聚苯并咪唑在离子液体中的聚合以及流变行为研究

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聚苯并咪唑(PBI)是一种具有咪唑杂环的线性聚合物。因其在分子结构中具有芳杂环结构特点,因此具有耐高温、耐强酸强碱性、抗燃性等优良的性能,在耐高温过滤织物、抗燃保护服、宇航服和耐化学腐蚀方面有着重要的应用。目前商业化的只有聚(2,2′-间苯撑-5,5′-二苯并咪唑)(mPBI),工业上常用的聚合方法是熔融聚合(包括预聚和固相聚合)。由于熔融聚合操作步骤繁琐、条件苛刻、温度较高,目前实验室主要采用以多聚磷酸(PPA)为溶剂的溶液聚合法来制备PBI。离子液体(ILs)作为一种新型的溶剂,具有“零”蒸气压、高稳定性和催化功能,已经广泛用于有机合成反应以及聚合反应中。本课题组研究证明聚苯并咪唑在离子液体中与常规的溶剂相比有较高的溶解度,因此本论文为了达到更好的聚合效果,考虑采用以离子液体作为溶剂来进行溶液聚合。在合成的过程中通过改变实验条件进行测试,试讨论聚苯并咪唑合成工艺以及分子量的影响因素。然后再用不同的清洗系统来去除产物中所含的杂质,并讨论清洗效果。最后再将聚苯并咪唑溶于离子液体中,并讨论聚苯并咪唑/离子液体的流变行为。通过以上的研究工作,本文得到了如下的结论:(1)我们以3,3’,4,4’-二氨基联苯胺(TAB)和间苯二甲酸(IPA)为单体,五氧化二磷(P2O5)为脱水剂,在氯化1-丁基-3-甲基咪唑离子液体中合成聚(2,2′-间苯撑-5,5′-二苯并咪唑)。通过红外光谱图和核磁共振谱图的表征和分析,证实了在所采用的新溶剂体系—离子液体中,能够成功地合成聚苯并咪唑。通过热重分析来分析聚苯并咪唑的热稳定性,并进一步证明了聚苯并咪唑的成功合成。(2)通过在不同实验条件下反应讨论聚苯并咪唑合成工艺以及分子量的影响因素。以3,3’,4,4’-二氨基联苯胺(TAB)和间苯二甲酸(IPA)为单体,氯化1-丁基-3-甲基咪唑离子液体为溶剂,9.5%五氧化二磷(P2O5)为脱水剂,在150℃反应2 h,210℃反应15h时,能够制备得到分子量较高的聚苯并咪唑产物。(3)分别对去离子水、无水乙醇和丙酮等清洗体系对聚苯并咪唑产物的清洗纯化效果进行研究和探讨,发现在无水乙醇中的清洗效果最好,大约在16h即可达到纯化的目的。(4)然后本文研究了聚苯并咪唑/离子液体溶液的流变行为。探讨了浓度和温度等因素对溶液稳态流变行为的影响。结果表明聚苯并咪唑/离子液体溶液表现出一种典型的切力变稀的流变行为。通过计算求得的聚苯并咪唑/离子液体溶液的粘流活化能,此结果表明溶液对温度非常敏感。(5)通过对剪切应力与剪切速率的关系分析,发现非牛顿指数随着浓度的增加逐渐减小,而随着温度的升高而增大,然后通过对图形的分析,获得了聚苯并咪唑/离子液体溶液的临界浓度大约为8%,临界温度值大约在130℃。
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