聚酰亚胺的合成方法有一步法、二步法、三步法等

聚酰亚胺主要是由二酐类和二胺类化合物为原料，进行缩合聚合形成聚酰胺酸胶液（PAA Varnish）​，再涂布成为薄膜，后经高温（300 ℃）固化（又称为亚胺化，或称环化，或熟化）脱水，而形成PI高分子。聚酰亚胺树脂最具有代表性的例子为Dupont公司的商品Kapton，主要是由均苯四甲酸二酐（PMDA）和二氨基二苯醚（ODA）为原料的化学合成。

由二酐和二胺聚合成为聚酰亚胺的方法，目前主要有一步法、二步法、三步法和气相沉积法四种。

（1）一步法
一步法是二酐和二胺在高沸点溶剂中直接聚合生成聚酰亚胺，即单体不经由聚酰胺酸而直接合成聚酰亚胺。该法的反应条件比热处理要温和得多，关键要选择合适的溶剂。为提高聚合物的相对分子量，应尽量脱去水分。通常采用带水剂进行共沸以脱去生成的水，或用异氰酸酯替代二胺和生成的聚酰胺酸盐在高温高压下聚合，此法的控制工艺尚需完善，并正向实用化迈进。
（2）二步法
二步法是先由二酐和二胺获得前驱体聚酰胺酸（PAA）​，然后通过加热或化学方法，分子内脱水闭环生成聚酰亚胺。热亚胺化过程通常是将经过干燥去除一定量溶剂的固态PAA薄膜，在真空或惰性介质中缓慢连续或梯步升温进行热处理，一般在120～150 ℃就开始急剧环化脱水，当温度到达250 ℃时亚胺化反应已基本完成，进一步提高温度可以使亚胺化更加完全。化学亚胺化法，是用脱水剂处理聚酰胺酸，化学环化后生成的聚酰亚胺中含有大量异酰亚胺，该法制得的聚酰亚胺与用加热方法制得的聚酰亚胺，物理和化学性能有差异，特别是异酰亚胺环具有较低的热稳定性和高化学反应活性，应用不同的脱水剂，环化产物中亚胺/异酰亚胺的比例不同，可认为是互变异构的高度不稳定所引起的。二步法工艺成熟，但聚酰胺酸溶液不稳定，对水汽很敏感，储存过程中常发生分解，所以又出现聚酰胺酸烷基酯法、聚酰胺酸硅烷基酯法等改进方法。
（3）三步法
三步法是经由聚异酰亚胺得到聚酰亚胺的方法。聚异酰亚胺结构稳定，作为聚酰亚胺的母体，由于热处理时不会放出水等低分子物质，容易异构化成酰亚胺，能制得性能优良的聚酰亚胺。由聚酰胺酸在脱水剂作用下，脱水环化为聚异酰亚胺，然后在酸或碱等催化剂作用下异构化成聚酰亚胺，此异构化反应在高温下很容易进行。聚异酰亚胺溶解性好，玻璃化转变温度较低，加工性能优良。聚酰亚胺为不熔不溶性材料，难于加工，通常采用先在预聚物聚酰亚胺阶段加工，但由于在高温下进行，亚胺化时闭环脱水易使制品产生气孔，导致制品的机械性能和电性能下降，难以获得理想的产品，作为聚酰亚胺预聚体的聚异酰亚胺，其玻璃化温度低于对应的聚酰亚胺，热处理时不会放出水分，易异构化成聚酰亚胺，因此用聚异酰亚胺代替聚酰胺酸作为聚酰亚胺的前体材料，可制得性能优良的制品。该法较新颖，正受到广泛关注。
（4）气相沉积法
气相沉积法主要用于制备聚酰亚胺薄膜，反应是在高温下将二酸酐与二胺直接以气流的形式输送到混炼机进行混炼，制成薄膜，这是由单体直接合成聚酰亚胺涂层的方法。聚酰亚胺品种繁多、形式多样，在合成上具有多种途径，因此可以根据各种应用目的进行选择，这种合成上的易变通性是其他高分子所难以具备的。聚酰亚胺合成的特点如下：
①聚酰亚胺主要由二元酐和二元胺合成，这两种单体与众多其他杂环聚合物，如聚苯并咪唑、聚苯并噁唑、聚苯并噻唑、聚喹噁啉和聚喹啉等单体比较，原料来源广，合成较容易。二酐、二胺品种繁多，不同的组合就可以获得不同性能的聚酰亚胺。
②聚酰亚胺可以由二酐和二胺在极性溶剂，如DMF, DMAC, NMP或THE/甲醇混合溶剂中先进行低温缩聚，获得可溶的聚酰胺酸，成膜或纺丝后加热至300 ℃左右脱水成环转变为聚酰亚胺；也可以向聚酰胺酸中加入乙酐和叔胺类催化剂，进行化学脱水环化，得到聚酰亚胺溶液和粉末。二胺和二酐还可以在高沸点溶剂，如酚类溶剂中加热缩聚，一步获得聚酰亚胺。此外，还可以由四元酸的二元酯和二元胺反应获得聚酰亚胺；也可以由聚酰胺酸先转变为聚异酰亚胺，然后再转化为聚酰亚胺。
③只要二酐（或四酸）和二胺的纯度合格，不论采用何种缩聚方法，都很容易获得足够高的分子量，加入单元酐或单元胺还可以很容易地对分子量进行调控。
④以二酐（或四酸）和二胺缩聚，只要达到一等物质的量比，在真空中热处理，可以将固态的低分子量预聚物的分子量大幅度地提高，从而给加工和成粉带来方便。
⑤很容易在链端或链上引入反应基团形成活性低聚物，从而得到热固性聚酰亚胺。
⑥利用聚酰亚胺中的羧基，进行酯化或成盐，引入光敏基团或长链烷基得到双亲聚合物，可以得到光刻胶或用于LB膜的制备。
⑦一般合成聚酰亚胺的过程不产生无机盐，对于绝缘材料的制备特别有利。
⑧作为单体的二酐和二胺在高真空下容易升华，因此容易利用气相沉积法在工件，特别是表面凹凸不平的器件上形成聚酰亚胺薄膜。