聚间苯二甲酰对苯二胺的合成及其性能研究

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作者：

梁振辉

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摘要：

全芳香族聚酰胺(芳族聚酰胺)由于其出色的热稳定性和机械强度而被认为是高性能有机材料,在航天航空中得到重要的应用.芳族聚酰胺纤维的性能源于它们具有相似的分子结构,其主链由芳香环和酰胺基团交替连接组成.其中全芳香族聚酰胺中两个重要种类:聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)和聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)都已经实现了工业化.本论文中研究了芳香族聚酰胺家族中的一个全新品种—聚间苯二甲酰对苯二胺(PPIA),该聚合物并未实现产业化,国内外关于PPIA的报道并不多见.本论文深入探讨了PPIA的合成,对其合成方法,合成工艺及其性能进行了详细的汇报.本论文的重点研究内容包括以下二个部分:第一部分(本论文的第2章),以对苯二胺和间苯二甲酰氯为单体,运用低温溶液缩聚法,合成了聚间苯二甲酰对苯二胺.探究了各反应条件(溶剂体系,酸吸收剂类型,反应时间,单体摩尔配比,反应温度)对聚间苯二甲酰对苯二胺比浓对数粘度的影响,并通过红外光谱,热重分析对聚合物的化学结构和热性能进行了表征和分析.实验表明,聚合反应的温度,单体摩尔配比和溶剂体系对聚合物比浓对数粘度影响较显著,缚酸剂类型对PPIA的比浓对数粘度影响较大,聚合反应时间应适当延长,当选氢化钙时且用量为对苯二胺质量的1/8~1/4时,反应温度为-3℃,单体摩尔配比为对苯二胺(PPD):间苯二甲酰氯(IPC)=1:1.0071,对苯二胺的摩尔浓度为0.45mol/L,无机盐氯化钙浓度(wt)为5%聚合反应时间大于6h时,所制得聚合物的inhη值为0.99.红外光谱图表明该聚合物满足聚间苯二甲酰对苯二胺的基本结构,热重分析的结果表明当温度达到580℃左右时,聚合物的热残重率为52%,表明聚合物PPIA具有良好的热稳定性.第二部分(本论文的第3章)中,为了进一步提高PPIA的比浓对数粘度,首先采用三甲基氯硅烷与对苯二胺合成了N,N'-(双)三甲硅烷对苯二胺,然后以N,N'-(双)三甲硅烷对苯二胺和间苯二甲酰氯为单体,用离子液体代替无机盐或有机溶剂,采用低温溶液缩聚法合成了聚间苯二甲酰对苯二胺.研究了聚合反应的起始温度,聚合反应时间,溶剂体系对PPIA比浓对数粘度的影响.对合成的PPIA进行了溶解性测试.通过红外光谱,热重分析对聚合物的化学结构和热性能进行了表征和分析,在稀酸,稀碱的环境中进行了PPIA耐化学稳定性的测试.合成的实验结果表明,采用N,N'-(双)三甲硅烷对苯二胺代替对苯二胺可以提高聚合反应速度,聚合反应所用的时间缩短了一半;当单体摩尔浓度为0.35mol/L,聚合反应起始温度10℃,溶剂体系为NMP-Ca Cl2,所制得的PPIA的比浓对数粘度有最大值为1.35;采取N,N'-(双)三甲硅烷对苯二胺取代对苯二胺可以大幅度提高聚间苯二甲酰对苯二胺的比浓对数粘度.同时该方法采用三甲基氯硅烷与对苯二胺在苯溶剂中反应的同时加入酸吸收剂除去生成的氯化氢,再进行简单的蒸馏,干燥获得N,N'-(双)三甲硅烷对苯二胺,此方法简单,实用,不需要复杂的仪器设备.红外光谱图表明,该聚合物满足聚间苯二甲酰对苯二胺的基本结构.热重分析表明,当温度达到586℃时,残重率为52%,因此,该聚合物具有良好的热稳定性,因而聚间苯二甲酰对苯二胺有望成为一种耐高温的纤维.化学稳定性测试实验表明,PPIA耐一定的酸碱性,溶解性测试实验表明:聚合物基本不溶于纯的极性溶剂,在溶剂-无机盐的溶液体系中具有良好的溶解性.

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关键词：

聚间苯二甲酰对苯二胺；高性能纤维；低温溶液缩聚；N,N'-(双)三甲基硅烷对苯二胺；离子液体

学位级别：

硕士

DOI：

CNKI:CDMD:2.1018.279069