Preparation and Properties of High Heat-resistant Polyimide Films for Flexible OLED

doi:10.7503/cjcu20220390

Abstract

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

CLC Number:

O631

TrendMD:

JIAO Long, DAI Xuemin, MU Jianxin, DU Zhijun, WANG Hanfu, DONG Zhixin, QIU Xuepeng. Preparation and Properties of High Heat-resistant Polyimide Films for Flexible OLED[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220390.

Figures/Tables 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

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

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

References 37

1	Magliulo M.， Mulla M. Y.， Singh M.， Macchia E.， Tiwari A.， Torsi L.， Manoli K.， J. Mater. Chem. C， 2015， 3（48）， 12347—12363
2	Liao C.， Zhang M.， Yao M. Y.， Hua T.， Li L.， Yan F.， Adv. Mater.， 2015， 27（46）， 7493—7527
3	Gupta S. K.， Jha P.， Singh A.， Chehimi M. M.， Aswal D. K.， J. Mater. Chem. C， 2015， 3（33）， 8468—8479
4	Hasegawa M.， Hoshino Y.， Katsura N.， Ishii J.， Polymer， 2017， 111， 91—102
5	Gao X. Y.， Lin L.， Liu Y. C.， Huang X. Q.， J. Disp. Technol.， 2015， 11（8）， 666—669
6	Chen H. Q.， Dai F. N.， Wang M. X.， Chen C. H.， Qian G. T.， Yu Y. H.， J. Polym. Sci.， 2021， 59（10）， 833—842
7	Qian G. T.， Dai F. N.， Chen H. Q.， Wang M. X.， Hu M. J.， Chen C. H.， Yu Y. H.， J. Polym. Sci.， 2021， 59（6）， 510—518
8	Chen H. Q.， Dai F. N.， Hu M. J.， Chen C. H.， Qian G. T.， Yu Y. H.， J. Polym. Sci.， 2021， 59（17）， 1942—1951
9	Yang Z. H.， Ma P. C.， Li F. R.， Guo H. Q.， Kang C. Q.， Gao L. X.， Eur. Polym. J.， 2021， 148， 110369
10	Shi S.， Yao L.， Ma P.， Jiao Y.， Zheng X.， Ning D.， Chen M.， Sui F.， Liu H.， Yang C.， Li W.， Mater. Today Energy， 2021， 20， 100640
11	Wang H. Y.， Liu T. J.， Liu S. F.， Jeng J. L.， Guan C. E.， J. Appl. Polym. Sci.， 2011， 122（1）， 210—219
12	Ou X. H.， Chen S. S.， Lu X. M.， Lu Q. H.， Compos. Commun.， 2021， 23， 100549
13	Cheng S. W.， Huang T. T.， Tsai C. L.， Liou G. S.， J. Mater. Chem. C， 2017， 5（33）， 8444—8453
14	Jiao L.， Song Y. Y.， Li Y.， Sun N. W.， Chen C. H.， Zhao X. G.， Dang G. D.， Chem. J. Chinese Universities， 2014， 35（10）， 2281—2284
	矫龙，宋永要，李岩，孙宁伟，陈春海，赵晓刚，党国栋. 高等学校化学学报， 2014， 35（10）， 2281—2284
15	Bai L.， Zhai L.， Wang C. O.， He M. H.， Mo S.， Fan L.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（4）， 795—802
	白兰，翟磊，王畅鸥，何民辉，莫松，范琳. 高等学校化学学报， 2020， 41（4）， 795—802
16	Liu T. Q.， Zheng F.， Ma X.， Ding T. M.， Chen S.， Jiang W.， Zhang S. Y.， Lu Q.， Polymer， 2020， 209， 122963
17	Liu T. Q.， Zheng F.， Ding T. M.， Zhang S. Y.， Lu Q.， Polymer， 2019， 179， 121612
18	Lian M.， Lu X. M.， Lu Q. H.， Macromolecules， 2018， 51（24）， 10127—10135
19	Hasegawa M.， Hishiki T.， Polymers， 2020， 12（4）， 859
20	Zhuang Y. B.， Liu X. Y.， Gu Y.， Polym. Chem.， 2012， 3（6）， 1517
21	Luo L. B.， Yao J.， Wang X.， Li K.， Huang J. Y.， Li B. Y.， Wang H. N.， feng Y.， Liu X. Y.， Polymer， 2014， 55（16）， 4258—4269
22	Jiao L.， Du Z. J.， Dai X. M.， Wang H. F.， Yao H. B.， Qiu X. P.， Polymer， 2022， 247， 124792
23	Hasegawa M.， Horii S.， Polym. J.， 2007， 39（6）， 610—621
24	Bai L.， Zhai L.， He M. H.， Wang C. O.， Mo S.， Fan L.， Chinese J. Polym. Sci.， 2019， 38（7）， 748—758
25	Trofimenko S.， Auman B. C.， Macromolecules， 1994， 27（5）， 1136—1146
26	Song G. L.， Wang D. M.， Zhao X. G.， Dang G. D.， Zhou H. W.， Chen C. H.， High Perform. Polym.， 2012， 25（3）， 354—360
27	Godockova E.， Balaz P.， Boldizarova E.， Hydrometallurgy， 2002， 65（1）， 83—93
28	Lian M.， Zheng F.， Wu Q.， Lu X. M.， Lu Q. H.， Polym. Int.， 2019， 69（1）， 93—99
29	Qian G. T.， Chen H. Q.， Song G. L.， Dai F. N.， Chen C. H.， Yao J. N.， Polymer， 2020， 196， 122482
30	Jiao L.， Du Z. J.， Dai X. M.， Wang H. F.， Dong Z. X.， Yao H. B.， Qiu X. P.， Eur. Polym. J.， 2022， 173， 111260
31	Jiao L.， Zhang Y. N.， Du Z. J.， Dai X. M.， Wang H. F.， Dong Z. X.， Yao H. B.， Qiu X. P.， J. Polym. Sci.， 2022， 60， 2454—2464
32	Hu J. H.， Li R. K.， Chen C.， Lu Z.， Zeng K.， Yang G.， Polymer， 2018， 146， 133—141
33	Hu J. H.， Chen C.， Yang F.， He B.， Lu Z.， Li R. K.， Yang G.， Zeng K.， Polymer， 2018， 146， 407—419
34	Hu J. H.， Wang Z. P.， Lu Z.， Chen C.， Shi M.， Wang J. B.， Zhao E. J.， Zeng K.， Yang G.， Polymer， 2017， 119， 59—65
35	Bao F.， Zhang R.， Dong Z. X.， Qi F. L.， Cai Y. C.， Dai X. M.， Ji X. L.， Qiu X. P.， Polymer， 2021， 231， 124113
36	Luo L. B.， Zhang J.， Huang J. Y.， Feng Y.， Peng C. R.， Wang X.， Liu X. Y.， J. Appl. Polym. Sci.， 2016， 133， 44000
37	Wang Z. H.， Chen X.， Yang H. X.， Zhao J.， Yang S. Y.， Chinese J. Polym. Sci.， 2018， 37（3）， 268—278

[1]	Xuan Tian, XiuZhi Xu, Huiying Zhan, Aili Wang. Two New O- and C-glycosylxanthones from the Gentiana tizuensis Franch [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2001, 22(S1): 148.
[2]	YANG Jian-Wen, YANG Xiao-Mao, CHEN Yong-Lie . Effect of Methyl Substitution on Polyhydroxyamine-linked Thioxanthones Photoinitiator [J]. Chem. J. Chinese Universities, 1999, 20(12): 1965.