[发明专利]一种阻燃隔热的聚酰亚胺纳米纤维气凝胶及其制备方法

说明书

本发明涉及一种阻燃隔热的聚酰亚胺(PI)纳米纤维气凝胶及其制备方法。所述的气凝胶以表面包覆二氧化硅层的PI纳米纤维作为气凝胶的骨架材料。首先采用多元酸酐和多元胺缩聚制备出聚酰胺酸，然后在其中加入二氧化硅的前驱体，经静电纺丝、水解制得聚酰胺酸/二氧化硅纳米纤维膜，然后将纳米纤维分散在溶剂中，通过冷冻干燥制备出聚酰胺酸/二氧化硅纳米纤维气凝胶，最后经高温热亚胺化处理，制得纳米纤维表面包覆二氧化硅层的PI米纤维气凝胶。本发明的方法过程简单，具有极佳的普适性；制备的气凝胶结合了纯PI纤维气凝胶优异的柔性、回弹性和二氧化硅耐高温、阻燃的特性，导热系数低、阻燃性能突出，是一种新型的高性能气凝胶材料。

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，尤其是涉及一种阻燃隔热、具有柔韧回弹的聚酰亚胺纳米纤维气凝胶的制备方法。

背景技术

气凝胶是一种出色的具有纳米三维多孔网络结构的固体材料，具有密度低、孔隙率高、比表面积大、热导率低的特点，在阻燃隔热、过滤吸附、储能器件以及航空航天等军用、民用领域有着广阔的应用前景。

但在实际应用过程中往往还要综合考虑气凝胶的柔韧性、疏水性、机械性能等，单一的气凝胶往往无法满足人们的需求；因为传统的无机氧化物气凝胶(二氧化硅、陶瓷、氧化铁气凝胶)机械性能差且容易开裂，而有机气凝胶(聚氨酯、聚脲、壳聚糖气凝胶)存在热稳定性差的缺点。因而设计出一种机械性能优异、热稳定好、低热导率和柔韧可回弹的新型气凝胶仍是该领域具有挑战性的问题。

聚酰亚胺(PI)是主链上含有酰亚胺环的一类聚合物，由于酰亚胺环具有刚性的芳香环稳定结构以及其芳杂环结构的共轭效应使主链键能和分子间作用力增强，因此PI具有良好的力学性能和热稳定性，已广泛应用于军事应用和太空飞行等领域。自2006年美国Aspen Aerogels公司生产出第一种线型PI气凝胶以来，该材料吸引了许多国内外研究者从事相关工作。PI气凝胶克服了传统无机氧化物气凝胶的脆性和有机气凝胶的耐温性差的问题，但在阻燃性上和无机氧化物气凝胶仍有很大差距，所以提升PI气凝胶的阻燃性以便获得更佳的性能、更广阔的应用是很有必要的。专利CN 108864473 A(申请号201810727377.5)提出了一种在纳米纤维分散液中引入聚苯乙烯以及水溶性聚酰胺酸再通过冷冻干燥以及高温热亚胺化处理制备超轻阻燃隔热可回弹的聚酰亚胺纳米纤维气凝胶，该类方法未从根本上改善有机气凝胶的可燃性，仅利用气凝胶的高孔隙率去实现阻燃隔热是远远不够的，并且引入的聚苯乙烯在高温下也存在不能完全除尽的问题而导致气凝胶含有杂质。因此建立一种可有效提升有机气凝胶的阻燃隔热性能的途径是目前该领域十分具有应用价值和挑战性的问题。

本发明通过在聚酰胺酸(PAA)溶液中掺混二氧化硅前驱体并结合静电纺丝、冷冻干燥制备出(PI/SiO₂)@SiO₂复合纳米纤维气凝胶，该气凝胶骨架材料是表面包覆了二氧化硅无机层的聚酰亚胺纳米纤维，纳米纤维具有(PI/SiO₂)@SiO₂核壳结构，SiO₂杂化和表面包覆可赋予纳米纤维良好的耐热性能，这可大幅提高气凝胶的阻燃性能；较之传统的无机气凝胶，上述制备的气凝胶改善了无机气凝胶普遍的脆性。又因为聚酰亚胺纳米纤维包含高温热亚胺化处理下可热熔融的体系，可使得PI纳米纤维间发生交联搭接，从而又赋予本发明的PI气凝胶良好的柔韧回弹性。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种具有阻燃隔热聚酰亚胺纳米纤维气凝胶及简单有效的制备工艺方法。本发明的方法工艺过程简单，气凝胶柔韧性好，导热率较低，且气凝胶的使用密度可以调控，应用前景良好。