聚酰亞胺氣凝膠的制備及其功能化改性研究進(jìn)展

卓龍海，沈東，謝璠，緱鵬飛，蔡亞玲

(1.陜西科技大學(xué),輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,西安 710021；2.陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,西安 710021；3.陜西科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710021)

聚酰亞胺（PI）[1]是指分子主鏈上具有酰亞胺環(huán)的一類高分子聚合物,其分子主鏈主要由剛性的五元雜環(huán)與芳環(huán)構(gòu)成。獨(dú)特的分子鏈結(jié)構(gòu)使得PI分子鏈剛性很大,加之芳雜環(huán)的高共軛效應(yīng)使分子鏈間作用力增強(qiáng),進(jìn)而賦予PI以高力學(xué)性能、耐高/低溫、耐腐蝕、耐輻照、低熱膨脹系數(shù)、低介電常數(shù)等特性,廣泛應(yīng)用于航空、航天、微電子、納米、液晶、分離膜、激光等高科技領(lǐng)域[2-6]。

氣凝膠[7-9]是一類具有獨(dú)特多孔微結(jié)構(gòu)的固態(tài)材料,一經(jīng)問世便引起了研究人員的廣泛關(guān)注。大量的多孔微結(jié)構(gòu)賦予氣凝膠以低折射率、低熱導(dǎo)率、低介電常數(shù)、低密度、高比表面積等特性,使其在保溫隔熱、催化載體、化學(xué)吸附和電氣等方面具有廣泛應(yīng)用[10-12]。

受氣凝膠材料啟發(fā),近年來研究人員采用PI構(gòu)建氣凝膠材料,在保持PI自身優(yōu)異綜合性能的基礎(chǔ)上賦予其低導(dǎo)熱系數(shù)、低聲阻抗、低密度以及比表面積等特性,在航空航天、電子通訊、隔熱阻燃、吸附清潔、吸音等領(lǐng)域都有絕佳的應(yīng)用前景[13-17]。筆者主要對PI氣凝膠的制備、功能化改性及應(yīng)用進(jìn)行了論述,綜述了目前PI氣凝膠功能材料的研究進(jìn)展,并對其未來研究方向進(jìn)行了展望。

1 PI氣凝膠的制備及增強(qiáng)改性

1.1 PI氣凝膠的制備

PI一般采用兩步法[18-21]進(jìn)行制備,即先由二胺和二酐反應(yīng)得到前驅(qū)體聚酰胺酸,然后通過化學(xué)亞胺法或者熱亞胺法得到PI。在PI樹脂合成的基礎(chǔ)上制備PI氣凝膠,其關(guān)鍵在于多孔結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑。PI氣凝膠的制備方法主要包括兩大類：PI濕凝膠超臨界CO2干燥法、前驅(qū)體冷凍干燥而后熱亞胺化法。

(1)PI濕凝膠超臨界CO2干燥法。

超臨界CO2干燥法是指先制備前驅(qū)體聚酰胺酸溶液,加入乙酸酐、吡啶（或三乙胺）使聚酰胺酸脫水環(huán)化得PI濕凝膠。然后,將濕凝膠內(nèi)部溶劑置換為乙醇,再使用超臨界CO2使其充分干燥,最終得到PI氣凝膠[22]。超臨界CO2干燥法制備PI氣凝膠可以使其保持結(jié)構(gòu)完整性且尺寸收縮小。但是,超臨界CO2干燥法存在設(shè)備要求高、能耗高、有機(jī)溶劑使用量大等問題。

(2)前驅(qū)體冷凍干燥而后熱亞胺化法。

使用冷凍干燥法制備PI氣凝膠,首先需要制備前驅(qū)體聚酰胺酸水溶液,然后通過冷凍、冷凍干燥,得到聚酰胺酸氣凝膠,最后通過熱亞胺化使其轉(zhuǎn)變?yōu)镻I氣凝膠[23]。與超臨界CO2干燥法相比,前驅(qū)體冷凍干燥而后熱亞胺化法具有簡單、高效、設(shè)備要求低、適用范圍廣且環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)。已成為PI氣凝膠制備的主流方法。

