Закономерности одностадийного синтеза адамантансодержащих полиимидов в сульфолане

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Полиимиды активно применяют во многих областях, среди которых аэрокосмическая промышленность и автомобилестроение – области высоких технологий [1–8]. Однако так называемые ароматические ПИ-пленки, обычно желтого или темно-коричневого цвета, имеют плохой оптический коэффициент пропускания, обусловленный образованием комплекса с переносом заряда между электронодонорным фрагментом диамина и электроноакцепторным фрагментом диангидрида [9–11], что ограничивает их использование в микроэлектронике и оптоэлектронике.

Оптическую прозрачность ПИ можно улучшить введением в полиимидные цепи фторсодержащих заместителей, таких как трифторметильные, гексафторизопропильные или перфторгруппы [12–16] гибких связей [17–21], алифатической (алициклической) структуры [22–26], несимметричных звеньев [27, 28], метазамещенных структур [29, 30], объемных боковых групп [31–33] или некомпланарных структур [34, 35]. Среди приведенных стратегий самыми эффективными признаются введение трифторметильных и алициклических фрагментов в структуру полимера. Однако ПИ на основе фторсодержащих диаминов имеют слабую окраску, а низкая реакционная способность не дает возможности получать их с высокой молекулярной массой без использования катализатора, который, в свою очередь, способствует увеличению индекса цветности и уменьшению прозрачности ПИ-пленок [36]. Вместе с тем введение адамантансодержащих фрагментов в состав макромолекул повлечет за собой образование прозрачных бесцветных ПИ, при некотором ухудшении термических свойств. По мнению авторов работы [36], комбинирование адамантансодержащего и фторсодержащего диаминов в качестве сомономеров вызывает синергетический эффект и позволяет получать ПИ с высоким комплексом эксплуатационных характеристик.

Так, в работе [37] показано, что ведение адамантансодержащего диамина в структуру ПИ на основе диангидрида 6FDA и диамина TFBD по данным рентгеноструктурного анализа приводит к полному разупорядочиванию структуры, способствуя тем самым бóльшей прозрачности таких ПИ даже при добавлении адамантансодержащего мономера в количестве 20 мол. %. В работах [38–46] были изучены кинетические закономерности синтеза алициклосодержащих и кремнийсодержащих ПИ в м-крезоле, нитробензоле и в смеси N-метилпирролидон–толуол.

В настоящей работе для синтеза оптически прозрачных (со)полиимидов с высокими значениями приведенной вязкости предложено использовать смесь растворителей сульфолан–толуол. Цель работы – выявление закономерностей синтеза новых оптически прозрачных ПИ и изучение их свойств.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Использовали диангидрид(4,4′-изопропилидендифенокси)-бис-(фталевый ангидрид) – BPADA (1), который предварительно прогревали при температуре 200°С в течение 1 ч. Алициклические диамины 1,3-бисаминоэтиладамантан (2) и 1,3-бисаминометиладамантан (3) получали согласно методике [47].

1,3-Бисаминоэтиладамантан очищали вакуумной перегонкой (4 мм рт.ст.) при температуре 115–118°С. Содержание основного вещества по данным хромато-масс-спектрометрии составляло 97.5%.

ИК-спектр; ν, см^–1: 3361.2 (NH₂), 3288.0, 2928.7 (CH), 2855.7, 1608.9 (NH₂), 1453.2 (СН₂), 13954.5, 1362.0, 1347.5, 1317.0, 1292.8, 1278.0, 1260.0, 1185.0, 1148.0, 1105.0, 1098.0, 1070.0, 1054.0, 1021.0, 988.0, 970.0, 957.0, 940.0, 925.0, 810.0, 762.0, 718.0. Спектр ЯМР ¹Н; δ, м.д.: 0.93 (с., 4Н NH₂), 1.16–1.39 (м., 12H CH₂ Ad, 4H CH₂–CH₂–NH₂), 1.89 (с., 2H CH Ad), 2.63 (с., 4H CH₂–CH₂–NH₂). Масс-спектр (ЭУ, 70 эВ), m/z (I, отн. %): 179 (4.9), 135 (7.9), 30 (100).

