低热膨胀系数聚酰亚胺薄膜的制备与性能

作     者：宋超然 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐勇

授予年度：2018年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0702[理学-物理学] 

主      题：聚酰亚胺薄膜 低CTE 无机填料改性 高温热处理 多元共聚 

摘      要：近年来,随着柔性电路、柔性显示等技术的迅速发展,要求电子产品所用的聚合物基底材料在耐高温、低介电损耗、高力学强度、低热膨胀系数(CTE)等方面的性能进一步提高。聚酰亚胺(PI)材料具有优异的综合性能,在微电子行业有着广泛的应用。然而,传统聚酰亚胺薄膜的CTE值偏高,在很大程度上限制了其在柔性电子设备上的应用。因此在保持材料良好综合性能的同时,降低聚酰亚胺薄膜的CTE值是这类材料发展的重要方向。本文主要通过无机填料共混、高温热处理、多元共聚等方法制备低CTE且综合性能优异的聚酰亚胺薄膜材料。首先以PMDA-ODA型PI作为聚酰亚胺基体,分别选用云母、海泡石两种硅酸盐和三种不同的Si02作为填料制备复合薄膜,然后在综合性能最佳的PI/SiO2复合膜的基础上,对其进行不同温度的高温热处理,以期进一步降低薄膜的CTE,同时探究最佳热处理温度。后期则通过多元共聚的方法,分别制备出PMDA-ODA-PDA、PMDA-TPEQ-PDA、PMDA-ODPA-PDA 及 PMDA-BPDA-PDA 型聚酰亚胺薄膜,探究刚性单体的种类及用量对聚酰亚胺薄膜的性能特别是CTE的影响,并探讨了聚酰亚胺主链结构的刚性与CTE之间的关系。利用红外光谱(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、偏光显微镜、静态热机械分析仪(TMA)、热失重分析仪(TGA)、阻抗分析仪、万能拉力试验机、绝缘电阻测试仪等手段研究了聚酰亚胺薄膜的化学结构、聚集状态、表面形貌、尺寸稳定性、热稳定性、介电性能、力学性能、吸水率、绝缘性等性能。结果表明:云母和海泡石两种硅酸盐填料的引入都能降低聚酰亚胺的CTE,但CTE下降幅度并不大,且这类复合膜的力学性能、热性能明显下降;使用三种Si02作为填料可有效降低PI薄膜的CTE,且能保持较好的力学性能和热性能,当KH570改性的Si02的含量为15%时,所得复合膜综合性能最佳,力学性能、热性能、电性能良好,CTE为23.38×10-6·k-1,能基本满足柔性线路板的需求;选择性能最好的PI/Si02复合膜进行高温热处理,可以进一步改善材料的CTE、力学性能和热稳定性,当热处理温度为380℃时,PI薄膜的拉伸强度为117.68MPa,To.05为556.3℃,电学性能和吸水性优异,其CTE降至18.25×10-6·k-1,与铜箔CTE相当,可以很好的应用于柔性电路板行业;随PDA含量的增加,PMDA-ODA-PDA和PMDA-TPEQ-PDA型PI的CTE均显著降低,当n(TPEQ):n(PDA)=2:8 时,PMDA-TPEQ-PDA 型 PI 的拉伸强度为 124.49MPa,T0.05 为506.3℃,综合性能良好,CTE值最低,为12.63×10-6·k-1,但CTE仍高于硅材料;PMDA含量的增加可明显降低PMDA-ODPA-PDA及PMDA-BPDA-PDA型PI的CTE值,且赋予薄膜优异的力学性能和耐热性。当n(BPDA):n(PMDA)=4:6时,PMDA-BPDA-PDA型PI的综合性能最优,拉伸强度为159.70 MPa,T0.05为582.3 ℃,介电常数为3.07,吸水率为0.73%,CTE值低至5.43× 10-6·k-1,与硅材料的CTE相当,尺寸稳定性高,在AMOLED等高性能柔性显示器件中应用潜力巨大。