聚酰亚胺-环氧树脂粘合剂及其制备和应用 【技术领域】
本发明属有机高分子粘合剂及其制备和应用领域，特别是涉及一种聚酰亚胺-环氧树脂粘合剂及其制备和应用。
背景技术
众所周知，环氧树脂具有许多优良的性能：(1)良好的粘接性能：粘接强度高，粘接面广，它与许多金属(如铁、钢、铜、铝、金属合金等)或非金属材料(如玻璃、陶瓷、木材、塑料等)的粘接强度非常高，有的甚至超过被粘材料本身的强度，因此可用于许多受力结构件中，是结构型粘合剂的主要成分之一；(2)良好的加工性能：环氧树脂配方的灵活性、加工工艺和制品性能的多样性是高分子材料中最为突出的；(3)良好的稳定性能：环氧树脂的固化主要是依靠环氧基的开环加成聚合，因此固化过程中不产生低分子物，其固化收缩率是热固性树脂中最低的品种之一，一般为1％-2％，如果选择适当的填料可使收缩率降至0.2％左右；固化后的环氧树脂主链是醚键、苯环、三维交联结构，因此具有优异的耐酸碱性。
因此，环氧树脂在国民经济的各个领域中被广泛应用：无论是高新技术领域还是通用技术领域，无论是国防军工还是民用工业，乃至人们的日常生活中均能看到它的踪迹。
目前，环氧树脂粘合剂体系也存在一些问题，如耐热性较低，远远不及芳杂环类聚合物体系(如聚酰亚胺、聚苯并咪唑、聚苯并噁唑、聚苯基喹噁啉、聚苯并噻唑等)，不能满足高温条件下的应用。
有关耐高温环氧粘合剂体系已经有所报道：中国专利CN101148656A公开一种耐高温无溶剂环氧胶粘剂的制备方法，其主要特征在于：TGDDM环氧树脂、氢化双酚A、固化剂、促进剂混合均匀，制得了耐高温无溶剂环氧胶粘剂。但其耐高温性能仍然有较大的局限性，未能满足许多高温环境下的实际应用。
中国专利CN101397486A公开了一种双组分无溶剂环氧树脂胶粘剂的制备方法，其主要特征在于：它包括A组分和B组分，其中A组分含有酚醛环氧树脂、脂环型环氧树脂和端羧基丁腈橡胶；B组分是1，4-双(2，4-二氨基苯氧基)苯芳香族多元胺固化剂。脂环型环氧树脂和端羧基丁腈橡胶的添加量分别为酚醛环氧树脂的20-35％和12％(质量百分数)。1，4-双(2，4-二氨基苯氧基)苯芳香族多元胺固化剂的添加量为酚醛环氧树脂的15-20％(质量百分数)，所得胶粘剂体系工艺性好，拉伸剪切强度高达25MPa。但其耐热性能还不够理想。
聚酰亚胺树脂是具有极其优异耐热性的一类高分子材料。常规的聚酰亚胺结构，其热分解温度一般均在500℃以上，同时也具有强韧性。因此，也常常用于热固性树脂，如环氧树脂、双马来酰亚胺树脂等的耐热增韧改性剂。但是，聚酰亚胺体系与环氧树脂的相容性较差，难以制得兼具聚酰亚胺耐高温性又具环氧树脂优异的粘结性与工艺性的粘合剂体系。所以，使用常规的聚酰亚胺树脂来改性环氧树脂体系，以获得综合性能优异的粘合剂，是比较困难的。
因此，如何提高热塑性聚醚酰亚胺树脂与环氧树脂的相容性是一个非常有意义的课题。本领域的科技工作者已做了大量的研究工作，并获得了一定的技术效果。
中国专利CN1927908A公开了一种含酚羟基聚酰亚胺粉末的制备方法，由于酚羟基的存在，其聚酰亚胺粉末可与环氧基反应，形成共价键，从而可以提高热塑性聚酰亚胺树脂与环氧树脂的相容性，并可进一步使环氧树脂体系达到良好的增韧效果。
虞鑫海等人【耐高温单组分环氧胶粘剂的研制[J].粘接，2008，29(12)：16-19】公开了一种耐高温单组分环氧胶粘剂的制备方法，其主要特征在于：以马来酸酐(MA)为封端剂，以2，2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷(BAHPFP)、2，2-双[4-(4-氨基苯氧基)苯基]丙烷(BAPOPP)、2，2-双[4-(3，4-二羧基苯氧基)苯基]丙烷二酐(BPADA)为主原料合成得到了含酚羟基聚醚酰亚胺树脂(HPEI)；以所合成得到的HPEI为耐高温增韧剂，与N，N，N′，N′-四缩水甘油基-4，4′-二氨基二苯甲烷(TGDDM)、氢化双酚A环氧树脂(HBPAE)、潜伏性固化剂等，配制得到了综合性能优异的耐高温单组分环氧胶粘剂。