1.2 PI氣凝膠的增強(qiáng)改性

采用前驅(qū)體冷凍干燥而后熱亞胺化法制備PI氣凝膠,由于冷凍干燥過程中毛細(xì)管壓力過大,再加上凝膠自身骨架強(qiáng)度不足,在制備過程中容易出現(xiàn)骨架坍塌、體積收縮過大等問題,并影響最終產(chǎn)品質(zhì)量[24]。針對這一問題,研究人員對PI氣凝膠的增強(qiáng)改性進(jìn)行了大量研究。

目前,氣凝膠的增強(qiáng)改性主要有兩種方法：1）在樹脂基體中引入增強(qiáng)填料,通過填料與樹脂形成類“鋼筋-混凝土”結(jié)構(gòu)提升氣凝膠骨架強(qiáng)度；2）在PI分子鏈間引入交聯(lián)結(jié)構(gòu),促進(jìn)分子鏈間的相互支撐,從而有效提升氣凝膠骨架強(qiáng)度。

(1)填料增強(qiáng)法。

目前,研究人員使用的增強(qiáng)填料可分為有機(jī)填料和無機(jī)填料兩種。其中,無機(jī)填料一般需要先進(jìn)行功能化改性,以增強(qiáng)其與PI基體的界面結(jié)合。

卓龍海等前期采用芳綸納米纖維(ANFs)[25]和甲基纖維素(MC)[26]兩種有機(jī)填料對PI氣凝膠進(jìn)行了骨架增強(qiáng)。結(jié)果表明,ANFs添加量僅從0增加至4%,復(fù)合氣凝膠的密度由0.070 g/cm3降低至0.054 g/cm3,體積收縮率從62.88%降至52.46%；當(dāng)MC的添加質(zhì)量從1%增加至6%,復(fù)合氣凝膠的體積收縮率可從60.11%降至44.88%。此外,壓縮試驗(yàn)表明,添加不同填料都可使復(fù)合氣凝膠的力學(xué)性能隨填料添加量增加而增強(qiáng)。

章玲等[27]使用酸化碳納米纖維（a-CNF）作為增強(qiáng)材料,采用溶膠-凝膠方式成型,運(yùn)用冷凍干燥技術(shù)制備PI復(fù)合氣凝膠。a-CNF的加入,增強(qiáng)了氣凝膠的骨架強(qiáng)度,提高了氣凝膠的尺寸穩(wěn)定性,削弱了氣凝膠在冷凍干燥過程中受到的毛細(xì)管作用。所得復(fù)合氣凝膠的體積收縮率從45.52%降至35.32%,密度也隨之從0.084 g/cm3降至0.069 g/cm3,并且氣凝膠孔洞分布呈現(xiàn)出增大、增寬的趨勢。

(2)化學(xué)交聯(lián)增強(qiáng)法。

研究人員常通過在PI分子鏈間引入交聯(lián)結(jié)構(gòu)的方式對PI氣凝膠進(jìn)行增強(qiáng)改性。目前,常用的交聯(lián)劑主要有多元胺與功能化第三組分兩大類。例如,Cheng等[28]以1,3,5-三氨基苯氧基苯為交聯(lián)劑,以二甲基亞砜為溶劑,使用定向冷凍技術(shù)制備了共價(jià)交聯(lián)PI氣凝膠。利用二甲基亞砜良好的溶解性,將化學(xué)亞胺化過程與共價(jià)交聯(lián)結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行制備PI氣凝膠,協(xié)同降低了氣凝膠的體積收縮。研究發(fā)現(xiàn),隨著交聯(lián)度的增加,無論是化學(xué)亞胺化還是熱亞胺化,收縮都得到很大程度的抑制,化學(xué)亞胺化PI-10氣凝膠的體積收縮率可低至3.1%。極低的體積收縮率使得氣凝膠擁有超低密度(6.1 mg/cm3)和超高孔隙率（99.57%）,此外,交聯(lián)劑的加入也提高了氣凝膠的力學(xué)性能,所制備的氣凝膠可承受2 000倍自身重量的重物。

Zhang等[29]采用逐步化學(xué)液相沉積法將氨基改性的聚乙烯聚甲基硅氧烷(PVPMS)的彈性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)引入到PI氣凝膠中,制備了具有雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的PI-PVPMS復(fù)合氣凝膠。該復(fù)合氣凝膠的骨架主要由PVPMS的共價(jià)鍵和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)支撐,而不僅限于PI鏈間的范德華力和物理纏結(jié)作用,有效地增加了PI分子鏈間的相互支撐作用,使氣凝膠骨架結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。結(jié)果表明,復(fù)合氣凝膠的體積收縮率低至17%,有效提升了壓縮回彈性。

