一种轻质聚酰亚胺基碳泡沫及其制备方法和用途技术

本发明专利技术提供了一种轻质聚酰亚胺基碳泡沫及其制备方法和用途，本发明专利技术属于先进材料技术领域

【技术实现步骤摘要】
一种轻质聚酰亚胺基碳泡沫及其制备方法和用途


[0001]本专利技术属于先进材料
，具体涉及一种轻质聚酰亚胺基碳泡沫及其制备方法和用途
。

技术介绍

[0002]在全球范围内，超过
30
％的能源消耗被用于日常供暖和制冷，提高能源效率对社会的可持续性至关重要
。
保温隔热材料的使用对于保护人体和维持设备的正常功能至关重要，尤其是在太空
、
高速飞行器和核反应堆等极端高低温领域
。
如今，橡胶
、
聚氨酯和聚苯乙烯泡沫被广泛用作保温材料，然而，这些材料在极端寒冷
/
炎热的条件下使用时，不能保持其原有的特性，更不用说上述产品的热稳定性和可燃性差
。
因此，开发可以针对超低
/
高温应用的轻质
、
高温隔热材料已经成为当务之急和挑战
。
此外，在电子设备高度发达的今天，电磁干扰
(EMI)
和电磁辐射已经成为一种新的污染，不仅严重影响了精密电子设备的正常运行，也危及人类健康以及自然环境
。
开发具有优良的
EMI
屏蔽性能的多功能材料被认为是解决电磁污染的有效方案
。
常用的
EMI
屏蔽材料主要包括金属类，复合材料类，导电聚合物等材料，但是存在密度高，厚度较厚，成本高，加工方法复杂等问题，也存在耐温性
、
阻燃和隔热性差的问题，难以用于航空航天
、
海洋和核反应堆等领域
。
[0003]碳泡沫具有三维
(3D)
骨架结构和高度多孔的综合优点，具有低密度
、
高导电性
、
高热稳定性和优良的隔热性能
。
因此，开发高温隔热性能和
EMI
屏蔽性能优良的碳泡沫材料成为解决上述问题的有效措施
。
到目前为止，研究最多的碳泡沫材料包括多孔碳纳米材料
、
生物质衍生的碳材料和聚合物衍生的碳材料
。
其中，聚合物衍生的碳材料因其灵活的链式结构设计
、
可调控的微观结构以及优异的机械和隔热性能而备受关注
。
芳香族聚酰亚胺
(PI)
在分子链骨架上有酰亚胺环和苯环，赋予了基体或发泡产品优异的机械强度
、
热稳定性
、
阻燃性和耐高
/
低温性，使其成为航空航天
、
海洋和成核反应器等领域有前途的候选应用
。
此外，
PI
已被广泛用作制备碳薄膜
、
碳气凝胶
、
碳泡沫
、
碳复合材料等的起始衍生物
。
在这种情况下，
PI
泡沫
(PIF)
，结合了
PI
的特性和多孔泡沫的轻质性，成为制备具有非凡机械，热性能和电磁性能的
PI
衍生碳泡沫
(PICF)
的候选材料
。
[0004]碳泡沫材料性能不仅取决于基体的固有特性，而且与其多孔结构密切相关
。
一般来说，具有各向异性孔结构的多孔碳材料表现出各向异性的机械性能
、
隔热行为和电磁屏蔽性能
。
各向异性结构不仅可以增强轴向散热，还可以有效隔离径向传热，从而降低径向导热系数
。
文献
(Jiang,X.
；
Zhao,Z.
；
Zhou,S.
；
Zou,H.
；
Liu,P.Anisotropic and Lightweight Carbon/Graphene Composite Aerogels for Efficient Thermal Insulation and Electromagnetic Interference Shielding.ACS Appl Mater Interfaces 2022,14(40),45844
‑
45852,DOI:10.1021/acsami.2c13000.)
采用单向冷冻干燥
、
热亚胺化和碳化的方法，制备了一系列各向异性的碳
/
石墨烯复合气凝胶
。
高度定向多孔结构带来了各向异性的隔热性
、
导电性和
EMI
屏蔽性能
。
他们的研究结果表明，径向热导率明显低于轴向测量的热导率；至于
EMI
屏蔽性能，在电导率和
EMI
屏蔽性能方面，径向的表现要优于轴向
。
文献
(Chen,Y.
；
Luo,H.
；
Guo,H.
；
Liu,K.
；
Mei,C.
；
Li,Y.
；
Duan,G.
；
He,S.
；
Han,J.
；
Zheng,J.
；
E,S.
；
