柔性OLED用高耐热聚酰亚胺薄膜的制备与性能

doi:10.7503/cjcu20220390

摘要/Abstract

摘要：

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.

关键词: 占吨酮, 超高玻璃化转变温度, 超低热膨胀系数, 柔性有机发光显示

Abstract:

The glass transition temperature（T_g） of greater than 450 ℃ and the coefficient of thermal expansion （CTE） between 0 and 5×10^-6 K^-1 are required for the application of polyimide（PI） films as flexible organic light- emitting display（OLED） substrates. In order to improve the thermal properties of PI films， a series of novel PI films was prepared by the copolymerization of homemade 2，7-diaminoxanthone（2，7-DAX） with pyromellitic acid dianhydride（PMDA） and 2-（4-aminophenyl）-5-aminobenzoxazole（BOA）. The aggregation structure， heat resistance， dimensional stability and mechanical properties of the films were investigated. The results show that the rigidity and linearity of PI molecular chain are improved by the structure of xanthone and benzoxazole， and the molecular chain is closely packed and oriented in the plane. The synthesized PI film has excellent comprehensive properties， with T_g>408 ℃， CTE between -5.0×10^-6 and 8.1×10^-6 K^-1， tensile strength>140 MPa， tensile modulus>4.2 GPa， the elongation at break between 7.1% and 20%， and the thermogravimetric decomposition temperature（T_5%） between 601 and 624 ℃. Among them， PI-50 and PI-60 films have ultra-high T_g（>450 ℃） and ultra-low CTE（2.1×10^-6 K^-1 and 1.6×10^-6 K^-1）， respectively. The PI films prepared have potential application prospects as flexible OLED substrate materials.

Key words: Xanthone, Ultra-high temperature of glass transition, Ultra-low coefficient of thermal expansion, Flexible organic light-emitting display

中图分类号:

O631

TrendMD:

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图/表 10

Table 1 Inherent viscosities of PAA and water absorption of the PI films

Sample	m∶n	Η_inh^*/（dL·g^-1）	W_A（%）
PI?0	100∶0	1.83	1.3
PI?20	80∶20	1.38	1.3
PI?40	60∶40	1.54	1.2
PI?50	50∶50	1.96	1.5
PI?60	40∶60	1.20	1.6
PI?80	20∶80	1.58	1.8
PI?100	0∶100	1.19	1.7

Fig.1 FTIR spectra of PI?0(a), PI?20(b), PI?40(c), PI?50(d), PI?60(e), PI?80(f) and PI?100(g)（A） 1000—2000 cm-1；（B） 700—4000 cm-1.

Fig.2 WAXD patterns of PI?0(a), PI?20(b), PI?40(c), PI?50(d), PI?60(e), PI?80(f) and PI?100(g)(A) and ordered degree of the samples(B)

Fig.3 Optimized structures of 2,7?DAX(A) and BOA(B)

Fig.4 DMA curves of PI?0, PI?20, PI?40, PI?50, PI?60, PI?80 and PI?100

Table 2 Thermal properties of the PI films

Sample	T_g^a /℃	InN₂^b		W_R（%）	10⁶CTE ^c /K^-1
Sample	T_g^a /℃	T_5%/℃	T_10%/℃	W_R（%）	10⁶CTE ^c /K^-1
PI?0	408	624	645	59	-4.9
PI?20	419	619	640	63	-5.0
PI?40	446	624	645	56	-4.2
PI?50	$>$ 450	614	637	62	2.1
PI?60	$>$ 450	610	635	63	1.6
PI?80	$>$ 450	601	628	62	5.3
PI?100	$>$ 450	608	635	61	8.1

Table 2 Thermal properties of the PI films

Sample	T_g^a /℃	InN₂^b		W_R（%）	10⁶CTE ^c /K^-1
Sample	T_g^a /℃	T_5%/℃	T_10%/℃	W_R（%）	10⁶CTE ^c /K^-1
PI?0	408	624	645	59	-4.9
PI?20	419	619	640	63	-5.0
PI?40	446	624	645	56	-4.2
PI?50	$>$ 450	614	637	62	2.1
PI?60	$>$ 450	610	635	63	1.6
PI?80	$>$ 450	601	628	62	5.3
PI?100	$>$ 450	608	635	61	8.1

Fig.5 TGA curves of PI?0(a), PI?20(b), PI?40(c), PI?50(d), PI?60(e), PI?80(f) and PI?100(g)

Fig.6 TMA curves of PI?0(a), PI?20(b), PI?40(c), PI?50(d), PI?60(e), PI?80(f) and PI?100(g)

Fig.7 Relationship between Tg and CTE of PI?0, PI?20, PI?40, PI?50, PI?60, PI?80 and PI?100

Table 3 Mechanical properties of the PI films

Sample	Tensile strength/MPa	Tensile modulus/GPa	Elongation at break（%）
PI?0	258	6.5	13
PI?20	193	5.7	18
PI?40	164	4.7	10
PI?50	208	5.3	20
PI?60	192	5.5	15
PI?80	140	4.2	13
PI?100	164	5.7	7.1

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