该方法虽然通过合成含活性反应基团(羟基、不饱和双键)的聚醚酰亚胺树脂(HPEI)，对环氧树脂进行了增韧改性，并取得了较好的技术效果；但是，也存在一些缺点：(1)可反应性基团有限，特别是不饱和双键的含量偏低。因为马来酸酐是作为封端剂来使用的，马来酸酐的用量很少；(2)聚醚酰亚胺树脂(HPEI)在体系中含量偏低(≤10％)，导致粘合剂体系的耐热性改善有限。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是提供一种聚酰亚胺-环氧树脂粘合剂及其制备和应用，该粘合剂体系本身相容性好，反应性基团可控性好，综合性能优异，具有良好的粘接性能，其拉伸剪切强度(基材：钢铁)高达30MPa；且制备工艺简单、成本低、操作方便，反应原料易得，可以在通用设备中完成制备过程，有利于实现工业化生产；可应用于电子微电子、柔性覆铜箔板(FCCL)、柔性印制线路板(FPC)、硬性覆铜箔板(PCB)、汽车、电机、航空航天等高科技领域，具有广阔的应用前景。
本发明的一种聚酰亚胺-环氧树脂粘合剂，其组分包括：质量百分数5％-35％的马来酰亚胺基聚酰亚胺(MHPI)粉末、质量百分数5％-35％地多官能环氧树脂、质量百分数5％-10％的固化剂和促进剂及质量百分数45％-65％的有机溶剂；
所述的固化剂和促进剂的重量比为20-50∶1。
本发明的一种聚酰亚胺-环氧树脂粘合剂的制备方法，包括：
根据上述比例将马来酰亚胺基聚酰亚胺(MHPI)粉末和多官能环氧树脂加入反应釜中，于80℃～120℃反应1～2小时后，冷却，加入有机溶剂，室温下，搅拌溶解，呈均相透明溶液，获得A组分；将固化剂、促进剂和有机溶剂混合，搅拌溶解，获得均相透明的B组分溶液；将A、B组分进行混合，搅拌均匀，即得聚酰亚胺-环氧树脂粘合剂。
所述的马来酰亚胺基聚酰亚胺(MHPI)粉末的分子结构式为：
所述的多官能环氧树脂选自N，N，N′，N′-四缩水甘油基-4，4′-二氨基二苯甲烷、N，N，N′，N′-四缩水甘油基-4，4′-二氨基二苯砜、N，N，N′，N′-四缩水甘油基-3，3′-二甲基-4，4′-二氨基二苯甲烷、热塑性酚醛环氧树脂中的一种或几种的混合物；
所述的有机溶剂选自N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、N-乙基-2-吡咯烷酮、二甲基亚砜、二氯甲烷、二氯乙烷、三氯甲烷、甲苯、丙酮、四氢呋喃、甲基四氢呋喃、乙二醇单甲醚、乙二醇二甲醚、乙二醇单乙醚、乙二醇二乙醚中的一种或多种混合物；
所述的固化剂选自均苯四甲酸二酐、氧撑二苯酐、3，3′，4，4′-四甲酸二苯甲酮二酐、联苯二酐、2，2-双[4-(3，4-二羧基苯氧基)苯基]丙烷二酐、2，2-双[4-(3，4-二羧基苯氧基)苯基]六氟丙烷二酐、苯酐、甲基四氢苯酐、马来酸酐、耐迪克酸酐、甲基耐迪克酸酐、4，4′-二氨基二苯砜、4，4′-二氨基二苯甲烷、4，4′-二氨基二联苯、3，3′-二氨基二苯砜、3，3′-二甲基-4，4′-二氨基二苯甲烷、2，2-双[4-(3-氨基苯氧基)苯基]丙烷、2，2-双[4-(3-氨基苯氧基)苯基]六氟丙烷、4，4′-二氨基二苯醚、3，4′-二氨基二苯醚、3，3′-二氨基二苯醚、1，4-双(3-氨