板材料应用时, 需要满足玻璃化转变温度(T_g)大于450 ℃和热膨胀系数(CTE)在0~5×10^-6 K^-1之间. 为了提高PI薄膜的热性能, 本文合成了2,7-占吨酮二胺 (2,7-DAX), 并将其与均苯四甲酸二酐(PMDA)和2-(4-氨基苯基)-5-氨基苯并噁唑(BOA)共聚制备了一系列新型PI薄膜. 研究了PI薄膜的聚集态结构、 耐热性能、 尺寸稳定性和力学性能. 结果表明, 占吨酮结构和苯并噁唑结构提高了PI分子链的刚性与线性, 使分子链在平面内紧密堆积与取向, 制备的PI薄膜综合性能优异, 玻璃化转变温度高于408 ℃, CTE在-5.0×10^-6~8.1×10^-6 K^-1之间, 拉伸强度大于140 MPa, 拉伸模量大于4.2 GPa, 断裂伸长率为7.1%~20%, 5%热失重分解温度(T_5%)在601~624 ℃之间. 其中, PI-50和PI-60薄膜具有超高玻璃化转变温度和超低热膨胀系数, T_g高于450 ℃, CTE分别为2.1×10^-6 K^-1和1.6×10^-6 K^-1. 制备的系列PI薄膜作为柔性OLED基板材料有潜在应用前景.     

新型含酯基结构的具有低线膨胀系数和吸水性的聚酰亚胺的合成

将2种主链中含有酯基结构的二胺单体:二(4-氨基苯基)对苯二甲酸酯(BPTP)和4-氨基苯基-4-氨基对苯甲酸酯(APAB),与几种常见的酸酐聚合,合成了一系列主链中含有酯基结构的新型聚酰亚胺膜材料.结果表明,所制备的聚酰亚胺薄膜表现出优良的热稳定性、机械性能和低吸水性,其中聚合物的表观玻璃化转变温度高达526℃,在空气和N2气气氛下5%的热失重温度分别在498和507℃以上,表明薄膜具有非常优异的热性能.由于聚合物主链中引入酯基结构而表现出低的线膨胀系数和吸水率.     

含二氮杂萘酮结构磺化聚酰亚胺共聚物的合成及其膜性能研究

将磺化二胺单体4,4′-二(4-氨基苯氧基)联苯-3,3′-二磺酸(BAPBDS),含二氮杂萘酮结构的二胺1,2-二氢-2-(4-氨基苯基)-4-[4-(4-氨基苯氧基)-苯基]-二氮杂萘-1-酮(DHPZDA)和1,4,5,8-萘四甲酸二酐(NTDA)进行缩合聚合反应,通过改变磺化二胺单体BAPBDS的含量,合成了一系列不同磺化度的聚酰亚胺(SPIs).采用FT-IR,1H-NMR表征了聚合物的结构,热重分析仪(TGA)研究了聚合物的耐热稳定性.以间甲酚为溶剂,通过溶液浇铸法成膜研究了该系列聚合物膜的性能.结果表明,与其它磺化聚酰亚胺相比,该系列磺化聚酰亚胺的溶解性以及在高温下(80℃)水解稳定性有较大提高.     

主链含邻位取代单元及吡啶环聚酰亚胺的合成与性能

以o-羟基苯乙酮、对氯硝基苯和苯甲醛为原料,通过亲核取代反应、改进的Chichibabin反应以及水合肼催化还原合成了一种新型含邻位取代单元及吡啶环的芳香二胺4-苯基-2,6-双[3-(4-氨基苯氧基)苯基]吡啶(o,p-PAPP).以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂,将o,p-PAPP分别与3,3',4,4'-二苯醚四羧酸二酐(ODPA)、2,2-双[4-(3,4-二羧基苯氧基)苯基]丙烷二酐(BPADA)、3,3',4,4'-二苯酮四甲酸二酐(BTDA)及均苯四甲酸二酐(PMDA)通过常规的两步法,合成了4种聚酰亚胺.用FTIR、DSC、TGA、XRD、溶解性测试、UV-Vis和荧光光谱对聚合物的结构和性能进行了表征.FTIR结果表明,所得的聚合物在1780,1720和1380cm-1左右出现了聚酰亚胺的特征吸收峰.实验所得的PI能很好地溶解于常见有机溶剂(如DMF,DMAC,DMSO,NMP,THF,CHCl3),在氮气氛中,PI的10%失重温度(T10)为444.2～467.5℃,800℃时的残余质量(Rw)为49.6%～58.3%.同时PI分子主链中的吡啶环结构使其具有良好的紫外光吸收性能,经HCl质子化后,在460 nm附近出现非常强的荧光发射峰.     

