基于Diels-Alder反应的可逆交联芳香族聚酰胺及其碳纳米复合材料的制备、表征及性质研究

Aromatic Polyamide is a kind of high-performance polymer with excellent pysical properties, and has been widely used in applications of aerospace,construction, transportation,and sports products, etc. This project proposes a new kind of furan-containing aromatic polyamide. The introduction of heteroaromatic furan groups in the backbone of polyamide could not only improve the processibility of polyamide in organic solvent, but also act as reaction points for the subsequent Diels-Alder reaction to prepare cross-linked polyamide or covalently cross-linked carbon nanoparticles/polyamide nanocomposites. The use of reversible Diels-Alder reaction in the cross-linked polyamide or polyamide nanocomposite systems was expected to not only strengthen the interactions among polymer chains or between polymer chains and nanoparticles,thus greatly improve their physical properties, but also to endow these new kinds of high-performance polymer or nanocomposite with recyclability, so that when the cross-linked polyamide or nanocomposite were destroied, they could be recycled and re-produced by facile decrosslinking and redissolution in organic solvents.This research was expected to provide a new methodology and conception for the fabrication of recyclable high-performance polymers or polymer nanocomposites. Meanwhile, this project might also provide a new direction for the development of economical high-performance materials in industry.

芳香族聚酰胺是一类性能优异的高性能聚合物，且被广泛用于航天、建筑、交通及体育用品等各个领域。本项目拟合成一类新型含呋喃基团芳香族聚酰胺，芳杂环呋喃基团的引入不仅可以改善芳香族聚酰胺难溶的缺点，同时可以做为反应活性点进行后续Diels-Alder反应制备交联聚酰胺以及共价交联的碳纳米粒子/聚酰胺复合材料。交联聚酰胺及其复合材料体系中Diels-Alder反应的运用不仅可以增强聚合物分子链之间或分子链与碳纳米粒子之间的作用力，大大提高其物理性能，该反应的可逆性更是赋予这类新型高性能聚合物或复合材料可循环加工性，使交联聚合物或复合材料在被破坏之后可以方便的解除交联，并重新加工成型。本项目的提出将为可循环加工型高性能聚合物及复合材料的制备提供新的思路和方法，同时也为经济型高性能聚合物及复合材料的工业化生产提供了新的方向。

由于其优异的力学性能，热稳定性以及电绝缘性能，芳香族聚酰胺被广泛应用于航天、建筑、交通以及体育用品等各个领域，但是其刚性链结构以及强烈的分子间作用力造成了其加工困难，限制了其更加广泛的应用。目前所报道的可溶性聚酰胺均存在热力学性能较低以及合成复杂等问题，交联后虽然能很大程度上提高其宏观性能，但是传统交联方法得到的交联材料在破坏后不能进行重复加工，造成了成本增加及环境负担加重等问题。基于这些问题，本项目首先设计合成了一种新型含呋喃基团二酸单体，随后与多种二胺通过高温溶液聚合得到了一类新型含呋喃基团芳香族聚酰胺。该类呋喃聚酰胺不仅具有良好的溶解性以及热力学性能，还能与双马来酰亚胺分子发生可逆Diels-Alder（DA）交联反应。DA交联反应不仅大大提高了聚酰胺各种物理性能，还赋予这种交联材料良好的可重复加工性。通过改变交联剂双马来酰亚胺的分子结构，我们研究了交联剂分子结构对交联聚酰胺性能的影响，证明了这类交联聚酰胺性能的可调控性。我们还设计合成了一种基于笼型倍半硅氧烷（POSS）的马来酰亚胺交联剂，所得到的POSS交联聚酰胺除了热力学性能的增强之外，介电常数还大大降低，在电子领域表现出一定的应用前景。碳纳米材料，如富勒烯以及碳纳米管等由于其表面丰富的π电子而表现出亲二烯体特性，同样能与呋喃基团发生可逆DA反应。因此，我们还利用所得到的呋喃聚酰胺为基体，分别制备了富勒烯/聚酰胺以及单壁碳纳米管（SWCNT）/聚酰胺复合材料。富勒烯以及SWCNT与基体之间的DA反应提高了纳米粒子在集体的分散以及增强了界面结合力，大大提高了复合材料的热力学性能，其可逆性特征同样使得这类交联复合材料具有良好的可重复加工性。本项目的提出为可重复加工型高性能聚合物及其复合材料的制备提供新的思路和方法，同时也为经济型高性能聚合物及复合材料的工业化生产提供了新的方向。