1,3-Бисаминометиладамантан очищали вакуумной перегонкой (4 мм рт.ст.) при температуре 98–102°С. Содержание основного вещества по данным хромато-масс-спектрометрии составляло 99.95%.

ИК-спектр; ν, см^–1: 3338.2 (NH₂), 3308.0, 2930.4 (CH), 2909.4, 2853.7, 1616.9 (NH₂), 1453.2 (СН₂), 1384.5, 1362.0, 1347.5, 1317.0, 1292.8, 1273.0, 1250.0, 1200.0, 1186.0, 1150.0, 1142.0, 1105.0, 1098.0, 1068.0, 1046.0, 987.0, 977.0, 960.0, 943.0, 911.0, 810.0, 770.0, 706.0. Спектр ЯМР ¹Н; δ, м.д.: 0.88 (с., 4Н NH₂), 1.44–1.64 (м., 12H CH₂ Ad), 1.94 (с., 2H CH Ad), 2.27 (с., 4H CH₂–NH₂). Масс-спектр (ЭУ, 70 эВ), m/z (I, отн. %): 165 (22), 136 (12), 135 (100), 107 (7.1), 105 (4.1), 93 (23), 91 (7.2), 81 (7.8), 79 (28), 77 (7, 13), 57 (7).

В данной работе также задействовали коммерческие реагенты: 2,2′-бис-(трифторметил)бифенил-4,4′-диамин – TFDB (4) фирмы “BL Dpharm” (Китай) и м-фенилендиамин – MFD (5) фирмы “J&K” (Китай).

Растворители: толуол, N-метилпирролидон (МП), сульфолан и сим-тетрахлорэтан предварительно перегоняли в вакууме при 14 мм рт.ст., а ТГФ и CHCl₃ фирмы “CDH” (Китай) перегоняли под атмосферным давлением. Диамины 4 и 5 применяли без дополнительной очистки.

Для подтверждения структуры синтезированных мономеров и полимеров использовали ИК-фурье-спектрометр “Nicоlet 6700” фирмы “TermoElectron” (США) с приставкой “Smart Performer”, кристалл Zn–Ce, НПВО.

Спектры ЯМР ¹Н снимали на ЯМР-спектрометре “Varian” (США) “Mercury-300 ВВ”, внутренний стандарт – гексаметилдисилоксан, при частоте 300.73 МГц, растворитель ССl₄.

Масс-спектрометрические исследования осуществляли на хромато-масс-спектрометрическом комплексе на базе хроматографа “Кристалл-5000” фирмы “Хроматэк” (Россия).

В табл. 1 представлены обозначения для использованных мономеров и синтезированных полимеров.

 

Таблица 1. Обозначение диаминов для синтеза полиимидов на основе BPADA

Обозначение со(полиимида)	Диаминовый фрагмент
ПИ-1 ПИ-2 ПИ-3	1,3-BAEA 1,3-BAMA MFD
ПИ-4 СПИ	TFDB 1,3-BAEA (20 мол. %) + + TFDB (20 мол. %)

 

Методика синтеза полиимидов ПИ-1–ПИ-4 и СПИ

В трехгорлый реактор с рубашкой емкостью 250 мл, снабженный обратным холодильником, верхнеприводной мешалкой и насадкой Дина–Старка, при комнатной температуре загружали 90 мл сульфолана или МП и 45 мл толуола. Затем смесь растворителей прогревали до температуры синтеза (130, 135 или 140°С), после чего в колбы, с заранее взвешенными навесками по 0.027 моля диамина (диаминов в случае получения СПИ) и диангидрида добавляли по 10 мл смеси растворителей из реактора для их растворения. Полученные растворы диаминов термостатировали до температуры синтеза и одновременно вливали в реактор. При вливании наблюдали образование полиамидокислоты (ПАК) в виде белого осадка, который растворялся в зависимости от синтеза от 1 до 15 мин. Затем реакционную массу нагревали при температуре синтеза в течении 3 ч, отбирая пробы. После этого температуру синтеза повышали до 140°С и нагревали массу еще 3 ч. Образование имидной структуры подтверждали данными ИК-спектроскопии (рис. 1).