基苯氧基)苯、2，6-双(4-氨基苯氧基)苯甲腈、2，6-双(3-氨基苯氧基)苯甲腈、2，6-双(4-氨基苯氧基)甲苯、2，6-双(4-氨基苯氧基)三氟甲苯、2，5-双(4-氨基苯氧基)甲苯、2，5-双(4-氨基苯氧基)特丁基苯、2，5-二叔丁基-1，4-双(4-氨基苯氧基)苯、4，4′-双(4-氨基苯氧基)二苯甲酮、4，4′-双(4-氨基苯氧基)二苯砜、4，4′-双(3-氨基苯氧基)二苯甲酮、4，4′-双(3-氨基苯氧基)二苯砜、1，4-双(2-三氟甲基-4-氨基苯氧基)苯、1，3-双(2-三氟甲基-4-氨基苯氧基)苯、2，2-双[4-(2-三氟甲基-4-氨基苯氧基)苯基]丙烷、2，2-双[4-(2-三氟甲基-4-氨基苯氧基)苯基]六氟丙烷、2，5-双(2-三氟甲基-4-氨基苯氧基)甲苯、2，5-双(2-三氟甲基-4-氨基苯氧基)叔丁基苯、2，5-二叔丁基-1，4-双(2-三氟甲基-4-氨基苯氧基)苯、4，4′-双(2-三氟甲基-4-氨基苯氧基)二苯砜、4，4′-双(2-三氟甲基-4-氨基苯氧基)-3，3′5，5′-四甲基二苯砜、4，4′-双(2-三氟甲基-4-氨基苯氧基)联苯、4，4′-双(2-三氟甲基-4-氨基苯氧基)-3，3′5，5′-四甲基联苯、4，4′-双(2-三氟甲基-4-氨基苯氧基)二苯醚、4，4′-双(4-氨基苯氧基)二苯醚、4，4′-双(3-氨基苯氧基)二苯醚、4，4′-双(3-氨基苯氧基)二苯硫醚、4，4′-双(4-氨基苯氧基)二苯硫醚、4，4′-双(4-氨基苯氧基)-3，3′5，5′-四甲基联苯、4，4′-双(3-氨基苯氧基)-3，3′5，5′-四甲基联苯、2，2-双[4-(4-氨基苯氧基)苯基]丙烷、2，2-双[4-(4-氨基苯氧基)苯基]六氟丙烷、1，3-双(3-氨基苯氧基)苯、1，3-双(4-氨基苯氧基)苯、1，4-双(4-氨基苯氧基)苯、4，4′-二氨基-4″-羟基三苯甲烷、3，3′-二氨基-4，4′-二羟基联苯、3，3′-二羟基-4，4′-二氨基联苯、2，2-双(3-氨基-4-羟基苯基)丙烷、2，2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷、3，3′-二氨基-4，4′-二羟基二苯砜、3，5-二氨基苯甲酸中的一种或几种的混合物；
所述的促进剂选自2-乙基-4-甲基咪唑、2-甲基咪唑、2，4-二甲基咪唑、2-乙基咪唑、2，4，6-三(二甲氨基甲基)苯酚、苄基二甲胺、三乙胺、三丙胺、三丁胺、1，8-二氮杂-双环[5.4.0]十一烯-7、对葵二酸二酰肼、间苯二酸酰肼、水杨酸酰肼、己二酸酰肼、三氟化硼-2，4-二甲基苯胺络合物中的一种或几种混合物。
本发明的聚酰亚胺-环氧树脂粘合剂可应用于电子微电子、柔性覆铜箔板(FCCL)、柔性印制线路板(FPC)、硬性覆铜箔板(PCB)、汽车、电机、航空航天等高科技领域，具有广阔的应用前景。
取适量本发明的聚酰亚胺-环氧树脂粘合剂，并均匀涂敷于标准钢铁试片上，进行固化：从室温加热至100℃，保温1h，继续升温至160℃，保温2h，继续升温至180℃，保温1h，自然冷却至室温。
有益效果
(1)该聚酰亚胺-环氧树脂粘合剂的粘度可控性好，可在较宽广的范围内调节，工艺性好，并且对金属基材(包括铁、铜、铝合金等)粘接性能优异，其拉伸剪切强度(基材：钢铁)高达30Mpa；
(2)本发明的制备工艺简单、成本低、操作方便，反应原料来源方便，可以在通用设备中完成制备过程，有利于实现工业化生产。
【附图说明】
图1是马来酰亚胺基聚酰亚胺粉末的分子结构式。
【具体实施方式】
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
