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聚酰胺酰亚胺的制备及其应用1

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导读聚酰胺酰亚胺的制备及其应用1
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绝缘材料2005 No.5 陈立军等:聚酰胺酰亚胺的制备及其应用 61 聚酰胺酰亚胺的制备及其应用 陈立军,张心亚,黄 洪,沈慧芳,陈焕钦 (华南理工大学化学工程研究所,广州 510640) 摘要:聚酰胺酰亚胺(PAI)是一种热塑性树脂,具有优良的耐热性、介电性、机械性能和化学稳定性。文章介绍了PAI的制备 方法,并指出了每种制备方法的优缺点。阐述了PAI在制备高性能的绝缘材料、纳米复合材料、分子印迹聚合物等方面的应 用。探讨了PAI的发展趋势和今后的研究热点。 关键词:聚酰胺酰亚胺;制备;应用;绝缘材料 中图分类号:TM215;TQ323 文献标识码:A 文章编号:1009—9239(2005)一0061—04 Preparation and application of polyamide-imide CHEN Li—jun,ZHANG Xin—ya,HUANG Hong,SHEN Hui-fang,CHEN Huan-qin (Research Institute of Chemical Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China) Abstract:Polyamide.imide,which is a kind of thermoplastic resin,has good heat resistance,di— electric property,mechanical property and chemical stability.In this paper,preparation methods of PA1 war introduced and merits and drawbacks of each preparation method were pointed out. Applications of PAI in insulation material,nanocomposite material,molecularly imprinted polymer and son on wer presented.Development tendency and research hotspot of PAI in future were discussed. Key words:polyamide—imide;preparation;application;insulation material 1前言 制了PAI的发展。因此,发展一种合适的替代TMA 的原材料显得非常重要。再生性天然化工原料一松 聚酰胺酰亚胺(PAI)是一种热塑性树脂,分子中 同时具有耐热的芳杂亚胺基团和柔性的酰胺基团,因 此具有优良的耐热性、介电性、机械性能和化学稳定 香,是三环羧酸的混合物,通过和马来酸酐的双烯加 成反应,可以得到和TMA结构相似的马来海松酸酐 性,是一种性能卓越的工程材料,在许多领域尤其在 电器行业得到广泛的应用。近年来,随着PAI制备技 术的发展,高性能的PAI产品不断出现,拓宽了PAl 的应用范围,促进了PAI的发展。 (RMA),是TMA的理想替代品。目前,以脂松香为 原料,采用酰氯路线来制备PAI方面取得大量成果, 研究出多种制备路线,制备出不同结构的PAI。如:① RMA同亚硫酰氯反应生成马来海松酸酰氯,然后用 2mol单酰氯同lmol二元胺反应合成二元酰胺,最后 二元酰胺同二元胺熔融缩聚,得到PAl。该PAl可在 2 PAI的制备方法 2.1酰氯路线法 酰氯路线方法是以偏苯三酸酐(TMA)、酰氯或 其衍生物和二胺等为原料来制备PAI。通常,TMA 是合成PAI的关键原材料。但目前世界上只有少数 几家公司能够生产,产品价格高,这在某种程度上限 收稿日期;2005—08—06 氯仿中制备坚硬、抗溶剂和水的薄膜;②使用改进的 Schotten—Baumann方法,先用过量二胺处理lmol 单酰氯,然后用盐酸酸化得到一个马来海松酸的酰胺 基胺基盐酸盐,此盐再和二胺熔融缩聚,得到PAI; ③马来海松酸酰氯同甲醇反应,生成马来海松酸二甲 基醇,然后同各种二胺缩聚生成PAI;④在250~ 325℃的反应温度下,HC1参与下,由二氢富马酸合成 二氢马来海松酸酐,二氢马来海松酸酐酰氯化,然后 与二胺缩聚合成PAI【11o 作者简介:陈立军,男,博士研究生,主要从事精细化工产品和高分 子聚合物的研究(Email:chenlijun1975@sohu.tom Tel:020— 87110949)。 维普资讯 http://www.cqvip.com

