天津科技大学程博闻教授团队 Macromolecules：锚定二酐结构-PBO膜反trade-off现象

2025-03-06 来源：高分子科技

天津科技大学、生物基纤维材料国家重点实验室的程博闻教授团队近期于Macromolecules期刊发表题目为“Anchoring the Dianhydride Structure to Simultaneously Enhance the Permeability and Selectivity of the Polybenzoxazole Membranes”的文章。该文章第一作者为硕士生王戈，通讯作者为程博闻教授、杨磊鑫副教授和李凯华讲师。

【研究亮点】

成功设计并合成了一种具有锚定扭曲基团的新型邻羟基 PI。
锚定结构提高了聚合物刚度，调节 TR 过程，成功制备了具有反trade-off效应的 PBO薄膜。
较高的链刚度可使 PBO 结构更加开放，并在形成过程中阻碍链的堆叠。
优化的聚苯并噁唑薄膜（6FCBO）的气体分离性能超过了2008年的上限。

微孔聚合物材料的精细结构对其膜分离性能有很大影响。然而，大体积单体的调节使得精确阐明这些材料的结构-性能关系变得复杂。在该研究中，提出了一种锚定扭曲单体策略，以实现聚苯并恶唑（PBO）膜的原子级优化，从而显著提高气体分离性能。以原始二酐 4，4''-（六氟异亚丙基）二邻苯二甲酸酐（6FDA）为基础，精确引入醚氧键，锚定扭曲的二酐结构。合成了两种含羟基的聚酰亚胺（PI），6FCBI（含醚氧键）和 6FBI（不含醚氧键），随后通过热处理将其转化为 PBO 薄膜（6FCBO 和 6FBO）（图1）。

图1. 聚酰亚胺前体和PBO膜的制备。

醚氧键的引入有效地调节了聚合物链的刚性，进而影响热重排过程中聚苯并噁唑（PBO）链的堆叠。刚性结构使得PBO保留了更高的自由体积，形成高的比表面积以及更多的微孔结构（图2）。与传统的热重排（TR）膜相比，6FCBO 膜在气体分离性能方面表现出反trade-off效应，同时提高了气体渗透性和选择性。值得注意的是，6FCBO 的二氧化碳渗透率达到 2540 Barrer，二氧化碳/四氯化碳选择性达到 28.8，超过了 2008 年Robeson上限（图3）。这项研究为微孔聚合物材料提供了精确的结构优化策略，提供了新的的见解和证据。