具有抗红外辐射特性的聚酰亚胺气凝胶的制备及其性能的研究

吴斌 张秋华 陈文军 吴华敏（广东埃力生高新科技有限公司,广东 清远 513044）

具有抗红外辐射特性的聚酰亚胺气凝胶的制备及其性能的研究

吴斌 张秋华 陈文军 吴华敏（广东埃力生高新科技有限公司,广东 清远 513044）

本文以均苯四甲酸酐（PMDA），二苯醚二胺（ODA）为合成单体，在通入惰性气体的条件下，聚合得到聚酰胺酸（PAA）溶液，然后向其中加入红外辐射阻断剂，待其凝胶后对其进行热酰亚胺化处理，最后经超临界干燥得到具有抗红外辐射特性聚酰亚胺（PI）气凝胶。文中使用不同类型的红外辐射阻断剂对其密度及抗红外辐射性能进行了对比研究。

聚酰亚胺气凝胶；抗红外辐射

气凝胶是由胶体粒子或高聚物分子相互聚结形成纳米多孔网络结构（孔径主要在几十纳米范围内），并在纳米孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固态纳米材料，其具有低密度（0.003g/cm3~0.5g/cm3）、高孔隙率（70%~99.8%）、高比表面积（100m2/g~1600m2/g）、低热导率及低声阻抗等特点，可应用于隔热材料、隔音材料、催化剂载体、药物缓释材料、吸附材料和低介电材料等。PI气凝胶是有机气凝胶的一种，与纯无机气凝胶相比具有良好的力学性能和柔韧性能，同时具有低热导率，制成的薄膜具有很好的柔韧性，可弯曲、折叠，在航空航天飞行器的防/隔热系统、飞行器液氢与液氧储罐、潜艇声阻隔系统、空间飞行器行星际进入—减速—着陆系统、高超音速充气气动减速器用热防护系统、宇航服以及微带贴片天线等领域具有非常广阔的应用前景。

1 PI气凝胶的制备方法

PI气凝胶的制备方法主要有以下两种：第一种是两步法，该方法首先由胺和酐反应制得PAA溶液，然后对其进行酰亚胺化处理从而得到PI溶液，经凝胶、老化、超临界二氧化碳干燥后获得PI气凝胶，酰亚胺化的方法有两种，分别为热酰亚胺化和化学酰亚胺化，热酰亚胺化使PAA在高温下脱水变为PI，化学酰亚胺化采用酸酐和碱性催化剂来使PAA脱水变为PI；第二种是异氰酸酯法，该方法采用二酐与异氰酸酯反应直接制得PI溶液，该溶液在室温下凝胶后通过超临界二氧化碳干燥得到相应的PI气凝胶。

本文拟采用两步法制备PI气凝胶。

2 实验部分

2.1 主要原料与试剂

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

红外辐射阻断剂：纳米炭气凝胶微粉，纳米二氧化钛气凝胶微粉、纳米氧化铁气凝胶微粉、纳米氧化铝气凝胶微粉、纳米二氧化硅气凝胶微粉；

液态氮气，液态二氧化碳等。

2.2 实验仪器

用WNK-2000智能型双平板导热系数测定装置测试其不同温度下的导热系数。

2.3 制备过程

将反应器做脱水处理，并将真空度设置在＜40Pa以下，在惰性气体氛围的保护下，将PMDA和ODA按1：1的摩尔比投入装有NMP的反应器中进行聚合反应，温度控制在25℃，搅拌时间5h，得到溶液A。按溶液A质量的3%加入纳米炭气凝胶微粉，并用超声波振荡30min，得到混合液B。将混合液B注入模具内老化48h，得到凝胶C。将丙酮浸没凝胶C，保持真空度在< 40Pa以下进行压力浸渗4h，然后取出完成溶剂置换的凝胶C，将其放入真空度在<100Pa以下，温度控制在100℃的反应器内处理24h，得到凝胶D。采用CO2超临界干燥的方法干燥凝胶D，干燥条件为8Mpa，40℃，干燥4~6h，即可得到含纳米炭气凝胶微粉的PI气凝胶。重复以上步骤，加入其它微粉，即可制备得到含不同红外辐射阻断剂的PI气凝胶。

3 结果与讨论

3.1 密度分析

表1为添加不同种类的红外辐射阻断剂所制备PI气凝胶及其密度的对照表。由表1可以看出，所添加的红外辐射阻断剂对PI气凝胶的密度影响不大。

3.2 导热系数分析

表2为添加不同种类红外辐射阻断剂所制备PI气凝胶在不同平均温度下的导热系数表。由表2可以看出平均温度在100℃左右时，PIA～PIE的导热系数是相接近的，但随着平均温度的升高，具有抗红外辐射特性的PI气凝胶的导热系数随温度升高的数值是低于没有抗红外辐射特性的PI气凝胶的。

4 结论

（1）因所引入的红外辐射阻隔剂的特性，所制备的PI气凝胶密度基本不受影响。

（2）添加不同种类红外辐射阻断剂所制备PI气凝胶的导热系数随温度的变化情况表明了制备PI气凝胶所复合的红外辐射阻断剂有效地起到了抑制红外辐射的作用，减少了热辐射的穿透，有效维持了其在高温下的使用时的隔热效果，从而拓宽了聚酰亚胺气凝胶的应用领域。