綜上所述,引入增強(qiáng)填料、化學(xué)交聯(lián)結(jié)構(gòu)是提升PI氣凝膠產(chǎn)品質(zhì)量與強(qiáng)度的有效方法,有助于促進(jìn)PI氣凝膠在高科技領(lǐng)域的應(yīng)用。以PI氣凝膠為基體引入功能化組分是賦予PI氣凝膠功能性的重要手段,研究人員圍繞PI氣凝膠功能化改性開展了大量富有成效的研究工作。

2 PI氣凝膠的功能化改性及應(yīng)用

2.1 隔熱性能

隨著科技的快速發(fā)展,航空航天、能源、微電子、化工等高科技領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿囊笠苍絹碓礁?迫切需要高性能隔熱材料用于高溫保護(hù)、降低能源損耗等方面。PI氣凝膠結(jié)合了PI樹脂和氣凝膠材料的性能優(yōu)勢,具有優(yōu)異的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、耐熱性、高孔隙率、高比表面積等特性,在高溫環(huán)境下的隔熱領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

Zhao等[30]通過3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）功能化的黏土埃洛石納米管（FHal）作為無機(jī)增強(qiáng)相并均勻地嵌入PI（PI）氣凝膠中,成功地合成了一種新型的PI/FHal復(fù)合氣凝膠。結(jié)果表明,具有高長徑比的FHal與PI相互作用,形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。使得PI/FHal復(fù)合氣凝膠具有低體積收縮率（21.9%）、低體積密度（71.464 mg/cm3）、低熱導(dǎo)率[39.18 mW/(m·K)]、高熱穩(wěn)定性（520℃以上開始分解）和優(yōu)良的力學(xué)性能(1.14 MPa,是純PI氣凝膠的2.62倍)。通過加熱試驗(yàn)測試復(fù)合氣凝膠隔熱性能,將醫(yī)用棉置于酒精燈加熱的鋁板上,10 s后發(fā)生大面積燃燒,但將醫(yī)用棉置于4 mm的PI/FHal復(fù)合氣凝膠上加熱150 s仍未發(fā)生明顯灼燒現(xiàn)象。

Xue等[31]采用綠色環(huán)保冷凍干燥法制備了層狀雙氫氧化物(LDH)-氧化石墨烯(GO)協(xié)同增強(qiáng)PI氣凝膠。通過與GO的靜電相互作用,LDH可以均勻分散在水溶液中,從而使其均勻分散在PI基體中。得益于兩種納米片與PI之間的相互作用,PI/LDH-GO(PLG)復(fù)合氣凝膠具有超低密度[(52±3.6）mg/cm3]、高壓縮彈性模量[(26±1.8)MPa]和低熱導(dǎo)率[(36±1.7)mW/(m·K)]的特性。PLG復(fù)合氣凝膠導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度上升而緩慢上升,但即使在300℃下,導(dǎo)熱系數(shù)也處于較低水平[(65±1.4)mW/(m·K)]。低導(dǎo)熱性使PLG復(fù)合氣凝膠具有紅外隱身的潛力,優(yōu)異的隔熱性能使其可以在酒精燈的長時(shí)間加熱后頂部保持在150℃以下。

劉拓等[32]使用冷凍干燥和熱亞胺化工藝制備PI氣凝膠,通過改變PI氣凝膠的固含量,探究固含量對PI氣凝膠性能的影響。結(jié)果表明,隨著固含量的增加,氣凝膠的孔徑越小,尺寸穩(wěn)定性越好,所得的PI氣凝膠在密度為44 mg/cm3,熱導(dǎo)率低至30.9 mW/(m·K),體積收縮率也只有45.7%。