Jiang,S.Anisotropic cellulose nanofibril composite sponges for electromagnetic interference shielding with low reflection loss.Carbohydr Polym 2022,276,118799,DOI:10.1016/j.carbpol.2021.118799.)
利用定向冻干技术制备了各向异性的复合海绵，它由纤维素纳米纤维和共沉淀的银纳米线
(AgNW)@Fe3O4组成
。
由于多孔通道的定向生长，获得的复合海绵显示出各向异性的机械性能
、
导电性和
EMI
屏蔽性能
。
他们发现，电磁波倾向于沿着纵向的有序规则通道逃逸，导致该复合海绵纵向的
EMI
屏蔽性能较差；而横向的蜂窝状多孔结构的存在增加了电磁波的传播路径，该复合海绵横向的
EMI
屏蔽性能较高
。
因此，合理的各向异性结构设计有利于提高多孔材料的高温隔热性能和电磁性能，拓宽其应用场景
。
[0005]尽管上述冻干法被普遍用于制造具有各向异性孔结构的多孔材料，但其冗长而繁琐的程序并不适合大规模生产
。
此外，随着太空
、
海洋和核反应堆等极端高低温领域的快速发展，开发高温隔热的轻质多孔多功能材料已经成为当务之急和重大挑战
。
综上所述，亟需研发新的可采用简单
、
适用于大规模生产工艺制备的高效的隔热性能
、<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种轻质聚酰亚胺基碳泡沫，其特征在于：它是由二酐单体和二胺单体为原料制备而得；所述的二酐单体和二胺单体的摩尔比为
(1
～
100)
：
(1
～
100)
；所述的制备方法：二酐单体和二胺单体反应先得到前驱体，将前驱体预热
、
微波发泡
、
固化得到聚酰亚胺泡沫，再经过高温碳化制备而得
。2.
根据权利要求1所述的轻质聚酰亚胺基碳泡沫，其特征在于：二酐单体和二胺单体摩尔比为
(20
～
50)
：
(20
～
50)
，优选为
1:1。3.
根据权利要求1或2所述的轻质聚酰亚胺基碳泡沫，其特征在于：所述的二酐单体选自均苯四甲酸二酐
、3,3
’
,4,4
’‑
二苯醚四酸酐
、3,3
’
,4,4
’‑
二苯甲酮四甲酸二酐
、2,3,3
’
,4
’‑
联苯四甲酸二酐
、3,3
’
,4,4
’‑
联苯四甲酸二酐
、
双酚
A
二酐
、3,3
’
,4,4
’‑
联苯基砜四羧酸二酐
、
六氟二酐中一种或多种；和
/
或所述的二胺单体选自
4,4
’‑
二氨基二苯甲烷
、3,3
’‑
二氨基二苯砜
、
对
‑
苯二胺
、
间
‑
苯二胺
、3,4
’‑
二氨基二苯醚
、4,4
’‑
二氨基二苯醚
、4,4
’‑
二氨基二苯砜
、2,2
’‑
二
(
三氟甲基
)
二氨基联苯
、4,4
’‑
二氨基
‑
2,2
’‑
二甲基联苯中一种或多种；优选地，所述二酐选自
3,3
’
,4,4
’‑
二苯甲酮四甲酸二酐；和
/
或，所述二胺选自
4,4
’‑
二氨基二苯醚
。4.
根据权利要求1所述的轻质聚酰亚胺基碳泡沫，其特征在于：所述的前驱体溶剂含量为
10
％
‑
15
％；优选地，所述聚酰亚胺前驱体为粉末
、
微球或片材；更优选地，所述聚酰亚胺前驱体为粉末；或，所述的预发泡为取1～
1000g
前驱体粉末用
100
～
1000W
微波预发泡，所述加热发泡为用
100
～
2000W
微波发泡
。5.
根据权利要求1所述的轻质聚酰亚胺基碳泡沫，其特征在于：所述聚酰亚胺前驱体的制备方法包括如下步骤：
(1)
在二酐中加入醇类溶剂和醚类溶剂，反应得反应液；
(2)
在反应液中加入二胺
、
酰亚胺化催化剂
、
表面活性剂反应，纯化后得聚酰亚胺前驱体；优选地，步骤
(1)
中，所述二酐
、
醇类溶剂和醚类溶剂的摩尔...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹华维，倪龙，周生态，罗银富，周翠清，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：