在聚酰亚胺分子链中引入能够提供额外的分子链间相互作用的单元，使分子链间或链内形成相互作用，促进局部分子链有序排列甚至形成结晶结构，有望大幅度提升纤维的力学性能。氢键作用是非化学键作用中最强的一种分子间相互作用。对于聚酰亚胺纤维而言，酰亚胺环中存在大量的氢键受体，即羰基（C=O），在分子结构设计中，只需要引入质子供体就可在聚合物分子链间形成氢键作用，而这些质子供体通常包括胺、酰胺、芳香羧酸和酚等。
东华大学张清华等人［19］将BIA 引入BTDA—TFMB 结构聚酰亚胺中，通过高温一步合成及湿法纺丝工艺制备了一系列BTDA—TFMB/BIA 结构的聚酰亚胺纤维，在FTIR 中可以发现，在3700～3000 cm-1 存在N—H 伸缩振动峰，而且该特征峰宽而弥散，强度随BIA 含量的增加而增大，表明咪唑环中N—H 参与了氢键的形成。通过分析N—H 键和C=O 键波数的改变来研究聚酰亚胺分子链间氢键的形成，图6-15（a）显示了不同摩尔比TFMB/BIA 纤维样品在1800～1600 cm-1 羰基的伸缩振动。对于含3，3′，4，4′-二苯酮四酸二酐（BTDA）的聚酰亚胺，在该波长区间会出现三个特征峰：在1780 cm-1 和1720 cm-1 处，表示酰亚胺环中羰基的对称和非对称伸缩振动峰；1670 cm-1 处代表BTDA 结构中二苯酮羰基的伸缩振动峰。可以看出，随着BIA 含量的增加，酰亚胺环中羰基的对称伸缩振动峰由1781 cm-1 位移至1778 cm-1 处，同时，非对称伸缩振动峰由1724 cm-1 位移至1716 cm-1，然而，二苯酮羰基的伸缩振动峰并未发生变化，说明只有酰亚胺环中的羰基参与了氢键的形成。图6-15（b）为苯并咪唑环中—N—H—基团伸缩振动峰的变化，同样，随着BIA 含量的增加，—N—H—基团伸缩振动峰由3353 cm-1 位移至3377 cm-1，而位于3066 cm-1 处苯环上C—H 伸缩振动峰位未发生改变，上述结果说明苯并咪唑环中—N—H—基团与酰亚胺环中—C=O 形成氢键作用，而二苯酮羰基并未参与氢键的形成。图6-15（c）为TFMB/BIA=10/90样品在不同温度下3000～3500 cm-1 —N—H—基团伸缩振动峰的变化，可以看出，随着温度的升高，—N—H—基团伸缩振动峰由3384 cm-1 逐渐位移至3350 cm-1，众所周知，聚合物分子链间氢键对温度具有较强的敏感性，上述结果进一步证明了BIA 单体的引入使得聚酰亚胺分子链间产生氢键相互作用，如图6-15（d）所示，这对于聚酰亚胺纤维性能的改善具有重要意义。
图6-15 不同TFMB/BIA 摩尔比聚酰亚胺纤维的FTIR 图
酰亚胺环中的羰基C=O 参与了聚酰亚胺分子链间氢键的形成，并反映在FTIR 谱图中，羰基伸缩振动峰向低波长迁移。以此为基础，可以通过对1700～1750 cm-1 红外光谱进行分峰处理，从而区别自由羰基与氢键化羰基［20］。分峰前必须对目标峰中所包含的重叠峰进行归属。图6-16 给出了不同二胺比例聚酰亚胺纤维在1700～1750 cm-1 FTIR 图谱以及相关羰基峰的分峰处理结果。在该波长区间内主要存在四种羰基吸收峰：a（1736～ 1741 cm-1）和d（1709 cm-1）为交联分子链中C=O 的对称和非对称伸缩振动峰；b（1727～1729 cm-1）为自由态羰基；c（1716～1719 cm-1）为氢键化羰基。因此，可以利用峰c 面积的比例定量表征不同样品氢键化程度，如式（6-1）所示：
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图6-16 BTDA-TFMB/BIA 聚酰亚胺纤维FTIR 谱图在1750～1700 cm-1 分峰结果
式中：Ib 和Ic 分别表示自由态羰基和氢键化羰基吸收峰面积。经过计算，可以得到TFMB/BIA = 85/15、50/50、40/60 和10/90 纤维样品的氢键化程度分别为40%、44%、64%和66%。很明显，随着BIA 含量的提高，纤维内部分子链间氢键化程度增加。
上述分子链间强烈的氢键作用在提高纤维力学性能方面扮演了重要角色。图6-17 为四种聚酰亚胺初生纤维的应力—应变曲线，随着BIA 添加量的增加，拉伸强度由1.37 GPa 提高至2.16 GPa，杨氏模量由29.9 GPa 提高至101.9 GPa，同时，断裂延伸率由4.57%降低至2.14%，说明BIA 含量较高时，分子链间强烈的氢键作用、较高的有序态结构及BIA 的刚性结构，明显地提高了纤维的力学性能。
图6-17 不同摩尔比TFMB/BIA 聚酰亚胺纤维的应力—应变曲线
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