Zhang等[33]以ANFs和水溶性聚酰胺酸鹽為原料,采用超高速剪切共混、冷凍干燥和高溫亞胺化工藝制備超輕PI/ANFs復(fù)合氣凝膠。在不添加任何分散劑的情況下,聚酰胺酸鹽通過氫鍵相互作用,極大地抑制了ANFs的聚集。均勻的ANFs骨架可以降低低濃度聚酰胺酸鹽在亞胺化過程中的收縮率。這種協(xié)同作用使得PI/ANFs復(fù)合氣凝膠具有多孔結(jié)構(gòu)和超低密度(5.18 mg/cm3),表現(xiàn)出良好的彈性、抗疲勞性能(1 000次壓縮循環(huán))、較高的熱分解溫度(470℃)和超低的熱導(dǎo)率[(28.6±0.53)mW/(m·K)],低熱導(dǎo)率和低密度使得PI/ANFs復(fù)合氣凝膠在185℃的熱平臺上加熱30 min后表面溫度低至52℃,并且在停止加熱后迅速降至室溫。

上述研究工作表明,PI氣凝膠的隔熱性能主要受內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)的影響,調(diào)節(jié)孔道結(jié)構(gòu)、提升孔隙率、降低密度是降低氣凝膠熱導(dǎo)率、提升其隔熱性能的有效手段。通過在PI氣凝膠中引入不同填料,在增強(qiáng)氣凝膠骨架的同時(shí)調(diào)整其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu),并構(gòu)建出隔熱性能優(yōu)異的PI氣凝膠材料。一般說來,氣凝膠孔道結(jié)構(gòu)規(guī)整性越高、密度越低,其熱導(dǎo)率越低（即隔熱性能越好,見表1）。

表1 復(fù)合氣凝膠的部分性質(zhì)

2.2 油水分離性能

人們生產(chǎn)生活排放物和大型海上事故導(dǎo)致了河流和海洋嚴(yán)重的油污,威脅著自然界中生命和人類的生存。為此,研究人員提出使用具有多功能、低密度、高孔隙率等特性的氣凝膠來解決這一問題,例如聚合物氣凝膠[34-36]、二氧化硅氣凝膠[37-38]、石墨烯氣凝膠[39-41]、碳納米管氣凝膠[42-44]、碳納米纖維氣凝膠[45-46]等。其中,PI氣凝膠具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、力學(xué)性能等,是目前綜合性能最優(yōu)的聚合物氣凝膠之一,可用于嚴(yán)苛環(huán)境下的油水分離。

Zhang等[47]使用多巴胺功能化的碳納米管作為交聯(lián)劑,通過“接枝”的方法將高分子鏈原位接枝到碳納米管表面,從而制備了輕質(zhì)、高強(qiáng)度和超疏水的PI復(fù)合氣凝膠。將碳納米管作為二次反應(yīng)平臺,在氣凝膠表面接枝十八烷基胺,從而賦予了PI/碳納米管復(fù)合氣凝膠超疏水性和親油性,水接觸角高達(dá)151°,油水分離效果明顯,最大吸油能力為447%。更重要的是,復(fù)合氣凝膠在長時(shí)間的強(qiáng)酸/堿或高溫處理后,依然表現(xiàn)出穩(wěn)定的疏水和親油性能,這使其在解決惡劣環(huán)境下的實(shí)際油水分離問題方面有很廣泛的應(yīng)用前景。

Shen等[48]以PI納米纖維為原料,通過冷凍干燥工藝和溶劑-蒸汽處理制備了具有三維結(jié)構(gòu)和可調(diào)孔隙度的超彈性、堅(jiān)固的PI納米纖維基氣凝膠(PI-NFAs)。用三氯甲基硅烷(TCMS)對多孔PI-NFAs進(jìn)行改性,在PI納米纖維表面生成硅納米絲(SiNFs),將PI-NFAs轉(zhuǎn)化為超疏水材料,水接觸角達(dá)到151.7°,并具有超低密度(＜10.0 mg/m3),高孔隙率(＞99.0%),在80%的壓縮應(yīng)變下快速恢復(fù)。含SiNFs涂層的PINFAs也能收集廣泛的油性溶劑,其吸附能力可達(dá)自身重量的159倍。表面活性劑穩(wěn)定的油包水乳液還可以在重力的驅(qū)動(dòng)下有效分離(分離效率高達(dá)100%),使其在開發(fā)節(jié)能吸附技術(shù)方面有很大的應(yīng)用前景。

