含双苯并咪唑单元聚酰亚胺的合成、结构与性能

摘要

聚酰亚胺(polyimide，PI)一类是典型的高性能聚合物，由于具有高强、高模、耐高温、耐化学腐蚀、耐辐射、耐燃等优越的性能，在航空航天、电器、化工、微电子等技术领域得到广泛应用。随着高新技术领域的发展，对该类材料的研究提出了越来越多的要求，其中旨在提高聚酰亚胺材料的力学性能以及热稳定性的研究已成为聚酰亚胺改性中比较引人注目的热点之一。
　　 本文探讨了高性能聚酰亚胺所具有的结构特点，以分子设计理论为基础，结合苯并咪唑环的特点，设计合成了含双苯并咪唑的二胺单体2，2'-对苯基双-(5-氨基苯并咪唑)(PBABI)。通过PBABI与多种芳香族二酐聚合制备一系列均聚酰亚胺；同时利用：PBABI与4，4'-二氨基二苯醚(ODA)作为二胺，以不同摩尔配比与联苯四羧酸二酐(BPDA)进行共聚，制备得到一系列共聚酰亚胺，对其结构与性能进行了详细讨论。
　　 以4-硝基邻苯二胺与对苯二甲酰氯为单体，通过亲核取代反应制得二硝基化合物2，2'-对苯基双-(5-硝基苯并咪唑)(PBNBI)。由PBNBI在Pd/C催化下，经水合肼还原为二氨基化合物.PBABI，并用FTIR，NMR和元素分析对其结构进行表征。结果表明合成的单体具有预期的化学结构，并且纯度较高。利用。DSC法测定了单体的熔点，分别为455-456℃(PBNBI)和418-419℃(PBABI)(DSC峰值)。
　　 利用合成的PBABI与酸酐BPDA，BTDA，ODPA和PMDA，以N，N'-二甲基乙酰胺(DMAc)为溶剂，在冰水浴中聚合得到聚酰胺酸，高温环化得到聚酰亚胺。前躯体聚酰胺酸具有较高的特性粘度1.12～2.67 dL/g，成膜性能良好。通过：FTIR，元素分析和XRD对聚酰亚胺的结构进行表征，结果表明该聚酰亚胺即为所需要的目标聚合物，且为非晶态结构。利用TGA对聚酰亚胺的热性能研究发现，材料在氮气中600℃、空气中560℃时才出现轻微质量损失；在氮气中，900℃残留炭渣的质量高达71.4％，具有非常好的热稳定性能。该聚合物具有较高的玻璃化转变温度446～475℃，耐热性能优异，同时还具有优异的机械性能，拉伸强度120～180MPa，弹性模量4.83～5.79GPa。
　　 利用合成的PBABI与4，4'-二氨基二苯醚(ODA)以不同摩尔配比与BPDA在DMAc中共聚，涂膜，成膜后进行热酰亚胺化，得到了含双苯并咪唑共聚酰亚胺薄膜，对其结构、热稳定性、力学性能及光学透过性能进行了研究。结果表明：PBABI杂环单体的引入对聚酰亚胺的热分解温度稍有影响，但明显提高聚合物的玻璃化转变温度，含量越高，Tg的提高越明显。随着杂环含量的增加，材料的抗拉强度和模量均有所提高，二胺单体的摩尔比为9:1时，聚酰亚胺薄膜的抗拉强度和模量得到明显提高。