北京交通大學張如炳Chem. Eng. J.：超柔性PI納米纖維交聯PI氣凝膠膜的制備及其柔性

DOI: 10.1016/j.cej.2021.129341

輕質高柔性氣凝膠的實驗制備一直是一個長期的挑戰，這限制了它們在柔性熱防護中的實際應用。在本工作中，研究者設計的聚酰亞胺（PI）納米纖維交聯聚酰亞胺氣凝膠膜可實現高柔性、強大的力學性能和高效的隔熱性能。通過充分利用PI納米纖維與PI氣凝膠分子鏈之間良好的化學相容性和強大的界面結合強度，PI氣凝膠膜實現了從脆性到高柔性的重大轉變。結果表明，PI納米纖維的加入起到了明顯的增強、增韌作用。PI納米纖維交聯PI氣凝膠膜具有0.168g/cm3的低密度和0.0279W/mK的低熱導率。此外，20wt％PI納米纖維交聯PI氣凝膠膜顯示出2.95MPa的高拉伸強度，而純PI氣凝膠的拉伸強度僅為0.27MPa。綜上所述，本研究所制備的PI氣凝膠膜具有優良的高溫柔性熱防護性能，在現代科技、軍事和航空航天等領域具有廣闊的應用前景。

圖1.（a）PI納米纖維交聯PI氣凝膠膜的制備過程示意圖。（b-c）20wt％PI納米纖維交聯PI氣凝膠膜的柔性測試。

圖2.（a）純PI氣凝膠、PI納米纖維和柔性PI納米纖維交聯PI氣凝膠膜的FTIR。（b-c）純PI氣凝膠、PI納米纖維和柔性20wt％PI納米纖維交聯PI氣凝膠膜的TGA和DSC曲線。

圖3.柔性PI納米纖維交聯PI氣凝膠膜的微觀結構。（a）純PI氣凝膠的微觀結構，插圖：純PI氣凝膠顯示出明顯的脆性，（b）PI納米纖維交聯PI氣凝膠膜的微觀結構，插圖：PI納米纖維交聯PI氣凝膠膜顯示出較高的柔性，（c）將PI納米纖維嵌入PI氣凝膠基質中。

圖4.（a）柔性PI納米纖維交聯PI氣凝膠膜的交聯示意圖。（b）在PI納米纖維拉出過程中，PI納米纖維與PI氣凝膠基質之間的界面變形。（c-d）PI納米纖維與PI分子鏈之間的牢固界面結合。

圖5.柔性PI納米纖維交聯PI氣凝膠膜的性能。（a）PI氣凝膠膜的收縮率和孔隙率。（b）PI氣凝膠膜的導熱性和密度。（c）PI氣凝膠膜的壓縮應力-應變曲線。（d）PI氣凝膠膜的拉伸應力-應變曲線。（e）柔性20wt％PI納米纖維交聯PI氣凝膠膜在室溫和高溫下的拉伸強度比較。（f）1000次折疊和展開測試后PI氣凝膠膜的拉伸性能比較（折疊角約為180°）。

圖6.柔性20wt％PI納米纖維交聯PI氣凝膠膜的隔熱性能。（a-b）PI氣凝膠膜不同層（1、2、3、4層）的隔熱性能。（c）將氣凝膠復合材料（厚度為15mm）置于300℃的加熱板上30s、5min、10min的隔熱性能。（d）在室溫下對PI氣凝膠膜進行柔性絕緣測試。（e）在高溫下對PI氣凝膠膜進行柔性絕緣測試。