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含POSS基聚亚胺酮的合成工艺与性能调控研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在材料科学的持续发展进程中，高性能聚合物材料凭借其独特且卓越的性能，在众多领域展现出了不可替代的重要性。从航空航天领域中对飞行器轻量化与耐高温需求的满足，到电子电器领域里对高绝缘性和稳定性的要求，高性能聚合物材料的身影无处不在。它们不仅推动了这些领域的技术进步，还为新型产品的研发与创新提供了坚实的材料基础。

聚亚胺酮（PIK）作为一类新型高性能聚合物材料，近年来备受瞩目。其分子结构中以苯环、亚胺基和羰基为主要特征基团，这种独特的结构赋予了它诸多优异性能。从耐热性能方面来看，聚亚胺酮具有较高的玻璃化转变温度和分解温度，能够在高温环境下保持稳定的物理和化学性质，这使其在航空航天、电子等对材料耐热性要求极高的领域具有潜在的应用价值。良好的溶解性能也是聚亚胺酮的一大优势，与部分传统高性能聚合物在有机溶剂中难以溶解的情况不同，聚亚胺酮能在多种有机溶剂中表现出较好的溶解性，这一特性为其加工成型提供了极大的便利，可通过溶液浇铸、纺丝等多种方法制备成不同形态的制品，满足不同应用场景的需求。此外，聚亚胺酮还具备易于分子结构改性的特点，这为进一步拓展其性能和应用领域提供了广阔的空间。通过在分子主链中引入特定的官能团或结构单元，可以有针对性地改善其某方面性能，如引入柔性链段以提高柔韧性，或引入功能性基团赋予其特殊的光学、电学性能等。

随着科技的不断进步，各个领域对材料性能的要求愈发苛刻。单一性能优异的材料已难以满足复杂多变的应用需求，开发具有多功能集成的高性能材料成为了研究的重点方向。笼型低聚倍半硅氧烷（POSS）作为一种具有有机-无机纳米结构的化合物，因其独特的结构和性能特点，为聚合物材料的改性提供了新的途径。POSS分子由硅氧骨架和有机取代基组成，兼具无机材料的刚性、热稳定性、尺寸稳定性以及有机材料的柔韧性和可加工性。将POSS引入聚亚胺酮分子中，有望实现两者性能的优势互补，制备出具有更优异综合性能的含POSS基聚亚胺酮材料。从理论上讲，POSS的刚性硅氧骨架可以增强聚亚胺酮的机械性能和热稳定性，提高材料的强度和耐热温度；而POSS的有机取代基则可以改善其与聚亚胺酮分子的相容性，保证在改性过程中材料的均匀性和稳定性。此外，POSS的引入还可能赋予聚亚胺酮一些新的功能，如改善其光学性能、电学性能或提高其耐化学腐蚀性等。因此，研究含POSS基聚亚胺酮的合成及性能，对于开发新型高性能聚合物材料具有重要的理论和实际意义。在理论层面，深入探究POSS与聚亚胺酮之间的相互作用机制、结构与性能的关系等，有助于丰富和完善聚合物材料的改性理论体系；在实际应用中，开发出的新型含POSS基聚亚胺酮材料有望在航空航天、电子电器、汽车制造、生物医学等众多领域得到广泛应用，推动相关产业的技术升级和发展。

1.2国内外研究现状

在含POSS基聚亚胺酮的合成研究方面，国内外科研人员已取得了一系列成果。在合成方法上，主要采用Buchwald-Hartwig交叉偶联反应将POSS引入聚亚胺酮分子链中。有研究以苯基三氯硅烷为原料，经硅氧烷水解缩合、硝化、胺化还原等步骤合成八氨基苯基笼型低聚倍半硅氧烷（OAPS），再利用Buchwald-Hartwig交叉偶联反应将OAPS与聚芴亚胺酮（PIKF）分子链连接，成功制备了含POSS基的聚芴亚胺酮材料。这种方法能够有效地将POSS引入到聚亚胺酮分子中，实现分子结构的设计和调控。还有研究通过改进反应条件和优化反应工艺，提高了反应的产率和聚合物的分子量。通过调整催化剂的种类和用量、反应温度、反应时间等参数，使得含POSS基聚亚胺酮的合成更加高效和可控。在合成含POSS基聚亚胺酮纳米复合材料方面，有研究将OAPS与不同结构的二溴单体在不同交联密度下通过Buchwald-Hartwig交叉偶联反应进行制备。通过选择不同结构的二溴单体和调节OAPS与二溴单体之间的反应摩尔比例，可以实现对材料结构和性能的精确调控，制备出具有不同耐热性能的交联聚亚胺酮纳米复合材料。

在性能研究方面，众多研究表明含POSS基聚亚胺酮材料展现出了独特的性能优势。热稳定性方面，含POSS基聚亚胺酮材料的热分解温度明显提高。有研究通过热重分析（TGA）发现，含POSS基聚亚胺酮材料的热分解温度可高达450℃左右，相比未改性的聚亚胺酮材料有了显著提升，这使得该材料在高温环境下的应用更加稳定可靠。在力学性能方面，虽然该材料的断裂伸长率相对较低，但抗拉强度表现优异。拉伸试验结果显示，其抗拉强度可达150MPa左右，能够满足一些对材料强度要求较高的应用场景。光学性能也是含POSS基聚亚胺