具有抗紅外輻射特性的聚酰亞胺氣凝膠的制備及其性能的研究

吳斌 張秋華 陳文軍 吳華敏（廣東埃力生高新科技有限公司,廣東 清遠 513044）

具有抗紅外輻射特性的聚酰亞胺氣凝膠的制備及其性能的研究

吳斌 張秋華 陳文軍 吳華敏（廣東埃力生高新科技有限公司,廣東 清遠 513044）

本文以均苯四甲酸酐（PMDA），二苯醚二胺（ODA）為合成單體，在通入惰性氣體的條件下，聚合得到聚酰胺酸（PAA）溶液，然后向其中加入紅外輻射阻斷劑，待其凝膠后對其進行熱酰亞胺化處理，最后經(jīng)超臨界干燥得到具有抗紅外輻射特性聚酰亞胺（PI）氣凝膠。文中使用不同類型的紅外輻射阻斷劑對其密度及抗紅外輻射性能進行了對比研究。

聚酰亞胺氣凝膠；抗紅外輻射

氣凝膠是由膠體粒子或高聚物分子相互聚結(jié)形成納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（孔徑主要在幾十納米范圍內(nèi)），并在納米孔隙中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的一種高分散固態(tài)納米材料，其具有低密度（0.003g/cm3~0.5g/cm3）、高孔隙率（70%~99.8%）、高比表面積（100m2/g~1600m2/g）、低熱導(dǎo)率及低聲阻抗等特點，可應(yīng)用于隔熱材料、隔音材料、催化劑載體、藥物緩釋材料、吸附材料和低介電材料等。PI氣凝膠是有機氣凝膠的一種，與純無機氣凝膠相比具有良好的力學(xué)性能和柔韌性能，同時具有低熱導(dǎo)率，制成的薄膜具有很好的柔韌性，可彎曲、折疊，在航空航天飛行器的防/隔熱系統(tǒng)、飛行器液氫與液氧儲罐、潛艇聲阻隔系統(tǒng)、空間飛行器行星際進入—減速—著陸系統(tǒng)、高超音速充氣氣動減速器用熱防護系統(tǒng)、宇航服以及微帶貼片天線等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

1 PI氣凝膠的制備方法

PI氣凝膠的制備方法主要有以下兩種：第一種是兩步法，該方法首先由胺和酐反應(yīng)制得PAA溶液，然后對其進行酰亞胺化處理從而得到PI溶液，經(jīng)凝膠、老化、超臨界二氧化碳干燥后獲得PI氣凝膠，酰亞胺化的方法有兩種，分別為熱酰亞胺化和化學(xué)酰亞胺化，熱酰亞胺化使PAA在高溫下脫水變?yōu)镻I，化學(xué)酰亞胺化采用酸酐和堿性催化劑來使PAA脫水變?yōu)镻I；第二種是異氰酸酯法，該方法采用二酐與異氰酸酯反應(yīng)直接制得PI溶液，該溶液在室溫下凝膠后通過超臨界二氧化碳干燥得到相應(yīng)的PI氣凝膠。

本文擬采用兩步法制備PI氣凝膠。

2 實驗部分

2.1 主要原料與試劑

均苯四甲酸酐（PMDA），二苯醚二胺（ODA），N－甲基吡咯烷酮（NMP），丙酮；

紅外輻射阻斷劑：納米炭氣凝膠微粉，納米二氧化鈦氣凝膠微粉、納米氧化鐵氣凝膠微粉、納米氧化鋁氣凝膠微粉、納米二氧化硅氣凝膠微粉；

液態(tài)氮氣，液態(tài)二氧化碳等。

2.2 實驗儀器

用WNK-2000智能型雙平板導(dǎo)熱系數(shù)測定裝置測試其不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)。

2.3 制備過程

將反應(yīng)器做脫水處理，并將真空度設(shè)置在＜40Pa以下，在惰性氣體氛圍的保護下，將PMDA和ODA按1：1的摩爾比投入裝有NMP的反應(yīng)器中進行聚合反應(yīng)，溫度控制在25℃，攪拌時間5h，得到溶液A。按溶液A質(zhì)量的3%加入納米炭氣凝膠微粉，并用超聲波振蕩30min，得到混合液B。將混合液B注入模具內(nèi)老化48h，得到凝膠C。將丙酮浸沒凝膠C，保持真空度在< 40Pa以下進行壓力浸滲4h，然后取出完成溶劑置換的凝膠C，將其放入真空度在<100Pa以下，溫度控制在100℃的反應(yīng)器內(nèi)處理24h，得到凝膠D。采用CO2超臨界干燥的方法干燥凝膠D，干燥條件為8Mpa，40℃，干燥4~6h，即可得到含納米炭氣凝膠微粉的PI氣凝膠。重復(fù)以上步驟，加入其它微粉，即可制備得到含不同紅外輻射阻斷劑的PI氣凝膠。

3 結(jié)果與討論

3.1 密度分析

表1為添加不同種類的紅外輻射阻斷劑所制備PI氣凝膠及其密度的對照表。由表1可以看出，所添加的紅外輻射阻斷劑對PI氣凝膠的密度影響不大。

3.2 導(dǎo)熱系數(shù)分析

表2為添加不同種類紅外輻射阻斷劑所制備PI氣凝膠在不同平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)表。由表2可以看出平均溫度在100℃左右時，PIA～PIE的導(dǎo)熱系數(shù)是相接近的，但隨著平均溫度的升高，具有抗紅外輻射特性的PI氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高的數(shù)值是低于沒有抗紅外輻射特性的PI氣凝膠的。

4 結(jié)論

（1）因所引入的紅外輻射阻隔劑的特性，所制備的PI氣凝膠密度基本不受影響。

（2）添加不同種類紅外輻射阻斷劑所制備PI氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化情況表明了制備PI氣凝膠所復(fù)合的紅外輻射阻斷劑有效地起到了抑制紅外輻射的作用，減少了熱輻射的穿透，有效維持了其在高溫下的使用時的隔熱效果，從而拓寬了聚酰亞胺氣凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域。