[发明专利]一种聚甲基丙烯酰亚胺杂化气凝胶的制备方法

说明书

本发明公开了一种聚甲基丙烯酰亚胺杂化气凝胶的制备方法，属于气凝胶制备技术领域。以甲基丙烯酸和甲基丙烯腈为单体，聚合制备聚甲基丙烯酰亚胺预聚物；制成PMI预聚物季胺盐；分离PMI预聚物季胺盐，反复洗涤，并干燥处理；制备共分散剂混合液；制得钠基蒙脱土悬浮液；再制备水溶液；将水溶液置于低温下冷冻凝固；凝固后干燥，干燥后得到PMI预聚物季胺盐杂化气凝胶；处理后，得到PMI/钠基蒙脱土/共分散剂杂化气凝胶。相较于纯PMI气凝胶，PMI/Na‑MMT/共分散剂杂化气凝胶具有更低的体积收缩率；相较于纯PMI气凝胶，PMI/Na‑MMT/共分散剂杂化气凝胶具有更好的阻燃性能。共分散剂可以与钠基蒙脱土产生协效阻燃作用，共同提升PMI气凝胶阻燃性能。

技术领域

本发明属于气凝胶制备技术领域，具体涉及一种聚甲基丙烯酰亚胺杂化气凝胶的制备方法

背景技术

PMI(polymethacrylimide，PMI)材料的分子结构赋予其优异的力学性能和耐热性能：羧基、腈基使分子链之间形成氢键；甲基、羧基和腈基的空间位阻作用使分子链呈刚性；六元酰亚胺环使分子链刚性进一步增加；此外，分子链之间还发生交联，形成空间网络结构。因此，PMI是一种具有十分优秀力学性能的材料。

目前市场上PMI产品形式均为泡沫，PMI泡沫材料是一种典型的综合性能优异的热固性的泡沫。在相同密度下，PMI泡沫与其它泡沫相比，其比强度和比模量是最高的，且可承受高达220℃的高温，且易加工成型。PMI泡沫制备路线一般采用两步法：第一步制备可发泡预聚板，第二步发泡制备PMI泡沫。预聚物具有高熔体强度，可以使PMI在干燥的过程中能很好的抵抗干燥过程中的体积收缩。因此，PMI是一种十分良好的气凝胶基体材料。

气凝胶(Aerogel)是由胶体粒子或高聚物分子相互聚集形成纳米多孔网络结构，并在空隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料。气凝胶由于超低的密度，高孔隙率，极低的热导率，高比表面积等于优异性质被广泛应用于隔热隔声材料、催化剂载体、过滤装置等领域。气凝胶按照化学组成来分可分为无机气凝胶和有机气凝胶。无机气凝胶，如硅气凝胶和碳气凝胶，具有极好的隔热性能，但力学性能极差。有机气凝胶种类多样，性能各异，可以做到兼顾力学性能和隔热性能，此外还可用无机纳米粒子增强气凝胶，制备性能更好的高分子复合气凝胶。

气凝胶的制备方法目前大多数都是采用溶胶-凝胶的线路制备，按照干燥方法的不同，一般分为冷冻干燥法、超临界干燥法和常压干燥法三种路线。一般用来合成PMI材料的单体为甲基丙烯酸和甲基丙烯腈或者甲基丙烯酸和丙烯腈，这些单体都为单官能度的单体，合成的PMI预聚物多为线性聚合物，很难在溶液聚合过程中直接形成凝胶，因此本专利采用冷冻干燥路线，通过制备预聚物季胺盐的方式，使聚合物溶解于水中，再通过冷冻干燥的方式制备PMI气凝胶。

纳米复合材料作为一种材料增强方式，在高分子材料中有着重要的应用，利用纳米粒子来增强高聚物的性能是很实用的工艺。蒙脱土(MMT)是一类由纳米厚度(约1nm)的表面带负电的硅酸盐片层依靠层间的静电作用而堆积在一起构成的土状矿物。其晶体结构中的晶胞是由两层硅氧四面体中间夹一层铝氧八面体构成，属2:1型层状硅酸盐。这种特殊的晶体结构赋予蒙脱土独特的性质，如表面极性大、阳离子交换能力强、层间表面含水等。蒙脱土在阻燃材料上的应用很多，蒙脱土由于具有纳米层状结构阻隔效果，可以降低燃烧时的释热速率、抑制融滴并促进燃烧成碳，有着良好的阻燃抑烟性能。如果直接将蒙脱土分散到聚合物中，蒙脱土与高分子链之间会在微观层面上发生相分离，并不能很好的与高分子结合，因此，使用插层法制备聚合物/蒙脱土复合材料，使聚合物插入到蒙脱土的片层间，达到分子水平的复合，大大增加了聚合物与蒙脱土的界面相互作用，使复合材料具有更卓越的性能。Zhang qihao等人(聚甲基丙烯酰亚胺/有机蒙脱土泡沫的制备与性能[J].高分子材料科学与工程,2020,36(03):30-35.)将PMI分子插入到有机改性蒙脱土(OMMT)纳米片层间，制备了PMI/OMMT泡沫使PMI泡沫塑料的极限氧指数提高至25.2％，成功提高的PMI泡沫的阻燃性能。