含叔丁基和柔性单元的可溶性聚酰亚胺合成与表征

摘要

聚酰亚胺（简称PI）是一种综合性能极为优异的高分子材料，广泛应用于汽车、机械、航空航天、微电子、膜分离和液晶显示等高新技术领域。刚性酰亚胺环结构赋予聚酰亚胺树脂优异热稳定性、良好机械性能的同时，也给其带来溶解性差、加工困难等问题，限制了聚酰亚胺的广泛应用。为了改善聚酰亚胺的加工性能，开发有优异溶解性，同时又能保持良好综合性能的新型聚酰亚胺树脂成为当前该领域的研究热点之一。
　　本文在综述聚酰亚胺树脂发展历史、合成方法、优异性能和应用领域的基础上，重点概述了从分子结构水平改善聚酰亚胺溶解性的主要方法。基于聚合物结构与性能之间的关系原则，首先设计合成了两种含叔丁基和不同柔性单元的芳香族二胺单体，与各种商品化芳香族二酐单体通过高温“一步法”制备了具有优异溶解性和光学透明性的聚酰亚胺材料。采用核磁共振仪（NMR）、元素分析仪（EA）、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）、热失重分析仪（TGA）、示差量热扫描仪（DSC）、紫外-可见分光光度计（UV-Vis）、万能测力机等对所得二胺单体以及相应的聚酰亚胺树脂分子结构和性能进行测试表征和讨论，具体研究内容和结果如下：
　　1.以2-叔丁基苯胺、碘和双酚A为原料，经碘代、乙酰基保护、偶联和脱保护四步反应，合成了芳香族二胺单体：2,2-二(3’-叔丁基-4’-氨基二苯醚-4-基)丙烷，再进一步与多种商品化芳香族二酐单体经高温“一步法”缩聚反应制备了一系列聚酰亚胺树脂。NMR、EA和FTIR表征结果肯定了所得聚酰亚胺材料的分子结构。GPC结果表明该系列含叔丁基和双酚A单元的聚酰亚胺的数均分子量（Mn）在（1.9-3.9）×104范围内，分子量分布（PDI）介于2.63-4.63之间，具有优异的溶解性，室温下不仅可溶解在NMP、DMF、DMAc等强极性溶剂中，还可溶解在四氢呋喃、氯仿等低沸点溶剂中，有的样品甚至可部分溶解在甲苯中。通过溶液浇注法制得的聚酰亚胺薄膜具有优异的光学透过性，在400nm-760nm可见光范围内的透过率约等于或大于90％。该系列PI在溶解性改善的同时，仍保持了原有的优异热稳定性，玻璃化转变温度（Tg）介于265℃-305℃之间，氮气中5%热失重温度（T5）和10%热失重温度（T10）分别在519℃-529℃和527℃-536℃之间，且具有较好的机械性能和低吸水率（0.23%-0.42%）。
　　2.以2-叔丁基苯胺、碘和4,4'-二羟基二苯醚等为原料，采用类似的方法合成了另一新型芳香族二胺单体：4,4’-(3-叔丁基-4-氨基苯氧基)-二苯醚，与一系列商品化芳香族二酐单体通过高温“一步法”聚合得到了含叔丁基和多重醚键单元的聚酰亚胺。NMR、EA和FTIR结果表明所得产物目标聚酰亚胺。该系列含叔丁基和多重醚键单元聚酰亚胺的Mn介于（2.1-3.7）×104，PDI介于2.25-2.74之间；也具有优异溶解性，室温下不仅可溶解在常见的高沸点溶剂中，还可溶解于四氢呋喃、氯仿等低沸点溶剂中。TGA、DSC、UV-Vis、XRD和万能测力机测试结果表明：该系列PI的Tg介于264℃-300℃之间，氮气氛围下T5在525℃以上，T10在533℃以上；在400nm-760nm可见光范围内，PI薄膜的透过率大于90%；具有无定形结构；拉伸强度介于52-58MPa之间，杨氏模量介于1.94-2.48GPa之间，断裂伸长率介于6.1%-10.2%之间；吸水率介于0.45%-0.66%之间。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 聚酰亚胺的发展历史

1.2 聚酰亚胺的合成方法

1.2.1 由不含酰亚胺环结构的单体聚合制备聚酰亚胺

1.2.2 由含酰亚胺环结构的单体聚合制备聚酰亚胺

1.3 聚酰亚胺优异的性能

1.4 聚酰亚胺的应用

1.5 提高聚酰亚胺可溶性的方法

1.5.1 引入柔性基团

1.5.2 引入大体积侧基

1.5.3 引入非共平面扭曲结构

1.5.4 引入含氟取代基CF3

1.5.5 通过共聚合反应

1.5.6 引入超支化结构

1.5.7 多因素协同作用

1.6 聚酰亚胺的发展趋势

1.7 本课题的研究目的及意义

第二章 含叔丁基和双酚A单元可溶性聚酰亚胺的合成及表征

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 试剂及处理

2.2.2中间体及二胺单体的合成

2.2.3 聚酰亚胺的合成

2.2.4 聚酰亚胺膜的制备

2.2.5 表征及测试方法

2.3 结果与讨论

2.3.1 含叔丁基和双酚A单元二胺单体的合成与表征

2.3.2 聚酰亚胺的合成与表征

2.3.3 聚酰亚胺的溶解性

2.3.4聚酰亚胺的热性能

2.3.5聚酰亚胺薄膜的光学性能

2.3.6聚酰亚胺的XRD测试

2.3.7聚酰亚胺的机械性能及吸水率

2.4 本章小结

第三章 含叔丁基和多重醚键单元的可溶性聚酰亚胺的合成及表征

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 试剂及处理

3.2.2含叔丁基和多重醚键单元二胺单体的合成

3.2.3 聚酰亚胺的合成

3.2.4 聚酰亚胺薄膜制备

3.2.5 聚酰亚胺表征及测试手段

3.3 实验结果与讨论

3.3.1 含叔丁基和多重醚键单元二胺单体

3.3.2 聚酰亚胺的合成与表征

3.3.3 聚酰亚胺的溶解性

3.3.3聚酰亚胺的热性能

3.3.4聚酰亚胺薄膜的光学性能

3.3.5 聚酰亚胺的XRD测试

3.3.6聚酰亚胺的机械性能及吸水率

3.4 本章小结

第四章 全文总结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文及申请的专利