引言：聚酰亚胺复合材料在当前得到广泛利用，为了确保能够迅速获取高温性能以及易加工性能更为理想的聚酰亚胺结构组成方案，对现行结构设计与材料筛选方法实施优化极为必要。
一、耐高温易加工聚酰亚胺结构筛选方法设计
在本次研究中，主要利用了两步法筛选策略完成对耐高温易加工聚酰亚胺的筛选，其主要操作步骤如下所示：第一，在PoLyInfo聚合物数据库内完成对化学结构的收集，并在此基础上完成对反应基元、柔性基元、刚性基元的拆分。第二，针对柔性基元进行筛选的过程中，主要选用化学键解离能BDE以及松弛时间作为筛选指标；针对刚性基元进行筛选的过程中，主要选用Mayer键级以及零切黏度作为筛选指标，并由此操作实现对候选柔性基元和候选刚性基元的获取。第三，在酸酐结构内嵌入候选柔性基元，以此获取到新二酐；在胺与酸酐结构内嵌入反应基元以及候选刚性基元，以此获取到新二胺以及新封端剂。第四，组合新二酐、新二胺，提取出候选聚酰亚胺主链结构[1]。在对该主链结构实施筛选的过程中，主要选用零切黏度、Td50作为筛选指标；在对新封端剂实施筛选的过程中，主要选用零切黏度、LUMO-HOMO作为筛选指标。结合筛选出的封端剂以及聚酰亚胺主链结构，由此获取到完整水平更为理想的新型聚酰亚胺化学结构。
二、结果分析
（一）化学基元收集
在PoLyInfo聚合物数据库内完成对化学结构的收集，依托BRICS算法的应用对分子结构实施拆分处理，将其转化为大量的化学基元。通过这样的操作方式，可以迅速、全面剔除并不常见的化学基元，并实现对合理化学基元的保留。针对此时获取到的化学济源实施分类处理，可以得到刚性基元、柔性基元以及反应基元这三种基元。对于刚性基元而言，其所具备的刚性始终维持在较高水平，主要结构为萘环等芳环结构；对于柔性基元而言，其中普遍包含着醚键等能够实现旋转动作的柔性化学键；由于炔基为耐高温易加工聚酰亚胺的主要反应官能团，所以在确定反应基元时，选取了炔基作为反应基元。
（二）基元筛选
1.柔性基元的筛选
在柔性基元内，普遍包含着醚键等能够实现旋转动作的柔性化学键，所以通过将柔性基元嵌入聚酰亚胺主链结构内，可以实现对聚酰亚胺分子柔顺程度的提升，促使其加工性能有所改善。但是，由于柔性基元中的化学键所具有的键能维持在较低水平，所以在加热条件下容易出现断裂分解现象，因此柔性基元的嵌入也会使得聚酰亚胺热稳定性能有所下降[2]。化学键柔性以及热稳定性为柔性基元中相互制约的性能，所以在进行对柔性基元的筛选过程中，主要选取化学键柔性以及热稳定性作为指标，具体为指标为化学键解离能BDE以及松弛时间。在聚酰亚胺中二酐结构两苯环的连接位置嵌入柔性基元，依托化学键解离能BDE判断其热稳定性，一般在BDE值更大的情况下，意味着柔性基元所具备的热稳定性更为理想。依托分析动力学模拟的方法完成对含柔性基元的二酐结构分析，确定苯环松弛时间，一般在松弛时间的情况下，意味着柔性基元的柔性更为理想。
投放多种柔性基元实施对比分析，初步筛选出化学键解离能BDE不低于每摩尔330千焦以及松弛时间低于80.4ps的柔性基元落实进一步对比分析。结果表明，二甲基硅为嵌入聚酰亚胺中柔性基元的最优选择，其所具备的综合性能更优。得到这样结果的原因在于，二甲基硅中包含着的硅原子可以与聚酰亚胺中的苯环形成dπ-pπ共轭，以此促使其化学键解离能有所增大；同时，硅碳键的长度高于碳碳键，因此相应苯环能够会更为自由的完成旋转动作。
