含铅离子的聚酰亚胺复合材料的制备:实验原理

辐射屏蔽材料是指能吸收或消散辐射能,对人体或仪器起保护作用的材料。传统的辐射屏蔽材料主要采用高原子序数的重金属或金属氧化物、陶瓷类复合物、混凝土等无机材料。其中,铅具有对高能X射线和 γ 射线辐射屏蔽能力强、易加工、低成本等优点,是屏蔽辐射的理想金属元素。但是,铅单质生物存在毒性高、密度大、重量大的明显缺陷,大大制约了铅的广泛应用。近年来,人们利用辐射技术制备了多种多样的聚合物复合材料,不仅具有聚合物材料质轻、柔性好、便于功能化、加工型好的优点,而且含有大量对低能光子辐射有良好屏蔽和吸收作用的碳、氢等轻元素,同时又含有对高能光子辐射屏蔽效果好的金属元素。因此聚合物复合材料已成为辐射屏蔽材料的主要研究方向之一。

高分子基材的选用对辐射屏蔽材料的各种性能有显著的影响。其中,芳香族聚酰亚胺材料不仅具有突出的耐高温性、耐腐蚀性,而且机械强度、电绝缘性能、光学性能、化学稳定性能都非常优良。此外其苯环结构本身具备一定的抗辐射性能,因此被视为聚合物/金属复合辐射屏蔽材料的理想高分子基材。然而,现有的研究实例很少,且主要采用将铅盐(如硝酸铅)通过物理掺杂的方式引入到聚合物体系中。由于无机盐同高分子体系不相溶,会产生微相分离,导致铅元素在体系中分散极不均匀,辐射屏蔽效果并不理想。

为了克服金属元素在聚合物体系内分散不均匀的问题,本实验通过化学键合的方式将铅离子直接引入到聚酰亚胺主链中的方式,制备金属离子键合的聚酰亚胺复合材料。合成路线如图57-1所示:

图57-1 合成技术路线

首先,用强碱(NaOH)参与中和反应,合成对氨基苯甲酸钠;钠离子和铅离子发生离子交换反应,合成了对氨基苯甲酸铅盐ABA(Pb);其次,以ABA(Pb)和2,2-双[4-(4-氨基苯氧基)苯基]丙烷(BAPP)为二胺单体,2,2-双[4-(3,4-二羧基苯氧基)苯基]丙烷二酐(BPADA)为二酐单体, -甲基-2-吡咯烷酮(NMP)为溶剂,采用共缩聚两步法,先后制备了主链含铅离子的聚酰胺酸PAA(Pb)和聚酰亚胺PI(Pb)。

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