仿生聚亚胺复合材料的制备及性能研究

发布时间：2020-04-24 10:24

【摘要】：聚亚胺是一种新型的热固性材料,由于亚胺键的动态共价相互作用,具有自修复性,可回收性和环保性等独特的性质。聚亚胺可以方便地在室温条件下通过热压成型或溶剂润湿条件进行自修复。为了满足更广泛的应用要求,非常有必要通过各种方法来改善聚亚胺的力学性能。天然生物材料中广泛存在着性能优良的有机-无机杂化复合材料。模仿生物复合材料结构,在聚亚胺基质中引入无机增强相是一种提升聚亚胺力学性能的有效方法。本文基于动态共价化学反应制备了具有二氧化钛微球和二维的氧化石墨烯微纳增强相的聚亚胺复合材料,并通过在微纳增强相表面修饰氨基,实现了增强相在聚亚胺连续相中的均匀分布,通过对上述复合材料分别进行了基本理化性能的表征、机械性能及自修复性的测试,研究了增强相对聚亚胺的增强效果和机理。在二氧化钛微球增强的聚亚胺复合材料的研究中,我们利用3-氨丙基乙氧基硅烷(APTMS)成功对TiO_2MS的表面进行氨基化修饰使其表面结合反应活性高的两亲性氨基官能团,减弱二氧化钛微球在聚亚胺基质中的聚集并增强增强相与聚亚胺基质之间的化学反应活性。利用亚胺共价动态化学,在聚亚胺合成过程中将氨基化二氧化钛(amTiO_2MS)按不同的比例添加制备复合材料,并按照同样的方式添加无修饰的TiO_2MS制备复合材料对照组。本研究发现将一定量的amTiO_2MS引入到聚亚胺基质中,可以提高其拉伸强度和杨氏拉伸模量,且不降低其韧性。增强效应受到聚亚胺基质中amTiO_2MS分布的高度影响。在增强相添加量为3%(wt%)时获得二氧化钛均匀分布的仿生聚亚胺复合材料,且其具有最优的机械性能。复合材料的拉伸强度和模量分别提高了14%和97%,拉伸韧性保持在4.3±0.86 MJ/m~3,与聚亚胺基质保持一致。此外,添加TiO_2MS或amTiO_2MS后的复合材料也保持了聚亚胺的自修复性能。其中溶剂的固化过程可能进一步增强复合材料的拉伸性能。在二维材料增强的聚亚胺复合材料的研究中,本文利用二乙烯基三胺(DETA)成功对GO的表面进行氨基化修饰使其表面结合反应活性高的两亲性氨基官能团,增强氧化石墨烯片与聚亚胺基质之间的化学反应活性。利用亚胺共价动态化学,将氨基化氧化石墨烯(amGO)在聚亚胺合成过程中按不同的比例添加制备复合材料,作为对照,将GO按照同样的方式添加制备复合材料。将amGO引入到聚亚胺基质中,可以提高其拉伸强度、断裂伸长率和韧性。随着amGO的添加量为的增加,氨基化石墨烯聚亚胺复合材料(Polyimine-amGO-X)的拉伸强度、断裂伸长率和韧性持续增加。当amGO的添加量为1%时,复合材料的拉伸强度、断裂伸长率和韧性分别提高了86%,130%和339%。亚胺的动态共价化学特性使得聚亚胺材料在自修复和环境友好型材料方面有很大的应用前景。本文为日后制备共价键结合的聚亚胺复合材料提供了合理的方案。
【图文】：

亚胺,结构式

结构上来说，亚胺是羰基（醛羰基或酮羰基）上的氧原子被氮原子所取代后形成的一类有机化合物，通式是 RC=NR′，其中 R 和 R′可以是烃基或氢。图1.1 亚胺结构式亚胺化学也称为席夫碱化学，，是最经常使用的可逆共价相互作用，包括两个不同的过程：亚胺缩合/水解和亚胺交换[1]。Quan 和 Cram 于 1991 年报道了席夫碱的第一个例子[2]。四甲酰基空腔 2 与 1,3-二氨基苯 3 在无水吡啶中在 658 ℃缩合，在柱色谱纯化后得到 1 收率为 45％（图 1.2）。图1.2 动态共价合成八面体亚胺和客体封装[2]

天然物,天然化合物,亚胺,衍生物

（b）通过中间形成的胺化物形成亚胺和胺之间的氨基转移;（c）亚胺复分解[7]图1.4 广泛存在于天然化合物（a）、天然物衍生物（b）、人工合成化合物（c）中的亚胺
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

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