PI氣凝膠具有典型的高比表面積特性,其獨(dú)特的輕質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)為其在油水分離領(lǐng)域的使用奠定了基礎(chǔ)。通過上述研究可以發(fā)現(xiàn),對PI氣凝膠進(jìn)行親油改性,可賦予其在油水混合物中快速吸油能力,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效油水分離。

2.3 電磁屏蔽性能

隨著電磁波的廣泛應(yīng)用,電磁污染問題逐漸引起人們的廣泛關(guān)注,開發(fā)高性能電磁屏蔽材料成為目前材料科學(xué)研究的一大熱點(diǎn)。PI氣凝膠由于其出色的耐熱性能、力學(xué)性能、低密度以及獨(dú)特的多孔微觀結(jié)構(gòu),引起了電磁屏蔽材料研究人員的廣泛關(guān)注。

Miao等[49]通過單向冷凍、冷凍干燥和熱亞胺化工藝制備了具有各向異性熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率和電磁干擾（EMI）屏蔽性能的PI/多壁碳納米管（MWCNTs）復(fù)合氣凝膠。通過添加MWCNTs,降低了PI氣凝膠的體積收縮率,增強(qiáng)了力學(xué)性能。通過單向冷凍技術(shù)所制備復(fù)合氣凝膠沿凍結(jié)方向呈“蜂窩狀”結(jié)構(gòu),而垂直于凍結(jié)方向呈典型的通道狀孔結(jié)構(gòu)。這種典型結(jié)構(gòu)使PI/MWCNTs復(fù)合氣凝膠在不同方向上的導(dǎo)熱、導(dǎo)電和電磁干擾屏蔽等性能具有明顯的各向異性。水平方向的電磁屏蔽效能明顯高于垂直方向,達(dá)到了280.5～502 dB·cm2/g。

Yu等[50]同樣使用了單向冷凍工藝,制備了具有各向異性導(dǎo)電性、電磁干擾屏蔽性能、壓縮性能的PI/石墨烯復(fù)合氣凝膠。該復(fù)合氣凝膠在密度低至0.076 g/cm3的情況下,電磁干擾屏蔽效能高達(dá)(26.1～28.8)dB。研究又發(fā)現(xiàn),當(dāng)石墨烯含量較少時(shí),無法在氣凝膠中形成有效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),電磁屏蔽性能較低,隨著石墨烯含量的增加,電磁屏蔽性能隨之提高。當(dāng)石墨烯含量為13%時(shí),其特定電磁干擾屏蔽效能值可達(dá)到(1 373～1 518)dB·cm2/g。然而,隨著石墨烯含量的增加,復(fù)合氣凝膠的力學(xué)性能先增大后減小,這是由于添加過量的石墨烯會導(dǎo)致氣凝膠變脆,從而影響力學(xué)性能。

PI氣凝膠電磁屏蔽材料是通過在氣凝膠基體中加入導(dǎo)電填料并形成導(dǎo)電通路,從而賦予其電磁屏蔽性能。一般說來,復(fù)合氣凝膠的電磁屏蔽性能與其填料添加量正相關(guān),即添加量越多,電磁屏蔽性能越好,但過多的填料會使得復(fù)合氣凝膠力學(xué)性能明顯變差。如何解決復(fù)合氣凝膠電磁屏蔽性能與力學(xué)性能之間的“trade-off”效應(yīng),通過低負(fù)載量的填料賦予PI氣凝膠更加優(yōu)異的電磁屏蔽性能,在PI氣凝膠電磁屏蔽研究中備受關(guān)注。

2.4 過濾性能

20世紀(jì)以來,現(xiàn)代工業(yè)飛速發(fā)展,大量工廠拔地而起,在改善人們生活的同時(shí),也產(chǎn)生了嚴(yán)重大氣污染問題,對公眾的身體健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。從源頭上使用過濾材料減少顆粒污染物（PMs）的排放是解決這一問題的重要途徑。PI氣凝膠作為超輕固體材料,具有極高的孔隙率、高比表面積、低導(dǎo)熱系數(shù)等優(yōu)異性能,在開發(fā)高性能過濾材料方面有巨大潛力。

