[发明专利]磷灰石纳米线/聚酰亚胺复合气凝胶及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种疏水性磷灰石纳米线/聚酰亚胺复合气凝胶及其制备方法与应用，方法包括制备磷灰石纳米线和聚酰亚胺前驱体溶液，然后将磷灰石纳米线与聚酰亚胺前驱体溶液混合，再进行预冻、真空冷冻干燥和热亚胺化处理，得到磷灰石纳米线/聚酰亚胺复合气凝胶，最后用有机硅烷对所得复合气凝胶进行气相辅助沉积，得到疏水性磷灰石纳米线/聚酰亚胺复合气凝胶。本发明制得的复合气凝胶为三维多孔网络结构，孔隙率大于90％，体积收缩率小于15％，静态疏水角大于140度，热稳定性温度大于400℃，导热系数低达0.031W/m·K，具有较好的机械性能，疏水性和优异的隔热阻燃性，有望应用于多种隔热阻燃领域。

技术领域

本发明涉及复合气凝胶及其制备领域，特别涉及一种磷灰石纳米线/聚酰亚胺复合气凝胶及其制备方法与应用。

背景技术

气凝胶是一种具有低密度、高孔隙率、高比表面积和低导热系数等独特性能的多孔材料。由于其独特的性能，气凝胶在吸附，隔热，催化，能量储存和智能传感等领域具有广泛的应用。常用的二氧化硅气凝胶和其他无机气凝胶的三维固体骨架是由弱连接的纳米颗粒组成的，机械强度很低，严重限制了它们的实际应用。

与传统的无机气凝胶相比，大多数有机气凝胶主要通过聚合物分子或单体相互缩聚形成三维网络结构，表现出更好的机械性能和高稳定性。而以聚酰亚胺气凝胶作为主链含有酰亚胺环功能基重复单元的有机高分子气凝胶，其刚性的骨架结构使有着高的力学强度，优异的耐热性及热绝缘性，使其在电子电器、航空航天和隔热保温等领域都受到了广泛的关注。专利CN109810282 A介绍了一种各向异性聚酰亚胺气凝胶在多种保温领域的应用。但聚酰亚胺气凝胶在制备过程有着较大的收缩，导致体积密度的增加和多孔结构的破坏，进而影响导热系数和实际加工成型。尽管可以通过加入无机填料来改善整体的收缩性，如专利CN108047446A介绍了一种无机二氧化硅气凝胶颗粒引入到有机聚酰亚胺骨架中，抑制复合气凝胶的整体收缩；专利CN107365497A采用石墨烯和蒙脱土增强聚酰亚胺复合气凝胶，获得优异的机械性能。但如何解决无机复合相的界面分散和复合后对隔热造成的影响是制备有机-无机复合气凝胶的一个挑战。此外，聚酰亚胺气凝胶在环境老化过程中容易吸收一定的水分，发生水解或膨胀造成不可逆酰胺键破坏，导致复合气凝胶容易脆性断裂，影响气凝胶的机械性能和隔热性能。

发明内容

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种磷灰石纳米线/聚酰亚胺复合气凝胶及其制备方法与应用，其目的是为了将超长长径比的磷灰石纳米线与聚酰亚胺相互缠绕形成三维网络结构，改善有机无机复合气凝胶的体积收缩问题和增强气凝胶的机械性能，并采用气相辅助沉积方法得到高疏水性能的磷灰石纳米线/聚酰亚胺复合气凝胶，克服气凝胶的吸水分解问题，使其在潮湿环境中具有更加稳定的机械性能和隔热性能。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种疏水性磷灰石纳米线/聚酰亚胺复合气凝胶的制备方法，包括如下步骤：

S1.磷灰石纳米线的制备

首先将去离子水、甲醇和油酸混合配置成水热反应溶剂，然后将氯化钙(CaCl₂)水溶液、氢氧化钠(NaOH)水溶液和磷酸二氢钠(NaH₂PO₄〃2H₂O)依次加入至所述水热反应溶剂中，搅拌后在160～200℃下反应16～30h，反应结束后进行冷却、清洗、抽滤和烘干，得到磷灰石纳米线；

S2.聚酰亚胺前驱体溶液的制备

首先将二胺单体溶解在极性非质子溶剂中，然后缓慢加入二酐单体反应4～24h，再将反应溶液倒入去离子水中，除去未反应溶剂，再进行抽滤、洗涤和烘干，得到聚酰胺酸，最后以去离子水和三乙胺(TEA)的混合物为溶剂，将所得聚酰胺酸溶解于溶剂中，得到2～5wt.％的聚酰亚胺前驱体溶液；

S3.磷灰石纳米线/聚酰亚胺复合气凝胶的制备