含甲苯氧側(cè)基芳香聚酰亞胺三元共聚物合成與性能

錢(qián)　勇，　許劍平，　王春艷

(東華理工大學(xué)化學(xué)生物與材料科學(xué)學(xué)院，江西 南昌　330013)

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含甲苯氧側(cè)基芳香聚酰亞胺三元共聚物合成與性能

錢(qián)勇，許劍平，王春艷

(東華理工大學(xué)化學(xué)生物與材料科學(xué)學(xué)院，江西 南昌330013)

摘要：以均苯四甲酸二酐(均酐)，3,3′,4,4′-二苯酮四羧酸二酐(酮酐)和芳香二胺單體3,5-二氨基-4′-甲基-二苯基醚為初始原料，通過(guò)改變均酐與酮酐物質(zhì)的量的比例，通過(guò)低溫縮聚和熱亞胺化合成一系列高分子量的聚酰亞胺，并用紅外光譜、XRD圖譜、元素分析等手段表征其結(jié)構(gòu)，該系列聚合物在強(qiáng)極性溶劑中具有較好的溶解性，而且在較寬的光譜范圍內(nèi)具有良好的透明性，力學(xué)性能測(cè)試表明這些聚酰亞胺薄膜具有較好的力學(xué)性能，而且拉伸強(qiáng)度、彈性模量隨著均酐組分含量的增加而明顯提高。

關(guān)鍵詞：低溫縮聚；聚酰亞胺；甲苯氧側(cè)鏈；機(jī)械性能

錢(qián)勇，許劍平，王春艷.2016.含甲苯氧側(cè)基芳香聚酰亞胺三元共聚物合成與性能[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，39(1)： 91-95.

Qian Yong, Xu Jian-ping, Wang Chun-yan.2016. Terpolycondensation and properties of aromatic polyimide films containing methylphenoxy group [J].Journal of East China University of Technology (Natural Science), 39(1):91-95.

芳香聚酰亞胺(PI)是指主鏈上含有酰亞胺環(huán)、芳香環(huán)結(jié)構(gòu)單元的一類(lèi)高性能材料，由于其耐熱性能、熱穩(wěn)定性能、抵抗化學(xué)腐蝕性和機(jī)械性能都十分突出而被廣泛的研究。PI綜合性能優(yōu)異，廣泛應(yīng)用于航空、航天、微電子、納米、液晶等傳統(tǒng)和現(xiàn)代高科技領(lǐng)域(Chao et al.,2010; Qian et al., 2014)。但傳統(tǒng)的芳香族聚酰亞胺很難溶解于有機(jī)溶劑，增大了成型加工困難。為了解決這一難題，人們嘗試了許多方法來(lái)實(shí)現(xiàn)聚酰亞胺的可溶性(李慶華等，1996)，如：提高分子鏈的柔順性，在分子鏈中引入—O—、—CH2—、—CO—等柔性官能團(tuán)(Shao et al., 2005)；減小分子間的作用力，用共聚或引入側(cè)基等方法破壞分子鏈的規(guī)整性和對(duì)稱性，以使其結(jié)晶傾向減弱，從而達(dá)到減小分子間作用力的目的(Mi et al.,1997; Yin et al., 2005)。本工作以實(shí)驗(yàn)室前期合成的帶有大側(cè)基(甲苯氧基團(tuán))二胺單體為原料，通過(guò)改變兩種二酐單體的摩爾比，低溫縮聚和程序升溫亞胺化兩步合成一系列芳香聚酰亞胺，所得到的聚合物不僅具有較好的力學(xué)性能和透明性，而且在極性溶劑中具有很好的溶解性。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原料與試劑

3,3′,4,4′ - 二苯甲酮四羧酸二酐(酮酐，BTDA)，均苯四甲酸二酐(均酐，PMDA)，N,N-二甲基乙酰胺(DMAc，通過(guò)CaH2減壓蒸餾提純并儲(chǔ)存于5A°分子篩中)，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，N-甲基吡咯烷酮(NMP)，二甲亞砜(DMSO)，四氫呋喃(THF)，乙醇，甲苯，環(huán)己烷等均為分析純，中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)上海化學(xué)試劑公司；3,5-二氨基-4′-甲基-二苯醚(AMPE，實(shí)驗(yàn)室自制，純度>99%)。

1.2含甲苯氧側(cè)鏈芳香聚酰亞胺膜材料的制備

參照本實(shí)驗(yàn)室前期工作(任廣元等，2011)制備二胺單體3,5-二氨基-4’-甲基-二苯基醚(AMPE)。聚合物按圖1 所示的方法合成。以PI-3 的合成為例，低溫下，在氮?dú)夥罩?將AMPE(5.48 g，0.02 mol) 溶解在100 mL 無(wú)水DMAc，然后同時(shí)加入酮酐BTDA(3.23 g，0.01 mol) 和均酐PMDA(2.18 g，0.01 mol)，溫度保持在-2～2 ℃，充分?jǐn)嚢?8 hr得到粘稠狀聚酰胺酸(PAA)。將所合成的PAA用DMAc 稀釋至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6 %的溶液，然后均勻地平鋪在潔凈的玻璃板上，在60 ℃干燥后得到透明的PAA薄膜。將該P(yáng)AA薄膜進(jìn)行程序化升溫(150 ℃/1hr，200 ℃/1hr，250 ℃/1hr，300 ℃ /1hr，350 ℃/0.5 hr)，降至室溫后，將玻璃板浸泡在水中，即可取出聚酰亞胺薄膜(PI)，烘干備用。

