研究含有主链和末端具有协同交联作用乙炔基的热固性聚酰亚胺的性能

时间:2026年5月15日
来源:Polymer

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薛武宁|凯峰宁|李月荣|方兴忠中国科学院宁波材料技术与工程研究所,中国浙江省宁波市,315201摘要通过两步聚合方法合成了一系列主链和末端同时含有乙炔基的热固性聚酰亚胺树脂,使用4-苯乙炔基邻苯二甲酸酐(4-PEPA)作为末端封端剂,2-(4-氨基苯基)-1H-苯并咪唑-2-胺(

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薛武宁|凯峰宁|李月荣|方兴忠
中国科学院宁波材料技术与工程研究所,中国浙江省宁波市,315201

摘要

通过两步聚合方法合成了一系列主链和末端同时含有乙炔基的热固性聚酰亚胺树脂,使用4-苯乙炔基邻苯二甲酸酐(4-PEPA)作为末端封端剂,2-(4-氨基苯基)-1H-苯并咪唑-2-胺(BIA)和2,2'-双(三氟甲基)联苯胺(TFDB)作为芳香二胺,以及4,4'-(六氟异丙叉)二苯二甲酸酐(6FDA)和4,4'-(乙炔-1,2-二基)二苯二甲酸酐(EBPA)作为芳香二酐。研究了6FDA与EBPA的二酐比例对酰亚胺低聚物的溶解度和熔融粘度以及固化聚酰亚胺片材的热性能和机械性能的影响。这些酰亚胺低聚物在室温下表现出优异的溶解度及适宜的熔融粘度。固化后,聚酰亚胺的玻璃化转变温度(Tg)范围为455°C至489°C;所有样品在空气和氮气气氛下的5%重量损失温度均超过500°C,拉伸强度在19.9 MPa至54.2 MPa之间。随着EBPA含量的增加,固化树脂的Tg达到一定值后趋于平稳,不再进一步升高。

