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華南理工大學(xué)陶勁松 CEJ: 性能類似芳綸紙的纖維素/PI高強(qiáng)耐熱絕緣紙
2025-03-06  來(lái)源：高分子科技

  高強(qiáng)耐熱紙是一種專用材料，旨在保持結(jié)構(gòu)完整性并在高溫下抵抗降解。芳綸紙是此類材料的一個(gè)主要例子，主要由芳綸纖維制成，芳綸纖維以其卓越的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性而聞名。這些特性賦予芳綸紙優(yōu)異的機(jī)械耐久性和耐熱性，使其成為航空航天、汽車和電氣應(yīng)用的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的芳綸紙生產(chǎn)涉及多個(gè)復(fù)雜階段，包括芳綸纖維的預(yù)合成和隨后通過(guò)造紙形成纖維紙張。詳細(xì)的過(guò)程包括單體聚合、紡絲、凝結(jié)、拉伸、洗滌、干燥、切割、纖維分散、化學(xué)交聯(lián)、精確分層、高溫干燥和最終卷取.盡管芳綸紙具有巨大的優(yōu)勢(shì)，但其復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程導(dǎo)致高成本，限制了其在各個(gè)行業(yè)的廣泛采用。因此，簡(jiǎn)化制造工藝和降低成本對(duì)于當(dāng)前的芳綸耐熱紙來(lái)說(shuō)具有意義的。



  近期，華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陶勁松課題組開發(fā)了一種簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效的方法，通過(guò)在纖維素紙中直接合成聚酰亞胺來(lái)生產(chǎn)高強(qiáng)耐熱紙。通過(guò)使用聚酰亞胺（PI）作為替代耐熱聚合物，通過(guò)低溫化學(xué)亞胺化直接在纖維素紙中合成，該方法繞過(guò)了傳統(tǒng)的芳綸纖維預(yù)合成，省去了其后續(xù)的纖維組裝和造紙工藝，大大簡(jiǎn)化了生產(chǎn)復(fù)雜性并降低了成本（圖1）。在該研究中同時(shí)評(píng)估了催化聚酰亞胺的催化劑和各種類型的纖維素紙張，確定了聚酰亞胺低溫酰亞胺化的最佳催化劑和紙張結(jié)構(gòu)（圖2）。所得的 PI/纖維素紙表現(xiàn)出與商用芳綸紙相當(dāng)?shù)膬?yōu)異機(jī)械、熱和介電性能（強(qiáng)度：89 MPa;最高工作溫度：240 ℃;介電損耗：0.017 ～ 0.004@1 ～ 10? Hz），以及出色的阻燃性、疏水性和防潮性（圖3）。此外，用這種紙制造的輕質(zhì)蜂窩結(jié)構(gòu)組件優(yōu)于用 Nomex T410 制造的組件（圖4）。電絕緣紙的絕緣性能超過(guò)了 Nomex T410（圖5）。特別是該方法簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展且具有成本效益，與Nomex T410，生產(chǎn)成本顯著降低了約26.9%。（圖6）這種方法具有相當(dāng)或卓越的性能，再加上簡(jiǎn)化的制造工藝和較低的成本，為大規(guī)模生產(chǎn)堅(jiān)固的耐熱紙材料提供了一條有前途的途徑，并拓寬了其在軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用。


圖1. PI/纖維素紙的制造及其應(yīng)用。（a） PI/纖維素紙的制造過(guò)程示意圖，涉及在纖維素紙中直接合成聚酰亞胺 （PI）。（b） PI/纖維素紙表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械、熱和介電性能，使其能夠用于輕質(zhì)蜂窩結(jié)構(gòu)部件和電絕緣紙。（c）纖維素紙原紙和制造的 PI/纖維素紙 （40 cm × 30 cm） 的數(shù)字照片圖像證明了該方法的簡(jiǎn)單性和可升級(jí)擴(kuò)展性。（d） PI/纖維素紙與商用芳綸紙 Nomex T410 的性能比較，突出了 PI/纖維素紙良好的機(jī)械、熱和電氣性能及其成本效益。


圖 2. PI/纖維素紙的制造工藝優(yōu)化。（a） 使用不同亞胺化催化劑合成的純 PI 薄膜。（b） PI （180 ℃） 、 PI （250 ℃） 、 PI （4-Hdql） 和 PI （4-Hdpla） 的放大 TG 曲線。插圖顯示，PI（4-Hdpl） 具有高度的亞胺化 （0.802），與在 250 ℃ 下熱亞胺化的亞胺化 （0.807） 相當(dāng)。（c） PI 薄膜的極限拉伸強(qiáng)度，證明 PI（4-Hdql） 達(dá)到與 PI（250 ℃） 相似的強(qiáng)度。（d）-（f）纖維素紙1、2 和 3 的 SEM 圖像。（g）-（i）來(lái)自纖維素紙 1、2 和 3 的 PI/纖維素紙的 SEM 圖像。（j）-（l）纖維素紙張 1、2 和 3 的 PI/纖維素紙的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。與 Nomex T410 相比，含 4-Hdql 的 PI/纖維素紙 3 表現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)力性能。（m） 三種 PI/纖維素紙 3 和 Nomex T410 的極限應(yīng)力比較。（n） Nomex T410 和含 4-Hdql 的 PI/纖維素紙 3 的負(fù)載測(cè)試照片。


