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聚酰亚胺具有优异的光学、力学、化学等性能,广泛应用于微电子工业、食品包装、航空航天、消防、环保诸多领域。可溶性聚酰亚胺化学结构种类繁多,可以用来总结聚酰亚胺的结构与性能的关系,但是不同化学结构的聚酰亚胺的基本分子参数与性能之间的定量关系还未建立,很多关于聚酰亚胺的结构与性能间的关系的讨论还停留在粗略的定性阶段。研究可溶性聚酰亚胺分子链在稀溶液中的外部形状、尺寸和刚柔性,以及链结构因素(如化学结构中主链和侧链结构等)和外在条件(溶剂种类,温度等)对溶液性质的影响,尤其对分子链的柔顺性的影响,可以指导聚酰亚胺在溶液中的形态结构的调控,而且能够为聚集态结构控制、聚酰亚胺材料的最终性能的优化奠定理论基础。
首先,采用SEC与多检测联用方法系统研究了两种异构化的聚酰亚胺ISO33(6FDA/3,3’-Dimethybezidiene)和ISO22(6FDA/2,2’-Dimethybezidiene)在DMF流动相体系中的形态结构。发现在纯DMF流动相中,两种PI样品在淋洗过程中均存在非尺寸排除效应。在0.1M LiBr的DMF、3.1mM四正丁基溴化铵(TBAB)的DMF溶剂体系中,均得到了正常的淋洗谱图,进一步得到了两种单分散的标度关系:[η]=KηMα,Rg,z=KgMv及ρ(=Rg/Rh)值,标度关系指数α在0.63-0.70之间,v值在0.53-0.56之间,表明两个PI分子链均采取无规线团构象,整个分子链表现出线形柔性链的特征,其中ISO33的构象比ISO22更伸展。根据蠕虫状链模型计算出的两个异构化PI样品的持续长度lp值在2.62-3.98 nm,表现出局部刚性的特征。ISO33比ISO22刚性略强,ISO22对外界环境变化较敏感,在TBAB体系中分子链柔性较在LiBr体系中的略高。
研究了温度(30-50℃)对异构化的聚酰亚胺在DMF流动相体系中形态结构的影响。在研究的温度范围内,两个PI分子链的无规线团构象没有明显变化。在不同的溶剂体系中,两个PI分子链的局部刚性对温度变化的反应略有不同。
研究了溶剂对异构化的聚酰亚胺的形态结构的影响。与3.1mM TBAB的THF流动相相比,在3.1mM TBAB的DMF流动相体系中,ISO33分子链因局部刚性增强而使溶液粘度升高,同时无规线团构象更加伸展;ISO22分子链局部刚性有所降低,但与溶剂间的亲合作用增强,而使溶液粘度略有升高,分子链构象的差异在实验误差范围内。
最后,研究了不同化学结构对聚酰亚胺在不同溶剂体系中形态结构的影响。三种不同化学结构的PI(PI-2a,PI-5,PI-9)分子链在三种加盐的流动相体系(0.1MLiBr的DMF、3.1mM TBAB的DMF、3.1mM TBAB的THF)中均采取良溶剂中的无规线团构象,都表现出整体柔性局部刚性的特征。其中PI-2a、PI-5两个样品的线团构象伸展程度相当,与PI-2a异构的PI-9样品的线团构象稍蜷曲。局部刚性稍弱的PI-5对流动相体系变化较敏感,在3.1mM TBAB的THF体系中分子链刚性较在其它两种流动相体系中的略弱。
总之,五种可溶性的PI分子链在所研究的条件下表现出整体柔性、局部略带刚性的特征。蠕虫状链模型适合描述这些PI样品在研究的溶液中的形态结构。