引言

由于具有较高的比强度、比模量、强抗腐蚀性和优异的疲劳抗性,先进的树脂基复合材料在航空航天、军事、交通等领域得到广泛应用。飛機的快速发展对材料的耐温性和热稳定性提出了更高的要求[1],[2],[3],[4],[5],[6]。聚酰亚胺(PI)具有出色的耐热性、抗腐蚀性和机械性能,已被广泛用作树脂基复合材料的基体材料。然而,其刚性的杂环结构和强的分子间相互作用导致其加工性能较差。为了解决这一问题,研究人员通过分子结构设计引入了功能性交联位点。带有活性末端封端剂的热固性聚酰亚胺可以通过调节分子量来改善加工性能,并在热交联形成网络结构后,赋予树脂优异的耐热性[7],[8],[9],[10],[11],[12],[13],[14],[15]。
苯乙炔基是一种典型的活性交联基团,可在高温下发生交联反应形成稳定的三维网络结构。这不仅拓宽了加工窗口,还显著提高了材料的耐热性,因此被广泛用于热固性聚酰亚胺的末端封端[16],[17],[18],[19],[20],[21],[22],[23],[24]。许多研究人员致力于同时实现具有优异溶解度、适当熔融粘度和高玻璃化转变温度(Tg)的热固性苯乙炔基封端聚酰亚胺树脂。例如,横田等人使用2-苯基-4,4'-二氨基二苯醚(p-ODA)与邻苯二甲酸二酐(PMDA)共聚,并用4-苯乙炔基邻苯二甲酸酐(4-PEPA)进行末端封端,制得的聚酰亚胺树脂在NMP中的溶解度超过30 wt%。在此基础上,他们引入了含有大体积侧基的9,9-双(4-氨基苯基)芴(BAFL),使树脂能够在几个月内保持非凝胶状态。该树脂的Tg为356°C,最小熔融粘度为154 Pa·s,断裂伸长率为11.3%[25],[26],[27]。杨等人使用4,4'-(六氟异丙叉)二苯二甲酸酐(6FDA)、2-三氟甲基-4,4'-二氨基二苯醚(3F-ODA)和4-PEPA作为封端剂合成了树脂,其在丙酮中的溶解度超过10 wt%。该树脂的Tg为452°C,最小熔融粘度为0.1 Pa·s,断裂伸长率为3.0%[28]。最近,我们小组报道了由PMDA、2,2'-双(三氟甲基)联苯胺(TFDB)、双(4-氨基-2-三氟甲基苯基)醚(TFODA)和4-PEPA衍生的酰亚胺低聚物,其固化后的Tg为441°C,最小熔融粘度为9.0 Pa·s,断裂伸长率为9.6%[18]。
此外,近年来,主链交联改性因能更有效地调节聚合物网络结构而受到越来越多的关注。通过将含炔基的交联单元引入聚酰亚胺主链,可以通过增加交联位点的密度进一步提升网络刚性,从而改善热性能[16],[29]。4,4'-(乙炔-1,2-二基)二苯二甲酸酐(EBPA)是一种同时具有二酐单体功能和交联活性的单体,为改善聚酰亚胺的热性能提供了新的思路。其分子结构中的炔基可以在高温下参与交联反应,并与末端封端剂中的炔基协同构建高密度交联网络[30],[31]。NEXIMID® MHT-R是一种高端热固性聚酰亚胺材料,特别适合通过树脂传递模塑(RTM)工艺制造中小型高温复合材料,其最小熔融粘度为0.6 Pa·s。现有研究表明,该复合材料首先通过在370°C下将NEXIMID® MHT-R与碳纤维固化2.5小时,然后在氮气和空气气氛中分别在不同温度下进行后固化。典型的后固化过程包括在400°C、420°C或440°C下保持2小时。后固化后的复合材料Tg范围为340°C至466°C,使其成为适合高温应用的轻质材料[32],[33],[34],[35],[36]。此外,王等人使用m-苯二胺(m-PDA)作为二胺,6FDA作为二酐,4-PEPA作为封端剂,将0-20%的EBPA引入聚酰亚胺主链。不同固化过程和EBPA含量的研究表明,更高的交联温度和更高的EBPA含量对提高固化聚酰亚胺的Tg(353-391°C)有更显著的效果[37]。
在我们小组之前的研究中,使用6FDA、TFDB和2-(4-氨基苯基)-1H-苯并咪唑-2-胺(BIA)作为起始原料,并以4-PEPA作为末端封端剂,成功合成了一系列具有高耐热性、高溶解度和低熔融粘度的聚酰亚胺低聚物。这些树脂表现出优异的综合性能,如高Tg和机械性能、良好的熔融粘度和溶解度[38]。考虑到引入EBPA结构可能会增加树脂的最小熔融粘度并降低其溶解度,我们选择以4:1的TFDB:BIA摩尔比将部分EBPA单体引入低聚物结构中。在此基础上,为了进一步提高固化聚酰亚胺的Tg,本文重点研究了EBPA单体中的炔基对聚酰亚胺热性能的综合影响。系统地研究了EBPA含量和不同固化工艺对树脂关键性能(如Tg、溶解度、熔融粘度和机械性能)的影响,旨在为开发高性能、耐高温的聚酰亚胺树脂和复合材料提供新的方案。

章节摘录

材料

4,4'-(六氟异丙叉)二苯二甲酸酐(6FDA)、2,2'-双(三氟甲基)联苯胺(TFDB)和4-苯乙炔基邻苯二甲酸酐(4-PEPA)由安徽秀浪新材料科技有限公司提供。2-(4-氨基苯基)-1H-苯并咪唑-2-胺(BIA)由常州阳光制药有限公司提供。4,4'-(乙炔-1,2-二基)二苯二甲酸酐(EBPA)由天津渤海化学科技有限公司提供。< />-二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO)由...

低聚物结构表征

如表1所示,通过GPC测得了酰亚胺低聚物的分子量,结果表明平均分子量(Mn)为2100-2200 g/mol,与计算分子量(Mc)基本一致,初步证明目标酰亚胺低聚物已制备成功。Mw/Mn指数范围为1.1至1.2。
以PI-E-30%树脂在固化前后的FTIR光谱为例(图1)。1779和1722 cm^-1处的吸收峰...

结论

从6FDA、EBPA、BIA、TFDB和4-PEPA合成了主链和末端含有可交联炔基的一系列低聚物。通过调整EBPA单体的含量,这些酰亚胺低聚物表现出优异的加工性能和溶解度,同时保持了热稳定性。随着EBPA含量的增加,酰亚胺低聚物的溶解度和熔融粘度逐渐降低,而固化产品的Tg在约480°C时趋于稳定。

CRediT作者贡献声明

方兴忠:撰写 – 审稿与编辑,监督,资金获取。李月荣:验证,研究。凯峰宁:验证,研究。薛武宁:撰写 – 原始草稿,验证,方法学,研究,数据整理,概念化

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的利益冲突或个人关系。

数据可用性

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利益冲突声明

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致谢

本工作得到了宁波高新区关键研发计划(编号:2025CX050006)和浙江省海洋产业科学技术项目(编号:2026HYC10006)的支持。

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