一类含氮杂环高性能聚酰亚胺的分子设计与性能研究

聚酰亚胺由于其优异的热稳定性，机械性能，化学惰性，介电性能和耐辐射性，作为高性能工程材料在航空航天和电子工业中都有广泛的应用，随着航天、国防事业和电子工业的发展，对聚酰亚胺的性能提出了更高的要求。部分刚性棒状聚苯并咪唑和聚苯并噁唑比聚酰亚胺有更好的热、机械性能，但它们通常是在酸性溶液中高温缩聚得到，操作困难限制了应用，把它们的性能与聚酰亚胺结合起来对提高聚酰亚胺的性能具有重要的意义；引入羟基能形成分子间氢键进一步增加聚酰亚胺强度等性能。本项目通过分子设计合成一系列含羟基、苯并咪唑或苯并噁唑环的二胺单体，实现其基于国内原料的低成本制备，并与不同结构的二酐单体缩聚制备聚酰亚胺，对这些聚酰亚胺的分子聚集形态、热性能、力学性能等进行深入研究 ，总结羟基、苯并咪唑或苯并噁唑环对聚酰亚胺性能的影响规律，对分子间氢键作用力等影响因素进行系统的分析，为耐高温高性能聚酰亚胺的制备提供理论依据。

首先，在分子设计的基础上制备了含苯并咪唑、苯并恶唑和羟基的二胺单体。在此基础上，制备了一系列含有刚性棒状结构的聚酰亚胺，对这些聚酰亚胺的性能进行了考察，比较和探讨了复杂的氢键作用对聚酰亚胺性能的影响。此外，还制备了一种含萘和苯并恶唑的聚酰亚胺，对该聚酰亚胺的光学性能进行了探讨。并制备了一类含咪唑聚酰亚胺和SiO2杂化材料，对材料的性能进行了考察。主要研究工作如下：.1、合成了5种含苯并咪唑、苯并恶唑和羟基的二胺单体，并对单体的结构进行了确认，结果显示这些含杂环的二胺比4,4’-ODA的聚合活性差，其聚合活性顺序为含苯并咪唑二胺＞含苯并噁唑二胺＞含羟基和苯并噁唑的二胺。.2、用上述二胺单体制备了一系列含有刚性棒状结构的聚酰亚胺，对这些聚酰亚胺的性能进行了考察。结果显示这些含有氮杂环的聚酰亚胺都有很高的热性能和很好的力学性能，其中部分结构的聚酰亚胺玻璃化转变温度能达到400 ºC以上。.3、通过比较聚酰亚胺的性能发现，由于氢键作用使含羟基聚（苯并恶唑-酰亚胺）比不含羟基的聚（苯并恶唑-酰亚胺）有较高的玻璃化转变温度和较高的尺寸稳定性。而含苯并咪唑的聚酰亚胺有最好的性能，如最高的玻璃化转变温度，最高的高温残碳率和最高的尺寸稳定性。这说明在聚酰亚胺中苯并咪唑形成的氢键比羟基形成的氢键更强。同时，由于苯并咪唑的强氢键作用使得聚（苯并咪唑-酰亚胺）在亚胺化后呈现更无序状态，而通过更高温度400 ºC热处理后，克服了强分子间氢键作用，分子链重排，可形成结晶结构。.4、合成了含萘和苯并恶唑的二胺1,4-di(5-aminobenzoxazol-2-yl)naphthalene，用其和传统的二酐聚合制备了系列聚酰亚胺。由于其刚性棒状结构的存在，该系列聚合物显示出高水平热性能和力学性能。其玻璃化转变温度分别在267～345℃之间，在氮气中5 %热失重温度在517～562℃之间。而拉伸强度可高达294MPa，模量高达6.5 GPa。值得关注的是，这些聚合物发射最大发射波长在470～560 nm范围内的荧光，并且这些聚合物的荧光性能与二酐的吸电子能力相关。.5、出于对含氮杂环高性能聚酰亚胺应用方面的考虑，考察了含咪唑聚酰亚胺的SiO2掺杂复合物的性能。结果显示由于咪唑环的存在与SiO2的羟基之间能形成很强的作用，得到SiO2均匀分散的复合材料，对于提高材料性能有显著的影响。