聚酰亚胺气凝胶及其复合材料

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气凝胶是由胶体粒子或聚合物相互聚集并交联形成多孔网络，并在其中充满空气作为分散介质的一种新型轻质固体材料。根据气凝胶多孔网络的化学组成，气凝胶可分为无机气凝胶、有机气凝胶和碳气凝胶。

高分子气凝胶是指聚合物分子链之间通过共价键、氢键或范德华力相结合而形成的具有多孔网络结构的有机化合物。与传统的无机气凝胶相比，高分子气凝胶材料具有种类繁多、原料丰富、力学性能良好等特点。

目前，高分子气凝胶主要包括聚氨酯、纳米纤维素、聚酰胺和聚酰亚胺气凝胶等，其中聚酰亚胺气凝胶有着优异的综合性能。结合聚酰亚胺和气凝胶的优异性能，聚酰亚胺气凝胶可作为结构功能一体化材料，在电子信息、航空航天、光电等前沿领域均具有重要的应用价值。

聚酰亚胺气凝胶的制备主要包括单体缩聚反应，溶胶⁃凝胶过程，亚胺化和干燥等过程。首先，二元酐和二元胺单体进行缩聚反应得到前驱体聚酰胺酸 （ＰＡＡ）。将合成的聚酰胺酸与交联剂复合溶解来制备溶胶，并经溶胶⁃凝胶，亚胺化和干燥等过程，获得聚酰亚胺气凝胶。根据亚胺化的方式和干燥方式的不同，聚酰亚胺气凝胶的制备工艺主要可分成两种，即化学亚胺化⁃超临界干燥法和冷冻干燥⁃热亚胺化。

近年来，通过冷冻干燥⁃热亚胺化的方法制备聚酰亚胺气凝胶成为了新的发展趋势。冷冻干燥⁃热亚胺化方法是先需要在单体的缩聚反应中加入助溶剂， 制备出水溶性的聚酰胺酸。水溶性聚酰胺酸与交联剂复合并溶解于水中，经溶胶⁃凝胶过程，冷冻干燥后得到聚酰胺酸气凝胶，再热亚胺化处理得到聚酰亚胺气凝胶。

水溶性聚酰胺酸的合成路线

聚酰亚胺气凝胶复合材料的制备通常是在单体聚合或溶胶⁃凝胶过程中加入功能纳米材料，其中功能纳米材料既可以作为化学／物理交联剂，改善聚酰亚胺的体积收缩问题，又可以为气凝胶复合材料提供导电、导热和电磁防护等其他功能特性。目前，已报道与聚酰亚胺气凝胶复合的零维纳米材料主要包括聚偏氟乙烯（ ＰＶＤＦ）、二氧化硅（ ＳｉＯ２ ）纳米颗粒等。

聚酰亚胺气凝胶的复合材料及其应用的概况图

作为一种新型高分子气凝胶材料，聚酰亚胺气凝胶及其复合材料因其高比表面积、高孔隙率和丰富的结构可设计性等特点，具有优异的力学柔韧性， 保温隔热和耐辐射性能，使其在保温隔热、油水分离、压力传感和电磁防护等领域具有广阔的应用前景。

1.保温隔热

传统的隔热材料如石棉、玻璃纤维、聚苯乙烯泡沫都存在质脆易碎，隔热阻燃效果有限，节能减排效果不佳等问题。聚酰亚胺气凝胶复合材料因其高孔隙率、大比表面积、低表观密度、高力学强度等优点，在保温隔热材料领域具有广阔的应用潜力。

2.油水分离

随着海上原油泄漏事故的频繁发生以及工业生产过程中含油废水的大量排放，水中油污染已经成为危害人类健康及环境安全的重大问题。在众多的油水分离材料中，气凝胶材料不仅可以快速吸附水体中的油污，还可以通过挤压简单地实现油品的回收和吸附材料的重复利用。

3.压力传感

随着智能机器人、电子皮肤和可穿戴电子设备发展，开发具有高灵敏度、快速响应、响应范围宽等特点的高性能压力传感器成为研究热点。基于金属、无机半导体的压阻式压力传感器因其较差的形变能力，难以满足新型可穿戴电子产品的需求。开发基于柔性高分子气凝胶的新型压阻式传感器成为当前的研究热点。

4.电磁防护

聚酰亚胺气凝胶是一种综合性能优异的三维多孔材料，兼具气凝胶的高比表面积、高孔隙率与低热导率等特性以及聚酰亚胺的高机械强度、高热稳定性等特点，其独特的层状堆积结构有利于电磁波的多次反射和散射，有望运用于电磁屏蔽领域。

来源：[1]朱明月,王梁,姜雨,李乐,刘天西.聚酰亚胺气凝胶及其复合材料的研究进展[J].化学研究,2022,33(05):396-406.DOI:10.14002/j.hxya.2022.05.003.