新型联苯聚芳醚砜的合成及性能研究

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聚芳醚砜类树脂是一种综合性能优异的特种工程塑料,目前已广泛应用于航空航天、汽车、医疗以及能源等领域。但随着科技的进步,传统的聚芳醚砜树脂的耐热等级、耐溶剂以及力学强度等性能已无法满足一些尖端领域对材料性能的苛刻要求。因此,从分子结构设计入手,开发耐热等级更高、机械性能更优异的新型聚芳醚砜类树脂已受到了人们的广泛关注。聚合物的分子链结构是影响其性能的主要因素。作为一种结构简单的刚性基团,联苯基团具有优异的稳定性和良好的对称性。因此常被引入芳香族聚合物中,用来提升其分子链的刚性,进而改善聚合物的耐热性能、机械性能以及摩擦性能等。在几种传统的聚芳醚砜类树脂中,聚亚苯基砜(PPSU)是典型的一种分子链段中存在联苯结构的聚合物。它除了兼具聚砜(PSU)和聚醚砜(PES)的耐高温特性外,还具有更高的抗冲击强度。这主要是因为PPSU中的柔性醚键较多,醚/砜基团的比例为2:1,而联苯基团的引入又可以有效保持聚合物的刚度,从而保证了PPSU树脂良好的力、热等性能。那么,引入更高比例的联苯基团会对聚芳醚砜树脂的综合性能产生怎样的影响也需要进行深入研究。除了分子链结构外,聚合物的聚集态结构对性能也有着重要的影响。作为组成聚芳醚砜分子链结构的主要分子基团,砜基是一个不对称的四面体结构,空间构型极不规则。这导致C-SO2-C的键角(105o)与C-O-C的键角(124o)差距较大,从而极大地破坏了聚芳醚砜分子链的规整性,使传统的聚芳醚砜类树脂都是无定形聚合物。虽然聚芳醚砜已具有很多优异的性能,但与聚醚醚酮等结晶型特种工程塑料相比,它们在耐溶剂性能以及机械性能等方面仍显不足。因此,如果能通过分子设计,进一步改善聚芳醚砜分子链的规整性,甚至合成一种具有结晶能力的聚芳醚砜类聚合物,便不仅可以改善聚芳醚砜的耐溶剂性能,还可以提升其耐热和机械等性能。为了探究高比例联苯基团的引入对聚芳醚砜性能的影响,本论文通过Suzuki-Miyaura偶联反应合成了一种含双联苯结构的双酚S型单体(BDS),并以此为基础,进一步通过亲核取代缩聚反应,成功制备了两种含高比例联苯基团的聚芳醚砜类聚合物。通过与市售PPSU树脂进行对比,全面考察了双联苯结构的加入对聚芳醚砜各项性能的影响。结果表明,两种新型联苯聚芳醚砜BDS-PES与BDS-PDBES的耐热等级很高,玻璃化转变温度(Tg)分别高达276℃和300℃。而且其5%热分解温度均达到了526℃。两种新型聚芳醚砜的机械性能也得到了增强,与PPSU相比,BDS-PES与BDS-PDBES拉伸强度分别提升了9%和12%,拉伸模量分别提升了18%和30%。同时,两种新聚合物的储能模量均高于PPSU,并且可以在更高的温度下保持,具有更优异的高温力学性能。导热分析表明,三种聚芳醚砜材料的导热系数均与温度呈正相关。与PPSU相比,两种新型聚芳醚砜拥有更好的导热性能。溶解性测试表明,两种新型聚芳醚砜仍然可以溶解在大部分有机溶剂当中,耐溶剂性并没有得到很大改善。为了进一步改善聚芳醚砜分子链的规整性,提升其耐溶剂性能,本文从分子结构设计的角度出发,选用上述合成的BDS与结构更为规整的4,4’-二氟二苯甲酮作为反应单体,进一步通过亲核取代反应路线,成功制备了不同分子量的双联苯聚芳醚砜酮(BD-PESK13)。热学分析表明,BD-PESK13拥有优异的耐热性能,其5%热分解温度均在530℃以上。而且随着分子量的升高,Tg最高可达240℃。BD-PESK13的耐溶剂性能优异,常温下只能溶解于强极性的质子型溶剂浓H2SO4当中。BD-PESK13粉料在经过320℃退火处理后表现出良好的结晶性能,其结晶度分别为29%,24%和16%。随着退火温度的提高,BD-PESK1的熔点逐渐升高,结晶度不断增大。当退火温度升至320℃时,结晶最为完善。同时,BD-PESK还具有优异的机械性能和高温力学性能,其拉伸强度与模量以及储能模量均高于PPSU树脂。但是退火后BD-PESK的力学性能虽有提升,却并没有表现出结晶聚合物特有的性能优势。对此,我们分析可能是因为熔融加工过程对聚合物的结晶性能产生了影响。本文针对经熔融加工过后的BD-PESK的结晶性能进行了深入研究。通过对不同方式处理后的聚合物样品的DSC测试,我们发现BD-PESK在二苯砜溶剂的诱导作用下可以形成结晶,而且退火处理可以使晶体更加完善。但熔融加工会破坏BD-PESK的晶体结构,即使再进行退火处理也无法实现晶体重构。针对这一问题,我们分析主要原因为高分子量BD-PESK的分子链的规整性相对较差,而且黏度较大,链段运动困难,不利于其折叠排列形成晶体。因此,我们考察了BD-PESK的分子量对其高温加工后的结晶性能的影响,发现当BD-PESK黏度小到0.51 dL·g-1时,经高温熔融加工后的聚合物依旧具有较好的结晶能力。虽然由于其分子量过小,无法得到完整的聚合物样条从而被进一步应用。但从理论上讲,BD-PESK是可以经过熔融过程再结晶的,这就为今后的工作提供了思路。如何进一步诱导高分子量聚合物形成结晶是今后的主要研究内容。
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