含二氮杂萘酮结构新型聚芳酰胺树脂的合成及性能研究

论文摘要

聚芳酰胺是一类重要的特种工程塑料，具有优异的耐高温性能、力学性能和绝缘性能，广泛应用在航天、电子、现代通讯等尖端领域。但是商品化的聚芳酰胺如聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）即使加热到分解温度也不熔融，也不溶于普通溶剂，Kevlar?只能通过PPTA的浓硫酸溶液纺丝成型，条件苛刻，成本昂贵。研究开发综合性能优异且可溶于有机溶剂的新型聚芳酰胺，可通过聚合原液直纺制备高性能纤维，是科学界和工业界都十分关注的热点。本文将二氮杂萘酮结构以及柔性的醚键引入到聚合物主链之中，在保持聚合物优异综合性能的前提下，改善了聚合物的溶解性能，得到了可以进行聚合原液直纺的聚芳酰胺。具体研究内容如下： 以三种含二氮杂萘酮结构的二元羧酸单体与对苯二甲酸和几种商品二胺以Yamazaki膦酰化法进行三元共缩聚反应，制备了3个系列聚芳酰胺PAⅠ～Ⅲ，对其结构进行了表征，考察了聚合物的分子链形态、溶解性、热性能以及薄膜的拉伸性能和亲水性，总结了二氮杂萘酮结构的比例以及二胺的结构对各种性能的影响规律。随着聚合物主链中二氮杂萘酮结构比例的增加，聚合物逐渐趋近于无定型态，溶解性得到改善，热性能变化不明显。聚合物薄膜拉伸性能优异，拉伸强度最高可以达到244MPa。 将含二氮杂萘酮结构的二胺引入到聚对苯二甲酰对苯二胺主链中，采用低温溶液聚合法，制备了一系列新型三元溶致液晶聚芳酰胺树脂P1。该类共聚物具有中等特性粘度，WAXD测试表明聚合物为无定型态；在NMP或NMP／1％LiCl中具有良好的溶解性能，并且具有良好的耐热性能，其玻璃化转变温度Tg在312～351℃之间，10％热失重温度Td（10％）在513～538℃之间，大部分聚合物可在NMP／1％LiCl和DMAc／1％LiCl中形成溶致液晶态，部分共聚物甚至可以在纯NMP中产生溶致液晶态。三元聚芳酰胺树脂P1采用分步加料与混合加料得到的聚合物在特性粘度、玻璃化转变温度、溶解性以及液晶溶液的临界浓度等方面存在一定的差异。 以含二氮杂萘酮结构的二胺、4，4’-二氨基二苯醚、对苯二胺和对苯二甲酰氯为单体，合成了一系列新型四元聚芳酰胺树脂P2。优化了聚合反应中单体浓度、单体比例、酸吸收剂用量、助溶剂用量、反应温度、时间等工艺条件，得到的聚合物特性粘度最高可达5.3dL／g（NMP／1％LiCl，25℃）。WAXD测试表明聚合物为半结晶态，随着二氮杂萘酮结构和醚键比例的增加，聚合物溶解性逐渐得到改善；聚合物耐热等级与商品聚芳酰胺相当。聚合物原液直纺初步实验得到的纤维的拉伸性能与Kevlar?相当，超过2.8GPa。同一共聚物在不同的溶剂中临界浓度不同，随着溶剂与聚合物之间作用力的减弱，临界浓度逐渐减小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 1 文献综述
• 1.1 概述
• 1.2 聚芳酰胺的发展历史
• 1.3 对位芳纶的发展概况
• 1.3.1 对位芳香族聚酰胺纤维的机械性能
• 1.3.2 对位芳香族聚酰胺纤维的热性能
• 1.3.3 对位芳香族聚酰胺结构独特性
• 1.3.4 PPTA的加工工艺
• 1.3.5 传统PPTA制造工艺存在的问题及对策
• 1.4 聚芳酰胺的合成方法
• 1.4.1 界面聚合
• 1.4.2 低温溶液聚合法
• 1.4.3 Yamazaki膦酰化法
• 1.4.4 酯交换反应
• 1.4.5 钯催化的酰基化缩聚
• 1.4.6 气相聚合法
• 1.5 芳香族聚酰胺的改性
• 1.5.1 聚合物主链中引入柔性结构单元
• 1.5.2 聚合物主链中引入体积较大的侧基
• 1.5.3 聚合物主链中引入扭曲非共平面结构
• 1.5.4 共缩聚
• 1.5.5 酰胺基团中N-取代
• 1.6 应用进展
• 1.6.1 功能化智能化高分子
• 1.6.2 制取复合材料
• 1.6.3 PPTA薄膜
• 1.7 含二氮杂萘酮结构聚芳酰胺的研究进展
• 1.8 本论文主要研究内容
• 2 Yamazaki膦酰化法合成三元聚芳酰胺
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 性能测试
• 2.1.3 聚合物的合成
• 2.1.4 聚合物薄膜的制备