将10.0克马来酰亚胺基聚酰亚胺(MHPI)粉末、10.0克N，N，N′，N′-四缩水甘油基-3，3′-二甲基-4，4′-二氨基二苯甲烷和60.0克热塑性酚醛环氧树脂加入反应釜中，于80℃～120℃反应1～2小时后，冷却，加入65.5克N，N-二甲基乙酰胺有机溶剂，室温下，搅拌溶解，呈均相透明溶液，获得A组分。
将19.1克2，2-双[4-(4-氨基苯氧基)苯基]六氟丙烷固化剂、0.9克2-乙基-4-甲基咪唑促进剂和34.5克N，N-二甲基乙酰胺有机溶剂混合，搅拌溶解，获得均相透明的B组分溶液。
将A、B组分进行混合，搅拌均匀，即得聚酰亚胺-环氧树脂粘合剂，记作PIEP-1。
取适量PIEP-1聚酰亚胺-环氧树脂粘合剂，并均匀涂敷于标准钢铁试片上，叠合，夹紧，放入鼓风烘箱中进行固化：从室温加热至100℃，保温1h，继续升温至160℃，保温2h，继续升温至180℃，保温1h，自然冷却至室温。
该PIEP-1聚酰亚胺-环氧树脂粘合剂体系粘度可控性好，可在较宽广的范围内调节，工艺性好，并且对金属基材(如钢铁等)的粘接性能优异，其拉伸剪切强度为30MPa(钢铁--钢铁)。
实施例2
将70.0克马来酰亚胺基聚酰亚胺(MHPI)粉末和10.0克N，N，N′，N′-四缩水甘油基-4，4′-二氨基二苯甲烷加入反应釜中，于80℃～120℃反应1～2小时后，冷却，加入45.5克三氯甲烷和20.0克N，N-二甲基甲酰胺有机溶剂，室温下，搅拌溶解，呈均相透明溶液，获得A组分。
将9.8克2，2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷固化剂、0.2克1，8-二氮杂-双环[5.4.0]十一烯-7促进剂和44.5克N，N-二甲基乙酰胺有机溶剂混合，搅拌溶解，获得均相透明的B组分溶液。
将A、B组分进行混合，搅拌均匀，即得聚酰亚胺-环氧树脂粘合剂，记作PIEP-2。
取适量PIEP-2聚酰亚胺-环氧树脂粘合剂，并均匀涂敷于标准钢铁试片上，叠合，夹紧，放入鼓风烘箱中进行固化：从室温加热至100℃，保温1h，继续升温至160℃，保温2h，继续升温至180℃，保温1h，自然冷却至室温。
该PIEP-2聚酰亚胺-环氧树脂粘合剂体系粘度可控性好，可在较宽广的范围内调节，工艺性好，并且对金属基材(如钢铁等)的粘接性能优异，其拉伸剪切强度为23MPa(钢铁--钢铁)。
实施例3
将24.0克马来酰亚胺基聚酰亚胺(MHPI)粉末、40.0克热塑性酚醛环氧树脂和20.0克N，N，N′，N′-四缩水甘油基-4，4′-二氨基二苯甲烷加入反应釜中，于80℃～120℃反应1～2小时后，冷却，加入50.0克二氯甲烷和10.0克N-甲基-2-吡咯烷酮有机溶剂，室温下，搅拌溶解，呈均相透明溶液，获得A组分。
将15.5克2，2-双[4-(3，4-二羧基苯氧基)苯基]丙烷二酐固化剂、0.5克1，8-二氮杂-双环[5.4.0]十一烯-7促进剂和40.0克N-甲基-2-吡咯烷酮有机溶剂混合，搅拌溶解，获得均相透明的B组分溶液。
将A、B组分进行混合，搅拌均匀，即得聚酰亚胺-环氧树脂粘合剂，记作PIEP-3。
取适量PIEP-3聚酰亚胺-环氧树脂粘合剂，并均匀涂敷于标准钢铁试片上，叠合，夹紧，放入鼓风烘箱中进行固化：从室温加热至100℃，保温1h，继续升温至160℃，保温2h，继续升温至180℃，保温1h，自然冷却至室温。
该PIEP-3聚酰亚胺-环氧树脂粘合剂体系粘度可控性好，可在较宽广的范围内调节，工艺性好，并且对金属基材(如钢铁等)的粘接性能优异，其拉伸剪切强度为24MPa(钢铁--钢铁)。