圖1　聚酰亞胺的合成示意圖Fig.1　The synthesis of polyimides

1.3表征

將合成的PI配成濃度為0.5 g/dL的NMP溶液。在(30±0.1) ℃恒溫水浴中，用烏氏粘度計(jì)測(cè)定其特性粘數(shù)[η]。用NMP，DMF，THF，乙醇等作溶劑，25 ℃時(shí)測(cè)定PI的溶解性能。用Perkin-Elmer CHN2400型元素分析儀測(cè)定各種聚酰亞胺的成分。采用Perkin-Elmer782傅里葉變換光譜儀進(jìn)行紅外光譜的測(cè)定。在透射模式下，Shimadzu UV-2550分光光度計(jì)測(cè)定聚合物的紫外-可見(jiàn)光譜。X射線衍射采用日本XRD-2000型X射線衍射儀測(cè)定。用SANS CMT-8102拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)聚酰亞胺薄膜的力學(xué)性能。

2結(jié)果與討論

2.1聚酰亞胺制備與結(jié)構(gòu)表征

一般來(lái)講，聚合物分子量對(duì)聚合物熱穩(wěn)定性，機(jī)械強(qiáng)度有很大的影響。合成高分子量(特性粘度高)的PAA是制備高強(qiáng)度PI薄膜的關(guān)鍵步驟。在以二酐和二胺為單體的縮聚反應(yīng)中，反應(yīng)物，溶劑的純度，反應(yīng)溫度等，是影響聚合物分子量的主要因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，五種聚酰亞胺的產(chǎn)率均大于86 %，粘度均大于0.95，這也說(shuō)明聚合物分子量很大。而且粘度是隨著均苯二酐(PMDA)的含量增加而變大，這可能是由于均苯二酐(PMDA)反應(yīng)活性高于酮酐(BTDA)的緣故。從元素分析的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)C，N，H的實(shí)際測(cè)值與得計(jì)算值很接近，說(shuō)明聚合物的純度很高。

2.2聚酰亞胺的IR分析

表1　不同組分的聚酰亞胺的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2　聚酰亞胺(PI-3)的紅外圖譜Fig.2　IR spectrum of PI-3 film

2.3聚酰亞胺的XRD分析

聚合物的XRD圖譜如圖3所示，圖中五種聚酰亞胺在20°處出現(xiàn)了鈍衍射峰，沒(méi)有明顯的結(jié)晶峰，說(shuō)明合成的PI是無(wú)定型物質(zhì)。主要原因有兩個(gè)：(1)聚酰亞胺分子結(jié)構(gòu)中含有大量剛性強(qiáng)的苯環(huán)和亞胺環(huán)，導(dǎo)致分子鏈段的規(guī)整性很差，聚合物呈現(xiàn)無(wú)定型態(tài)。(2)引入大的側(cè)基甲苯氧基團(tuán)增加了PI主鏈的空間位阻，降低其分子鏈間的相互作用，破壞了聚合物的規(guī)整性，而且降低了其結(jié)晶性能。

圖3　聚酰亞胺的XRD圖Fig.3　XRD patterns of five polyimide films

2.4溶解性測(cè)定

五種聚酰亞胺在溶劑中的溶解性如表2 所示，在強(qiáng)極性非質(zhì)子性溶劑如：NMP、DMAc、DMF中，表現(xiàn)出很好的溶解性。一般的聚酰亞胺難溶難熔，成型加工比較困難，不利于材料的應(yīng)用，在本工作中，引入了大的側(cè)基，破壞了聚合物分子鏈鍛的規(guī)整性，使分子鏈堆砌不再緊密，這有利于有機(jī)溶劑能夠更容易進(jìn)入到聚合物分子間，從而改善了聚酰亞胺的溶解性，這也有利于聚合物的成型加工。從THF溶劑對(duì)聚酰亞胺的溶解情況看，含有酮酐結(jié)構(gòu)單元比率高的PI-1和PI-2更有利于溶解，這可能與分子中含有較多的親水性的碳基有關(guān)。這些聚酰亞胺在乙醇和非極性溶劑中都不溶。

表2　不同溶劑中聚酰亞胺的溶解性(25 ℃)