62 陈立军等:聚酰胺酰亚胺的制备及其应用 绝缘材料2005 No.5 虽然酰氯路线法制备PAI方法较多,而且制备 出的产品结构多样,但该方法工艺流程长,酰氯及衍 生物存储稳定性差,特别是生产过程中放出HC1气 体,污染环境,腐蚀设备。因此,造成生产操作环境恶 劣、设备维护更换频繁,增加生产成本。 2.2二异氰酸酯路线法 二异氰酸酯路线法是以TMA和二异氰酸酯为 主要原料来制备PAI。该方法通常又分为以下3种方 法:①直接制备法,即用等摩尔的TMA和二异氰酸 酯反应合成高聚合度的PAI;②预聚体制备法,即先 合成低聚合度的PAI预聚体,然后再加入封闭的异 氰酸酯做固化(扩链)剂;③整合制备法,即将预聚体 和固化剂整合于同一分子上,使用时高温下封闭端解 封,预聚体进一步扩链形成高聚合度的PAI。 2.2.1直接制备法 杜玉杰等拉 以TMA和二异氰酸酯为原料,N一 甲基吡咯烷酮(NMP)和二甲苯的混合物为反应溶 剂,筛选出适当的助剂,并控制反应温度、时间,适时 添加适当助剂来控制反应进程、聚合度等,制备出 PAI。当MDI采用滴加投料时,制备出的PAI稳定性 差,而一次投入全部的MDI反应过程难于控制,采 用分批加料即可解决上述问题。Barikani等 采用 TMA和苯基二异氰酸酯为原料,以二甲基乙酰胺为 反应介质,通过直接缩聚法来制备PAI。在缩聚过程 中,产生的副产物CO 可以直接从反应体系中排 出。一般工业上合成PAI是采用等摩尔的二苯基甲 烷二异氰酸酯(MDI)和TMA在混合溶剂中反应生 成高分子量的PAI[4】。虽然直接制备法制备PAI,工 艺流程相对较短,操作简单,但由于直接制备法制备 出的PAI,分子量大并且在PA1分子中存在一定数 量的活泼异氰酸官能团,使其溶液粘度大,贮存不稳 定,使用时消耗大量溶剂。 2.2.2预聚体制备法 预聚体制备法制备PAI通常由以下步骤组成: ①通过控制反应体系中TMA和二异氰酸酯的配比 制备出低分子量的PAI,即PAI预聚体;②采用一定 的封闭试剂如苯酚、对氯苯酚和己内酰胺等来封闭二 异氰酸酯。封闭试剂的选择应该遵循着这样的规则: 对封闭的二异氰酸酯进行适当的加热,能够重新分解 出活泼的二异氰酸酯;③将PAI预聚体和封闭的二 异氰酸酯进行复配制备出PAI。吴航等 姬过预聚体 法来制备PAI,首先控制反应体系中MDI与TMA 摩尔比值在0.85~0.95之间,采用NMP为反应溶 剂,初期反应温度控制在80℃左右,待反应2~3h后 再升温至120~140 ̄(2(主要是防止副反应的发生), 制备PAI预聚物;然后制备封闭型异氰酸酯。在制备 封闭型异氰酸酯时,反应温度越高反应速度越快,但 不能高于封闭型异氰酸酯的分解温度,一般控制在 60--80℃之间为宜。在制备PAI预聚物和封闭型异 氰酸酯时,加料方式均采用MDI一次性加入。Chen 等 也采用预聚体法来制备PAI。采用MDI和TMA 为原料、NMP为反应溶剂,用对氯苯酚作为封闭试剂 来封闭MDI,应用两级加热法来制备PAI。首先在 80℃形成PAI预聚物,然后升温至120 ̄(2,并保留 3h,制备出高分子量的PAI。PAI的分子量可通过固 有粘度的测定、红外光谱中酰胺/酰亚胺的比例、GPC 的平均链长度等来表示。由于解封的NCO基团可能 存在的副反应和含有对氯苯酚的异氰酸酯重组成氨 基甲酸酯,因此反应体系中封闭MDI/TMA的摩尔 配比通常大于1。研究发现反应体系中封闭MDI/ TMA的摩尔配比越大,所制备出的PA1分子量就越 大。为提高封闭型异氰酸酯的解封速度,通常在反应 体系中加入叔丁胺作为催化剂。但反应体系中叔丁胺 的浓度的大小会影响PAI的分子量。当反应混合物 中叔丁胺的浓度为0.162mol/I 时,制备出的PAI的 分子量最大。主要是叔丁胺不但是封闭型异氰酸酯解 封的催化剂,也是MDI与对氯苯酚形成氨基甲酸酯 的催化剂。催化剂浓度越高,不但促进封闭型异氰酸 酯的解封反应也促MDI的封闭反应,因此反应体系 中催化剂存在着最佳浓度。 预聚体制备法制备PAI有效解决了直接聚合法 制备法产品粘度大和贮存不稳定的问题,但该方法制 备工艺程序多,需要单独合成固化剂,并且在使用过 程中需要严格控制PAI预聚物与固化剂的配比。 2.2.3整合制备法 。 整合制备法制备PAI,采用TMA和二异氰酸酯 为原料,通过在反应过程中加入适量的封闭剂(如苯 酚)制备出适当聚合度的一端为封闭异氰酸酯另一端 为酸酐的预聚体,使用时高温下封闭端解封,预聚体 进一步扩链形成高聚合度的PAI。其制备原理为:用 等摩尔的TMA和MDI反应,反应到一定程度后加 入封闭剂苯酚并继续进行反应到终点,得到一端为酸 酐基团,另一端为封闭的异氰酸酯基团的预聚体,反 应的溶剂NMP,使用时在高于封闭的异酸酯(氨基甲 酸酯基团)的分解温度时发生解封和扩链的反应。继 续进行扩链,可形成高聚合度的PAI。采用整合制备 法制备PAI可以得到低粘度、贮存稳定的预聚体溶 液。只要预聚物的聚合度适当,经解封并进行扩链后 可以得到性能优越的PAI。催化剂、封闭剂的种类、加 入量和加入时间以及反应温度是整合制备法的关键 维普资讯 http://www.cqvip.com

