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1、第3期高分子通报#1#综述脂环族聚酰亚胺及其液晶取向膜材料*刘金刚,何民辉,王佛松,杨士勇(中国科学院化学研究所,分子科学中心,工程塑料国家重点实验室,北京100080)摘要:综述了近年来在脂环族聚酰亚胺领域内的研究进展。从单体的合成方法和分类以及脂环族聚酰亚胺的合成方法和实际应用等几方面系统阐述了该领域的研究进展,并着重讨论了其作为液晶显示器取向膜材料中的应用。关键词:聚酰亚胺;脂环族单体;液晶显示器;取向膜自DuPont公司于20世纪50年代末申请了世界上第一个有关聚酰亚胺(PI)的专利以来,这类材料以其优异的耐热性能、
2、绝缘和介电性能、力学机械性能、耐化学腐蚀性能等而得到了广泛的应用。特别是近年来,随着高新技术领域的不断出现与快速发展,聚酰亚胺材料的应用领域不断扩[1]大、需求量不断提高。因此对于具有特定功能的聚酰亚胺材料的研究特别引人注目。在现代微电子技术和工业中,聚酰亚胺材料广泛地应用于电子元器件的封装、芯片的表面钝化、A-粒子阻挡[2~4]层等方面;在先进液晶显示技术(LCD)领域,聚酰亚胺成为广泛使用的液晶分子排列的取向[5~7][8~9]膜、负性补偿膜。随着聚酰亚胺材料在高新技术领域中应用范围的不断扩展,其性能和功能也需要不断提高
3、和扩展以满足技术进步对材料性能提出的更高要求。要求聚酰亚胺材料在保持其传统的优良性能的同时,还要具备一些特殊的功能。如集成电路(IC)工业中所用的芯片钝化层材料要求聚酰亚胺材料首先应该具有优良的电绝缘性能,同时还要求材料与基材具有良好的粘附性,可以遮挡可能对层下元器件造成损伤的化学物理粒子。再如IC的封装过程中存在一个400e的金属熔结工艺,要求所用薄膜绝缘材料必须可以经受这样的高温而不能引起电、化学及机械性能的劣化。(超)大规模集成电路为实现信号传递的高速化,要求所使用的介电和绝缘材料应具有尽可能低的介电常数和介电损耗,后
4、续封装过程中所用的材料要求应具有尽量小的吸湿性、热膨胀系[10~11]数(CTE)应与基材尽可能接近、尺寸稳定性能优异等。在LCD技术领域中要求聚酰亚胺取向膜对液晶分子具有一定的预倾角。对于液晶分子扭曲成90b的扭曲向列液晶显示器(TN-LCD),该角度需要1~3b;而对于液晶分子扭曲成180~270b的超扭曲向列液晶显示器(STN-LCD),该角度则[12]需要5~30b。对于薄膜晶体管(TFT)驱动的有源矩阵液晶显示器(AM-LCD)不仅要求聚酰亚胺取向膜对液晶分子的预倾角要稳定,同时为了防止过高的温度使微彩色滤光片发生
5、劣化,还要求聚[13]酰亚胺取向膜的固化温度要低(<180e),具有良好的透明性等。传统的芳香族聚酰亚胺材料已经很难满足这些性能要求,因此,人们对其进行了大量的基础性研究工作,从分子结构的设计开始,通过分子剪裁、组合技术研制出具有许多特殊功能的聚酰亚胺材料,极大地拓展了这类材料的资助项目:杰出青年基金(项目编号:59925310);作者简介:刘金刚(1973)),1999年硕士毕业于河北工业大学材料学院,同年考入中国科学院化学研究所,现为博士生,主要研究方向为液晶显示器用聚酰亚胺取向膜材料的研究与开发;*通讯联系人。#2#高
6、分子通报2001年6月应用领域。其中,针对芳香族聚酰亚胺材料所存在的缺点而研制脂环族聚酰亚胺材料是近年来的研究热点之一。脂环族聚酰亚胺材料由于分子结构中不存在(或存在较少)P电子,难以形成分子间及分子内的电荷转移络合物(CTC),因此具有颜色浅、介电常数低、溶解性好、折光指数低、光损耗小等优点,在液晶显示、光纤通讯等高新技术领域有着广泛的应用前景。1脂环族聚酰亚胺材料的研究状况脂环族聚酰亚胺材料是指聚合物链中含有脂环族链节或链段的聚酰亚胺材料,一般由脂环族有机四酸二酐或脂环族有机二胺通过缩聚反应得到。目前,对于脂环族聚酰亚胺
7、的研究主要集中在两方面,即全脂环族聚酰亚胺和部分脂环族聚酰亚胺。前者是指合成聚酰亚胺所用的有机二酐和有机二胺单体都含有脂环族结构,而后者则只是部分含有脂环族结构。由于脂环族单体化学和物理性质的特殊性,目前以后者的研究为多。111含脂环结构的有机四酸二酐和有机二胺单体相对于芳香族二酐和有机二胺单体而言,脂环族有机二酐和有机二胺的种类要少的多。目前已商业化或文献报道的相关单体主要如表1所示。这些单体的主要合成路线包括由相应的芳香族[14][15][16]单体进行氢化、通过相应的有机四酸进行脱水、通过Diels-Alder反应制备
8、等。表1中的全脂环族二酐和二胺单体的制备较主链含脂环单元的部分脂环结构二酐和二胺单体的制备要复杂,而且所制得聚酰亚胺的耐热稳定性等性能也有差别。一般来讲,由全脂肪族单体制备的聚酰亚胺材料在耐热性能方面不如由部分脂环族单体合成的材料。文献中对于后者的研究报道也较多。[17]112脂环族聚酰亚