基于三蝶烯结构D3h对称性聚酰亚胺的合成及性能研究

以四氯邻氨基苯甲酸和蒽经Diels-Alder反应得到1,2,3,4-四氯三蝶烯,再经硝化、还原得到2,6-二氨基-13,14,15,16-四氯三蝶烯二胺单体.该二胺与双酚A二酐(BPADA)、六氟二酐(6FDA)和3,3’,4,4’-二苯甲酮四羧酸二酐(BTDA)经两步法缩聚得到系列聚酰亚胺.对2,6-二氨基-13,14,15,16-四氯三蝶烯二胺单体进行了1H-NMR,13C-NMR,FTIR表征,对所合成聚酰亚胺进行了1H-NMR、FTIR结构表征及溶解性、热性能、特性粘度、BET等测试.结果表明,含四氯三蝶烯结构的聚酰亚胺具有优异的溶解性,能溶于DMAc、DMF、NMP、THF、吡啶、间甲酚等有机溶剂,其中基于双酚A二酐和六氟二酐的聚酰亚胺在室温下能溶于氯仿中.聚合物具有良好的热性能,在0~300℃之间没有发现其玻璃化转变温度以及10%的热失重温度均高于500℃.聚合物可形成颜色较浅的透明薄膜,其中基于双酚A二酐的聚酰亚胺薄膜为无色透明.基于六氟二酐的聚酰亚胺BET比表面积为370 m2/g,是一种新型多孔聚合物.     

含聚醚链段聚酰亚胺膜的制备及气体分离性能

利用均苯四甲酸二酐（PMDA）与4,4’-二氨基二苯醚（ODA）和聚醚胺（PPO, Mn～2000）共聚合,合成聚酰胺酸前驱体,经热处理得到一系列含PPO链段的聚酰亚胺薄膜.研究了PPO链段的引入对薄膜结构及气体分离性能的影响.结果表明,在芳香族聚酰亚胺中引入柔性链段PPO有利于气体分子的传输.得益于PPO链段在分离膜内部形成的微相分离结构,气体分子在分离膜内的扩散系数随PPO含量的增加显著提升.当PPO含量为65 wt%时,PPO链段在分离膜内仍呈现非晶相,CO₂渗透系数高达131.61 Barrer,比PMDA/ODA均聚聚酰亚胺薄膜提高22倍.同时,得益于聚醚链段对CO₂独特的亲和作用,随着PPO含量的提高,分离膜对CO₂/N₂的分离系数由18.77提高至30.12.结果表明PPO链段的引入对于调控聚酰亚胺膜的结构和气体分离性能具有重要作用.     

