PI研究：聚酰亞胺；氣凝膠；多孔材料；冷凍干燥；熱酰亞胺化；微觀結構；低密度；超疏水
氣凝膠是一種具有高孔隙率、低密度和低導熱率的多孔材料，聚酰亞胺（PI）由于其出色的熱穩(wěn)定性、高機械強度和高玻璃化轉變溫度，已成為最有希望的高性能氣凝膠材料之一，在許多領域具有廣泛應用前景。制備PI氣凝膠的主要方法包括超臨界CO2干燥（SCD）法和冷凍干燥（FD）法，大多數(shù)研究傾向于使用前種方法，即先將聚酰胺酸（PAA）溶液化學酰亞胺化為PI凝膠，然后將PI凝膠與丙酮進行溶劑交換并經(jīng)SCD法形成PI氣凝膠。然而，該方法中溶劑交換過程非常耗時，并需要大量的有機溶劑。
近期，研究人員開發(fā)了一種利用高凝固點和高蒸汽壓的特殊溶劑，經(jīng)冷凍干燥來制備可控多孔PI氣凝膠的方法，與以往方法相比該制備方法簡便、省時且成本低。具體過程為：首先使用二氧六環(huán)（Diox）和叔丁醇（TBA）作為溶劑合成PAA溶液，然后進行冷凍干燥并進行熱處理以制備PI氣凝膠。
由于Diox具有較高的凝固點（11.8℃）和蒸汽壓（5.33kPa/25.2℃），因而適合用作冷凍干燥的溶劑，并且比水干燥的速度更快。研究人員在Diox或Diox/TBA溶劑中合成了由含氟二酐6FDA和二胺4,4′-ODA合成的PAA溶液，之后通過冷凍干燥（-20℃）以除去PAA溶液中的溶劑得到PAA氣凝膠，再經(jīng)熱酰亞胺化（最高溫度250℃），最終獲得具有可控微觀結構的PI氣凝膠。
研究發(fā)現(xiàn)，該類PI氣凝膠具有低的密度（0.151~0.172g/cm3），良好的機械性能、熱穩(wěn)定性和超疏水性等特性。氣凝膠的壓縮模量為16.73~56.4MPa，其中PI-4具有最高的壓縮模量；氣凝膠的尺寸收縮率為18.95%~22.40%，熱分解溫度在525℃左右；隨著混合溶劑中TBA體積分數(shù)的提高，氣凝膠對水的接觸角逐漸增大至150o左右，而對油相（氯仿類）的接觸角近似為0o。
該方法避免了費時繁瑣的化學亞胺化、預處理過程中的溶劑交換等步驟，也無需制備聚酰胺酸鹽等類似前體沉淀物。所制備的PI氣凝膠顯示出獨特的微觀結構，并且通過改變?nèi)軇┑慕M成（TBA體積分數(shù)0,10,20,30,40%）可成功調(diào)節(jié)氣凝膠的微觀結構。該方法為高性能PI氣凝膠的制備提供了更有效簡便的思路，在許多惡劣環(huán)境下有潛在應用前景，例如高溫下吸附有機溶劑或油水分離。
SEM: (a)PI-0; (b)PI-1; (c) PI-2; (d) PI-3; (e)PI-4.
研究成果發(fā)表在國際學術期刊 Materials Letters （2020，267：127558），第一作者和通訊作者分別為四川大學的M.Y. Liu和J.Q. Qin。
文獻DOI: 10.1016/j.matlet.2020.127558