绝缘材料2005 No.5 陈立军等:聚酰胺酰亚胺的制备及其应用 63 影响因素。整合制备法,工艺相对简单,可以有效克服 直接制备法和预聚体制备法的弊端,是一种非常有前 途的制备PAI的方法。 3 PAI的应用 3.1制备高性能绝缘漆 现代工业的发展,电气、电子装备呈现安全、高效 节能和轻型化的趋势,高性能绝缘材料在电气电子领 域内的应用使元器件体积、原材料减少了近30%,然 而小轻型化必然导致其工作温度升高,需采用耐高温 的漆包线漆,这些耐热性好的绝缘漆中,需求量最大 的是PAI漆包线漆。PAI漆包线漆不仅保持耐热性 高而且还大幅度提高与导体的粘合性和耐磨性。目前 电器的线圈绕线工艺广泛采用了高速自动绕线机,由 于绕线时漆包线会受到摩擦和冲击等作用。漆包线的 绝缘层易受到机械损伤,造成绝缘性能下降,为了减 小高速绕线时的漆包线表面摩擦系数,通常在漆包线 上涂液体石蜡或固体石蜡等润滑剂,但是这种方法绕 制的线圈在浸漆处理时与浸渍漆的相溶性欠佳,容易 产生粘合不良等问题。由于PAI漆包线具有良好的 自润滑性,可以有效的解决上述问题。如通过PAI树 脂在酚类溶剂中缩合反应制取,再加入赛克 (THEIC)改性聚酯酰亚胺树脂、二甲苯酚封闭芳香 族聚异氰酸酯、润滑剂改性苯酚树脂调合而成的自润 滑PAI漆包线漆,具有抗潮性,降低表面摩擦系数。 方便绕线等性能。由于线的表面光滑。无需再用蜡或 其它润滑剂作表面处理[9】。此外,由于PAI树脂具有 良好的耐冷媒性,因此用PAI涂制的漆包线是冰箱、 冷柜等制冷系统中,压缩机的关键材料n 。 3.2制备纳米复合PAI材料 纳米材料的应用为提高传统产业(如涂料、塑料、 陶瓷、日用化工等)高科技含量提供了新的机遇。无机 纳米材料加入到有机材料中,将无机物的刚性、尺寸 稳定性、热稳定性和阻燃性与有机聚合物的韧性、加 工性及介电性能综合在一起,从而产生许多新的、特 殊的性能,在电工、电子等领域展现出广阔的应用前 景。纳米技术也为PAI的改性提供了新的方法。如可 通过液相反应,制备纳米TiO:颗粒,在进行无机表面 改性和有机表面改性(提高其在有机材料中的分散) 后,得到TiO:基纳米复合颗粒,再与PAI绝缘漆和 NMP溶剂混合,通过高速分散制备纳米改性绝缘 漆,涂布于铜丝上得到纳米材料改性电磁线。复合材 料在高频脉冲浪涌电压下的耐变频寿命也得到延长. 可以有效的减轻变频电机漆包线绝缘层的老化m】。 Hu等n 】通过溶胶一凝胶工艺来制备PAI—TiO 复 合膜。当纳米TiO:均匀分散在PAI基体内的量增加 时,复合膜呈现很高的光学透明度。同单一的PAI相 比,PAI复合膜具有较高的玻璃化温度和橡胶态稳定 模量。但由于PAI中的酰胺基与无机氧化物中羟基 的氢键合作用,PAI—TiO:复合膜的晶性却降低。 Ranade等阻 噪用纳米蒙脱土对PAI进行改性。其纳 米复合PAI材料的制备方法为:先将纳米蒙脱土与 二甲苯进行混合,以提高纳米蒙脱土的溶胀能力,并 将纳米蒙脱土的混合物在搅拌的条件下,加入到含有 有机混合溶剂的PAI中,然后用增力搅拌机进行高 速搅拌即可。对混合体系进行高速搅拌可以有效避免 纳米蒙脱土颗粒的团聚。对纳米复合PAI材料的性 能进行研究,发现纳米蒙脱土的加入,可以有效的提 高复合材料的硬度,降低复合材料的比热,但对复合 材料的玻璃化温度影响不大。 3.3制备分子印迹聚合物 分子印迹聚合物,也称分子模板聚合物、分子烙 印聚合物或印迹高分子聚合物,是一类具有分子识别 功能的新型仿生分析试剂。分子识别是指具有空间结 构、大小和化学功能基团与客体分子互补的主体分子 能对客体分子进行识别和结合。在分子印迹聚合物之 前有两类体系也具有分子识别的功能。一类是生物识 别体系,如酶、抗体和受体;另一类是化学识别体系, 如冠醚、穴醚和环糊精等。前者分子识别的专一性非 常高,但是制备复杂、稳定性差、容易失去活性结合位 点;而后者克服了生物识别体系的一些缺点。但是识 别性能不如生物识别体系,专一性较差。分子印迹聚 合物基本上具备了两者的优点,专一性高,且制备简 单、稳定性好、可重复使用,是近年来仿生化学中的研 究热点。在分离提纯、免疫分析、模拟酶以及生物传感 器等方面显示出很强的应用潜力和广泛的应用前 景。PAI是由酰胺和酰亚胺结构官能团组成。并且这 些功能性的片段通过氢的键合在分子印迹中具有非 常重要的作用。Yoshikawa等[14 通过选择性的分子 印迹,采用PAI来制备分子印迹聚合物。采用9一乙 基一6一氨基嘌呤作为印迹分子,将PAI转变成分子 印迹膜,随后形成了腺苷识别位置。 此外,PAI还可作为集成光路材料n 、超流体氦 冷阀的制备材料n 、液体混合物分离和纯化的膜材 料等。 4结语 PAI作为一种性能优异的合成树脂,具有极大开 发潜力和应用前景。随着对PAI研究和开发的不断 深入,PAI的制备工艺将更加成熟和完善,而其应用 维普资讯 http://www.cqvip.com

