基于天然产物制备席夫碱型与含三苯胺及氟化结构聚酰亚胺的合成和性能研究

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尽管传统芳香族聚酰亚胺拥有优良的热力学,耐酸碱性,良好的拉伸性能及许多优异的性能,在航空航天,电子器件,军工,石油化工等领域的应用十分广泛,有着举足轻重的地位,但是由于芳香聚酰亚胺其本身结构的原因,普遍存在难降解,难溶,难融,颜色深,难以加工等缺点,极大地限制了其应用。随着材料产业的高速发展,传统的聚酰亚胺的性质已经不能满足在现今社会诸多领域的应用。为了克服改善这些问题,聚酰亚胺的改性迫在眉睫。因此,我们需要在不影响聚酰亚胺原有优异性能的基础上,改善其各项不足之处。在此基础上,本文第一部分首先以天然产物香草醛为原料,和对氨基苯酚通过酸催化甲苯带水反应生成了一种席夫碱二酚化合物(E)-4-(4-羟基-3-甲氧基亚苄基氨基)苯酚(VDP),在通过与2-氯-5-硝基吡啶进行亲核加成得到二硝基化合物,再用硫化钠-氯化铵体系还原等一系列反应成功制得了一种新的二胺单体(E)-4-[4-(5-氨基吡啶-2-基)氧基-3-甲氧基亚苄基氨基]-(5-氨基吡啶-2-基)氧基苯(VDA)。我们以该二胺单体为原料,分别和三种商业二酐化合物ODPA、PMDA、BPDA,通过制备聚酰亚胺的传统两步法制备三种不同的PI薄膜IPI1、IPI2、IPI3。IPI系列的PI薄膜通过红外光谱表征,其显示的特征峰表明其已完全亚胺化,成功制备了聚酰亚胺。IPI系列PI薄膜的玻璃化转变温度分别在234~238℃,氮气氛围中,百分之五失重温度为526~566℃,百分之十失重温度为555~588℃,800℃的残炭率为56.11~58.46%。由于二酐不同的结构,以ODPA为反应物的IPI1的光学性能及机械性能要略好于其他两种PI薄膜。机械性能方面,断裂伸长率为6.69~5.68%,拉伸强度为28.59~64.52MPa,拉伸模量为1.66~2.25GPa。光学性能方面,500nm透过率为60.3~77.8%,截止波长为363~402nm,该系列薄膜在常见许多溶剂均有着良好的溶解性。值得一提的是,基于席夫碱的独特结构,IPI系列的PI薄膜在酸性条件下可自发的进行降解,通过~1H NMR监测分析,在60℃,1mol/L盐酸为降解剂的条件下,经过20h可基本降解完成,基于~1H NMR的监测结果,我们提出了该降解过程的可能机理。在第二部分及第三部分中,首先,我们以对氟硝基苯和对氰基苯胺为原料,合成了三苯胺型二硝基化合物4,4’-二硝基-4’’-氰基三苯胺(CDN),随后,以乙醇为溶剂,Pd/C和水合肼还原得到三苯胺型二氨基化合物4,4’-二氨基-4’’-氰基三苯胺(CDA)。然后,我们以对氨基酚和对氯三氟甲基苯为原料,成功合成了前驱单体4-[4-(三氟甲基)苯氧基]苯胺(TFSA),再用该化合物与对氟硝基苯反应合成了二硝基化合物4,4’-二硝基-4’’[4-(三氟甲基)苯氧基]三苯胺(TFDN),同样的,以乙醇为溶剂,再经过Pd/C和水合肼还原得到另一种新的三苯胺型二氨基化合物4,4’-二氨基-4’’[4-(三氟甲基)苯氧基]三苯胺(TFDA)。二胺单体4,4’-二氨基-4’’-氰基三苯胺(CDA)分别和三种商业二酐单体ODPA、PMDA、BTDA,通过制备聚酰亚胺的传统两步法制备三种不同的PI薄膜CPI1、CPI2、CPI3。二胺单体4,4’-二氨基-4’’[4-(三氟甲基)苯氧基]三苯胺(TFDA)和ODA分别以百分之8:2,5:5,2:8的比例混合,与ODPA进行共聚得到FPI1、FPI2、FPI3三种薄膜。上述PI薄膜同样通过红外光谱表征,显示其已完全亚胺化。整体来看,CPI系列和FPI系列的薄膜均保持着良好的热学性能,两个系列间无明显区别。CPI系列薄膜的玻璃化转变温度分别在240~252℃,氮气氛围中,百分之五失重温度为415~487℃,百分之十失重温度为495~533℃,800℃的残炭率为47.39~52.98%。FPI系列PI薄膜的玻璃化转变温度分别在250~277℃,氮气氛围中,百分之五失重温度为406~412℃,百分之十失重温度为431~542℃,800℃的残炭率为53.73~57.62%。FPI系列的光学性能、溶解性、疏水性和力学性能均要略优于CPI系列。究其原因,大体积基团三氟甲基的存在,有效的减弱了CTC效应,增大了分子链间距及空间体积。其中,CPI系列的500nm透过率为64.8~78.1%,截止波长为362~381nm,FPI系列的500nm透过率为71.3~79.6%,截止波长为358~386nm。CPI系列的断裂伸长率为5.15~8.38%,拉伸模量为80.60~86.19MPa,弹性模量为2.04~2.43GPa,FPI系列的断裂伸长率为4.32~6.50%,拉伸模量为65.72~75.73MPa,弹性模量为1.69~1.99GPa。将含氟基团引入聚酰亚胺后,不仅保留了聚酰亚胺原有优异的热力学性质,同时也增加了其疏水性,改善了其难溶、难融的特点,变得易于加工。
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