Qiao等[51]在研究和開發(fā)用于過濾的PI氣凝膠材料方面做了大量工作。他們通過相分離法將聚偏氟乙烯引入交聯(lián)PI的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,制備PI/聚偏氟乙烯復(fù)合氣凝膠。通過調(diào)節(jié)聚偏氟乙烯的添加量,實(shí)現(xiàn)了對氣凝膠多孔結(jié)構(gòu)的有效控制,從而大大提高了復(fù)合氣凝膠的透氣性和過濾性能,對PM2.5的過濾效率可達(dá)到99.8%（見表2）。此外,聚偏氟乙烯的加入不僅可以調(diào)節(jié)復(fù)合氣凝膠的孔徑,而且顯著提高了氣凝膠的疏水性,水接觸角達(dá)到150°,吸水率低至2.2%,這有利于該復(fù)合氣凝膠應(yīng)用在潮濕環(huán)境下的過濾領(lǐng)域。

表2 復(fù)合氣凝膠的過濾性能[51]

此外,該課題組還將靜電紡PI納米纖維前驅(qū)體均勻分散于水中,以三乙胺作為交聯(lián)劑,成功制備了PI納米纖維氣凝膠[52]。該氣凝膠具有優(yōu)異的力學(xué)性能和高彈性,在50%應(yīng)變下最大壓應(yīng)力為7.03 kPa。此外,還具有極高的孔隙率（98.4%）和分級多孔結(jié)構(gòu),這使其對PM2.5的過濾效率高達(dá)99.83%,而且壓降低于相應(yīng)的納米纖維膜材料。

Li等[53]使用聚四氟乙烯-聚酰胺酰亞胺(PTFE-PAI)復(fù)合納米纖維和PI納米纖維混合構(gòu)建復(fù)合納米纖維氣凝膠(NAs)。對NAs的過濾性能探究發(fā)現(xiàn),當(dāng)纖維固含量由0.5%提高到2.0%時(shí),孔隙率由98.52%降低到96.17%,壓降由180 Pa增大到440 Pa,對PM 2.0的過濾效率從99.34%增長99.98%。其中,當(dāng)固含量為1.0%時(shí),過濾效率為99.96%,壓降為220 Pa,最符合過濾材料高效率、低壓降的要求。

氣凝膠材料過濾,其本質(zhì)上是通過其內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對PMs的多重物理攔截。氣凝膠的孔徑大小、孔隙率等是影響其過濾性能的關(guān)鍵,研究人員通常通過調(diào)控PI氣凝膠內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)使其在攔截PMs的同時(shí)減小對空氣流動(dòng)的阻礙,并最終實(shí)現(xiàn)高效低阻過濾。

2.5 傳感性能

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展,工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展趨于小型化、過程自動(dòng)化,高性能傳感器的應(yīng)用將會越來越廣泛。其中,聚合物傳感器具有低成本、易加工、高靈敏性等優(yōu)點(diǎn),是開發(fā)高性能傳感器的研究熱點(diǎn)。PI氣凝膠具有耐腐蝕、耐輻照、耐高/低溫等特性,是制備用于嚴(yán)苛條件下聚合物基壓力傳感器的理想基體材料。

Liu等[54]選用具有優(yōu)異導(dǎo)電性、豐富的表面官能團(tuán)以及良好的親水性的2D過渡金屬碳化物Ti3C2X MXene,通過冷凍干燥和熱酰亞胺化工藝制備了PI納米纖維/MXene復(fù)合氣凝膠。該氣凝膠具有特殊的“層-支柱”結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出極低密度（9.98 mg/cm3）、在-50℃至250℃的寬溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的彈性、超循環(huán)可壓縮性和穩(wěn)定的循環(huán)力學(xué)性能。這些優(yōu)異的性能使復(fù)合氣凝膠具有出色的傳感性能,包括50%～90%應(yīng)變的寬傳感范圍（對應(yīng)于0.01～85.21 kPa）,超過1 000次循環(huán)的良好抗疲勞性,在高/低溫環(huán)境中出色的壓阻傳感穩(wěn)定性和再現(xiàn)性。

