EMPA赵善宇研究员团队《Chem. Eng. J.》：具有优异高温尺寸稳定性的聚酰亚胺/二氧化硅复合气凝胶

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聚酰亚胺 (polyimide, PI) 是一种高性能工程聚合物，具有固有的高分解温度、良好的机械性能、耐化学性、低折射率和低介电常数。它们广泛应用于光电子、航空、电子、过滤和航空。为了引入高孔隙率，通常将聚酰亚胺的固体浓度控制在 13 wt.% 以下，制备聚酰亚胺气凝胶（图 1）。与目前市场上热捧的二氧化硅气凝胶相比（2019 年占整个气凝胶市场份额的98%），聚酰亚胺气凝胶同样可以得到超低密度和热导率，并且拥有二氧化硅气凝胶不具备的超高力学性能和可加工性，并且没有纳米粉尘释放带来的健康问题。因此，聚酰亚胺气凝胶是继二氧化硅气凝胶之后的又一种倍受市场期待超级绝热材料。但尽管聚酰亚胺在高温下非常稳定，但其多孔形态在高温应用时，由于孔径的不稳定会导致体积收缩和结构坍塌。即使添加常用的纳米填料，例如纤维素纳米晶体或凹凸棒石等，当复合气凝胶的使用温度超过 200 °C 时，其孔结构仍然不稳定。

瑞士材料科学联邦实验室(Empa)赵善宇博士、Wim J. Malfait （通讯作者）和吴婷婷博士（共同一作）等通过将微米级二氧化硅气凝胶颗粒（4-20微米）掺入聚酰亚胺溶胶中，制备了耐高温、低收缩的异质聚酰亚胺-二氧化硅气凝胶复合材料。通过控制双相气凝胶的混合过程避免溶胶过度渗透，从而形成独特的异质结构聚酰亚胺-二氧化硅复合气凝胶材料。该复合材料具有高表面积、超低热导率、极低的介电常数和损耗，以及超疏水性和吸湿性低等特点，有利于在潮湿条件下保持超低介电常数。另外最显著的变化是负载二氧化硅气凝胶的聚酰亚胺复合材料在暴露于高温后显示出低体积收缩并保持高表面积。因此这种材料为极端环境的热管理和低介电应用提供了新的方案，在航空航天，电子元件等领域具有巨大的潜力。图1：（a）聚酰胺酸的聚合过程；（b）聚酰亚胺/二氧化硅复合气凝胶的制备过程；（c）二氧化硅气凝胶颗粒的氮气吸附-脱附曲线及孔径分布；（d）¹³C固体核磁谱图；（e-j）不同配方气凝胶的微观孔结构；（m-p）聚酰亚胺/二氧化硅复合气凝胶的CT图像。
 
图2：纯聚酰亚胺气凝胶及聚酰亚胺/二氧化硅复合气凝胶的微观结构的热稳定性。  
图3： 聚酰亚胺/二氧化硅复合气凝胶的低介电性能，不燃性和极低的吸水性。
 
图4： 聚酰亚胺/二氧化硅复合气凝胶的力学性能，热导率，热绝缘性能及高温下的尺寸稳定性。

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722018964

作者简介

赵善宇，瑞士材料科学与技术联邦实验室 (Empa) 建筑能源材料和组件实验室的资深科学家。他的研究兴趣范围从溶胶-凝胶化学和生物聚合物到气凝胶、纳米复合材料和增材制造。赵博士是气凝胶领域最活跃的研究人员之一。2012年以来以第一作者或通讯作者发表气凝胶相关主题论文60余篇，包括Nature、Chemical Society Reviews、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Angewandte Chemie等高影响力期刊。近五年论文被引用1700余次（2017年至今），h-index 20。是多个行业和瑞士联邦资助项目的PI或co-PI，并受邀担任Advanced Science, Progress in Materials Science, Chemistry of Materials, Nanoscale等期刊审稿人，以及Sensor、Frontiers in Materials的客座编辑。

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