萘乙炔基封端的含硅聚酰亚胺的制备与性能

为了获得兼具良好热性能和加工性能的聚酰亚胺树脂,设计合成了不对称二胺(3-氨基-苯基)-(4’-氨基-苯基)-乙炔(AMPA),含萘环的封端剂3-(萘-1-乙炔基)苯胺(NAA)以及含硅二酐双(3,4-二羧基苯基)二甲基硅烷二酐.为研究结构与性能的关系,引入4,4’-双邻苯二甲酸酐(ODPA)和间氨基苯乙炔(APA)为对照二酐和封端剂,制备了一系列分子链中含硅和内炔基团的聚酰亚胺树脂PI-Si-Ⅰ(以APA为封端剂)和PI-Si-Ⅱ(以NAA为封端剂),以及与之相对照的树脂PI-O-Ⅰ和PI-O-Ⅱ(二酐单体为ODPA). PI-Si树脂在常见溶剂如四氢呋喃中具有很好的溶解度,而PI-Si-Ⅱ树脂更是具有低的熔体黏度和100℃宽的加工窗口.热失重的结果显示固化树脂具有良好的耐热性能,5 wt%热失重温度(T_d5)在547℃左右,质量残留率在79%左右;热裂解分析结果表明在聚酰亚胺主链中引入的硅和内炔基团在高温环境中形成硅氧硅结构和苯环等刚性结构,从而提高树脂的耐热性.     

吡啶桥联的聚酰亚胺的合成与性能研究

以3,4-二甲基苯乙酮与3,5-双(三氟甲基)苯甲醛为原料,通过Chichibabin反应制备了吡啶桥联的四甲基化合物,该化合物再经氧化、脱水反应制备了主链含有吡啶环、侧链带有双三氟甲基取代苯侧基的新型含氟芳香族二酐单体,2,6双(3′,4′-二羧基苯基)-4-(3″-,5″-双三氟甲基苯基)吡啶二酐(6FDAPA).FT IR、NMR、质谱以及元素分析等测试结果表明,6FDAPA的结构与预期的相符.利用6FDAPA与另外一种不含氟的二酐单体2,6双(3′,4′二羧基苯基)4苯基吡啶二酐(DAPA)分别与含氟二胺单体,1,4双(2三氟甲基4氨基苯氧基)苯(6FAPB)通过两步热亚胺化法制备了两种聚酰亚胺(PI)薄膜.测试结果表明,6FDAPA6FAPB(PI2)与DAPA6FAPB(PI1)相比具有相近的耐热性能,玻璃化转变温度为280℃,起始热分解温度为580℃、700℃时的重量保持率64.5%.同时PI2具有更为优良的透光性,紫外可见光谱(UV Vis)测试表明,PI2与PI1薄膜在450nm处的透光率分别为85.7%与69.4%.     

含苯并咪唑基团聚酰亚胺的合成与表征

使用一种含有苯并咪唑基团的二胺单体2-(3-氨基苯基)-5-氨基苯并咪唑与二酐单体进行缩聚反应, 得到一系列聚酰亚胺薄膜, 并对该类薄膜的热性能和机械性能进行表征.结果表明, 该类薄膜具有较高的耐热性和良好的机械性能.同时, 二胺单体中氨基的相对位置赋予分子链以较高的弯曲性, 使该类聚酰亚胺具有较好的热塑性和较高的热膨胀系数.     

通过掺杂柔性二胺单体增强聚酰亚胺性能:分子动力学模拟

聚酰亚胺(PI)被视为一类以其卓越性能而闻名的高性能聚合物材料。传统聚酰亚胺的一个关键问题是其熔体的加工性能较差。在本研究中,设计了一种新的聚酰亚胺单体Am-Di,其特点是由氮原子连接的苯环组成的柔性结构。通过详尽的研究,我们对Am-Di掺杂到聚酰亚胺中对其玻璃化转变温度、均方位移、力学性能和相对介电常数等性质的影响进行了深入探讨。结果表明,在聚酰亚胺体系中,掺杂新型二胺可以加速聚酰亚胺分子链的运动,从而降低聚酰亚胺体系的玻璃化转变温度。在Am-Di掺杂量为20%的情况下,PI-20%表现出最高的弹性模量(4.505Gpa),比纯PI高1.2倍。此外,随着掺杂比例的增加,聚酰亚胺的相对介电常数降低。这些发现表明,Am-Di的掺杂对聚酰亚胺材料的性能具有积极影响,特别是在增强机械性能和调控电气性能方面,为进一步改进聚酰亚胺材料的设计和应用提供了有价值的见解。     

