[发明专利]一种孔径梯度变化的聚酰亚胺气凝胶材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种孔径梯度变化的聚酰亚胺气凝胶材料及其制备方法。本发明采用定向冷冻法制备聚酰亚胺气凝胶材料，采用冷冻介质冷冻，控制冷冻方向，通过定向冷冻、冷冻干燥及热亚胺化，制备出孔径沿着冷冻方向梯度变化的聚酰亚胺气凝胶材料，赋予材料独特的功能。该聚酰亚胺气凝胶材料在物质吸附、物质分离、低介电材料、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，具体涉及一种孔径梯度变化的聚酰亚胺气凝胶材料。

背景技术

1984 年日本的新野正之、平井敏雄等材料学家们首次提出了“功能梯度材料”（Functionally Gradient Material，简称FGM）的概念，指出通过设计使材料的组成以及结构表现出不均匀性、不对称性，即沿着某一方向产生梯度变化。从功能梯度材料概念出发，一类新的功能梯度材料——梯度多孔材料（Gradient Porous Material，GPM），显示出独特的性能，在武器装备、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。梯度多孔材料的密度或泡孔孔径沿着某一方向梯度分布，其性能可通过微观结构的不同梯度变化予以调控。

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，具有低密度、高孔隙率、低热导率，且兼具良好的韧性、高热稳定性、耐辐射、难燃等特性。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。

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。目前还没有采用定向冷冻法制备孔径梯度变化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低密度的孔径梯度变化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。

本发明提供了一种孔径梯度变化的聚酰亚胺气凝胶材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）将聚酰胺酸粉末加入到去离子水中，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-20℃~ -78.5℃的冷冻介质的容器中，仅使模具底部与冷冻介质接触，进行定向冷冻，模具周边的环境温度为-20~0℃。当模具中的聚酰胺酸盐的水溶液冻成固体后，冷冻干燥，然后升温至270±5℃进行热亚胺化，得到聚酰亚胺气凝胶材料；

步骤（1）中，聚酰胺酸与水的质量比为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的质量比范围为4:96~12:88；

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，所述的冷冻介质为：干冰、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，优选为干冰；

进一步地，所述的冷冻温度为-25℃ ~ -78℃；

进一步地，所述的冷冻干燥条件为：-40~-50℃，压力10~20Pa，72~80h；