[发明专利]一种聚甲基丙烯酰亚胺气凝胶及其制备方法

说明书

本发明涉及一种聚甲基丙烯酰亚胺气凝胶及其制备方法，属于气凝胶制备技术领域。以甲基丙烯酸和甲基丙烯腈单体，制备聚甲基丙烯酰亚胺预聚物的溶液；得到的PMI预聚物溶液制成PMI预聚物季胺盐；反复洗涤后，变为白色团状固体，随后干燥处理；再溶解于水溶液中，冷冻凝固；冷冻干燥，后得到PMI预聚物季胺盐气凝胶；热处理后，得到聚甲基丙烯酰亚胺气凝胶。聚甲基丙烯酰亚胺气凝胶为三维网状开孔结构，拓展聚甲基丙烯酰亚胺多孔材料的范围，也拓展了聚甲基丙烯酰亚胺多孔材料在吸音、催化、吸附等领域的应用。聚甲基丙烯酰亚胺气凝胶具有更好的的力学性能和耐热性能。在保证有足够的耐热性能的同时，具有较高的力学性能。

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气凝胶及其制备方法

背景技术

聚甲基丙烯酰亚胺(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，聚甲基丙烯酰亚胺是一种具有十分优秀力学性能的材料。

目前市场上聚甲基丙烯酰亚胺产品形式均为泡沫，聚甲基丙烯酰亚胺泡沫材料是一种典型的综合性能优异的热固性的泡沫，自然颜色是米白色或浅黄色，距今已有60年发展历史。泡沫的硬质闭孔结构决定了材料具有密度低、能量吸收效率高等特点。聚甲基丙烯酰亚胺泡沫塑料可承受高达220℃的高温，在相同密度下PMI泡沫塑料与其它泡沫塑料相比，其比强度和比模量是最高的，且易加工成型。聚甲基丙烯酰亚胺泡沫制备路线一般采用两步法：第一步制备可发泡预聚板，第二步发泡制备聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。在制备预聚板过程中，发现聚甲基丙烯酰亚胺预聚物具有极高的熔体强度。因此，聚甲基丙烯酰亚胺是一种十分良好的气凝胶基体材料，预聚物的高熔体强度可以使聚甲基丙烯酰亚胺在干燥的过程中能很好的抵抗干燥过程中的体积收缩，并在气凝胶成型后的力学性能上有更好的表现。此外，聚甲基丙烯酰亚胺具有较高的热变形温度，也能使聚甲基丙烯酰亚胺气凝胶在高温下有更好的力学性能。

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(～0.03g/cm³)，高孔隙率(可达99％)，极低的热导率(～0.02W/(m·K))，高比表面积(～1000m²/g)等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。有机气凝胶普遍在力学性能上有比无机气凝胶更好的表现，由于高聚物气凝胶在分子结构上比无机材料更容易形成三维空间网状结构，因此能够作为气凝胶材料的有机高聚物十分多样，能够制备出各种性能独特的气凝胶，拓展气凝胶在科研和应用上的发展。

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。一般用来合成聚甲基丙烯酰亚胺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，合成的聚甲基丙烯酰亚胺预聚物都为线性聚合物，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聚甲基丙烯酰亚胺气凝胶。

发明内容

本发明提供一种聚甲基丙烯酰亚胺气凝胶及其制备方法。相较于聚甲基丙烯酰亚胺泡沫的闭孔结构，通过冷冻干燥制备气凝胶的方法，制备聚甲基丙烯酰亚胺开孔结构材料，拓展聚甲基丙烯酰亚胺多孔材料的范围和应用。

该方法，包括以下步骤：

步骤一、以甲基丙烯酸、甲基丙烯腈(丙烯腈)为单体，加入交联剂、有机溶剂、引发剂，在60℃恒温水浴条件下，通过自由基溶液聚合制备PMI预聚物的溶液。