多层次相互作用与聚酰亚胺纤维力学性能相关性研究

聚酰亚胺纤维(PI)以其优良的耐辐射耐热等性能，成为高强高模有机纤维潜力品种。在两步法制备PI纤维过程中，提高大分子链取向度受到限制，因此通过增强分子间作用力的方式是进一步提高其力学性能的重要途径。本项目从分子结构设计的角度出发，重点研究不同层次相互作用（主链间、主链与齐聚物分子间、主链与碳纳米管表面）对PI纤维力学性能贡献。具体通过合成含咪唑结构或羟基的二胺单体，采用共聚方式在大分子链间形成氢键作用；其次合成适宜的低分子齐聚物，通过其填充链间自由体积和相互作用空白点，并与不同大分子链形成氢键相互作用；另外采用直接氟化表面改性碳纳米管技术，利用表面功能化基团C-F具有更高的耐温性能和少量可裂分形成自由基的特点，实现碳纳米管与基体大分子间有效的物理和共价键相互作用。通过上述相互作用与性能的相关性研究，对建立PI纤维链间作用力与力学性能间的关系、丰富分子间作用力对材料性能的影响具有重要意义。

本项目以不同层次相互作用与聚酰亚胺(PI)力学性能的相关性研究为中心，全面地完成了计划任务书中相关研究工作，并取得了较好的研究成果。从分子结构设计的角度出发，重点研究主链间、主链与齐聚物分子间、主链与氟化碳纳米管/原位纳米二氧化硅间相互作用对PI力学性能贡献及其相关性。（1）设计和合成了含咪唑结构、羟基和含酰胺键结构三种二胺单体：2－（4－胺基苯基）－5－胺基苯并咪唑（PABZ）、3,3’-二羟基-4,4’-联苯二胺(DHB)和4,4’-二氨基苯酰替苯胺（DABA），制备了相应不同化学结构的聚酰亚胺薄膜或纤维，其拉伸强度和初始模量均大幅度提高。（2）设计和合成了四种可与主链形成相互作用的不同化学结构的齐聚物，研究了齐聚物/聚酰亚胺共混物结构与性能。随着齐聚物含量的增加，其薄膜的力学强度和模量会有不同程度的提高；当齐聚物的添加量高达20％的情况下，共混薄膜的力学性能仍好于未添加齐聚物的薄膜力学性能，且未发现齐聚物有明显的相分离行为。（3）研究了直接氟化表面功能化的氟化碳纳米管和原位纳米二氧化硅与聚酰亚胺的相互作用及其对力学性能的影响。利用碳纳米管表面羧基、羟基等含氧官能团较低温度下的热分解，为氟气提供反应的进攻点，从而在碳纳米管表面形成高氟含量/高热稳定性的碳氟共价键结构，从而开辟了低温高效制备氟化碳纳米管新方法。研制的F-MWNTs/PI复合纤维的力学性能得到了显著提升。在原位纳米二氧化硅与聚酰亚胺复合薄膜研究方面，通过氢键的相互作用，系统性研究了相互作用大小对聚酰亚胺-二氧化硅薄膜中二氧化硅形态结构和薄膜性能的影响。并且通过改变杂化体系中相互作用的强弱和消失速率，发现了强的相互作用及其慢的消失速率可以制备高度结晶的二氧化硅。即发现了相互作用可调控材料结晶行为的新现象。本项目目前已正式发表SCI收录论文篇13篇（已标注），会议论文8篇，在投稿论文4篇；已获授权的国家发明专利3项，在申请中的国家发明专利4项。并基于本项目的相关研究成果，四川大学与深圳科聚新材料有限公司联合申报广东省产学研重点项目一项，并获得立项（项目编号：2011A090200014），获批经费100万元。同时，本项目有关成果还与企业签订了横向委托开发聚酰亚胺纤维产业化技术转化合同，合同总经费530万元，并建立了PI纤维示范生产线1条，目前已顺利生产出高性能PI纤维。取得了较好的经济效益和社会效益。