 

Рис. 1. ИК-спектры ПИ-1 для BPADA–1,3-BAEA (а), ПИ-2 для BPADA–1,3-BAMA (б), ПИ-3 для BPADA–MFD (в) и ПИ-4 для BPADA–TFDB (г) при синтезе в смеси сульфолан–толуол в начальной (1, спектр синего цвета) и конечной точке (2, спектр красного цвета) проведения кинетических исследований. Цветные рисунки можно посмотреть в электронной версии

 

Далее из реакционной массы упаривали толуол, а полученный вязкий раствор высаживали в 5-кратный избыток ацетона (в случае ПИ-4 – этанола). Выпавший осадок полиимида отфильтровывали, промывали ацетоном (в случае ПИ-4 – этанолом), переосаждали из ТГФ и сушили при 100°С в сушильном шкафу. Выход полимера составил 97–99% от теоретического.

СПИ при изменении соотношения исходных мономеров m и n получали аналогичным образом с учетом пересчета загрузки ингредиентов.

Методика проведения циклодегидратации адамантансодержащих полиамидокислот в смесях растворителей

Для проведения исследований с момента полного растворения ПАК в реакторе, из реакционной колбы через каждые 20 мин в ходе реакции циклизации при 130, 135, 140°С отбирали по 2 мл реакционной смеси. Отобранные образцы реакционных смесей охлаждали до комнатной температуры, записывали их ИК-спектры и с помощью программного обеспечения “TQ Analyst” фирмы “TermoElectron” (США) площади пиков ИК-спектров в областях 1780 и 1370 см^–1 в процессе имидизации. Исследование циклодегидратации ПАК в растворе в условиях азеотропной отгонки воды проводили по методике [38].

Долю зациклизованных амидокислотных групп βʹ рассчитывали по формуле βʹ = D_t / D_∞, где D_t и D_∞ – оптические плотности имидной полосы в области 1780 см^–1 соответственно в момент времени t и для полностью заимидизованной ПАК в растворе (прогретой дополнительно при 180°С в течение 3 ч).

Приготовление образцов полиимидных пленок

Для получения пленок и дальнейшего исследования их свойств использовали реакционный раствор синтезов, проводимых при самой высокой температуре 140°С (135°С в случае СПИ), после осуществления кинетических исследований реакционную массу нагревали дополнительно 3 ч при 140°С.

Образцы полиимидных пленок ПИ-1–ПИ-4 и СПИ толщиной 25–35 мкм получали методом полива рассчитанного количества приготовленного 15%-ного раствора полимера в смеси растворителей 1-метокси-2-(2-метоксиэтокси)этан : 2-MeTHF (80 : 20 об. %) на стеклянную подложку. Полученные полимерные покрытия на подложке постепенно нагревали в вакуумном шкафу до 80°С в течение 1 ч и выдерживали при этой температуре 1 ч. Далее температуру повышали до 150°С и образцы также выдерживали 1 ч. Сформированные пленки снимали со стекла после смачивания поверхности водой и сушили на воздухе при комнатной температуре до постоянной массы.

Метод испытания на одноосное растяжение выполняли на универсальной испытательной машине марки “Zwick/Roell” (5 кН) в соответствии с ГОСТ 142 36-81 (СТ СЭВ 1490-79). Для испытания на растяжение использовали образцы в форме прямоугольников длиной 100 мм, шириной 10 ± 0.2 мм, толщиной 0.4 ± 0.2 мм². Скорость испытания составляла 10 ± 0.1 мм/мин. Образцы помещали в зажимы, равномерно затягивали, чтобы происходило скольжение при испытании, после чего подвергали растяжению, и окончанием испытания являлся разрыв образца.

