[发明专利]本征疏水性聚酰亚胺气凝胶及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于高性能聚酰亚胺材料领域，涉及一种本征疏水性聚酰亚胺气凝胶及其制备方法与应用。

背景技术

气凝胶是一类分散介质为空气的干态凝胶材料，其固体相与孔隙结构均为纳米量级。该结构特征使得气凝胶成为且前世界上密度最小的固体材料(最低可达0.0002g/cm³)，也是世界上热导率最小的固体材料(空气中可达0.002W/m^-1K^-1，室温真空下可达0.001W/m^-1K^-1)，同时气凝胶还具有很低的介电常数(1.0-2.0)与介电损耗。上述特性使得气凝胶在集成电路、节能、航空航天等领域有着广泛的应用前景(AegerterM A，Leventis N，Koebel M(eds).Aerogels handbook.Springer Science+Business Media：New York，2011)

气凝胶虽然具有优良的防隔热以及低密度、低介电常数等特性，但其高度微孔隙结构(～10nm)造成其具有几百甚至上千平方米/克的比表面积，如此高的比表面积使其极易吸收空气中的潮气和水分。吸收的水分不仅可以使气凝胶的介电常数大幅增加，而且还会造成在气凝胶内部产生较强的毛细管力。对于质脆、易碎的无机气凝胶(如二氧化硅气凝胶等)而言，这种表面张力会直接造成气凝胶材料的破碎。因此，实际应用中必须对气凝胶进行表面疏水化处理。常见的疏水化处理方法包括采用氯硅烷或烷氧基硅烷化合物蒸汽进行处理，也可采用六甲基二硅氮烷(HMDZ)蒸汽进行处理。

聚酰亚胺(PI)是一类具有优良综合性能的有机高分子材料。由PI制成的气凝胶具有耐温等级高、力学性能优良等特性，因此近年来得到了快速的发展(Meador MAB，et al.ACS Appl Mater Interfaces，2012，4：536-544)。但普通型PI分子结构具有很强的极性，因此制备的气凝胶同样易于吸潮。由于PI气凝胶具有良好的力学柔韧性，因此吸水水分的PI气凝胶虽然不会像无机SiO₂气凝胶那样发生破碎，但却会引起密度与介电常数的增加，从而影响其应用效果。而采用传统疏水化工艺并不会有效地改善PI气凝胶的亲水性。

发明内容

本发明的目的是提供一种本征疏水特性的聚酰亚胺(PI)气凝胶及其制备方法与应用。

本发明提供的化合物或气凝胶，其结构通式如式I所示，

式I

所述式I中，R₁为二酐单体片段，选自下述基团中的任意一种：

和

R₂为二胺单体片段，选自下述基团中的任意一种：

和

T为氨基封端基片段，选自下述基团中的任意一种：

和

n为1-100的整数，具体可为20-30的整数、30-40的整数或20-40的整数，更具体为30。

本发明提供的制备式I所示化合物或气凝胶的方法，包括如下步骤：

1)将芳香族二胺单体与过量的脂环族二酐单体于有机溶剂中混合均匀进行缩合聚合反应，反应完毕得到酐基封端的聚酰胺酸溶液；

2)向所述步骤1)所得溶液中加入含氨基的多官能团封端剂混匀进行酰胺化反应，得到交联的聚酰胺酸溶液；

3)向所述步骤2)所得交联的聚酰胺酸溶液中加入乙酸酐和吡啶搅拌，再注入模具中进行脱水反应，反应完毕得到含有式I所示化合物的凝胶；

4)将步骤3)中所得凝胶置于溶剂中进行浸泡，再进行超临界二氧化碳干燥，干燥完毕后得到所述气凝胶。

上述方法的步骤1)中，所述步骤1)中，脂环族二酐选自1，2，3，4-环丁烷四酸二酐(CBDA)、1，2，4，5-环戊烷四酸二酐(CPDA)、1，2，4，5-环己烷四酸二酐(CHDA)、双环[2.2.1]庚烷-2，3，5，6-四酸二酐和双环[2.2.2]辛烷-2，3，5，6-四酸二酐中的至少一种；

所述芳香族二胺选自2，3，5，6-四氟对苯二胺(TFPDA)、3，3′，5，5′-四氟-4，4′-二氨基联苯、八氟二氨基联苯、3，5-二氨基三氟甲苯(TFMDA)和2，2′-双(三氟甲基)-4，4′-二氨基联苯(TFDB)中的至少一种；