新型芳香族聚酰胺的设计、合成和表征

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本论文以“新一代高性能芳香族聚酰胺材料结构设计与制备”为主题,以制备新型芳香族聚酰胺为目标,围绕聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)展开从分子设计到合成方法再到性质表征的研究,内容包括以PPTA为骨架的新型接枝共聚物的合成与表征、含功能基团的新型芳香族聚酰胺的合成和表征、一种合成芳香族聚酰亚胺的新方法及其应用初探。  1.研究了主链结构规整性对大分子引发剂和接枝聚合物性质的影响。设计、合成了TEMPO基团在PPTA链上呈交替及无规分布的两种聚合物CPPTA-alt和CPPTA-ran,并以之为大分子引发剂,引发苯乙烯的氮氧自由基调控聚合(NMP)成功制备了两个系列共4种以PPTA为刚性主链、聚苯乙烯为柔性侧链的接枝聚合物。CPPTA-alt,由于有着较为规整的分子链,有着较好热稳定性和结晶度,其形成液晶的临界浓度也较高。对于接枝共聚物,随着侧链的增长,其热性质与结晶性受主链的影响逐渐减弱,受侧链影响逐渐变强。当侧链长度相同时,主链规整性高的接枝共聚物的结晶性要好,其它性质则无明显区别。  2.设计合成了两种含有功能基团的新型PPTA聚合物APPTA与CRPPTA,并对其性质进行研究。以工业原料2,5-二羟基对苯二甲酸为起始原料,经过四步反应得到缩聚型单体2,5-二烯丙氧基对苯二甲酰氯,然后与对苯二甲酰氯、对苯二胺通过低温溶液共缩聚合成得到一系列烯丙氧基取代的PPTA,即APPTA-x。对APPTA-100进行克莱森重排反应,得到了芳环上同时含有烯丙基和羟基的新型芳香族聚酰胺CRPPTA-100。APPTA-x具有较好的热稳定性,其在氮气中的5%失重温度在360℃以上。随着2,5-二烯丙氧基对苯二甲酰结构单元的含量增加,APPTA-x分子链在本体中由类似PPTA的堆积方式到无序再到形成不同于PPTA的层状有序结构。APPTA-x在N-甲基吡咯烷酮等常见有机溶剂中均不能够完全溶解;重排后,所得CRPPTA溶解性明显改善,CRPPTA-100在酰胺类溶剂及一些强极性溶剂中容易溶解。由于羟基对氢键的干扰导致CRPPTA在本体中分子链堆积呈无序状态,同时羟基的引入使CRPPTA具有良好浸润性。  3.通过对一个非寻常热失重现象深入研究,发现了邻甲基芳香酰胺经过高温氧化合成芳香酰亚胺的方法,通过模型反应得到验证,同时提出可能的反应机理。将此氧化-酰亚胺化反应应用到聚合物合成中,成为一种制备聚酰胺酰亚胺(PAI)/聚酰亚胺(PI)材料的新方法。以聚邻甲基对苯甲酰胺(PMBA)为模型体系,对其转化为相应聚酰亚胺(PBI)的条件进行探索,得到了在空气中和在O2/N2(1/1)混合气氛下PMBA全部转化为PBI的条件。通过此方法处理后,PMBA的Td5%可提高50℃以上,最高可达130℃。同时,以CPPTA-alt液晶膜为对象,结合液晶制膜和氧化-酰亚胺化反应,首次制备了分子链呈液晶有序性的新型聚酰胺酰亚胺(PAI)膜,初步探索了分子有序的PAI材料的制备方法。
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