[发明专利]一种轻质、隔热、阻燃PIPD纳米纤维气凝胶制备和应用

说明书

本发明涉及气凝胶材料技术领域，本发明提供了一种轻质、隔热、阻燃PIPD纳米纤维气凝胶及其制备和应用。本发明以高分子量PIPD为原料，采用混酸法将PIPD剥离成PIPD纳米纤维，通过溶剂交换、冷冻干燥以及惰性氛围下高温热处理制备出PIPD纳米纤维气凝胶。PIPD纳米纤维气凝胶是由PIPD纳米纤维作为构筑模块组装而成，其中PIPD纳米纤维相互交错形成层状网络，层状网络形成蜂窝孔结构。本发明提供的气凝胶密度为6.90~17.95 kg/m³可调，孔隙率高(80~99.8%)，隔热性能好，阻燃性能佳(UL‑94,V‑0级)，界面结合力强，能够作为阻燃隔热材料使用。本发明提供的制备方法步骤简单易实施。

技术领域

本发明涉及气凝胶材料技术领域，尤其涉及一种轻质、隔热、阻燃PIPD纳米纤维气凝胶制备和应用。

背景技术

多种多样的隔热材料被广泛应用于军事及民用领域。在当今高性能材料需要不断满足特种服役环境的大背景下，集轻质、耐高温于一体的隔热材料亦是十分重要的一环。

自从Kistler在1932年成功制备了“气凝胶”以来，这类材料因其独特的性能而引起了广泛的关注。气凝胶是一种纳米级多孔固态材料，拥有极高孔洞率、极低的密度、高比表面积、超高孔体积率、低导热性，可以作为新型热绝缘体。例如，硅气凝胶的导热系数低至10 mW/(m·k)，但硅气凝胶的机械脆性和较高的加工成本阻碍了其实际应用。1987年，Pekala以间苯二酚、甲醛为原料制备了有机气凝胶。与无机气凝胶相比，有机气凝胶的力学性能有所提高，但有机气凝胶的易燃烧特性增加了火灾风险。通过阻燃剂增强高分子气凝胶阻燃性是最常见的方法。例如：中国专利CN111849018A公布了一种累托石基阻燃气凝胶的制备方法和应用，此专利采用一维棒状的纤维素纳米晶对二维层状累托石的表面和/或层间进行负载改性，并原位负载至聚苯胺/聚乙烯醇复合气凝胶中，改善了聚苯胺/聚乙烯醇复合气凝胶的阻燃性。F. Carosio.等人将氧化石墨烯纳米薄片逐层组装在聚氨酯泡沫上，制备了自熄阻燃的柔性聚氨酯泡沫(F. Carosio, L. Maddalena, J. Gomez, G.Saracco, A. Fina, Graphene Oxide Exoskeleton to Produce Self-Extinguishing,Nonignitable, and Flame Resistant Flexible Foams: A Mechanically ToughAlternative to Inorganic Aerogels, Advanced Materials Interfaces, 5 (2018))。但大部分阻燃剂都有各自的缺点，比如产生污染环境和危害人类健康的有毒产物，制备过程复杂，耐热性差，破坏基体材料的力学性能等。因此，开发一种不添加阻燃剂的阻燃有机气凝胶仍然是一个挑战。Z. Qian等人以聚对苯撑苯并二噁唑PBO纤维为原材料，在不添加任何阻燃剂情况下通过溶胶-凝胶反应制备出了超轻、高弹及阻燃的PBO纳米纤维气凝胶(Z. Qian, M. Yang, R. Li, D. Li, J. Zhang, Y. Xiao, C. Li, R. Yang, N. Zhao,J. Xu, Fire-resistant, ultralight, superelastic and thermally insulatedpolybenzazole aerogels, Journal of Materials Chemistry A, 6 (2018) 20769-20777)。

相比于PBO，聚2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑(PIPD)有更高的抗压强度，优异的阻燃性能和界面结合能力，而PIPD纳米纤维气凝胶这个板块还没有被报道过。

发明内容

本发明提供了一种轻质、隔热、阻燃PIPD纳米纤维气凝胶制备和应用。本发明以高分子量的PIPD为原料，采用混酸法和冷冻干燥法制备了PIPD纳米纤维气凝胶，所得的PIPD纳米纤维气凝胶具有优异的阻燃隔热性能和界面结合性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：