一种纤维增强型聚酰亚胺气凝胶复合材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种高性能隔热材料，具体涉及一种抗收缩的纤维增强型聚酰亚胺气凝胶复合材料。通过本发明专利技术制备的纤维增强型PI气凝胶复合材料耐高温性能突出(T

【技术实现步骤摘要】
一种纤维增强型聚酰亚胺气凝胶复合材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于高温隔热材料制备
，涉及一种高性能隔热材料，具体涉及一种抗收缩的纤维增强型聚酰亚胺气凝胶复合材料。

技术介绍

[0002]航空航天科技的发展需要高性能隔热材料的支撑。气凝胶作为新一代高性能隔热材料，已在航空航天领域取得应用，可以保护航空器和航天器关键元器件免受外部极端环境的侵扰。气凝胶，众所周知，是一种具有低体积密度和高孔隙率的三维纳米多孔固体材料，表现出低热导率、低介电常数、高比表面积等优异性能，长期以来吸引了大量研究和从业人员的高度关注，还被用于绝热保温、储能隔膜、吸附负载等多个领域。
[0003]PI气凝胶是由二胺和二酐聚合生成PAA溶液，经过凝胶、老化及干燥后制得的一种具有耐高温、高力学强度的有机气凝胶。虽然如此，PI气凝胶在制备过程中普遍存在收缩率大的问题，对气凝胶的性能和应用造成严重影响，如收缩率大会致使材料的尺寸稳定性差，同时导致气凝胶密度陡增，热导率上升，隔热性能大打折扣。
[0004]化学改性和物理添加是降低PI气凝胶收缩率的两种方式。二者之中，物理添加的方式操作起来更加简单、成本也更低、实施过程的环保性和安全性也更高，通过此方式降低气凝胶的收缩性一直以来都备受关注。比如，Z.Zhu等人在PI的制备过程中添加玻璃纤维来减小收缩，制备出的PI气凝胶体积收缩率为16.5
‑
57.9％；L.Zuo等人使用石墨烯/蒙脱土为添加物，制备出复合增强的PI气凝胶体积收缩率为21.1
‑
27.8％。可见，物理添加的方式可以减小PI在制备过程中的收缩，但是，效果并不是特别理想，所得PI气凝胶的形状稳定性也不尽如人意。鉴于此，PI气凝胶在制备过程中收缩率还有待进一步降低，形状稳定性有待进一步提升，所采取的物理添加方式还有待进一步改善和优化。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，为解决现有技术中存在的缺陷/问题，本专利技术提供了一种抗收缩的纤维增强型聚酰亚胺气凝胶复合材料及其制备方法。不仅克服了现有制备技术中PI气凝胶收缩明显、定型较差的缺点，而且制备方法简单、成本低，可进行量产。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]本专利技术的第一个技术目的是提供一种纤维增强型聚酰亚胺气凝胶复合材料的制备方法，所述方法具体包括如下步骤：
[0008]1)使用乙醇对陶瓷纤维清洗，随后烘干，将纤维裁剪成所需的规格，密封，备用；
[0009]2)将二胺和二酐溶于非质子溶剂中，室温反应30min，制备出聚酰胺酸PAA溶液；
[0010]3)向步骤2)所得的聚酰胺酸PAA溶液中加入交联剂，室温下搅拌，再加入脱水剂，缓慢搅拌均匀；
[0011]4)将步骤1)所得的纤维加入至步骤3)制备的溶液中，密封后置于超声波清洗器中
搅拌30min，室温下凝胶老化3
‑
4天后使用置换剂进行置换，待置换完成后进行干燥，获得所述纤维增强型聚酰亚胺气凝胶复合材料。
[0012]可选地，所述陶瓷纤维的主要成分为Al2O3、SiO2；且所述陶瓷纤维的规格如下：
[0013]多数陶瓷纤维的直径尺寸介于1
‑
30μm之间，直径大于5μm的陶瓷纤维占陶瓷纤维总数的50％。
[0014]需要说明的是，所述的陶瓷纤维，其直径尺寸是多元的，绝大多数介于1
‑
30μm之间。其中，直径大于5μm的纤维约占陶瓷纤维总数的50％，这部分纤维抗弯刚性强，对PI气凝胶起骨架式支撑作用；其余的直径小于5μm，具有较好的柔性，能够借助弯曲、缠绕等方式与PI基体交织在一起，对PI气凝胶提供绵柔的立体网状支撑。
[0015]由于陶瓷纤维的热稳定性好，选用陶瓷纤维与PI气凝胶进行复合，不仅会提升PI气凝胶的热稳定性，还会对复合材料起到支撑作用，从而克服了现有制备技术中PI气凝胶收缩明显、定型较差的缺陷。
[0016]且，步骤1)中将纤维裁剪成所需的规格，其长度尺寸是可调的，可以根据需要设计加工不同长度的短纤，如将陶瓷纤维裁剪成0.5cm、1cm、1.5cm等规格的长度。
[0017]可选地，所述二胺为二甲基联苯胺DMBZ和4,4
‑
氧二苯胺ODA的混合物，所述二酐为4,4
‑
氧双邻苯二甲酸酐ODPA，所述非质子溶剂为N
‑