2.刚性基元的筛选
在刚性基元内，普遍包含着萘环等芳环结构，刚性更强，所以通过将刚性基元嵌入聚酰亚胺主链结构内，可以实现对聚酰亚胺分子热稳定性的提升，但是也会促使其加工温度有所增加，导致聚酰亚胺复合材料加工成型的难度水平提高。热稳定性与加工性能为刚性基元中相互制约的性能，所以在进行对刚性基元的筛选过程中，主要选取加工性能以及热稳定性作为指标，具体为指标为Mayer键级以及零切黏度。本次研究中，主要将BDE替换为结构中最弱的Mayer键级完成对结构热稳定性的判断，从而选取出更为合适的刚性基元。一般在Mayer键级越高的情况下，化学键受热断裂分解的难度就越高，即热稳定性理想。依托分子连接指数法完成对含刚性基元的二胺结构分析，确定出零切黏度，一般在零切黏度更小的条件下，刚性基元更适合添加在聚酰亚胺主链结构中。
投放多种刚性基元实施对比分析，初步筛选出Mayer键级不低于1.2的刚性基元；在其中筛选出零切黏度更小的刚性基元实施进一步对比分析[3]。此时需要纳入对成本的考量，应当剔除会导致聚酰亚胺复合材料生产成本更高的刚性基元。本研究中，筛选出萘环以及苯环这两种刚性基元落实后续筛选。对于常见的二酐结构而言，其中普遍包含着多个苯环，所具备刚性本身就维持在较高水平，因此在其中添加刚性基元很可能会增加二酐合成难度水平，并促使聚酰亚胺加工困难程度同时增高。基于这样的情况，本研究认为，仅在二酐中嵌入柔性基元即可。同时，由于在二酐内已经完成柔性基元的嵌入，因此若是同时将柔性基元加入二胺中会使得整个聚酰亚胺主链结构内的柔性基元含量过高，致使聚酰亚胺实际耐热性能呈现出明显下降的趋势。因此，本研究认为，仅在二胺内加入刚性基团即可。结合进一步对比分析得出，二甲基硅为最理想的柔性基元，而最理想的二胺结构为乙炔与苯环所构成的负荷结构。
3.封端剂结构的筛选
在筛选封端剂结构时，主要对反应活性以及黏度展开深入分析，依托零切黏度、LUMO-HOMO作为筛选指标完成对比。一般来说LUMO-HOMO越小意味着分子反应活性更强，加工的容易程度更高；使用分子连接指数的方法预测零切黏度，选择LUMO-HOMO以及零切黏度维持在较低水平的封端剂结构作为最优封端剂。分析结果表明，在聚酰亚胺嵌入二甲基硅柔性基元以及能参与交联反应的炔基反应基元的主链结构性能更为理想，由于交联点均匀分布，所以耐热性能更高。
总结：综上所述，本文提出了一种基于两步法筛选的聚酰亚胺结构设计方法，其要点在于对聚酰亚胺结构中的柔性基元、刚性基元、封端剂结构所具备的加工性能以及耐热性能落实依次性筛选，即可获取到耐高温易加工的新型聚酰亚胺结构。分析结果表明，拥有二甲基硅柔性基元以及能参与交联反应的炔基反应基元的聚酰亚胺主链结构性能更为理想，耐热性与加工性能均较为良好。
参考文献：
[1]黄聪聪,张宝庆,刘琛阳. 聚酰亚胺玻璃化转变温度预测:基团贡献加和法与未知基团赋值[J]. 高等学校化学学报,2021,42(08):2617-2626.
[2]范振国,刘四委,池振国,等. 本征型聚酰亚胺介电常数的定量构效关系模型构建与研究[J]. 高分子学报,2021,52(07):750-761.
[3]张宋奇,朱峻立,王立权,等. 基于材料基因工程设计筛选耐高温易加工聚酰亚胺[J]. 高分子材料科学与工程,2021,37(01):51-58+66.