陈立军等:聚酰胺酰亚胺的制备及其应用 绝缘材料2005 No.5 范围将不断扩大。采用廉价易得的原料、相对简单的 制备工艺,制备出高性能的PAI,以满足相关产业的 发展对PAI提出的新要求是未来PAI的发展趋势。 而采用无机纳米材料对PAI进行改性,制备出性能 材料,2002,(1):9--l1. 【8】 刘德辉,刘学贵,吴航,等.整合法合成聚酰胺酰亚胺及应用研 究【J】.沈阳化工学院学报,2000,14(4):244--247. 【9】 刘文钦,张清祺.自润滑聚酰胺酰亚胺漆包线漆【J】.绝缘材料 通讯,2000,(4):8~10. 【10】 缪敬昌,周建春.1766聚酰胺酰亚胺(PAI)漆包线漆常见问题 独特的PAI/无机纳米材料复合材料,以满足相关高 新产业的要求,将是今后PAI的研究和开发热点。 参考文献 【1】 李春成,宋湛谦.脂松香合成聚酰胺酰亚胺研究进展【J】.塑 的原因及对策【J】.绝缘材料通讯,1998,(3):4~7. 【ll】 马寒冰,煎利毅,戴焰林,等.表面处理技术在制备纳米复合聚 酰胺酰亚胺中的应用【J】.化学工业与工程技术,2003,24(1): 1~3. 料工业.1996,(5):94-96. 【2】 杜玉杰,张慧敏.许东卫.聚酰胺酰亚胺耐高温绝缘漆的研究  In situ formation of nanosized TiO5 【12】 Hu Q,Marand E.domains within poly(amide—imide)by a sol—gel process 【J】.Polymer,1999.(40):4833~4843.  B.Exfoliated and inter- 【13】 Ranande A,Souza N A,Gnadecalated polyamide—imide nanocomposites with montmoril・ 【J】.河南化工,2004.(10):18~19. kani M,Ataei S M.Preparation and properties of 【3] Baripolyimides and polyamideimides from diisocyanates【J】. Journal of Polymer Science:Part A:Polymer Chemistry, lonite【J】.Polymer,2002,(43):3759--3766. kawa M,Guiverb M D,Robertson G P.Molecularly 【14】 Yoshi1999.(37):2245--2250. 【4】 张清祺.新型聚酰胺酰亚胺漆包线漆【J】.绝缘材料通讯,1998, (5):6--8. imprinted films derived from Torlon polyamide—imide【J】. Journal of Molecular Structure,2005,(739):41~46.  a1. 【15】 Bryce R M,Nguyen H T,Nakeeran P.etPolyamide—imide polymer thin films for integrated optics 【5】 吴航,郭虹,刘德辉.聚酰胺一酰亚胺耐高温材料的制备和研 究【J】.沈阳化工学院学报,1999.13(4):258~263.  of polyamide—imide by 【6】 Chen L W,Ho K S.Synthesis【J】.Thin Solid Films,2004,(458):233~236  V K,Rudavskii EY,Taubenreuther K U,et 【16】 Chagovetsblocked—methylene diisocyanates【J】.Journal of Polymer Science,Part A:Polymer Chemistry,1997,(35):1711~1717. 【7】 刘德辉,吴航.厦建峰.端基封闭法合成聚酰胺酰亚胺【J】.绝缘 a1.A cold valve for superfluid helium【J】.Physica B, 2000.284~288:2045~2046. (上接第60页) 【ll】 K Hashimoto.et a1.Handbook of Elastomers【C】.New York:Marcel Dekker Inc.。1988:741~757. resistant elastomers with HNBR【J】.Journal of Applied Polymer Science,2005,95(1):2--5. 