含氟聚酰亚胺的合成及摩擦学性能研究

【摘要】：目前摩擦学研究已经深入到分子水平,聚合物的分子链组成及单体排列显著影响其物理化学性能,进而影响其力学及摩擦学性能。21世纪被物理学界公认的最有可能获得突破的领域是材料的凝聚态物理,高分子材料已经成为广为关注的重要材料之一,因此迫切需要了解高分子材料的化学结构、凝聚态等结构与摩擦学性能间的关系。 本论文通过分子设计合成具有不同含量含氟结构单元及可形成交联结构的含氟聚酰亚胺(FPI),尝试通过研究FPI的结构和摩擦学性能的基本作用规律,探索研制高性能高分子摩擦学材料的新途径。论文从选择合适单体出发,合成了带有各种二胺二酐结构的FPI,通过结构表征、材料力学和摩擦学基本性能测试,较系统地考察了含氟聚酰亚胺结构对摩擦学性能的影响,初步总结出聚酰亚胺结构与摩擦学性能关系的规律,探讨了结构对摩擦学性能的影响机制。 论文得到的主要创新性结果如下： 1、成功的合成了几种具有不同含量含氟单体的FPI,对其结构和性能进行了较全面的表征和测试。试验结果表明：含氟单元的引入可以明显改变与FPI摩擦学相关的性能,随着含氟单元含量的提高,材料的耐热性、摩擦系数和耐磨性都发生明显改善。4,4’-二氨基二苯醚(4,47-ODA)与二苯醚四酸二酐(ODPA)合成的不含氟和全氟P1摩擦系数分别为0.33和0.21；全氟PI磨损率只有不含氟PI的一半。 2、柔性分子链结构FP[表面能低,摩擦系数低,但材料强度不高；刚性结构的FPI材料表面能高,材料强度高,耐磨性好,但摩擦系数偏高。ODPA,联苯四甲酸酐(BPDA)和均苯四甲酸酐(PMDA)分子链刚性依次增大,合成的PI的强度和磨损率也逐渐降低,摩擦系数却逐渐升高。 3、随着FPI分子量的增大,材料拉伸强度和耐热性的提高与分子间相互作用增大密切相关,特性粘度为1.6的ODPA类PI拉伸强度为98MPa,超过特性粘度为0.8PI材料20%,耐热性也明显优于特性粘度为0.8的材料。 4、机理研究结果认为：氟元素带来的低表面能是材料摩擦系数得以降低的本质原因；氟元素的高电负性所带来的高分子间作用力导致的材料强度和耐热性的改善是材料耐磨性得以提高的原因。