Оптические свойства полиимидных пленок изучали на спектрофотометре “СФ-56” фирмы “ОКБ Спектр” (Россия) путем измерения оптической прозрачности пленки в зависимости от длины волны в диапазоне от 180 до 1100 нм.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Растущий интерес к синтезу полиимидов, содержащих алициклические структуры, диктует необходимость определить их место в ряду диаминов, используемых в синтезе полиимидов.

Как было показано ранее в работе [41], лимитирующей стадией синтеза ПИ в растворе является стадия циклодегидратации образующейся ПАК. Поэтому для нахождения оптимальных условий проведения процесса имидизации синтезированных полиамидокислот в растворе сульфолан–толуол было выполнено кинетическое исследование циклодегидратации адамантансодержащих полиамидокислот ПАК-1–ПИ-4 при температуре 130–140°С.

Методом одностадийной высокотемпературной полициклизации были синтезированы ПИ по следующей схеме:

 

 

В процессе синтеза в растворе в смеси сульфолан–толуол при взаимодействии диаминов (1,3-BAEA, 1,3-BAMA, TFDB и MFD) с диангидридом (BPADA) происходит образование соответствующей полиамидокислоты, которая без выделения превращается в соответствующий полиимид. ИК-спектры полученных ПИ представлены на рис. 1. В данном случае толуол используется в качестве азеотропообразователя, что способствует лучшему отхождению воды в процессе циклодегидратации ПАК.

В качестве примера на рис. 2 показаны кинетические кривые, соответствующие циклизации полиамидокислот на основе диангидрида BPADA и диаминов 1,3-BAEA и TFDB при получении СПИ при температуре 135°С.

 

Рис. 2. Кинетические кривые имидизации СПИ на основе диангидрида BPADA и диаминов 1,3-BAEA (1) и TFDB (2) при 135°C

 

Линейные анаморфозы кинетических кривых взаимодействия диамина 1,3-BAEA с диангидридом BPADA показаны на рис. 3.

 

Рис. 3. Линейные анаморфозы кинетических кривых взаимодействия диамина 1,3-BAEA с диангидридом BPADA (ПИ-1) при температуре 130 (1), 135 (2) и 140 °С (3)

 

Как видно из представленных данных, более реакционноспособный адаманатансодержащий диамин 1,3-BAEA быстрее достигает 100%-ной степени имидизации по сравнению с менее реакционноспособным диамином TFDB (данный ПИ достигает 100%-ной степени имидизации к 240-й минуте).

Константы скорости циклизации амидокислотных звеньев синтезированных полимеров, рассчитанные по уравнению для реакций первого порядка [48, 49] по формуле k = –lnβ/t, где β = 1 – βʹ, представлены в табл. 2. Также проведено сопоставление кинетических данных, позволяющих оценить влияние химического строения ароматического и адамантансодержащего диаминов на скорость реакции циклодегидратации полиамидокислоты в соответствующий полиимид.

 

Таблица 2. Результаты кинетических исследований

Полимер	Диаминовый фрагмент ПИ	Заряд на атомах азота по Лоудину	Диангидридный фрагмент	Температура реакции, °С	k × × 10–5, с–1	Еа, кДж/ моль	А × × 10–5, с–1
ПИ-1 (сульфолан– толуол)		1 N = –0.391 16 N = –0.390		130 135 140	57.8 65.2 70.5	32.66	125.349
ПИ-1 (МП– толуол)		1 N = –0.391 16 N = –0.390		130 135 140	37.5 45.3 51.2	43.03	143.575
ПИ-2 (сульфолан–толуол)		1 N = 0.388 14 N = 0.387		130 135 140	27.8 31.3 37.5	41.05	58.297
ПИ-3* (сульфолан–толуол)		1 N = –0.316 7 N = –0.317		130 135 140	53.8 62.0 66.0	28.24	149.62
ПИ-4 (сульфолан–толуол)		1 N = –0.311 12 N = –0.311		130 135 140	31.3 34.7 38.2	27.30	65.01
СПИ (сульфолан–толуол)	(20%) (80%)	–		135	41.3	–	–

Примечание. Е_а – энергия активации, A – предэкспоненциальный множитель. *Приведен для сравнения.

