可交联聚酰亚胺及其热重排膜材料的制备与性能
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国家自然科学基金资助项目(22278051,21878033);中国石油科技创新基金项目(2022DQ02-0608)


Preparation and Performance of Crosslinkable Polyimides and Their Thermally Rearranged Membrane Materials
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    摘要:

    为进一步提高膜材料的气体分离性能,文中开发了一种可同时发生热重排和交联反应的二胺单体 2-(3,6-双(4-氨基-3-羟基苯氧基)-9H-呫吨-9-基)苯甲酸(BAHXBA)。 然后,分别与等摩尔比的 6 种二酐单体:3,3′,4,4′-联苯四羧酸二酐(BPDA)、均苯四甲酸二酐(PMDA)、4,4-(六氟异丙烯)二酞酸酐(6FDA)、4,4′-(4,4′-异丙基二苯氧基)二酐(BPADA)、3,3′,4,4′-二苯醚四甲酸二酐(ODPA)、和 1,2,3,4-环丁烷四羧酸二酐(CBDA)进行聚合,经热酰亚胺化制备了可交联的聚酰亚胺(PI)膜,再经 450 ℃热处理得到相应的热重排(TR)膜。 结果表明,6 种 PI 膜均表现出优异的力学性能和热性能,玻璃化转变温度在 297~ 336 ℃。 由于发生热重排和脱羧交联反应,TR 膜的力学性能显著下降,气体渗透性能大幅度提高,尤其是以 BAHXBA 和 6FDA 为单体的 TR 膜,其对 H2,CO2,O2 和 N2 的渗透系数分别为 966.32 barrer,873.33 barrer,265.72 barrer 和 41.62 barrer。 同时,CO2/N2的理想选择性是 20.99,接近 2008 年Robeson 上限;O2/N2的理想选择性为 6.39,接近 2015 年上限。 因此,热重排和交联共同作用,可有效提高膜材料的气体分离性能。

    Abstract:

    To further improve the gas separation performance of membrane materials, this study developed a diamine monomer,2-(3,6-bis(4-amino-3-hydroxyphenoxy)-9H-xanthen-9-yl)benzoic acid (BAHXBA), capable of undergoing both thermal rearrangement and crosslinking reactions simultaneously. Subsequently, this monomer was polymerized with six equimolar dianhydride monomers, namely 3, 3′, 4, 4′-biphenyltetracarboxylic dianhydride (BPDA), pyromellitic dianhydride (PMDA), 4,4′-(hexafluoroisopropylidene) diphthalic anhydride (6FDA), 4, 4′-( 4, 4′-isopropylidenediphenoxy) diphthalic anhydride ( BPADA), 3, 3′, 4, 4′-diphenyl ether tetracarboxylic dianhydride ( ODPA ), and 1, 2, 3, 4-cyclobutanetetracarboxylic dianhydride ( CBDA ). Crosslinkable polyimide ( PI) membranes were prepared via thermal imidization, followed by heat treatment at 450 ℃ to yield the corresponding thermal rearrangement (TR) membranes. The experimental results demonstrate that all six PI membranes exhibit excellent mechanical and thermal properties, with glass transition temperatures ranging from 297 ℃ to 336 ℃. Owing to the occurrence of thermal rearrangement and decarboxylation crosslinking reactions, the mechanical properties of the TR membranes decrease significantly, while their gas permeability is substantially enhanced. In particular, the TR membrane derived from BAHXBA and 6FDA monomers display permeability coefficients of 966.32 barrer, 873.33 barrer,265.72 barrer and 41.62 barrer for H2,CO2,O2 and N2 , respectively. Meanwhile, the ideal selectivity of CO2/N2 reaches 20.99, which is close to the Robeson upper bound reported in 2008, and the ideal O2/N2 selectivity is 6.39, approaching the upper limit published in 2015. Therefore, the synergistic effect of thermal rearrangement and crosslinking could effectively improve the gas separation performance of membrane materials.

    参考文献
    相似文献
    引证文献
引用本文

盛 典, 高立杰, 肖国勇, 魏鲁鹏, 李 琳, 王同华, 鲁云华.可交联聚酰亚胺及其热重排膜材料的制备与性能[J].高分子材料科学与工程,2026,42(3):50-59. Dian Sheng, Lijie Gao, Guoyong Xiao, Lupeng Wei, Lin Li, Tonghua Wang, Yunhua Lu. Preparation and Performance of Crosslinkable Polyimides and Their Thermally Rearranged Membrane Materials[J]. Polymer Materials Science & Engineering,2026,42(3):50-59.

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