含芳基均三嗪环交联聚酰亚胺的合成与性能

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芳香族聚酰亚胺(PI)是指主链上含有苯环和酰亚胺环的一类高分子材料,具有较高的玻璃化转变温度、优异的热稳定性、良好的电性能、优异的机械性能和韧性、阻燃性以及高耐幅射性,从而广泛应用于电子电器、航空航天、机械化工等高科技领域。然而由于聚酰亚胺分子链较强的刚性和分子间作用力,使其溶解性较差,从而限制其加工成型和应用。为了改善PI的加工性能,提高PI的溶解性是常用的方法。因此,在保持PI耐热性的前提下改善其溶解性成为该领域的研究热点。芳基均三嗪环聚合物具有优异的耐热性能、高强度、高模量、高阻燃性、耐化学腐蚀性以及独特的光学和电学性能。本文从耐高温聚合物分子设计出发,合成了一系列含芳基均三嗪环和二氮杂萘酮联苯结构的交联聚酰亚胺,并对聚合物的结构与性能进行了系统的研究。首先,分别以对苯二酚、间苯二酚、联苯二酚和4-(4-羟基-苯基)(2氢)-二氮杂萘-1-酮为原料,采用三步法合成了四种二酐单体。在此基础上,合成了一系列不同分子链长度的邻苯二甲腈封端含二氮杂萘酮联苯结构的聚酰亚胺齐聚物,利用FT-IR、1H NMR、WAXD和元素分析对其结构进行了表征,并利用FT-IR、1H NMR确定了齐聚物的分子量。邻苯二甲腈封端齐聚物在芳香二胺的催化下,常压高温条件下完成了固化交联反应,合成了一系列新型的含芳基均三嗪环交联聚酰亚胺,利用DSC研究了其固化交联过程,利用FT-IR和元素分析对固化产物的结构进行了表征。定性研究了邻苯二甲腈封端齐聚物和其固化产物的溶解性能,常温下齐聚物可以溶解于几种普通的有机极性溶剂中,例如氯仿、N-甲基-2-吡咯烷酮、间甲酚和吡啶中,在98%的浓硫酸中也具有良好的溶解性,展现了良好的溶解性能;而固化交联后的聚合物不溶于任何极性溶剂甚至于98%的浓硫酸,展现很好的耐溶剂性能。利用DSC、TGA和DTG对齐聚物和其固化产物的热性能进行了研究。齐聚物的玻璃化转变温度在200-286℃之间,随齐聚物分子量的增大而升高,其5%和10%热失重温度均分别在496℃和523℃之上,800℃残炭率均高于50%。所有固化产物在100-400℃之间未检测到玻璃化转变温度,且5%和10%热失重温度较固化前齐聚物都有了明显的提高,且其随齐聚物分子量的增大而有所降低。此类邻苯二甲腈封端含二氮杂萘酮联苯结构聚酰亚胺齐聚物具有良好的溶解性能,且可在常压下固化交联成含芳基均三嗪环的交联聚酰亚胺,与传统热固性树脂相比,该类树脂具有耐高温、高强度、阻燃和耐化学腐蚀等特点,从而在汽车、机械、航空、航天和潜艇等领域具有广阔的应用前景。
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