 

Из табл. 2 видно, что константа скорости для ПИ-1 в смеси растворителей МП–толуол составила 37.5–51.2 с^–1, что ниже константы скорости для данного ПИ-1 при проведении синтеза в смеси сульфолан–толуол (57.8–70.5 с^–1). Это, вероятно, обусловлено более высоким значением дипольного момента μ = 4.90 Д и диэлектрической проницаемости ε = 43.3 сульфолана по сравнению с МП, для которого μ = 4.08 Д, ε = 33.3 [42]. Необходимо отметить, что сульфолан обладает высокой полярностью (E_T = 44 ккал/моль). Увеличение констант скорости поликонденсации в случае полиимидов, а также ряда других химических реакций при использовании среды с бóльшей диэлектрической проницаемостью и полярностью отмечалось и ранее [41, 43–46].

Таким образом, более высокие константы скорости циклодегидратации характерны для ПИ-1 на основе диамина 2, имеющего наибольшее значение величины заряда на атоме азота. Вместе с тем для этого ПИ значения Е_а выше (32.66 кДж/моль), чем для ароматических ПИ-3 (28.24 кДж/моль) и ПИ-4 (27.30 кДж/моль), имеющих наименьшее значение величин зарядов на атомах азота. Данный факт можно объяснить тем, что в ПИ на основе ароматических диаминов (4 и 5) значение энергии диссоциации связей NH в ПАК(–СОNH–) меньше, чем в ПИ на основе высокоосновных диаминов 2 и 3, демонстрирующих более высокое значение величин зарядов на атомах азота. Сопоставление зарядов на атомах азота диаминов 2 и 3 со значениями энергии активации процесса циклодегидратации ПАК для ПИ-1 и ПИ-2 позволяет предположить, что бóльший заряд на атоме азота диамина может приводить к повышению величины энергии диссоциации связей NH [41, 46].

Так, в работе [41] была показана взаимосвязь величин энергии диссоциации связей NH, рассчитанных на основе значений частот валентных и деформационных колебаний этих связей в ИК-спектрах диаминов, рК_а соответствующих диаминов и зарядов на атомах азотов. Сопоставление этих данных свидетельствует, что для адамантансодержащих диаминов повышение их реакционной способности коррелирует с повышением величины энергии диссоциации связей NH в ПАК. Бóльшее значение Е_а для ПИ-2 (41.05 кДж/моль), возможно, также связано со значительным влиянием конформационно жесткого адамантанового фрагмента в процессе образования оптимальных для дегидратации конформаций амидокислотных фрагментов ПАК (групп NH и СООН). Таким образом, меньшие стерические препятствия и меньший заряд на атомах азота соответствующих диаминов могут приводить к снижению Е_а в процессе образования имидных циклов. При этом адамантансодержащие диамины по сумме факторов оказываются более предпочтительными при циклодегидратации ПАК, так как константа скорости при их использовании увеличивается примерно в 1.5 раза.

Более глубокое изучение конформационных факторов может являться темой дальнейших исследований.

В настоящей работе также были рассмотрены оптические свойства синтезированных ПИ (табл. 3) и проведена оценка их физико-механических и термоокислительных свойств (табл. 4). Толщина исследуемых пленок составила 23–26 мкм.

 

Таблица 3. Оптические свойства синтезированных ПИ полиимидных пленочных образцов

Полимер	Растворитель	ηпр, дл/г	С400**, %	λcut-off***, нм	Индекс желтизны
ПИ-1 ПИ-2 ПИ-3* ПИ-4* СПИ	сульфолан–толуол МП–толуол сульфолан–толуол сульфолан–толуол сульфолан–толуол сульфолан–толуол	1.4 0.7 1.3 1.0 1.0 1.5	83 70 85 70 79 80	300 330 300 330 320 310	1.20 6.60 1.10 2.0 2.0 1.71

Примечание. *Приведены для сравнения. **Светопропускание ПИ при длине волны 400 нм. ***Длина волны отсечки.