含硫杂环桥联的高折射率聚酰亚胺的合成与性能

合成了两种含硫杂环桥联的芳香族二胺单体,2,5-双(4-氨基苯硫基)噻吩(APST)以及2,5-双(4-氨基苯硫基)-1,3,4-噻二唑(BATT).分别采用这两种二胺单体与含硫二酐单体4,4′-双(3,4-二羧基苯硫基)二苯硫醚二酐(3SDEA)通过两步聚合法制备了两种聚酰亚胺(PI),PI-1(3SDEA-APST)与PI-2(3SDEA-BATT).系统研究了含硫杂环对PI耐热性能以及光学性能的影响.研究结果表明,与苯环相比,含硫杂环的引入在一定程度上降低了PI薄膜在可见光区(400～700nm)的光学透明性以及耐热稳定性.PI-1与PI-2薄膜的起始热分解温度(T5%)分别为418℃与466℃.PI薄膜在450nm处的透光率低于50%.但是含硫杂环的引入可以显著提高PI薄膜的折射率.PI-1与PI-2的折射率分别为1.7527和1.7490.两种材料的双折射均小于0.01.     

可溶性聚酰亚胺的制备及其在液晶显示器上的潜在应用

以3,5-二硝基苯甲酰氯和4-羟基联苯为原料,合成了功能性二胺单体3,5-二氨基苯甲酸联苯酯(DABBE).用此单体与3,3′-二甲基-4,4′-二氨基二苯甲烷(DMMDA)、3,3′,4,4′-二苯醚四甲酸二酐(ODPA)共缩聚,采用低温缩聚-化学亚胺化的方法,通过调节共聚物组成制备了5种聚酰亚胺(PI).利用FT-IR、NMR、UV-Vis与DSC等手段对合成二胺单体及聚酰亚胺进行了结构表征和性能测试;研究了其溶解性能、透光性能、取向性能和耐热性能.结果表明,5种聚酰亚胺均可溶于NMP、DMF等极性溶剂;对液晶分子取向时的预倾角随DABBE的比例增加而增大,可达1.8°.但当DABBE的比例增加时,PI的分子量降低,将影响其成膜性能.此外,实验所得的PI透过率大于80%,玻璃化转变温度在220℃以上.     

2,6-双[4-(4''''-氨基-苯氧基)苯甲酰基]吡啶的合成研究

通过芳香二胺和芳香二酐的缩聚反应,能够得到以酰亚胺环为结构特征的芳杂环聚合物、即聚酰亚胺.因其突出的耐热性能及优异的综合性能,聚酰亚胺已被广泛用于航天航空、国防以及微电子器件封装等高精尖技术领域[1,2].对于聚酰亚胺的合成、加工及应用性能的改进而言,所用芳香二胺或芳香二酐单体分子的组成与结构将具有决定性作用,故含有特定组成与结构新单体的设计与合成是十分重要的.考虑到吡啶环具有较高的耐热、耐氧化稳定及其与极性溶剂的亲和性[3],以及本实验室近年来在吡啶环单体合成方面的研究积累[4,5],本文应用傅-克酰基化反应、苯的亲核取代及还原反应原理,按Scheme 1所示设计路线,合成了聚合级的含有柔性醚键与极性羰基的新型含吡啶环二胺单体,即2,6-双[4-(4'-氨基-苯氧基)苯甲酰基]吡啶,其组成与结构已通过FT-IR,NMR,MS及元素分析证实.     

含叔丁基/异丁基二胺的可溶性透明聚酰亚胺的合成与性能

通过分子设计合成了异丁基桥联2-叔丁基苯胺的新型二胺单体4,4′-(2-异丁基)双(2-叔丁基苯胺), 并将其分别与4种商品化芳香族二酐经高温“一步法”缩聚制得了系列聚酰亚胺(PI)树脂. 采用多种测试手段研究PI的结构和性能, 结果表明, 该系列新型聚酰亚胺不但可溶于N-甲基吡咯烷酮及N,N-二甲基甲酰胺等高沸点溶剂, 而且在乙酸乙酯和三氯甲烷等低沸点溶剂中也具有良好的溶解性. 该系列PI保持了良好的热稳定性, 在N₂中5%热失重温度均在480 ℃以上, 玻璃化转变温度(T_g)介于307~356 ℃之间. 经溶液刮涂制得的PI薄膜具有良好的光学透明性, 在可见光区平均透过率可达82.3%~89.1%, 截止波长介于313~363 nm之间. 同时, 该系列PI薄膜还具有良好的机械性能和疏水性, 有望应用于光伏发电及柔性显示等领域.     

