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新型主链含吡啶环聚酰亚胺的合成与性能研究

王晓龙  
【摘要】: 聚酰亚胺是一类重要的功能性高分子材料,对它进行的基础和应用研究都具有十分重要的意义。随着高新技术领域的发展,对聚酰亚胺的功能化改性研究提出了越来越多的要求,其中旨在改善聚酰亚胺材料加工性能所进行的可溶性聚酰亚胺的开发和研究已成为目前聚酰亚胺功能化研究中最引人注目的热点之一。 本论文简述了聚酰亚胺的发展过程,并在分子水平上探讨了可溶性聚酰亚胺所具有的结构特点以及各改性方法对聚酰亚胺溶解性的贡献,同时以分子设计理论为基础,结合吡啶环的特点,设计并合成了新型含吡啶芳香四酸二酐和含吡啶芳香二胺,通过元素分析、红外光谱、核磁共振和质谱等现代表征手段对单体结构进行了分析和鉴定。通过新单体与多种芳香四酸二酐和芳香二胺的聚合反应以及新单体之间的交叉聚合反应,制备了系列可溶于有机溶剂的聚酰亚胺,利用元素分析、红外光谱、核磁共振等表征手段对所得聚酰亚胺的结构进行了全面的表征确认,并利用紫外及可见光谱、TGA、DSC、广角X射线衍射、有机溶剂中的溶解性能、机械性能和介电性能等测试对相应聚酰亚胺树脂或材料的各种性能进行了全面讨论。本论文的主要研究工作如下: 1.分别以2,6-二甲基吡啶和对-羟基苯乙酮与4-硝基邻苯二腈为起始原料,经多步反应成功制备了新型线性含吡啶四酸二酐单体和苯侧基含吡啶四酸二酐单体,并与一系列芳香二胺,通过两步法制备了两个系列新型主链含吡啶环聚酰亚胺。这些聚酰亚胺在极性有机溶剂中都有比较好的溶解性能;线性系列和苯侧基系列聚酰亚胺薄膜都具有优异的热性能和机械性能:玻璃化转变温度及热分解温度分别为221-278℃和223-256℃及523-529℃和551-609℃,拉伸强度及杨氏模量分别为72.8-104.4MPa和70.7-97.6MPa及1.29-2.77GPa和1.34-2.82GPa;同时这些聚酰亚胺薄膜还具有比较低的介电常数,1MHz频率下分别为2.48-3.02和2.53-3.17。线性系列和苯侧基系列相比,其溶解性、机械性能和介电性能稍好一些,而苯侧基系列的耐热性能和热稳定性能稍好一些。 2.以对-羟基苯乙酮与对氯硝基苯为起始原料,经三步反应成功合成了两种新型含吡啶芳香二胺单体,并与一系列芳香二酐通过两步法聚合制备了系列新型主链含吡啶环聚酰亚胺。所得聚酰亚胺树脂在有机溶剂中具有良好的溶解性能,聚酰亚胺薄膜具有优异的热性能、机械性能和较低的介电常数,其玻璃化转变温度及热分解温度分别为268-353℃和527-562℃,拉伸强度及杨氏模量分别为87.6-112.1MPa和1.12-1.88GPa,1MHz频率下介电常数为2.49-3.11。两种聚酰亚胺相比,含三氟甲基二胺聚合得到的聚酰亚胺在溶解性和介电性能方面有较优异的表现。 3.以前述两种含吡啶四酸二酐与两种含吡啶芳香二胺为单体原料,分别用一步法和两步法聚合制备了系列聚酰亚胺,并对它们的溶解性、热性能、机械性能和介电性能进行了比较研究,结果发现:一步法和两步法均可以得到性能优异的聚酰亚胺,所得聚酰亚胺树脂有较高的分子量和良好的溶解性,聚酰亚胺薄膜具有优异的热性能、机械性能和介电性能。其玻璃化转变温度及热分解温度分别为239-278℃和521-544℃,拉伸强度及杨氏模量分别为104.6-109.4MPa和1.92-2.58GPa,1MHz频率下介电常数为2.80-2.92。


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