甲基吡咯烷酮NMP，所述交联剂为三聚氰胺，所述脱水剂为丙酸酐和吡啶的混合液。
[0018]进一步地，所述二胺、二酐和交联剂的摩尔比为20：21：0.5；且所述二胺中二甲基联苯胺DMBZ和4,4
‑
氧二苯胺ODA的摩尔比为1：1。
[0019]进一步地，所述二酐和丙酸酐、吡啶的摩尔比为1:8:8。
[0020]可选地，所述步骤4)中，纤维与PI的质量比为(1
‑
3)：(1
‑
2)，如质量比为1：1；3：2；2：1等，且置换剂为含乙醇的NMP溶液。
[0021]进一步地，所述置换剂为含25％、75％、100％乙醇的NMP溶液，置换时依次使用。
[0022]更进一步地，所述的置换过程为一周，每隔24h置换一次，待置换完成后进行干燥；且所述的干燥方法为超临界乙醇干燥。
[0023]本专利技术的第二个目的是提供一种如上所述方法制备的纤维增强型聚酰亚胺气凝胶复合材料。
[0024]所述纤维增强型聚酰亚胺气凝胶复合材料具有如下特性：
[0025]T
‑
5wt％
≥493℃，杨氏模量≥2.46MPa；气凝胶在制备过程中的平均体积收缩率为5.01
‑
7.38％。
[0026]本专利技术的第三个技术目的是提供如上所述纤维增强型聚酰亚胺气凝胶复合材料在高温隔热领域中的应用。
[0027]具体地，所制备的纤维增强型PI气凝胶复合材料耐高温性能突出(T
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5wt％
≥493℃)，力学性能高(杨氏模量≥2.46MPa)；更重要的，由于纤维的增强，气凝胶在制备过程中的收缩问题得到极大改善，平均体积收缩率仅为5.01
‑
7.38％，只有纯PI气凝胶的20％。鉴于此，所述纤维增强型PI气凝胶复合材料在高温隔热领域具有很好的应用前景。
[0028]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0029](1)通过本专利技术制备的PI气凝胶解决了在制备过程中收缩严重的问题，平均体积收缩率较小、力学性能较高，且耐高温性能突出。
[0030](2)本专利技术所制备的PI气凝胶复合材料制备方法简单、制备成本低、可以进行量产。
附图说明
[0031]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纤维增强型聚酰亚胺气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：1)使用乙醇对陶瓷纤维清洗，随后烘干，将纤维裁剪成所需的规格，密封，备用；2)将二胺和二酐溶于非质子溶剂中，室温反应30min，制备出聚酰胺酸PAA溶液；3)向步骤2)所得的聚酰胺酸溶液中加入交联剂，室温下搅拌，再加入脱水剂，缓慢搅拌均匀；4)将步骤1)所得的纤维加入至步骤3)制备的溶液中，密封后置于超声波清洗器中搅拌30min，室温下凝胶老化3
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4天后使用置换剂进行置换，待置换完成后进行干燥，获得所述纤维增强型聚酰亚胺气凝胶复合材料。2.根据权利要求1所述的一种纤维增强型聚酰亚胺气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述陶瓷纤维的主要成分为Al2O3、SiO2；且所述陶瓷纤维的规格如下：多数陶瓷纤维的直径尺寸介于1
‑
30μm之间，直径大于5μm的陶瓷纤维占陶瓷纤维总数的50％。3.根据权利要求1所述的一种纤维增强型聚酰亚胺气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述二胺为二甲基联苯胺DMBZ和4,4
‑
氧二苯胺ODA的混合物，所述二酐为4,4
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氧双邻苯二甲酸酐ODPA，所述非质子溶剂为N
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甲基吡咯烷酮NMP，所述交联剂为三聚氰胺，所述脱水剂为丙酸酐和吡啶的混合液。4.根据权利要求3所述的一种纤维增强型聚酰亚胺气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述二胺、二酐和交联剂的摩尔比为20：21：0.5；...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈维旺，万盟盟，唐亚婷，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：