共聚结构和分子量对热塑性聚酰亚胺树脂熔融与耐热性能的影响

基于具有刚性主链结构的4,4'-(六氟亚异丙基)双邻苯二甲酸酐/对苯二胺(6FDA/p-PDA)树脂体系, 通过共聚引入间苯二胺(m-PDA)、 4,4'-二氨基-2,2'-双三氟甲基联苯(TFDB)和9,9'-双(4-氨基苯基)芴(BAFL)等主链刚性且兼具大自由体积特性的芳香二胺, 以非反应性封端剂邻苯二甲酸酐(PA)对分子量进行调控, 设计制备了系列分子量可控的热塑性聚酰亚胺(TPI)树脂. 系统研究了共聚结构和分子量对TPI树脂熔融性能和耐热性能的影响, 构建了聚合物的聚集态结构与树脂熔融性能的对应关系, 并对树脂的室温和高温力学性能进行了评价. 研究结果表明, 大自由体积的芳香二胺共聚结构的引入可有效降低分子链堆砌密度, 增大聚合物的自由体积, 从而赋予树脂良好的熔融性能. 降低设计分子量可进一步改善树脂的熔融加工性. 这类具有刚性主链结构的TPI树脂兼具优异的耐热性能和力学性能, 树脂的玻璃化转变温度在308~338 ℃之间, 以TFDB和BAFL共聚制备的TPI-C-25K和TPI-D-25K树脂表现出高强高韧的特性, 拉伸和弯曲强度分别超过120 MPa和190 MPa, 断裂伸长率大于8.2%, 并且在250 ℃高温下表现出良好的耐热稳定性.     

侧链含邻苯二甲酰亚胺的聚酰亚胺液晶垂直取向剂的制备与表征

以邻苯二甲酰亚胺和溴代正辛烷为原料,合成了功能性二胺单体N-辛基-4(3,5-二氨基苯甲酰基)-氨基邻苯二甲酰亚胺(D8).用此单体与3,3’-二甲基-4,4’-二氨基二苯甲烷(DMMDA)、3,3’,4,4’-二苯醚四甲酸二酐(ODPA)共缩聚,采用低温缩聚-化学亚胺化方法,通过调节共聚物组成制备了5种聚酰亚胺(PI).利用FTIR、NMR、UV-Vis与DSC等手段对合成的二胺单体及聚酰亚胺进行了结构表征和性能测试;研究了其摩擦取向性能、透光性能、溶解性能和耐热性能.结果表明,5种聚酰亚胺均可溶于常见极性溶剂,如NMP、THF等;随着D8含量的增加,PI膜对液晶分子取向时的预倾角逐渐增大至垂直,当D8含量大于20%,且经过5次摩擦后,预倾角仍能保持在89°以上.此外实验所得PI透过率大于80%,玻璃化转变温度在260℃以上.     

含四芳基咪唑结构的热重排气体分离膜的制备与性能研究

合成了一种新型含四芳基咪唑结构的二胺单体4,4’-(4,5-二苯基-(3-羟基-4-氨基苯氧基)苯基)咪唑(PMAPPP),然后分别与5种二酐单体聚合,经热酰亚胺化处理得到含羟基聚酰亚胺(HPI)薄膜.接着,对这些薄膜进行450℃热处理,得到相应的热重排(TR)膜材料,并对薄膜进行了结构与性能表征.结果表明,刚性大体积四芳基咪唑结构的引入使HPI膜表现出优异的热性能和力学性能,玻璃化转变温度在263～361℃,拉伸强度在98.4～118.3 MPa.热重排后,TR膜的气体分离性能得到了显著提高.其中,TR(PMAPPP-6FDA)的气体渗透性能最佳,即H₂ (269.31 Barrer)、CO₂ (284.25 Barrer)、O₂ (62.75 Barrer)和N₂(10.67 Barrer),CO₂/N₂和O₂/N₂的理想选择性分别为25.24和5.88,且O₂/N₂     

