[发明专利]一种聚酰亚胺增强的粘土气凝胶材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种气凝胶材料及其制备方法，具体来说，涉及一种聚酰亚胺增强的粘土气凝胶材料及其制备方法，所述聚酰亚胺增强的粘土气凝胶材料可用作隔热材料、降噪材料、阻燃材料和催化剂载体等。

背景技术

气凝胶是一种超轻的以气体为分散介质的具有三维网络结构的多孔性凝聚态物质，孔隙率一般为80～99.8％，比表面积一般为200～1000m²/g，密度通常低于0.1g/cm³。正是这种独特的物质结构，使得它在力学、声学、热学、光学等方面具有许多特殊的性质，如低表观密度、低杨氏模量、低声阻抗、低热导率、低折射率和典型的分形结构等，因此气凝胶材料在隔热、隔音、电容器、传感器、充电电池、粒子探测器、催化剂及催化剂载体等方面具有广阔的应用前景。

自1931年Kistler制备出首个SiO₂气凝胶以来，陆续出现了碳气凝胶、氧化铝气凝胶、二氧化钛气凝胶、纤维素气凝胶以及有机气凝胶等其它气凝胶。近年来，因粘土来源广泛和低毒性，粘土气凝胶材料引起了人们的广泛关注。粘土气凝胶通常通过超临界干燥法、冷冻干燥法制得，然而该材料一个普遍的问题是机械性能较差，在应力作用下非常容易被压碎或产生不可逆转的损坏。

研究者一般在粘土中添加聚合物或纤维对其进行增强处理，有效地提高了它的机械性能。Arndt等人制备了丁二醇二缩水甘油醚-三乙烯四胺热固性环氧树脂增强的粘土气凝胶材料，其密度为0.05～0.18g/cm³，压缩模量为170～708kPa，在水中稳定性良好，但起始分解温度均在250℃附近，其中20w/v％聚合物含量的气凝胶复合材料压缩回弹率最高可达95％(Elastic low density epoxy/clay aerogel composites，J.Mater.Chem.，2007，17，3525～3529)。

Finlay等人制备了纤维增强的粘土气凝胶复合材料，发现除微晶纤维素外，其它蛋白质和纤维素类的纤维均能提高粘土气凝胶的压缩模量，其中含0.5wt％亚麻纤维和5wt％粘土的气凝胶平均压缩模量可达93±22kPa，2.5wt％PVOH增强的5wt％粘土气凝胶的密度和压缩模量分别为0.07g/cm³和1600±208kPa，此外5wt％动物丝增强的2.5％PVOH/5％粘土气凝胶复合材料的密度和压缩模量分别为0.121g/cm³和8857±1521kPa(Biologically Based Fiber-Reinforced/Clay Aerogel Composites，Ind.Eng.Chem.Res.，2008，47，615～619)。

Alhassan等人探讨了NaCl和PVOH对粘土气凝胶机械性能的影响，发现样品的机械强度主要取决于PVOH的浓度，仅在较低PVOH浓度时样品的压缩模量和屈服强度对NaCl含量较为敏感，得到的1％～5％PVOH增强的5％粘土气凝胶材料压缩模量为229～4570kPa(Influence of Electrolyte and Polymer Loadings on Mechanical Properties of Clay Aerogels，Langmuir 2010，26(14)，12198～12202)。

Johnson III等人制备了枝化环乙亚胺增强的粘土气凝胶材料，得到的2.5％环乙亚胺增强的2.5％粘土气凝胶密度为0.075g/cm³，压缩模量为270kPa，在对该气凝胶进行硅化处理后，其压缩模量为1.3～8.6MPa，而密度会增至0.20～0.31g/cm³，同时其它机械性能也得到大大增强(Mineralization of Clay/Polymer Aerogels：A Bioinspired Approach to Composite Reinforcement，Applied Materials&Interfaces 1，1305～1309)。

Bandi等人制备了粘土气凝胶-异丙基丙烯酰胺复合材料，其保持了较低的密度(0.05～0.07g/cm³)，在水中稳定性良好，且表现出与未改性聚异丙基丙烯酰胺类似的低临界溶液温度特征(Temperature-Responsive Clay Aerogel-Polymer Composites，Macromolecules 2005，38，9216～9220)。