[发明专利]一种化学交联型聚酰亚胺气凝胶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种化学交联型聚酰亚胺气凝胶及其制备方法，属材料技术领域。本发明主要通过助剂与表面活性剂作用在水溶液体系下制备化学交联型聚酰胺酸水凝胶，经冷冻干燥、热亚胺化得化学交联型聚酰亚胺气凝胶，该方法具有简单、高效、设备要求低、适用范围广且环境友好的优点，可有效避免传统聚酰亚胺类高性能气凝胶难以制备的问题，所得气凝胶可用于气体吸附、有机物吸附、绝热材料等，在大气污染治理、水污染治理、绝热结构材料等领域具有很高的潜在应用价值。

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及聚合物气凝胶的制备，具体涉及一种化学交联型聚酰亚胺气凝胶及其制备方法。

背景技术

气凝胶是一种高分散固态材料，主要由胶体粒子(或聚合物分子)聚集所得孔隙中充满气态分散介质的纳米多孔网络结构组成，常通过湿凝胶制备，是湿凝胶干燥过程中将其中的液体成分替换成气体而仍然保持其凝胶网络的三维多孔纳米材料。特殊的连续三维网络结构使得气凝胶在热学、力学、声学、光学、电学等方面都显示出独特的性质，因而在分离材料、吸附材料、绝热材料、气体及生物传感器、低介电常数材料等领域备受关注。

聚酰亚胺是指分子主链结构单元中含有酰亚胺环的一类聚合物，具有极为突出的热氧稳定性、介电性、耐环境老化性、耐辐射性、耐化学溶剂性以及机械强度等，是当今综合性能最优的聚合物材料之一，也是制备聚合物气凝胶的理想材料之一。聚酰亚胺气凝胶的制备多采用以下方法：首先，二酐与二胺单体制备聚酰胺酸(聚酰亚胺前驱体)；然后，化学亚胺化是聚酰胺酸溶液转变为聚酰亚胺凝胶；最后，将聚酰亚胺凝胶在超临界CO₂中干燥得气凝胶。然而，该方法对聚酰亚胺溶解性要求较高，需可溶性聚酰亚胺方可制备聚酰亚胺凝胶，从而导致多数不溶性聚酰亚胺无法通过该方法制备气凝胶。近年来，一种叔胺辅助水溶聚酰亚胺前驱体(聚酰胺酸)的方法为聚酰亚胺气凝胶的制备提供了新的思路，即先经聚酰胺酸水凝胶冷冻干燥法制备聚酰胺酸气凝胶，而后热亚胺化可得聚酰亚胺气凝胶。该方法简单高效、适合绝大多数聚酰亚胺气凝胶的制备，是一种较为理想的聚酰亚胺气凝胶制备方法。但是，由于聚酰胺酸分子链柔性较大，其气凝胶骨架强度较低，导致聚酰胺酸气凝胶尺寸收缩较大，进而严重影响聚酰亚胺气凝胶制品的质量。一般而言，引入化学交联结构是聚合物增强的有效手段，但由于聚酰胺酸分子链上的羧酸根活性较低，水溶液体系下无法与多元胺单体进一步交联，且化学交联后的聚酰胺酸也很难再在叔胺作用下溶于水，这在一定程度上限制了化学交联这种增强方式在冷冻干燥法制备聚酰亚胺气凝胶中的应用。一种水溶液体系下直接制备聚酰胺酸水凝胶的方法使得化学交联结构的引入变为可能。以此为基础，通过多元胺单体将支化结构引入聚酰胺酸体系中可有效增加聚酰胺酸气凝胶骨架强度，从而有效降低其尺寸收缩性，对聚酰亚胺气凝胶的制备具有重要意义。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种化学交联型聚酰亚胺气凝胶的及其制备方法，该方法是一种简单、高效、设备要求低、适用范围广的化学交联型聚酰亚胺气凝胶制备方法，即主要通过二酐、二胺、多元胺在叔胺、烷基卤化铵类化合物的作用下直接在水溶液体系中制备化学交联型聚酰胺酸水凝胶，经冷冻干燥、热亚胺化得化学交联型聚酰亚胺气凝胶。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

一种化学交联型聚酰亚胺气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

以二胺单体、二酐单体为原料，多元胺为交联剂，叔胺为溶解助剂，烷基卤化铵为表面活性剂，水为介质，全部混合后室温或冰水浴条件下搅拌反应，制得化学交联型聚酰胺酸水凝胶；其中，所述二胺单体、多元胺单体、二酐单体的加入摩尔比为(0.95～1.05)：(0.01～0.20)：1；

将化学交联型聚酰胺酸水凝胶真空脱气后冷藏老化后冷冻干燥，得化学交联型聚酰胺酸气凝胶；

将化学交联型聚酰胺酸气凝胶通过热亚胺化进行脱水环化，制得化学交联型聚酰亚胺气凝胶。