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氟原子的引入能在很大程度上提升高分子材料的性能和使用范围,含氟材料在人们的生产生活中扮演着不可替代的角色。全氟环丁基(PFCB)芳基醚聚合物具有高的热稳定性、化学稳定性、疏水性和透明性,它还具有低的吸水率、折射率、介电常数以及良好的可加工性。制备新型的全氟环丁基芳基醚基有机功能材料具有重要的理论和实践意义。 一、主链含有全氟环丁基芳基醚结构的聚酰亚胺介电材料 聚酰亚胺是一种工程塑料,具有优异的综合性能,特别是具有高的玻璃化转变温度和热分解温度。但是,极性的酰亚胺基团使得聚酰亚胺的介电常数和吸水率都相对较高。全氟环丁基芳基醚结构能够显著降低材料的介电常数和吸水率,并且具有一般含氟基团的热稳定性、化学稳定性、溶解性和透明性能等优点。因此,将全氟环丁基芳基醚结构引入聚酰亚胺可望降低聚酰亚胺的介电常数和吸水率,并且保持较高的热稳定性。我们制备了一种新型全氟环丁基双联苯醚型二胺(PFCBBPDA),将它与六氟二酐(6FDA)进行共聚合,制备了一种主链含有全氟环丁基联苯醚结构的聚酰亚胺(PFCBBPPI)。该聚酰亚胺可溶于多种有机溶剂,玻璃化转变温度Tg为310.3℃,5%热失重温度为510.5℃。PFCBBPPI薄膜表现出极低的吸水率,为0.065±0.018%,代表了聚酰亚胺吸水率的最低水平;在不同相对湿度下放置6h,PFCBBPPI薄膜的介电常数升高不到2%。在75%的相对湿度下放置两周后,PFCBBPPI薄膜的介电常数仍然低于2.50。通过接触角测试和正电子湮灭寿命谱测试证明,PFCBBPPI的低吸水率和低介电常数稳定性源自于聚合物的疏水性和低的自由体积百分比。 二、主链和侧链均含有全氟环丁基芳基醚结构的聚酰亚胺介电材料 使用较低的氟含量实现低的介电常数,在节约成本和环境保护方面具有现实意义。在聚酰亚胺中引入含全氟环丁基芳基醚结构的侧链,可以阻碍高分子链的紧密堆积,导致高的自由体积,是一种降低聚酰亚胺介电常数的有效方式。我们合成了三种分别含有1个,2个和3个PFCB结构单元的侧链型二胺(PF1DA、PF2DA和PF3DA)。通过调节其与PFCBBPDA的共聚投料比,制备了一系列具有不同侧链含量和侧链长度的,主链和侧链都含有PFCB结构的聚酰亚胺((PFnDAx-co-PFCBBPDAy)-6FDA)。介电常数测试结果表明介电常数随着侧链含量的升高而先上升后下降,并在25 mol%含量时达到最小值;同一含量下,介电常数随着侧链长度的增大而上升。令人惊喜的是,23.8%的氟含量就可以实现低达2.31的介电常数,代表了氟原子在降低聚酰亚胺介电常数方面最高的效率,说明侧链氟化学对于降低聚酰亚胺的介电常数是一种非常有效的策略。正电子湮灭寿命谱和双过程吸水率实验的结果表明,材料介电常数的变化趋势是自由体积百分比和吸水率两方面因素共同作用的结果。此外,(PFnDAx-co-PFCBBPDAy)-6FDA还具有良好的热稳定性和机械性能。 三、侧基含有全氟环丁基芳基醚结构的聚甲基丙烯酸酯透明材料 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)具有良好的透光性和综合性能,已被广泛用作有机玻璃,但是其热稳定性较差,限制了其在耐高温领域的应用。我们旨在通过引入全氟环丁基芳基醚结构,在不降低透明性的前提下提高聚甲基丙烯酸酯类聚合物的热稳定性。我们合成了三种分别含有1个、2个和3个PFCB结构单元的甲基丙烯酸酯类单体。采用自由基聚合,我们得到了三种单体的均聚物PPF1MA、PPF2MA和PPF3MA,它们均具有良好的溶解性和高的疏水性。PPF1MA、PPF2MA和PPF3MA的乙酸乙酯溶液在450 nm的透光率分别高达94.5%、94.5%和91.1%。PPF1MA的初始分解温度在250℃附近,PPF2MA和PPF3MA的初始分解温度在350℃附近,和PMMA相比均有大幅度提高。然而,由于侧基中亚甲基的存在使得聚合物的玻璃化转变温度较低。