含噁唑环新型聚酰亚胺的合成及其性能研究

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芳香型聚酰亚胺(PI)以其优异的力学性能、耐热性能、介电性能、耐溶剂性能等在航空航天、电子电力、精密机械等新技术领域得到了广泛的应用。随着航天技术的发展,各种飞行器对材料的耐高温性能提出了更高的要求。在耐高温聚酰亚胺的研究中,耐热性的提高主要是从设计聚酰亚胺的分子结构上入手的。含有苯并噁唑杂环结构的聚酰亚胺便是基于提高聚酰亚胺材料的力学性能和耐热性研制的新型聚酰亚胺。采用正交实验法研究了聚合所用二胺单体2,6-二(对氨基苯)苯并[1,2-d;5,4-d’]二噁唑(二胺I)和4-(5-氨基苯并噁唑)苯胺(二胺II)的合成反应条件,确定了合成两种苯并噁唑二胺单体的最佳条件,讨论了合成二胺单体的影响因素。二胺单体的结构采用熔点、FT-IR、元素分析、1H NMR和UV-Vis等手段进行了表征。通过化学结构、荧光光谱和热失重分析,发现两种二胺具有刚性的平面结构,而且具有优异的耐热性能。通过两步法合成聚酰亚胺,采用粘度法对聚酰亚胺的前驱体聚酰胺酸的合成进行了研究。在以二胺I、双醚酐为原料合成聚酰胺酸的反应中,研究了反应时间、反应温度、反应物摩尔比、体系含水量对聚酰胺酸粘度的影响。确定了合成聚酰胺酸的最佳条件,即体系在完全无水条件下,二胺与二酐以摩尔比为1:1.02溶于N,N’-二甲基乙酰胺中,在5℃下反应35h,得到了聚酰胺酸溶液的粘度为1.70dL/g。利用红外方法对聚酰胺酸热环化工艺进行了研究,得出酰亚胺化温度要达到300℃才能亚胺化完全,亚胺化升温程序为:以10℃/min的升温速率分别升温至50℃、80℃、100℃、150℃、200℃、250℃和300℃各恒温1h。通过DSC测定不同热处理温度下的聚酰胺酸薄膜的玻璃化温度,得出亚胺化反应主要发生在100200℃之间。利用热失重的方法对亚胺化动力学进行了研究。得出聚酰胺酸热环化需要经历两个阶段,即快速阶段和慢速阶段,并分别得出了两阶段的动力学参数。采用不同的酸酐与二胺单体进行反应,制备了不同结构的聚酰亚胺。采用红外、粘度法、TG、TBA、DSC,XRD等分析方法,分析了聚酰亚胺结构对溶解性、耐热性和结晶性能的影响。结果表明含有噁唑环的聚酰亚胺的热性能要明显优于常规聚酰亚胺,其中,分子结构刚性越大,耐热性能越好。对聚酰亚胺薄膜的力学性能进行了测试,得到PI(I)- HQDPA、PI(II)-BPDA、PI(II)-HQDPA三种聚合物的弹性模量分别为13722MPa、8266.7MPa和5306.2MPa,具有较好的力学性能。采用Flynn-Wall-Ozawa和Friedman方法计算了聚酰亚胺的热分解反应动力学参数,根据求出的热分解活化能,采用Coats-Redfern和Phadnis-Deshpande方法研究了聚酰亚胺的热分解固相反应机理。根据热降解反应的动力学参数建立了体系的热分解反应动力学模型。结果发现,它们的降解机理各不相同。PI(I)-HQDPA热降解的固相反应机理是受成核和增长控制的反应(Avrami-Erofeev方程,A3),它的积分形式是g(X) = [-ln(1-X)]3。PI(II)-PMDA可能的机理为D3机理,受三维扩散控制,积分形式为[1-(1-X)1/3]2。PI(II)-BPDA的可能降解机理为D1机理,受一维扩散控制,积分形式为X2。PI(II)-HQDPA的可能降解机理为R1机理,受相界面控制,积分形式为X。
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