[发明专利]一种各向异性聚酰亚胺气凝胶材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种各向异性聚酰亚胺气凝胶材料和聚酰亚胺/无机纳米粒子复合气凝胶材料及其制备方法。本发明采用冷冻法制备聚酰亚胺气凝胶材料和聚酰亚胺/无机纳米粒子复合气凝胶材料，采用冷冻液冷冻，控制冷冻方向，制备出的气凝胶材料具有各向异性，在低介电材料、物质吸附、物质分离、隔热防护、声阻尼、催化剂和药物载体等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于气凝胶材料领域，具体涉及一种具有各向异性的聚酰亚胺气凝胶材料。

背景技术

气凝胶是一种以空气介质填充其内部大部分空间的新型固体多孔材料，具有极低的密度、很高的孔隙率、低的热导率等特点，在隔热材料、低介电材料、气体分离和过滤、催化剂和药物载体、物质吸附和声阻尼等领域中有着广泛的应用前景。

聚酰亚胺气凝胶是以聚酰亚胺(PI)材料为主体的有机气凝胶。与无机气凝胶相比，聚酰亚胺气凝胶具有良好的韧性，同时拥有低的热导率和优异的耐热性能，可用作飞行器的隔热防护材料。此外，聚酰亚胺具有低介电的特性，制成气凝胶后，其介电性能更加突出，具有很低的介电常数。由于聚酰亚胺气凝胶拥有优异的综合性能，使其在隔热、隔音、气体分离、催化剂载体、物质吸附等领域有着广阔的应用前景。

冷冻法制备PI气凝胶是以聚酰胺酸(PAA)铵盐水溶液为前驱体，通过冷冻降温使水和聚合物发生相分离，溶液中的水形成冰晶，聚酰胺酸铵盐(PAS)形成三维网络结构。通过冷冻干燥，冰晶占据的空间成为孔洞，PAS再经过热亚胺化得到PI气凝胶。作为一种制备PI气凝胶的新方法，冷冻法制备PI气凝胶受到众多科研人员的关注。Wu W,Wang K,Zhan MS.Preparation and performance of polyimide-reinforced clay aerogel composites[J].IndustrialEngineering Chemistry Research,2012,51(39):12821-12826.使用冷冻法制备了PI增强蒙脱土气凝胶复合材料。他们首先合成了可水溶的3-氨丙基三甲氧基硅烷封端的聚酰胺酸铵盐，配成溶液，然后加入蒙脱土的悬浮液中，经低温冷冻、冷冻干燥、热亚胺化得到密度0.04～0.09g/cm³的PI复合气凝胶材料。此过程不使用超临界干燥，节约成本，热亚胺化使材料亚胺化更完全，有助于提高材料的热性能。

目前还没有采用冷冻法制备各向异性聚酰亚胺气凝胶的报道。

发明内容

本发明的目的在于公开一种低密度的各向异性的聚酰亚胺气凝胶材料和一种各向异性的聚酰亚胺复合气凝胶材料。本发明的另一目的在于提供一种上述聚酰亚胺气凝胶材料和聚酰亚胺复合气凝胶材料的制备方法。

本发明提供了一种聚酰亚胺气凝胶的制备方法，包括如下步骤：

(1)将聚酰胺酸加入到去离子水中，然后滴加有机碱并搅拌，配制成聚酰胺酸盐的水溶液；

(2)将步骤(1)制备的聚酰胺酸盐的水溶液倒入模具中，再将其放入装有-10～-80℃的冷冻液的容器中冷冻，冻成固体后，冷冻干燥，升温至270±5℃进行热亚胺化，得到聚酰亚胺气凝胶材料；

步骤(1)中，聚酰胺酸与水质量比为2:98～15:85，聚酰胺酸与有机碱的质量比为：1:0.397～0.793。

进一步地，步骤(1)中，所述的有机碱选自三乙醇胺、三乙胺、三丙胺、喹啉、三乙烯二胺、三正丁胺，优选为三乙胺；

进一步地，所述的聚酰胺酸与水质量比范围为3:97～8:92；

进一步地，所述的聚酰胺酸与有机碱的质量比为1:0.476。

进一步地，在步骤(2)中，所述的冷冻液为：干冰与甲醇混合物、干冰与丙酮混合物、干冰与乙醇混合物、干冰与正丙醇混合物、干冰与正丁醇混合物、液氮，优选为干冰和乙醇的混合物；