超低介电常数聚芳酯薄膜的制备及性能研究

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为了满足5G通信技术和半导体工业的市场需求,具有更低介电常数、更高耐热性的聚合物材料成为当前的研究热点。聚芳酯(polyarylate,PAR)是一种具有卓越性能的工程塑料,其主链上含有苯环和酯键,具有低介电、耐高温、低吸湿、尺寸稳定性等特性,因此被广泛应用于航空航天、军事、电子、医疗和汽车等领域。本文以制备高耐热、超低介电常数的聚芳酯薄膜为目标,引入含氟基团与大体积基团,通过界面缩聚法制备无定形聚芳酯,并着重考察它们的热性能和介电特性。在后续制备薄膜工艺中,通过相分离法引入微孔结构,制备出超低介电常数的多孔聚芳酯薄膜。并通过红外光谱、核磁共振氢谱、热失重、差示扫描量热法、动态热机械性能、扫描电镜等多种技术,对聚合物及其薄膜的结构和性能进行了系统的研究。研究结果主要包括:1.将2,2-双-(4-羟苯基)六氟丙烷(Bis AF)、双酚A(BPA)、间苯二甲酰氯(IPC)和对苯二甲酰氯(TPC)(摩尔比为1:4:2:3)进行界面缩聚,制备低介电常数的含氟聚芳酯PAR-F树脂。选择N-甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂,以溶剂NMP和非溶剂水混合溶液为凝固浴,采用相分离法引入微孔制备超低介电常数多孔聚芳酯薄膜。研究结果表明,随着凝固浴中水含量的上升,多孔薄膜中孔隙率增大,孔洞从海绵状孔逐渐发展成指状孔形态,使多孔薄膜的介电常数呈现线性下降,多孔薄膜在1MHz的介电常数最低可达1.38。但其力学性能与不含孔洞的聚芳酯薄膜相比有较大程度的下降。当凝固浴中水的含量为20%时(F1),薄膜的拉伸强度为12.8 MPa,弹性模量为0.29 GPa,玻璃化转变温度为223.4℃,介电常数为1.61,综合性能最佳。但其耐热性尚未达到层间介电材料250℃的使用要求。2.为提高聚芳酯薄膜的耐热性,将9,9-双(4-羟基苯基)芴(BHPF)、IPC和TPC(摩尔比为5:2:3)进行界面缩聚,制备低介电常数的双酚芴型聚芳酯PAR-B树脂,并采用相分离法制备耐热低介电常数多孔聚芳酯薄膜。研究结果表明,制备的改性薄膜具有不错的力学性能,同时也具有优异的介电性能(介电常数在1.52-1.71范围内)和优异的热学性能(玻璃化转变温度Tg为301℃)。与F系列聚芳酯薄膜相比,其介电常数的降低效果略为逊色。3.为制备耐热的超低介电常数聚芳酯薄膜,将Bis AF、BHPF、IPC和TPC进行界面缩聚,制备低介电常数的聚芳酯树脂。研究了Bis AF和BHPF的不同摩尔比对聚合物及其薄膜结构和性能的影响。研究表明,Bis AF的含量越多,聚合物的介电常数越低;BHPF的含量越多,聚合物的耐热性越好。其中Bis AF和BHPF的比例为60:40的聚芳酯(P3)的介电常数仅2.03,小于第二章中合成的含氟聚芳酯PAR-F,介电损耗为0.027;其热性能比PAR-F明显提高,玻璃化转变温度高达259.8℃;保持了较好的力学性能,拉伸强度为56.7 MPa。因此我们选用P3进一步进行多孔薄膜的制备及性能研究。4.选用综合性能最好的聚合物P3(Bis AF:BHPF=60:40),采用相分离法引入微孔制备耐热超低介电常数多孔聚芳酯薄膜P3-1至P3-5。研究发现,P3-1至P3-5的Tg均在250℃以上;随着凝固浴中水含量的增加,介电常数从1.65逐渐下降至1.42,介电损耗在0.49×10-2-1.08×10-2范围内。综上所述,氟原子和大体积基团芴的同时引入,并结合相分离法在薄膜中引入孔洞,实现了聚芳酯薄膜介电常数的大幅度降低,其热学性能也得到了提升,制备出了超低介电、高耐热的聚芳酯薄膜。这种薄膜是一种优秀的5G材料,赋予了其在高频信号传输中卓越的介电性能和热学性能,在5G材料领域有着广阔的应用前景。
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