[發(fā)明專利]一種超輕聚酰亞胺氣凝膠及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811449824.1
• 申請日: 2018-11-30
• 公開（公告）號: CN111253614B
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉韜;張恩爽;劉圓圓;雷朝帥;李文靜;張凡;趙英民;楊潔穎
• 申請（專利權(quán)）人: 航天特種材料及工藝技術(shù)研究所
• 主分類號: C08J9/28
• 分類號: C08J9/28;C08G73/10
• 代理公司: 北京君尚知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11200
• 代理人: 余長江

本發(fā)明提出一種超輕聚酰亞胺氣凝膠及其制備方法，通過采用剛性芳香族二胺單體與高剛性芳香族二酐單體制備聚酰胺酸溶液、配置低固含量聚酰胺酸溶液、制備低固含量聚酰亞胺濕凝膠和溶劑置換、超臨界干燥，得到超輕聚酰亞胺氣凝膠。本發(fā)明解決了低固含量的聚酰亞胺難形成高強度的穩(wěn)定凝膠的技術(shù)難題，將聚酰亞胺氣凝膠的最低密度由20mg/cm³降至2mg/cm³,是世界范圍內(nèi)報道的最輕質(zhì)的聚酰亞胺氣凝膠材料。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種超輕聚酰亞胺氣凝膠及其制備方法，屬于氣凝膠技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

深空探測航天器在外太空中飛行，長時間處于晝夜溫差極大的極端環(huán)境中，需采用輕量化的隔熱層對艙體進行熱防護，以保護艙內(nèi)的儀器設(shè)備；而且該類航天器的艙體結(jié)構(gòu)復雜，空間狹小。因此,對熱防護材料提出了苛刻的技術(shù)要求。氣凝膠以其輕質(zhì)、高效隔熱、超絕緣等特性在航空航天領(lǐng)域中受到了廣泛的重視，逐漸成為飛行器熱防護系統(tǒng)的首選材料之一。

聚酰亞胺(PI)氣凝膠作為一類結(jié)構(gòu)中含有超過90％納米級(10～40nm)氣孔的特殊材料，其兼具氣凝膠與PI材料的綜合特性，包括輕質(zhì)、低密度、高絕熱、高絕緣、吸聲、低介電常數(shù)與介電損耗以及良好的力學柔韌性等。此外，PI材料特有的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活性使得人們可以根據(jù)需要對其進行功能化。上述特性使得PI氣凝膠在現(xiàn)代工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

美國國家航空航天局(NASA)最早開始了聚酰亞胺氣凝膠的研制工作，利用其優(yōu)異的柔韌性和隔熱性能，已成功應(yīng)用于空間飛行器行星際(如火星探測)進入-下降-著陸(EDL)系統(tǒng)、極音速充氣氣動減速器(HIAD)用柔性熱防護系統(tǒng)以及宇航服隔熱等領(lǐng)域。

超輕氣凝膠是氣凝膠發(fā)展的重要方向之一，而目前使用的聚酰亞胺氣凝膠密度都在100mg/cm³以上，進一步降低聚酰亞胺氣凝膠的密度，將有利于拓展聚酰亞胺氣凝膠在深空探測航天器領(lǐng)域的使用范圍。國外最早開展了超輕質(zhì)氣凝膠的研制工作，并實現(xiàn)工程應(yīng)用。上世紀90年代，美國勞倫斯利弗摩爾國家實驗室最早實現(xiàn)超輕質(zhì)二氧化硅氣凝膠制備技術(shù)突破，所制備的氣凝膠材料密度可低至3mg/cm³，并應(yīng)用于火星探路者Sojourner核心部件的溫箱，達到了保溫隔熱和設(shè)備減重的目的。國內(nèi)在超輕氣凝膠領(lǐng)域起步較晚，但進步很快。2012年由浙江大學的高超課題組以石墨烯和碳納米管為原材料，制備了一種新的超輕全碳氣凝膠，其密度僅為0.16mg/cm³。2015年由東華大學的俞建勇院士課題組利用靜電紡絲的方法制備出超輕纖維氣凝膠，其密度僅為0.12mg/cm³，是目前世界范圍內(nèi)報道的最輕氣凝膠。

雖然以上超輕氣凝膠材料取得了明顯的技術(shù)突破，但也存在著不足之處：比如二氧化硅氣凝膠質(zhì)脆，機械性能較差，易粉化，碎裂；其他超輕氣凝膠存在原材料昂貴、制備工藝復雜、不易批量化制備，不能滿足工程應(yīng)用需求，迫切需要一種柔韌性好、制備工藝簡單、超輕氣凝膠材料來滿足我國未來深空探測工程應(yīng)用的需要。

利用聚酰亞胺氣凝膠優(yōu)異的柔韌性和隔熱性能，制備超輕聚酰亞胺氣凝膠有望滿足以上工程應(yīng)用的需求。聚酰亞胺氣凝膠的合成，一般按設(shè)計的最終密度直接將反應(yīng)單體和反應(yīng)溶劑一次性加入混合，進行縮聚反應(yīng)，再依次加入固化劑、亞胺化試劑，制備聚酰亞胺濕凝膠，再溶劑置換、超臨界干燥得到聚酰亞胺氣凝膠。但該方法只能制備密度大于等于20mg/cm³的低密度聚酰亞胺氣凝膠，若繼續(xù)降低反應(yīng)單體的固含量，只能得到絮狀沉淀。這是因為在低固含量下，聚酰亞胺單體間相遇幾率小，反應(yīng)不充分，無法形成高分子量的分子鏈段，因此，凝膠化反應(yīng)過程中只能形成絮狀沉淀，無法形成穩(wěn)定凝膠。如何在低固含量下制備結(jié)構(gòu)完整、強度較好的聚酰亞胺濕凝膠，進而制備超輕聚酰亞胺氣凝膠，已成為一項技術(shù)瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種制備出超輕聚酰亞胺氣凝膠的方法。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：一種制備超輕聚酰亞胺氣凝膠的方法，通過以下步驟實現(xiàn)：