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EMPA趙善宇團(tuán)隊(duì)、東華大學(xué)張清華團(tuán)隊(duì) Adv. Mater.：在可回收高性能聚酰亞胺復(fù)合氣凝膠的多尺度制造方向取得新進(jìn)展
2024-11-29  來(lái)源：高分子科技

  隨著全球能源供應(yīng)逐步轉(zhuǎn)向可再生材料，減少碳排放正變得愈發(fā)重要。生物基材料作為合成聚合物的一種潛在可持續(xù)替代品備受關(guān)注，但其性能往往尚未達(dá)到聚合物的水平。鑒于當(dāng)前多重復(fù)雜、極端條件對(duì)高性能材料的高度依賴，確保這類(lèi)材料的可回收利用尤為重要。


  氣凝膠被IUPAC列為十大新興技術(shù)之一，其在熱絕緣和熱防護(hù)領(lǐng)域的市場(chǎng)迅猛增長(zhǎng)。瑞士聯(lián)邦材料研究所（Empa）趙善宇團(tuán)隊(duì)、東華大學(xué)張清華團(tuán)隊(duì)利用分子模擬研究了聚合物與溶劑之間的相互作用，開(kāi)發(fā)了一種適用于聚酰亞胺（Polyimide, PI）復(fù)合氣凝膠的回收策略。采用“可拆卸”復(fù)合體系，使材料在極端溫度下保持穩(wěn)定性能的同時(shí)還具備十分優(yōu)異可回收性。此外，這種復(fù)合氣凝膠可通過(guò)多種制造技術(shù)制備為1D, 2D和3D材料。這一獨(dú)特的性能與優(yōu)異的可回收性相結(jié)合，為氣凝膠在熱防護(hù)服、鋰離子電池?zé)岱雷o(hù)和航空領(lǐng)域的可持續(xù)應(yīng)用提供了可能。


  圖1和圖2展示了通過(guò)控制PI和SiO?的含量調(diào)控分散液的流變行為以滿足不同加工方式以制備不同維度的氣凝膠材料，包括纖維（1D），膜材料（2D）和3D物體。這類(lèi)復(fù)合氣凝膠呈獨(dú)特的“aerogel-in-aerogel”的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在保持高性能的同時(shí)還具有可回收性，確保了材料在高性能與可持續(xù)性間的平衡。


圖1:可回收聚酰亞胺-二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的合成。a)多尺度聚酰亞胺-二氧化硅氣凝膠的制備及回收方案。b)聚酰亞胺與DMAc相互作用示意圖及RDG結(jié)果。c)不同聚酰亞胺-二氧化硅分散液的儲(chǔ)能模量（G′）和損耗模量（G″）與剪切應(yīng)力的關(guān)系。d)適用于靜電紡絲、濕法紡絲和3D打印的粘度和剪切應(yīng)力范圍。e)濕紡絲制備1D纖維，f)靜電紡絲制備2D薄膜，g) 3D打印的扭曲花瓶圖片。


圖2:濕紡絲、靜電紡絲和3D打印制備復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)。a) RPS-20%?1.0氣凝膠纖維，b) RPS-20%?0.5靜電紡納米纖維薄膜，c) RPS-15%?1.9 3D打印立方體的顯微照片。d)氣凝膠纖維，e)靜電紡絲膜中的納米纖維，f)3D打印的SEM橫截面圖像。g)氣凝膠纖維，h)靜電紡納米纖維薄膜，i)打印立方體（0.43-0.93μm3，有效像元尺寸18μm）的橫切面和層析圖。


  圖3展示了經(jīng)過(guò)多次回收-再加工過(guò)程，復(fù)合氣凝膠依然保持穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)、優(yōu)異且穩(wěn)定的性能，包括超高熱分解溫度和優(yōu)異的機(jī)械性能。這一高效回收過(guò)程驗(yàn)證了此類(lèi)復(fù)合氣凝膠材料的可持續(xù)應(yīng)用潛力，并使其在環(huán)境友好型材料領(lǐng)域具備競(jìng)爭(zhēng)力。


圖3:RPS復(fù)合氣凝膠的回收利用。a)13C NMR譜，b)分子量及分布，c) RPS復(fù)合氣凝膠的回收過(guò)程，d)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，e) N2吸附等溫線，f)回收后RPS復(fù)合氣凝膠的TGA曲線。


  圖4展示了該類(lèi)復(fù)合氣凝膠具有極低的熱導(dǎo)率，滿足極端環(huán)境下對(duì)材料的隔熱需求。實(shí)驗(yàn)表明，在高溫條件下復(fù)合氣凝膠具有優(yōu)異的阻燃特性和卓越的隔熱防護(hù)效果，在消防防護(hù)服、鋰離子電池?zé)崾Э責(zé)岱雷o(hù)等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。


圖4. 復(fù)合氣凝膠的高溫屏蔽性能。a) 復(fù)合氣凝膠在消防服中的潛在應(yīng)用。b) 復(fù)合氣凝膠織物的熱防護(hù)和防火性能。c)紅外熱像圖和d)熱防護(hù)測(cè)試時(shí)紡織品上下表面的實(shí)時(shí)溫度變化。e) 復(fù)合氣凝膠在熱失控保護(hù)下鋰離子電池組中的應(yīng)用及結(jié)構(gòu)圖。f)標(biāo)準(zhǔn)電池?zé)崾г囼?yàn)時(shí)復(fù)合氣凝膠的實(shí)時(shí)溫度、壓力變化曲線。g) 復(fù)合氣凝膠織物保護(hù)下的鋰離子電池?zé)釡y(cè)試照片，h)實(shí)時(shí)溫度曲線，i)鋰離子電池電壓。


  該研究成果以“Multiscale Manufacturing of Recyclable Polyimide Composite Aerogels”為題發(fā)表在Advanced Materials上，該文第一作者為瑞士聯(lián)邦材料研究所（Empa）博士后李猛猛，通訊作者為 Wim j. Malfait (Empa), 張清華（東華大學(xué)）和趙善宇（Empa）。


  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202411599

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