聚酰亞胺（PI）的化學結構對高溫耐磨性的影響

聚酰亞胺（PI）由二胺和二酐單體通過縮聚反應合成，不同結構的單體對聚酰亞胺分子鏈的柔性和極性有顯著影響，進而影響聚酰亞胺的高溫摩擦性。此外，分子量也是決定聚酰亞胺高溫摩擦學性能的關鍵因素。為了深入理解高溫下聚酰亞胺的性能，建立其化學結構與性能之間的關聯(lián)，并揭示摩擦磨損的內在機理，著重于分析不同結構的聚酰亞胺對高溫耐磨性的影響。

1、 聚酰亞胺的交聯(lián)度和分子量對高溫耐磨性的影響

熱塑性PI和熱固性PI的交聯(lián)程度和分子量存在顯著差異，這對聚酰亞胺的高溫摩擦性能至關重要。叢培紅團隊通過對比熱塑性聚酰亞胺（YS-20)與熱固性聚酰亞胺（KH-304）在不同溫度下的摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)熱塑性聚酰亞胺的摩擦系數(shù)隨溫度升高先增大后減小，而熱固性聚酰亞胺的摩擦系數(shù)則隨溫度升高逐漸降低。

這種差異性可能源于熱塑性聚酰亞胺在溫度升高時儲能模量發(fā)生顯著變化，而熱固性聚酰亞胺在摩擦界面上可能發(fā)生化學反應，導致其化學結構發(fā)生改變。Wang研究團隊在研究熱塑性聚酰亞胺（YS-20）和4-苯乙炔苯酐（4-PEPA）封端的熱固性聚酰亞胺的摩擦系數(shù)隨溫度變化的規(guī)律時，也觀察到了類似的趨勢。

聚酰亞胺的分子量一方面是通過影響聚酰亞胺的機械性能、模量等從而影響高溫下的摩擦性能；另一方面隨著分子量的增加會加劇聚酰亞胺高溫下的黏著磨損。因此設計一個合理的分子量是改性聚酰亞胺高溫摩擦性能的關鍵。此外，在高溫環(huán)境下，環(huán)境溫度對聚酰亞胺摩擦性能的影響可能會大于分子量對聚酰亞胺摩擦性能帶來的影響。

2、 聚酰亞胺主鏈中柔性鏈段對高溫摩擦性能的影響

通過調控聚酰亞胺主鏈結構的柔性是改變聚酰亞胺機械性能和耐溫等級的有效策略，從而調控聚酰亞胺的高溫耐摩擦性能。段春儉團隊通過引入不對稱的二胺單體3.4-二氨基二苯醚（3.4-ODA）到熱固性聚酰亞胺的主鏈結構中，研究了聚酰亞胺磨損率隨溫度變化的規(guī)律。結果表明：聚酰亞胺的摩擦系數(shù)隨溫度的升高持續(xù)降低，而磨損率則呈現(xiàn)出先升高后降低再升高的復雜趨勢。這種變化主要歸因于主鏈結構聚酰亞胺在摩擦過程中接觸表面機械性能的動態(tài)變化。

為了提升聚合物的高溫摩擦性能，提高其機械性能也是一條有效的途徑。Yin團隊利用分子動力學模擬研究了剛性POSS結構對聚酰亞胺高溫摩擦學性能的影響。模擬結果揭示，剛性的籠狀POSS結構能夠顯著提高聚合物的耐熱性能、機械性能以及高溫下的摩擦性能。特別是在600K時，含有9.0wt%POSS的PI2模型展現(xiàn)出了極低的摩擦系數(shù)（0.091），從而優(yōu)化了聚酰亞胺的高溫摩擦性能。然而，當聚酰亞胺樹脂基體與纖維、有機或無機固體潤滑劑制備成復合材料時，盡管主鏈更加剛性的聚酰亞胺具有高強度和高模量，但其與固體潤滑劑的黏附性不足，導致高溫下的摩擦性能下降。

Panin團隊對比研究了主鏈醚鍵對熱塑性聚酰亞胺高溫下摩擦性能的影響。他們將2種不同結構的聚酰亞胺與短切碳纖維、有機（PTFE）和無機（MoS2）固體潤滑劑通過模壓成型制備成復合材料。結果表明：主鏈更加柔性的聚醚酰亞胺高溫下與固體潤滑劑具有更強的黏附性。在180℃時，聚合物分子鏈中存在柔性單元的聚醚酰亞胺復合材料的磨損率比不含柔性結構聚酰亞胺復合材料低300倍。

3、 聚酰亞胺的極性基團對高溫摩擦性能的影響

極性較高的聚酰亞胺分子通常具有較高的玻璃化轉變溫度，通過將不同電負性的原子引入聚酰亞胺中可以改變分子極性，從而可以優(yōu)化其高溫摩擦性能。Li團隊對比氟化聚酰亞胺（FPI)與非氟化聚酰亞胺（PI）在不同溫度下的摩擦性能進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，非氟化PI的摩擦系數(shù)在170℃左右開始上升，在210℃達到最高點，隨后迅速下降。而全氟化PI的摩擦系數(shù)則在205℃開始上升，在225℃達到一個相對較低的峰值。含氟二胺單體的引入提高了摩擦系數(shù)最低的溫度閾值，這為開發(fā)具有更寬溫度適用范圍的耐磨材料提供了可能性。在2021年，Hu團隊通過制備聚酰亞胺（PI）、氟化聚酰亞胺（FPI）和含硫聚酰亞胺（SPI），如下圖，研究了不同結構的聚酰亞胺在-100~100℃溫度范圍內的摩擦學性能。實驗結果與分子動力學模擬均表明，3種樣品與對偶面的黏附能力依次為：FPI>SPI>PI。強電負性F和S原子的引入增強了分子鏈的極性，從而與金屬對應物之間的范德華力得到加強，黏附能力增大，且更易于發(fā)生摩擦化學反應。