 

Таблица 4. Физико-механические и термоокислительные свойства синтезированных ПИ полиимидных пленочных образцов

Полимер	Растворитель	σ, МПа	ε, %	Е, ГПа	σR**, МПа	T5%***, оС
ПИ-1	сульфолан–толуол МП–толуол	85 55	10 5	1.91 –	84 45	480 –
ПИ-2 ПИ-3* ПИ-4* СПИ	сульфолан–толуол сульфолан–толуол сульфолан–толуол сульфолан–толуол	80 95 90 90	5 10 10 10	1.53 2.17 1.61 2.13	79 90 90 85	500 554 520 510

Примечание. *Приведены для сравнения. **Разрушающее напряжение при разрыве. ***Термоокислительная устойчивость ПИ на воздухе.

 

Как видно, полученные ПИ-пленки характеризуются достаточно хорошими физико-механическими, термоокислительными и оптическими свойствами. При этом наибольшим светопропусканием и наименьшим индексом желтизны в представленном ряду обладает ПИ-2 на основе алициклического диамина 1,3-BAMA. ПИ-1, полученный в смеси МП–толуол, отличается значительно бóльшим индексом желтизны, меньшим светопропусканием, значением приведенной вязкости и физико-механическими характеристиками в сравнении с тем же ПИ, представленном в смеси растворителей сульфолан–толуол, что согласуется с предыдущими данными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложено использовать для одностадийного синтеза адамантансодержащих и ароматических ПИ смешанные растворители (МП–толуол и сульфолан–толуол). Установлено, что наиболее подходящей средой для синтеза адамантансодержащих ПИ является сульфолан–толуол. Данная смесь растворителей позволяет получать полимеры с высокими значениями приведенной вязкости (0.7–1.5 дл/г), хорошими оптическими свойствами (индекс желтизны 1.1–2.0). При этом термоокислительные и физико-механические свойства ПИ-пленок остаются на достаточно хорошем уровне. Показано, что высокая скорость реакции имидизации полиамидокислот в случае использования высокоосновных адамантансодержащих диаминов обусловлена как значением величины заряда на атоме азота, а следовательно, энергией диссоциации связи NH в образующейся ПАК, так и стерическими факторами.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (проект № FZUS-2023-0003 на основании соглашения № 075-03-2023-055 от 13.01.2023).

Исследования выполнены на оборудовании Центра коллективного пользования “Физико-химические методы исследования” Волгоградского государственного технического университета.

About the authors

А. М. Пичугин

Волгоградский государственный технический университет

Author for correspondence.
Email: alexandr.5420@yandex.ru
Russian Federation, Волгоград

Е. М. Сухарева

Волгоградский государственный технический университет

Email: alexandr.5420@yandex.ru
Russian Federation, Волгоград

А. Д. Дубинина

Волгоградский государственный технический университет

Email: alexandr.5420@yandex.ru
Russian Federation, Волгоград

Ю. М. Мкртчян

Волгоградский государственный технический университет

Email: alexandr.5420@yandex.ru
Russian Federation, Волгоград

А. О. Панов

Волгоградский государственный технический университет

Email: alexandr.5420@yandex.ru
Russian Federation, Волгоград

Е. А. Алыкова

Волгоградский государственный технический университет

Email: alexandr.5420@yandex.ru
Russian Federation, Волгоград

Е. Н. Савельев

Волгоградский государственный технический университет

Email: alexandr.5420@yandex.ru
Russian Federation, Волгоград

В. М. Светличный

Институт высокомолекулярных соединений Российской академии наук

Email: alexandr.5420@yandex.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

И. А. Новаков

Волгоградский государственный технический университет

Email: alexandr.5420@yandex.ru
Russian Federation, Волгоград

References

Supplementary files