近日，大连化物所高性能高分子材料研究中心（DNL2200）周光远研究员和聂赫然副研究员团队在高性能聚酰亚胺气凝胶结构设计和研究方面取得新进展。
聚酰亚胺（PI）气凝胶具有轻质、耐高低温、高比表面积、低导热系数等优势，已成功应用于航空航天、太空探测等领域。然而，采用商业化的二酐和二胺单体，通过溶胶-凝胶方式制备的PI气凝胶，仍然存在收缩率高、尺寸稳定性差等问题，很难同时满足低密度和低导热系数，阻碍了其进一步的实际应用。
本工作中，团队开发了2种新型基于二苯亚甲基芴结构的“桨叶型”二胺单体，通过与二酐单体共聚，获得刚性适中的PI气凝胶材料。实验发现，该气凝胶材料具有优异的尺寸稳定性（收缩率低至7.7%），高孔隙率（>91%），高比表面积（674.8㎡/s），以及良好的热性能（Td 5%>580℃, Tg>299℃）。在200℃下加热1小时，上表面温度低于60℃，且导热系数低至54.3mW*m–1*K–1，表现出优异的高温隔热性能。该工作为设计隔热性能优异和尺寸稳定的PI气凝胶材料提供了新思路。
相关研究成果以“Low shrinkage polyimide aerogels with excellent thermal insulation: Boosted by "paddle-shaped" benzhydrylidenefluorene-based diamines”为题，于近日发表在《化学工程学报》（Chemical Engineering Journal）上。该工作的第一作者为大连化物所DNL2200组孙云龙助理研究员。上述工作得到了国家自然科学基金、辽宁省兴辽英才计划等项目的资助。
聚酰亚胺（PI）气凝胶应用方向
气凝胶是通过从凝胶中去除液体制成的极其轻、高效的绝热体。第一种由二氧化硅制成的实用气凝胶绝热材料是在1990年代为 NASA 创造的，并已得到广泛应用。但由已退休的Mary Ann Meador领导的格伦团队想要更耐用、更柔性的HIAD材料，因此他们研发了由聚酰亚胺—一种超坚韧、高性能的塑料制成的气凝胶。
PI气凝胶的卓越性能以及定制其性能的可能性使其成为广泛工业应用的合适候选者，包括在恶劣环境中稳定的超级隔热，据报道的导热率低至19.7mW/mK，低介电常数用于天线基板的常数材料，报告值低至1.1，能量收集应用作为TENG中的摩擦负材料，有效EMI屏蔽，报告的SE高达28.8dB，传感器和微电子，油/有机溶剂-水分离，和纳米空气过滤，据报道效率为99.9%。
隔热材料
众所周知，PI气凝胶具有优异的力学性能和高温稳定性，在高温环境下的隔热运用中有广阔的前景，因而在近些年来备受关注。
抗辐射材料
PI气凝胶，由于其较好的绝缘性能和机械耐用性以及重量轻和耐化学辐射等优良特性，被广泛应用于航天器工业。PI气凝胶暴露在高能电子、质子和紫外线光子下，考虑其超高孔隙率的纳米有机PI骨架在电磁干扰（EMI）辐射环境下的稳定性，在受质子辐照后，其光吸收增加，而比热容随质子通量呈线性下降，并且由拉曼光谱显示PI气凝胶受损区域中发生化学键的裂解和炭化。同时有研究表明PI材料受到空间环境的破坏，电导会发生变化，并且随着电子曝光辐射的增加，PI的电导率呈数量级增加。
疏水性材料
由于气凝胶的孔径小、比表面积高且与外界连通的特性，当其结构中含有亲水基团时往往很容易吸收水分，存在着疏水性问题。PI气凝胶所含极性基团较多，很容易吸收水分使得其介电性能有所下降，从而限制了其在微电子和航空航天等领域的应用。因此，研究气凝胶的疏水性能对它的应用领域有极大的延展。一些科学家们通过不同的方法对PI气凝胶进行改性，从而增大了疏水角，进一步提高了它的疏水性能。
油水分离材料
众所周知，具有优异热稳定性和优异吸附性的PI气凝胶具有高达440℃的耐高温性和-200~300℃的长期使用温度范围。因此PI气凝胶在高温等恶劣环境下可用于油水分离，具有广阔的应用空间。
过滤材料
聚酰亚胺气凝胶由于其高孔隙率和纳米孔结构，在纳米颗粒过滤等领域具有很高的应用潜力。然而，如何控制气凝胶的形貌以达到对其性能的调整仍然是一个挑战。
除了所讨论的应用之外，PI气凝胶由于其潜在的透明度、声学、用于医疗应用的湿电极或干电极、超级电容器、锂离子电池电极以及电池膜而呈现出适合渗透其他工业应用的潜力，例如光学，甚至人造组织。然而，由于非常敏感和长时间的加工，PI气凝胶薄膜的自动化和大规模生产将是昂贵且具有挑战性的。
▓ 来源：中国科学院大连化物所、高性能树脂及应用
▓ 责编：小棉袄