含三苯胺侧基结构的聚酰亚胺及其光致发光性能研究

通过分子结构设计,合成了2种结构相似、电子效应明显不同的含三苯胺结构二胺单体TPNDA和TPCDA.所制备的2种二胺单体分别与2种芳香型二酐(BPADA、HQDPA)进行聚合反应,并通过热酰亚胺化法制备得到4种新型聚酰亚胺薄膜.研究结果显示,4种聚酰亚胺薄膜均表现出优异的热稳定性,在紫外光照射下,含TPNDA结构的聚酰亚胺(TPNBPI、TPNHPI)没有呈现荧光特性,而含TPCDA结构的聚酰亚胺(TPCBPI, TPCHPI)均可发明显的橙色荧光.对模型化合物的理论计算结果表明,共轭的TPNDA体系及不共轭的TPCDA体系均应为跃迁禁阻的不发光体系.进一步的研究表明,含TPCDA结构的聚酰亚胺体系的发光性质主要源于以下两方面原因:(1)与N原子相比,sp3的碳原子隔断了三苯胺结构与聚合物主链酰亚胺环的共轭性,有利于消除聚酰亚胺分子内电荷转移效应对三苯胺(TPA)侧基的影响;(2)相对独立的侧基TPA可与聚酰亚胺分子主链之间发生强的分子间相互作用,该相互作用可导致该体系发射较强的橙色荧光.其最大发射发光波长红移达184 nm,且发光强度明显增强.     

高折射率高透明性半脂环聚酰亚胺的合成与性能

采用脂环二酐单体2,3,5-三羧基环戊烷基乙酸二酐(TCAAH)分别与两种含硫芳香族二胺单体,4,4′-双(4-氨基苯硫基)二苯硫醚(3SDA)与2,7-双(4-氨基苯硫基)噻蒽(APTT)通过两步法制备了两种半脂环聚酰亚胺(PI).制备的PI薄膜在可见光波长范围内(400~700 nm)具有优良的透明性,400 nm处的透过率超过85%.此外,该系列薄膜还具有良好的耐热稳定性,氮气中的起始热分解温度超过480℃,玻璃化转变温度超过250℃.PI薄膜在632.8 nm处的折射率大于1.68,双折射小于0.006.为了进一步提高PI薄膜的折射率,初步考察了PI前体溶液聚酰胺酸(PAA)与高折射率无机TiO2纳米粒子的复合工艺.结果表明,PI-TiO2薄膜同样具有良好的透明性,632.8 nm处的折射率达到1.76.     

含酰胺结构超低膨胀聚酰亚胺薄膜的热膨胀行为

采用联苯二酐与3种含酰胺结构二胺制备了具有不同取代基团的聚酰胺-酰亚胺薄膜,考察了酰胺结构对薄膜力学、耐热及尺寸稳定性的影响,研究了聚集态结构与薄膜热膨胀行为的关系和规律.该系列薄膜具有超高强度和优异的耐热性能,拉伸强度高达280. 5 MPa,玻璃化转变温度在389～409℃,并在30～300℃温度范围内表现出超低负膨胀,热膨胀系数(CTE,ppm/℃,即106cm·cm-1·℃-1)在-3. 05～-1. 74ppm/℃之间.聚集态分析结果表明,酰胺结构使分子链间形成了强氢键相互作用,分子链在薄膜面内方向高度有序取向,并在膜厚方向堆积更为紧密,使薄膜表现出热收缩现象.通过不同体积大小的取代基团进一步调控分子链间相互作用及排列堆积,可实现薄膜在高温下近乎零尺寸形变,为设计制备超低膨胀聚合物基板材料提供了新思路.