[发明专利]一种复合气凝胶及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及气凝胶的制备领域，具体涉及一种复合气凝胶及其制备方法。

背景技术

气凝胶是由胶体粒子或高聚物分子构成的多孔固态材料，其开放和相互连通的纳米级多孔结构、连续的三维骨架网络、低密度和高比表面积的特性使其在隔热材料、隔音材料、催化剂载体、吸附剂、超级储能器件、集成电路、药物缓释材料和宇宙尘埃搜集器等诸多领域都有着广泛的应用前景。

综合已有的专利和文献技术，气凝胶的制备主要包括湿凝胶的形成和湿凝胶中溶剂的去除两个过程。其中，湿凝胶的形成是由小分子或者高分子通过化学反应或者物理作用在溶剂中形成交联网络的过程，这种交联网络构成气凝胶的骨架结构；湿凝胶中溶剂的去除是用空气替代湿凝胶中的溶剂，在此过程中应最大程度地保持湿凝胶的骨架结构和体积。

SiO₂气凝胶是目前研究最多，也是主要商品化的气凝胶材料。但SiO₂气凝胶的骨架是由直径为5～10nm的次级粒子组成，由于相邻次级粒子连接部位的面积小，在外力作用下很容易断裂，使得SiO₂气凝胶的机械强度非常差。

如Deng Z.S等人(Deng Z.S.；Wang J.；Wu A.M.；et al.,High strength SiO₂aerogel insulation[J].J.Non-Cryst.Solids,1998,225(1):101-104.)制备得到了密度为0.112g/cm³的SiO₂气凝胶，但其碎裂时的压缩强度只有0.018MPa，从而极大地限制了其广泛使用。

在SiO₂气凝胶的增强方面，常见的措施有：

1、改进制备工艺以增强其骨架结构，但工艺改性对SiO₂气凝胶的增强有限；

2、在SiO₂气凝胶上引入活性有机基团然后采用多官能团的有机小分子或聚合物交联，但引入有机小分子或聚合物的过程普遍比较繁琐；

3、采用纤维增强，在纤维增强方面，美国ASPEN公司将纤维毡与SiO₂气凝胶复合实现了纤维增强SiO₂气凝胶材料的产业化。但由于SiO₂气凝胶和纤维之间并未形成有效的共价键，因此SiO₂气凝胶本身的质脆易碎性未能从根本上得到解决，以致使用起来会产生粉尘和碎屑。

发明内容

本发明提供一种复合气凝胶及其制备方法，制备得到的复合气凝胶不仅具有开放和相互连通的纳米级多孔结构、连续的三维骨架网络、低密度、高比表面积的特性，且具有优异的机械强度。

本发明公开了一种复合气凝胶，所述的复合气凝胶是由含烷氧基硅烷侧基的聚酰亚胺或含烷氧基硅烷侧基的聚芳醚酮经水解缩合反应制备得到。

本发明利用聚酰亚胺和聚芳醚酮优异的机械性能，将烷氧基硅烷以侧基的形式引入聚酰亚胺或聚芳醚酮分子链中，通过烷氧基硅烷侧基的水解和相互缩合得到具有化学交联网络结构的湿凝胶，再将溶剂去除得到复合气凝胶。

本发明采用的含烷氧基硅烷侧基的聚酰亚胺具有如下所示的结构式：

式Ⅰ；

或，式Ⅱ；

其中，n₁、n₂均为5～1000的整数，且相互独立；x₁、y₁均为大于0的整数，且1/5≤x₁/y₁≤100；

所述的t选自0、1或者2；

R₁选自C₁～C₁₂的亚烷基、C₃～C₂₀的亚环烷基或C₆～C₂₀的亚芳基；

R₂和R₃独立地选自C₁～C₁₂的烷基、C₃～C₂₀的环烷基或C₆～C₂₀的芳基；

所述的基团Ar选自下列基团中的一种或几种：

所述的基团Ar′选自下列基团中的一种或几种：

式Ⅰ为含烷氧基硅烷侧基的均聚聚酰亚胺，式Ⅱ为含烷氧基硅烷侧基的共聚聚酰亚胺。