Xu等[55]采用雙向冷凍技術(shù)設(shè)計(jì)和制造了具有獨(dú)特蜂窩狀結(jié)構(gòu)的超彈性高壓敏PI/還原氧化石墨烯(rGO)氣凝膠傳感器。這種獨(dú)特的大縱橫比蜂窩狀結(jié)構(gòu)由排列整齊的薄層和相互連接的橋組成。排列的層和橋的結(jié)合使氣凝膠傳感器具有高彈性、高壓力靈敏度(1.33/kPa)、超低的檢測極限(3 Pa)、寬檢測范圍(80%應(yīng)變,59 kPa)、快速響應(yīng)時(shí)間(60 ms)和循環(huán)(超過1 000次循環(huán))中優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。值得一提的是,該氣凝膠傳感器在50,100和200℃的空氣中保持穩(wěn)定的壓阻性能,這意味著該復(fù)合氣凝膠可在高溫環(huán)境下長期使用。

陳曉玉[56]以聚酰亞胺納米纖維（PINF）為基體,MXene為導(dǎo)電填料,通過冷凍干燥和熱酰亞胺化工藝制備了具有特殊分層孔結(jié)構(gòu)的PINF/MXene復(fù)合氣凝膠。所得的復(fù)合氣凝膠展現(xiàn)出超低的密度、良好的耐高/低溫性和高達(dá)90%的壓縮恢復(fù)性。該復(fù)合氣凝膠作為壓力傳感器,具有超寬的響應(yīng)范圍（90%應(yīng)變,85.21 kPa）,超低的檢測極限（0.5%,0.01 kPa）,良好的耐疲勞性（1 000循環(huán)）和響應(yīng)穩(wěn)定性。其在-196～150℃的溫度范圍內(nèi)依舊具有穩(wěn)定的響應(yīng)性,表現(xiàn)出在極端高-低溫環(huán)境中的應(yīng)用潛力。

以柔性PI氣凝膠為基體,添加導(dǎo)電填料,制備PI復(fù)合氣凝膠,當(dāng)復(fù)合氣凝膠受到外力作用時(shí),氣凝膠內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化,導(dǎo)致電阻率發(fā)生可檢測的波動(dòng),從而表現(xiàn)出傳感性能?？刂茖?dǎo)電填料的添加量,一方面要保證導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成,以賦予氣凝膠傳感性能；另一方面,保證填料的加入不會影響氣凝膠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性從而使其喪失多次循環(huán)傳感能力。

3 結(jié)語

PI氣凝膠兼具PI的優(yōu)異綜合性能與氣凝膠的輕質(zhì)特性,是目前綜合性能最優(yōu)的氣凝膠材料之一,在隔熱、吸附、過濾、傳感等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。近年來,研究人員圍繞PI氣凝膠開展了大量富有成效的研究工作,但仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。結(jié)合PI氣凝膠的研究現(xiàn)狀,未來PI氣凝膠的研究可能將主要集中在以下三個(gè)方面：

（1）增強(qiáng)改性方面。盡管研究人員已圍繞PI氣凝膠的增強(qiáng)改性做了大量富有成效的研究工作,但關(guān)于其增強(qiáng)改性理論、骨架強(qiáng)度與PI氣凝膠力學(xué)性能間的相關(guān)性、氣凝膠微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控及其對氣凝膠力學(xué)性能的影響等方面的研究仍相對較少。進(jìn)一步加強(qiáng)PI氣凝膠的增強(qiáng)改性研究,構(gòu)建出輕質(zhì)高強(qiáng)的PI氣凝膠材料仍將是后續(xù)研究的主要方向之一。

（2）功能化改性方面。PI氣凝膠突出的綜合性能使其可在嚴(yán)苛條件下長期使用,是高性能功能材料的理想基體。在PI氣凝膠優(yōu)異綜合性能的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行功能化改性,是進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域的有效手段。研究人員多采用引入第三組分的方式賦予PI氣凝膠功能性,但第三組分的引入往往會顯著影響PI氣凝膠的性能（尤其是力學(xué)性能）,低負(fù)載、高性能仍將長期成為PI氣凝膠研究人員的追求目標(biāo)。

（3）環(huán)境友好性方面。PI氣凝膠的制備過程中通常會使用大量有機(jī)溶劑,由此帶來的環(huán)境污染問題逐漸引起了研究人員的關(guān)注。如何開發(fā)新的PI氣凝膠制備技術(shù),有效減少其生產(chǎn)對環(huán)境帶來的不利影響,仍然任重而道遠(yuǎn)。