[发明专利]一种具有可控梯度密度和孔径的聚酰亚胺气凝胶材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种具有可控梯度密度和孔径的聚酰亚胺气凝胶材料及其制备方法。本发明采用层层组装法制备聚酰亚胺气凝胶材料，由不同浓度的聚酰胺酸盐的水溶液层层组装构成多层材料，采用冷冻液冷冻，控制冷冻方向，通过径向冷冻、冷冻干燥及热亚胺化，制得了具有可控梯度密度和孔径的聚酰亚胺气凝胶。制备出的气凝胶材料具有梯度密度和孔径，赋予材料独特的性能，在隔热防护、物质吸附、物质分离、电磁屏蔽材料、低介电材料、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，具体涉及一种具有可控梯度密度和孔径的聚酰亚胺气凝胶材料。

背景技术

功能梯度材料（Functionally gradient material）是指材料的微观要素（组成和结构）在某特定方向上呈连续（或准连续）的梯度变化，从而使材料的宏观性能也在同一方向上呈连续（或准连续）梯度变化的一种非均质材料。聚合物梯度材料（Polymer gradientmaterial）是从功能梯度材料概念出发，将不同聚合物或者聚合物与其它材料，通过特殊制备技术复合制得的新型功能梯度材料，其结构或组成沿着某一方向逐渐变化，从而导致材料性质也逐渐变化。作为聚合物梯度材料中的一类，聚合物梯度多孔材料的密度或孔径大小等沿着某一方向呈梯度分布，其性能可通过微观结构的不同梯度变化予以调控。独特的结构与优越的性能使其在航空航天、生物医药、减振降噪等诸多领域都具有广阔的应用前景。

聚酰亚胺（PI）气凝胶是以聚酰亚胺材料为主体的有机气凝胶，具有良好的韧性，低热导率、低介电和优异的耐热性能。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。Zhang L，Wu J T，Zhang X M，etc. Multifunctional, marvelous polyimideaerogels as highly efficient and recyclable sorbents [J]. RSC Adv., 2015，5，12592-12596.使用冷冻法制备了PI气凝胶材料。他们首先制备了聚酰胺酸铵盐水溶液，然后在-18℃的冰箱中冷冻、冷冻干燥、热亚胺化得到PI气凝胶材料。该气凝胶材料具有良好的吸附性能。

冷冻法制备气凝胶方法简单，成本低，水作溶剂无毒环保，是一种十分有价值的气凝胶制备方法。目前还没有采用冷冻法制备具有可控梯度密度和孔径的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具有可控梯度密度和孔径的聚酰亚胺气凝胶材料。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的制备方法。

本发明提供了一种可控梯度密度和孔径的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）制备的某一浓度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，冻成固体后得到多层材料的第一层；采用热风使冻好的固体表层熔化，将另一浓度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，冻成固体后得到多层材料的第二层；依照此方法进行层层组装，得到由不同浓度的聚酰胺酸盐的水溶液构成的多层材料，然后冷冻干燥，升温至270±5℃进行热亚胺化，得到具有梯度密度和孔径的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；