用于减少电子废物的聚酰亚胺网络基材 为构建环境友好体系做出贡献

来自 实验室仪器网

随着电子技术的快速发展，各类电子产品广泛应用于日常生活的各个领域。然而，电子产品的快速更新换代也造成了大量电子废物的产生，给环境带来了沉重的负担。如何有效地减少电子废物的产生，成为当前迫切需要解决的问题之一。

由RSC AppliedPolymers最近发表的一篇文章提出了基于光聚合聚酰亚胺的可再加工电子基板，以减少电子垃圾。这些高性能、可光刻的基板由于其酯键而可降解。

目前正在开发具有固有可再加工性的新型聚合物电子基板(e-substrate)，允许在电子元件生命周期结束时完全降解或重复使用。这项创新旨在最大限度地减少浪费并降低与电子产品相关的成本。

消费电子基板需要高介电常数、低损耗因数，以及承受大规模制造条件的能力。Kapton等聚酰亚胺(PI)因其出色的机械性能而广受欢迎。

然而，PI的再加工性受到其稳定的酰亚胺键和高合成温度（约250°C）要求的限制。本研究提出使用硫醇-烯点击化学对具有可降解酯网络的PI进行光聚合。

探索了各种二酐原料化学品来合成低熔点的二烯丙基双酰亚胺单体，共得到八种单体。其中三种无法形成稳定液体，剩下五种单体（二烯丙基酯、二烯丙基醚、二烯丙基环己烷、二烯丙基二醚和二烯丙基六氟）有待进一步实验。

选择三羟甲基丙烷三（3-巯基丙酸酯）(TMPMP)作为硫醇单体，从每个二烯丙基双酰亚胺单体合成聚（酰亚胺酯）硫醇-烯网络（PI-酯、PI-醚、PI-环己烷、PI-二醚和PI-六氟）。在80°C下使用紫外(UV)光(405nm)聚合树脂，并使用硅胶模具铸造成不同形状，以供进一步分析。

通过动态力学分析（DMA）和差示扫描量热法（DSC）测定了PI的玻璃化转变温度（Tg）。采用热重分析（TGA）仪检查其热行为，同时采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）仪研究其聚合物网络。

使用狗骨形样品在固化48小时后测量拉伸强度，使用圆盘形样品通过热常数分析仪评估热导率。还进行了热机械分析以评估在冷-热-冷-冷循环（-70°C→300°C→-70°C→300°C→30°C）下的热膨胀。

采用矢量网络分析估算所制备PI的介电常数和介电损耗，并利用数字万用表测量其电导率。

结果与讨论：

通过实时FTIR分析监测硫醇峰，证实了二烯丙基双酰亚胺单体的快速聚合，在5mW/cm2紫外光照射下，10秒内硫醇转化率达到63%。所得聚合物薄膜独立、玻璃状、坚韧且透明，厚度约为200μm。

不同的二烯丙基酰亚胺单体产生的Tg值范围为66至92°C，低于商用PI的Tg值，但足以满足可穿戴设备、物联网和一次性应用的需求。刚性芳香族PI（PI-六氟和PI-二醚）的Tg值最高，而具有柔性键的芳香族PI（PI-酯和PI-醚）的Tg值最低。

合成的PI具有中等延展性，断裂伸长率约为6%，但PI-醚除外，其断裂伸长率为47%，这是因为其灵活的醚键支持额外的主链移动性。总体而言，所有五种硫醇-烯PI都具有机械强度。

合成聚合物的热导率与使用特定添加剂改性的Kapton®相当。此外，它们的介电损耗值范围为0.0145至0.0169，在商用PI的典型范围内（0.0037-0.020）。

使用碳酸钾催化的甲醇酯交换反应分析了所提出的聚合物电子基底的解聚情况。由于甲醇在玻璃状聚合物网络中的扩散有限，该过程耗时超过一周。然而，当将二氯甲烷添加到甲醇溶液中时，在24小时内观察到完全解聚。

成功从解聚的基板中回收电子元件，并在新的图案化基板上进行重复使用测试，结果显示其功能良好。此外，PI基板还适用于高密度电子电路的多层处理。

总体而言，研究人员通过二烯丙基双酰亚胺单体的硫醇-烯光聚合成功开发出可重复加工的网络PI。这些PI表现出良好的机械强度、热稳定性、热导率和介电性能，使其成为Kapton®等芳香族PI的潜在替代品。

所提出的框架为日益严重的电子垃圾问题提供了可行的解决方案，因为通过酯交换反应进行解聚可以选择性地去除合成的PI并回收功能性电子元件。此外，这些光聚合物可以与现有的密集多层电路商业工作流程无缝集成。

然而，制备的材料需要在热导率、热膨胀系数和介电常数等方面进一步改进，才能完全取代目前的柔性电子基板。研究人员建议使用复合材料或低聚聚酰亚胺作为前体，以增强聚酰亚胺的性能，使其适合商业应用。

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