【21】王进文.过氧化物硫化HXNBR胶料的物理性能【J】.世界橡 胶工业,2004,31(3):11~15 【22】P Thavamani,et a1.Compatible blends of ethylene—vinyl 【12】T Nakagawa,et a1.()zone resistance of highly saturated— nitrile rubber(HNBR)【J】.Journal of Elastomers and Plas tics,1992.24(3):240~261. acetate copolymer and hydrogenated nitrile rubber[J】. Advances in Polymer Technology.2004,23(1):5~17. 【23】N R Manoj,et a1.Hot air and fuel ageing of poly(vinyl chloride)/nitrile rubber and poly(vinyl chloride)/hydro- 【13】 T A.Brown.具有最佳耐热性和最大负载能力的HNBR同 步带胶料配合【J】.胶带工业.1994,(12):15~21. 【14】 李振环.氢化丁腈橡胶的性能及在机械密封中的应用【J】.密 封技术,2002,73(1):28. 【15】 C Wrana.Therban—The High Performance Elastomer for the New Millennium【J】.Macromolecular Material and En, gineering,2001,(11):657. genated nitrile rubber blends【J】.Polymer Degradation and Stability,1994,44(1):43~47. 【24】 N R Choudhury.et a1.Thermo stable insulating thermo- plastic elastomers from rubber polycarbonate blends【J】. Journal of Elastomers and Plastics,1996.28(2):161~168. 【16】K Hirano,et a1.Phase separation structure in the polymer blend of fluorocarbon elastomer and hydrogenated nitrile 【25】雷昌纯,等.氢化丁腈橡胶共混改性的技术进展【J】.弹性体. 1998.8(3):432~497. rubber【J】.Journal of Applied Polymer Science。2005.95 (1):149~156. 【26】潘勇军.等.氢化丁腈橡胶与聚氯乙烯或聚乙烯共混【J】.弹性 体.2002。12(1):12~15. 【27】G Severe.et a1.Physical properties and blend miscibility of 【17】雷长春,张立群.HNBR/NBR共混物动态硫化【J】.合成橡胶 工业,2000。23(4):230~233. 【18】 A Ibnelwaleed.et a1.Study of the miscibilitv and mechani, cal properties of NBR/HNBR blends【J】.Polymer Engineer, ing and Science.2004,44(12):2346--2352. hydrogenated acrylonitrile—butadiene rubber【J】.Journal of Applied Polymer Science.2000,78(8):1521~1529. 【28】Xie Hong・Qung.Polymer blends with hydrogenated nitrile- butadiene rubber and with an ionomer of hydrogenated 【19】 王晋军.等.HNBR/NBR共混物的硫化及热空气老化性能 【J】.合成橡胶工业,2001.24(5):285~287. 【20】 G Severe,et a1.Dynamically vulcanized blends of oil— carboxylic styrene—butadiene rubber【J】.Macromolecular Science Physics.2003,42 B(2):257~268. 

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