同济大学路庆华教授课题组 CEJ：三向冷冻法制备负泊松比聚酰亚胺气凝胶用于高低温和耐冲击应用

点击上方“蓝字” 一键订阅

负泊松比赋予了材料优异的机械性能和广泛的应用。但聚酰亚胺气凝胶由于受限于固有的结构类型，很难展现出负泊松比特性。为了融合聚酰亚胺气凝胶和负泊松比的优点，路庆华教授课题组提出了一种新型的三向冷冻工艺，成功的构造出了具备负泊松比的弹性聚酰亚胺气凝胶。相关成果以标题为“Negative-Poisson-Ratio Polyimide Aerogel Fabricated by Tridirectional Freezing for High- and Low-Temperature and Impact-Resistant Applications”发表在Chemical Engineering Journal。该工作通过在三个正交轴线上的动态观察，发现人字骨架结构赋予了PI气凝胶各向异性的负泊松比，其中，最大负泊松比为0.79。结合有限元模拟，提出了超大负泊松比的形成机理。特殊的内部结构不仅使PI气凝胶具有较高的抗疲劳性能（50%应变下循环压缩10000次），还具有较强的回弹性（被700倍聚酰亚胺气凝胶质量的金属球冲击）。此外，PI固有的耐热性为气凝胶在130℃或-100℃环境温度下的循环压缩下提供了优异的稳定性。该研究为设计用于抗冲击和高低温环境下的超弹性、超负泊松比聚合物气凝胶提供了一条实用的方法。

图1 负泊松比PI的构造工艺流程。二胺二酐单体在DMAc中聚合得到PAA。经过超纯水中沉淀，PAA固体和TEA混合后再溶于水，最后得到PAAC溶液（a）。PAAC水溶液在三向冷冻模具中的示意图，三个方向的冰晶排挤PAAC分子链形成了层状的人字骨架结构。（b）。冰晶和PAAC分子链在二维平面上的运动示意图（c）。

图2 PI气凝胶的内部结构。从不同平面观察PI气凝胶的三维模型图、去皮质层切片的光学照片和相应的扫描电镜图像（a-i）。在PI气凝胶上挂一瓶300克的矿泉水，以检查不同区域间边界线的强度（j-l）。

图3 PI气凝胶的负泊松比形变。在压缩应变为0%、25%和50%时，PI气凝胶在不同侧面上均出现横向收缩。为了便于实时观察，PI气凝胶横向边界均用黑线标记。不同的观测侧面分别定义为xy, xz, yx, yz, zx和zy（a）。在Y-X面压缩下，有限元模拟计算结构的初始状态（b）。压缩应变分别为5%和20%时，其不同区域结构的形变（c）。压缩应变为50%时的最终内凹型结构。

图4 PI气凝胶的抗疲劳性能。在Y-X平面上，循环压缩1、10、100、1000、10000圈的应力-应变曲线：20%（a）、50%（b）、80%（c），插图是相应圈数的能量耗散系数。在20%、50%和80%应变下，PI气凝胶应力和循环圈数的关系（d）。

图5 PI气凝胶的应用展示。高速相机记录的金属小球冲击负泊松比PI气凝胶（a）和零泊松比PI气凝胶（b）。通过光学和红外热成像，记录了负泊松比PI气凝胶在DMA Q800中的压缩（c）。环境温度为130℃和-100℃时，应力与循环圈数的关系（d）。

同济大学化学科学与工程学院博士研究生原汝迅为论文第一作者。通讯作者为路庆华教授，课题组的研究方向主要聚焦在高性能聚酰亚胺材料的合成与应用、材料表面生物粘附与抗粘附的调控与应用等。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.134404

相关进展

高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina （或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多