优异溶解性聚酰亚胺的设计、制备与性能研究

摘要

聚酰亚胺材料因其独特的分子链结构及所表现出的优异综合性能而被广泛应用于各高科技领域。然而，聚酰亚胺的加工性与优异热性能之间的矛盾一直是制约其发展的重要因素，在保持聚酰亚胺优异热性能的基础上改善其溶解性是解决该矛盾的有效方法之一。在聚酰亚胺分子链中同时引入吡啶环、支化结构、大阻位侧基等将有望在保持其热性能的基础上制备出具有优异溶解性的聚酰亚胺。本文从分子结构设计出发，合成了一种三胺单体（2,6-双(4-氨基苯基)-4-(4-(4-氨基苯氧基)苯基)吡啶，BAAP），通过邻苯二甲酸酐（PA）封端BAAP后再与芳香族二酐反应的方法在温和条件下制备了具有优异溶解性能与良好热稳定性的含酞酰亚胺侧基聚酰亚胺；通过含有不同结构聚酰亚胺的制备，研究了吡啶环、支化结构、共聚结构、酞酰亚胺侧基的引入与聚酰亚胺的聚集态、溶解性、热性能间的关系与规律。论文的主要研究内容及结果如下：
　　（1）通过亲核取代、改进Chichibabin反应与水合肼还原相结合的方法制备了一种新的三胺单体（BAAP）。结果显示：所得三胺单体及其中间产物均与设计结构吻合，得到了所需目标单体。同时，合成了含吡啶环二胺单体BAPP与含醚键二胺单体TPER。
　　（2）通过PA封端BAAP后再与芳香族二酐反应的方法制备了含酞酰亚胺侧基的聚酰亚胺，研究了聚酰亚胺的聚集态、溶解性、热性能等。结果表明：在各产物中，酰胺酸结构转化成为了酰亚胺环，得到了所需聚酰亚胺粉料。各聚酰亚胺均呈现出非晶态；在强极性有机溶剂中均具有优异的溶解性能；同时，具有良好的耐热性与热稳定性。采用所合成的PI-3与E-51型环氧树脂进行了应用研究，结果显示：适量 PI-3的加入能有效提高胶粘剂体系在高温下的粘接强度，当PI-3的添加量为30％时，胶粘剂在180℃下的剪切强度达到最大值15.93 MPa。
　　（3）通过BAAP型超支化聚酰亚胺、BAPP型聚酰亚胺、TPER型聚酰亚胺的制备，研究了不同结构的引入对聚酰亚胺的影响；并通过对比含酞酰亚胺侧基聚酰亚胺与BAAP型超支化聚酰亚胺，研究了PA封端BAAP对聚酰亚胺的影响。结果显示：所合成的聚酰亚胺中，酰胺酸结构转化成为了酰亚胺环。支化结构与吡啶环的引入会对聚酰亚胺的玻璃化转变温度造成较小的影响；支化结构的引入可以降低聚酰亚胺分子链的规整度，使其结晶性变差，同时明显改善其溶解性，并在小幅提高聚酰亚胺的热稳定性能；吡啶环的引入能明显改善聚酰亚胺的溶解性，同时使聚酰亚胺的初始热分解温度明显降低，但却可以降低聚酰亚胺热降解时的热分解速率，并使得聚酰亚胺在750℃的残碳率有所提高。采用PA对BAAP封端后再与芳香族二酐反应的方法可以在温和条件下制备出聚酰亚胺，该方法制备含酞酰亚胺侧基聚酰亚胺会使其非晶态中短程有序结构的间距有所减小，但不会对溶解性与热性能产生明显的不利影响。
　　（4）通过制备非共聚型与共聚型含嘧啶环的超支化聚酰亚胺，研究了单体添加量变化对聚酰亚胺的支化度、聚集态、溶解性以及热性能的影响。结果显示：在非共聚型超支化聚酰亚胺中，其支化度随BTDA添加量的增加而增加；当加入ODA后，其支化度随着ODA添加量的增加而减小。非共聚型超支化聚酰亚胺均呈现出非晶态；当加入ODA共聚时，聚酰亚胺的结晶能力随着ODA加入量的增加而增强。在非共聚型超支化聚酰亚胺中，BTDA添加量越多，聚酰亚胺的溶解性越好；与适量ODA的共聚可以提高聚酰亚胺的溶解性，但ODA过量后会使其溶解性明显降低。当TAP、ODA与BTDA的摩尔比为2：1：4时，所制备的聚酰亚胺具有最好的热稳定性能。
　　（5）通过热分析动力学的计算研究了吡啶环、支化结构的引入以及PA封端BAAP对所制备聚酰亚胺的热降解过程的影响。结果表明：吡啶环、支化结构的引入以及PA封端BAAP会使得各聚酰亚胺的热降解过程遵循不同的动力学模型。吡啶环的引入使得聚酰亚胺热降解初期的表观活化能降低；支化结构的引入会使聚酰亚胺在热降解初期的表观活化能增加，而后期所需降低；采用PA封端BAAP的方法对聚酰亚胺热降解第一阶段的表观活化能影响较小，但第二阶段所需明显增加。
　　本文通过不同类型聚酰亚胺的制备，系统地研究了吡啶环、支化结构、共聚结构的引入以及PA封端BAAP对聚酰亚胺聚集态、溶解性、热性能以及热降解过程的影响，希望以上研究内容能为聚酰亚胺的研究人员提供参考作用。

目录

封面

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英文摘要

论文的主要创新与贡献

目录

符号与缩写对照表

第1章 绪论

1.1 聚酰亚胺概述

1.2 聚酰亚胺材料研究现状

1.3 聚酰亚胺的合成

1.4 聚酰亚胺的性能与改性方法

1.5 聚酰亚胺的热降解

1.6 本文的主要研究内容和方案

第2章 含吡啶环结构三胺单体的合成与表征

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 含酞酰亚胺侧基聚酰亚胺的制备与研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 吡啶环、支化结构及PA封端BAAP对聚酰亚胺的影响

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 共聚结构对聚酰亚胺的影响

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第6章 聚酰亚胺的热降解动力学研究

6.1 引言

6.2 实验部分

6.3 结果与讨论

6.4 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

个人简介

攻读博士学位期间取得的成绩

致谢

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