“++”在室溫下可以溶解， “+”升溫至50 ℃可以溶解， “-”升溫至50 ℃不溶解。

2.5聚酰亞胺膜的光學(xué)性能測(cè)定

使用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-vis)對(duì)五種聚酰亞胺薄膜進(jìn)行透光性能進(jìn)行了研究，掃描波長(zhǎng)為200～800 nm，結(jié)果如圖4所示。薄膜的紫外截止波長(zhǎng)為330～360 nm，460 nm處的透光率都超過(guò)80 %，說(shuō)明這類(lèi)聚酰亞胺薄膜材料具有良好的透明性。這是由于聚合物主鏈中引入大側(cè)基甲苯氧基團(tuán)的空間位阻效應(yīng)導(dǎo)致的。甲苯氧基團(tuán)的導(dǎo)入，破壞了分子鏈的規(guī)整性，明顯降低分子的結(jié)晶性能，對(duì)于同一物質(zhì)來(lái)講，結(jié)晶度越低，透明性就越好。透明性良好的聚酰亞胺材料有利于其在液晶顯示、電子工業(yè)、光波導(dǎo)等中的應(yīng)用。

圖4　聚酰亞胺的UV-vis圖譜Fig.4　UV-vis of five polyimide films

2.6聚酰亞胺膜的力學(xué)性能測(cè)定

用電子萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)這些聚酰亞胺薄膜進(jìn)行力學(xué)性能分析(表3)，結(jié)果顯示這些三元縮聚物的拉伸強(qiáng)度、彈性模量和斷裂伸長(zhǎng)率是隨分子結(jié)構(gòu)中均酐結(jié)構(gòu)單元的含量的變化而變化。由溶液在玻璃板上澆鑄所得的聚合物膜中，聚合物分子是非取向或低取向的，膜的機(jī)械性能主要來(lái)自聚合物的分子量和分子結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)。

表3　均酐組分含量對(duì)聚酰亞胺

表3表明了聚合物膜材料的拉伸強(qiáng)度均超過(guò)80 MPa，彈性模量均超過(guò)1.5 GPa。說(shuō)明用這種方法得到的聚酰亞胺材料具有較好的力學(xué)性能，而且拉伸強(qiáng)度和彈性模量隨著均酐結(jié)構(gòu)單元的含量增加而逐漸增大。而斷裂伸長(zhǎng)率隨著均酐結(jié)構(gòu)單元的含量增加而逐漸減小。這是由于聚合物隨著均酐結(jié)構(gòu)單元含量的增多，分子量逐漸增大，而且分子鏈中的剛性基團(tuán)含量增多，分子間、分子鏈間的作用力增強(qiáng)，這些影響因素對(duì)聚合物的拉伸強(qiáng)度和彈性模量的增大有很大貢獻(xiàn)。但同時(shí)剛性增大，分子作用力增強(qiáng)就會(huì)導(dǎo)致斷裂伸長(zhǎng)率減小。

3結(jié)論

以均酐，酮酐和芳香二胺3,5-二氨基-4’-甲基-二苯基醚為原料，通過(guò)改變均酐與酮酐物質(zhì)的量的比例來(lái)合成一系列高分子量的聚酰亞胺。用紅外光譜，元素分析等手段表征其結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所得聚酰亞胺為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)極性溶劑中具有良好的溶解性和透明性，而且這些聚酰亞胺薄膜具有較好的力學(xué)性能，其拉伸強(qiáng)度，彈性模量是隨著均酐組分含量的增加而明顯提高。

參考文獻(xiàn)

李慶華, 印杰. 1996. 可溶性聚酰亞胺的合成與性能研究[J]. 高分子材料科學(xué)與工程, 12(3):39-43.

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Chao D M, Zhang J F, Liu X C, et al. 2010. Synthesis of novel poly(amic acid) and polyimide with oligoaniline in the main chain and their thermal, electrochemical, and dielectric properties [J]. Polymer, 51:4518-4524.

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Terpolycondensation and Properties of Aromatic Polyimide Films Containing Methylphenoxy Group

QIAN Yong,XU Jian-ping,WANG Chun-yan

(College of Chemistry, Biology and Material Science, East China University of Technology, Nanchang, JX 330013, China)

Abstract:A series of high molecular weight polyimides (PIs) with different intrinsic viscosity were synthesized via changing the ratio of dianhydride (PMDA/BTDA) acted with 3,5-diamino-4′-methyl diphenylether (AMPE) at a low temperature polycondensation and thermal imidization. The structures and properties of PIs were studied by using IR, XRD, UV-vis and mechanical measurement. The as-obtained polyimides possessed good solubility in many strong polar solvents such as DMAc, NMP and DMF. The polymer films also exhibited high transparency with an ultraviolet-visible absorption cut-off wavelength in the 330～360 nm range. The mechanical performance test showed that the polyimide film with good mechanical properties and tensile strength, elastic modulus was significantly improved with increasing PMDA component content.

Key Words:low temperature polycondensation; Aromatic polyimide, methylphenoxy group; mechanical properties

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 323.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-3504(2016)01-0091-05

doi:10.3969/j.issn.1674-3504.2016.01.015

作者簡(jiǎn)介：錢(qián)勇(1976— )，副教授，主要從聚合物基復(fù)合材料的研究。E-mail：yqianecit@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然基金項(xiàng)目(21264001)；江西省教育廳項(xiàng)目(GJJ14471)

收稿日期：2016-01-03