圖 3. PI/纖維素紙的耐熱性、介電性能和潤(rùn)濕性。（a） 熱處理 （100、130、160、190、210 和 240 ℃ 0.5 和 1 h） 后 PI/纖維素紙的數(shù)字圖像，顯示其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。（b） PI/纖維素紙和 Nomex T410 的應(yīng)力和模量隨溫度的變化。（c） 熱處理后 PI/纖維素紙和 Nomex T410 的應(yīng)力降解。（d） 熱處理后 PI/纖維素紙和 Nomex T410 的模量降解。（e） 原始纖維素紙、PI 膜、PI/纖維素紙和 Nomex T410 的熱重 （TG） 曲線。（f） 及 （g） 阻燃性測(cè)試。（h）-（i）PI/纖維素紙和 Nomex T410 的介電常數(shù)和損耗。（j） PI 膜、PI/纖維素紙和 Nomex T410 的水接觸角的數(shù)字圖像。（k） PI/纖維素紙和 Nomex T410 的吸濕性。


圖 4. 用 PI/纖維素紙和 Nomex T410 制造的蜂窩結(jié)構(gòu)部件的機(jī)械性能。（a） 蜂窩結(jié)構(gòu)在飛機(jī)部件中的潛在應(yīng)用說(shuō)明。（b） 手工制作的 PI/纖維素紙蜂窩的實(shí)驗(yàn)室制造工藝。（c） 原紙的環(huán)壓強(qiáng)度比較：PI/纖維素紙和 Nomex T410。（d） PI/纖維素紙蜂窩與 Nomex T410 蜂窩的沖擊強(qiáng)度比較。（e） PI/纖維素紙蜂窩和 Nomex T410 蜂窩的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（f） 兩種蜂窩結(jié)構(gòu)的極限壓縮應(yīng)力和壓縮模量。（g） PI/纖維素紙和 Nomex T410 蜂窩的三點(diǎn)彎曲曲線。（h） 極限彎曲載荷和彎曲模量比較。與 Nomex T410 蜂窩相比，PI/纖維素紙蜂窩的機(jī)械性能顯著增強(qiáng)。


圖 5. PI/纖維素紙的電絕緣性能。（a） PI/纖維素紙作為電動(dòng)汽車電機(jī)絕緣材料的潛在應(yīng)用。（b） PI/纖維素紙和 Nomex T410 在不同溫度下熱處理 1 h 后的擊穿強(qiáng)度。（c） 在不同溫度下熱處理 1 h 后 PI/纖維素紙和 Nomex T410 的擊穿強(qiáng)度保持率。（d） 在不同溫度下熱處理 2 小時(shí)后，PI/纖維素紙和 Nomex T410 中的分解強(qiáng)度和 （e） 保留率。（f） PI/纖維素紙和 Nomex T410 在不同溫度下熱處理 1 小時(shí)和 2 小時(shí)后的電阻保持性。（g） PI/纖維素紙和 Nomex T410 在不同溫度下熱處理后的模量保持率。與 Nomex T410 相比，PI/纖維素紙表現(xiàn)出良好的電絕緣性能。


圖 6. PI/纖維素紙的生產(chǎn)成本分析和可大規(guī)模生成潛在分析。（a） PI/纖維素紙和 Nomex T410 的生產(chǎn)成本比較，表明 PI/纖維素紙的成本比 Nomex T410 低約 26.9%。（b） PI/纖維素紙潛在大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程的示意圖，突出其簡(jiǎn)單性、兼容性和可擴(kuò)展性。


  總結(jié)：該工作已經(jīng)成功開發(fā)了一種簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效的方法，通過(guò)在纖維素紙中直接合成 PI 來(lái)生產(chǎn)高強(qiáng)耐熱絕緣PI/纖維素紙。該方法不僅簡(jiǎn)單且可擴(kuò)展，而且成本效益高，為大規(guī)模生產(chǎn)高性能耐熱紙?zhí)峁┝艘粭l有前途的途徑。該工作以“A simple and cost-effective method to produce high-performance robust heat-resistant paper by directly synthesizing polyimide within cellulose paper matrixes”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journa》上（Chem. Eng. J. 2025, 508, 160885）。該研究由課題組碩士生張澤完成，得到廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金的支持。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160885

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（責(zé)任編輯：xu）
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