EMPA赵善宇团队、东华大学张清华团队 Adv. Mater.：在可回收高性能聚酰亚胺复合气凝胶的多尺度制造方向取得新进展

2024-11-29 来源：高分子科技

随着全球能源供应逐步转向可再生材料，减少碳排放正变得愈发重要。生物基材料作为合成聚合物的一种潜在可持续替代品备受关注，但其性能往往尚未达到聚合物的水平。鉴于当前多重复杂、极端条件对高性能材料的高度依赖，确保这类材料的可回收利用尤为重要。

气凝胶被IUPAC列为十大新兴技术之一，其在热绝缘和热防护领域的市场迅猛增长。瑞士联邦材料研究所（Empa）赵善宇团队、东华大学张清华团队利用分子模拟研究了聚合物与溶剂之间的相互作用，开发了一种适用于聚酰亚胺（Polyimide, PI）复合气凝胶的回收策略。采用“可拆卸”复合体系，使材料在极端温度下保持稳定性能的同时还具备十分优异可回收性。此外，这种复合气凝胶可通过多种制造技术制备为1D, 2D和3D材料。这一独特的性能与优异的可回收性相结合，为气凝胶在热防护服、锂离子电池热防护和航空领域的可持续应用提供了可能。

图1和图2展示了通过控制PI和SiO?的含量调控分散液的流变行为以满足不同加工方式以制备不同维度的气凝胶材料，包括纤维（1D），膜材料（2D）和3D物体。这类复合气凝胶呈独特的“aerogel-in-aerogel”的网络结构，在保持高性能的同时还具有可回收性，确保了材料在高性能与可持续性间的平衡。

图1:可回收聚酰亚胺-二氧化硅气凝胶复合材料的合成。a)多尺度聚酰亚胺-二氧化硅气凝胶的制备及回收方案。b)聚酰亚胺与DMAc相互作用示意图及RDG结果。c)不同聚酰亚胺-二氧化硅分散液的储能模量（G′）和损耗模量（G″）与剪切应力的关系。d)适用于静电纺丝、湿法纺丝和3D打印的粘度和剪切应力范围。e)湿纺丝制备1D纤维，f)静电纺丝制备2D薄膜，g) 3D打印的扭曲花瓶图片。

图2:湿纺丝、静电纺丝和3D打印制备复合材料的微观结构。a) RPS-20%?1.0气凝胶纤维，b) RPS-20%?0.5静电纺纳米纤维薄膜，c) RPS-15%?1.9 3D打印立方体的显微照片。d)气凝胶纤维，e)静电纺丝膜中的纳米纤维，f)3D打印的SEM横截面图像。g)气凝胶纤维，h)静电纺纳米纤维薄膜，i)打印立方体（0.43-0.93μm3，有效像元尺寸18μm）的横切面和层析图。

图3展示了经过多次回收-再加工过程，复合气凝胶依然保持稳定的微观结构、优异且稳定的性能，包括超高热分解温度和优异的机械性能。这一高效回收过程验证了此类复合气凝胶材料的可持续应用潜力，并使其在环境友好型材料领域具备竞争力。

图3:RPS复合气凝胶的回收利用。a)¹³C NMR谱，b)分子量及分布，c) RPS复合气凝胶的回收过程，d)应力-应变曲线，e) N₂吸附等温线，f)回收后RPS复合气凝胶的TGA曲线。

图4展示了该类复合气凝胶具有极低的热导率，满足极端环境下对材料的隔热需求。实验表明，在高温条件下复合气凝胶具有优异的阻燃特性和卓越的隔热防护效果，在消防防护服、锂离子电池热失控热防护等领域具有十分广阔的应用前景。

图4. 复合气凝胶的高温屏蔽性能。a) 复合气凝胶在消防服中的潜在应用。b) 复合气凝胶织物的热防护和防火性能。c)红外热像图和d)热防护测试时纺织品上下表面的实时温度变化。e) 复合气凝胶在热失控保护下锂离子电池组中的应用及结构图。f)标准电池热失效试验时复合气凝胶的实时温度、压力变化曲线。g) 复合气凝胶织物保护下的锂离子电池热测试照片，h)实时温度曲线，i)锂离子电池电压。

该研究成果以“Multiscale Manufacturing of Recyclable Polyimide Composite Aerogels”为题发表在Advanced Materials上，该文第一作者为瑞士联邦材料研究所（Empa）博士后李猛猛，通讯作者为 Wim j. Malfait (Empa), 张清华（东华大学）和赵善宇（Empa）。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202411599

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（责任编辑：xu）

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