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 含无取代二氮杂萘酮结构聚芳酰胺PAⅠ的合成与性能
• 2.2.2 含氯取代二氮杂萘酮结构聚芳酰胺PAⅡ的合成与性能
• 2.2.3 含苯基取代二氮杂萘酮结构聚芳酰胺PAⅢ的合成与性能
• 2.2.4 含二氮杂萘酮结构共聚芳酰胺的结构与性能的关系
• 2.3 本章结论
• 3 三元溶致液晶聚芳酰胺P1的合成
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验原料
• 3.1.2 性能测试
• 3.1.3 聚合物的合成
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 聚合物的合成
• 3.2.2 不同加料顺序对聚合反应的影响
• 3.2.3 聚合物的红外光谱分析
• 3.2.4 聚合物的溶解性能
• 3.2.5 聚合物的耐热性能
• 3.2.6 聚合物的聚集态分析
• 3.2.7 聚合物的液晶性能
• 3.3 本章结论
• 4 四元溶致液晶聚芳酰胺P2的合成
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验原料
• 4.1.2 性能测试
• 4.1.3 聚合物的合成
• 4.1.4 正交实验设计
• 4.2 聚合物的合成工艺优化
• 4.2.1 正交实验结果及方差分析
• 4.2.2 LiCl用量和单体浓度对共缩聚反应的影响
• 4.2.3 吡啶用量对共缩聚反应的影响
• 4.2.4 单体二酰氯与二胺摩尔比对共缩聚反应的影响
• 4.2.5 温度对共缩聚反应的影响
• 4.2.6 反应时间对共缩聚反应的影响
• 4.2.7 TPC两步加料
• 4.2.8 DHPZ-DA和DAPE的比例对共缩聚反应的影响
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 聚合物的合成
• 4.3.2 聚合物结构的红外分析
• 4.3.3 聚合物的溶解性能
• 4.3.4 聚合物的耐热性能
• 4.3.5 聚合物的结晶性能
• 4.3.6 聚合物的溶致液晶性能
• 4.4 本章结论
• 5 四元溶致液晶聚芳酰胺P3的合成
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 实验原料
• 5.1.2 性能测试
• 5.1.3 聚合物的合成
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 聚合物的合成
• 5.2.2 聚合物的结构表征
• 5.2.3 聚合物的溶解性能
• 5.2.4 聚合物的耐热性能
• 5.2.5 聚合物的结晶性能
• 5.2.6 聚合物的液晶性能
• 5.3 本章结论
• 6 聚芳酰胺的热分解动力学研究
• 6.1 理论部分
• 6.1.1 Kissinger方法
• 6.1.2 Flynn-Wall-Ozawa方法
• 6.1.3 Friedman方法
• 6.1.4 Coats-Redfern方法
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 样品及仪器
• 6.2.2 实验过程
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 热分解过程
• 6.3.2 热分解反应动力学
• 6.4 本章结论
• 7 聚芳酰胺溶液凝固性能的研究
• 7.1 实验部分
• 7.1.1 实验原料
• 7.1.2 凝固值和临界浓度的测定
• 7.2 结果与讨论
• 7.2.1 凝固剂种类对凝固值和临界浓度的影响
• 7.2.2 凝固液中NMP浓度对凝固值和临界浓度的影响
• 7.2.3 盐分对凝固值和临界浓度的影响
• 7.2.4 温度对凝固值和临界浓度的影响
• 7.2.5 聚合物的聚合度对凝固值和临界浓度的影响
• 7.2.6 聚合物的结构对凝固值和临界浓度的影响
• 7.3 本章结论
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文及获奖情况
• 论文创新点摘要
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书