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东华大学团队 AFM：制备用于隔热保温的柔性聚酰亚胺纳米发泡材料

发布时间：2024-08-28 浏览次数：

聚合物发泡材料具有优异的隔热保温性能，然而多孔结构对可见光的强烈散射导致不透明的特性限制了其在很多场景的应用，比如节能窗户领域。消除泡孔对可见光的米氏散射实现高透明度的光学特性通常需要将发泡材料的孔径减小至40纳米以下。尽管CO₂发泡技术可以在微米到纳米尺度范围内对泡孔尺寸进行较好的调控，然而较低的成核速率和严重的气泡聚并限制了其获得均一且小于40纳米的CO₂发泡材料。因此，目前文献中尚未有高透明度、低雾度聚合物CO₂发泡材料的报道。

东华大学材料科学与工程学院叶长怀教授、朱美芳院士团队报道了一种制备高透光度、低雾度聚酰亚胺CO₂发泡材料的方法。研究人员以合成的含氟聚酰亚胺聚合物作为发泡基体，利用含氟聚合物对CO₂的高亲和性，显著提高聚合物基体对CO₂的吸附量，从而极大提高CO₂发泡过程的气泡成核速率。同时，聚酰亚胺分子链的刚性结构可以最大限度抑制气泡生长过程的气泡聚并现象，从而制备具有极小孔径（平均孔径<10nm）的CO₂发泡材料。当CO₂吸附温度为-5°C，吸附压力为15MPa时，含氟聚酰亚胺的CO₂饱和吸附量达到70wt%。在这个条件下，当发泡温度为160°C时，所得的CO₂发泡材料平均孔径仅为5.8 nm。（图1）

图1 (a)不同吸附温度和压力下含氟聚酰亚胺（FPI）的CO₂饱和吸收量；(b) FPI泡沫的密度、孔隙率；(c)平均孔径；(d) SAXS数据拟合结果；(e) SAXS拟合结果得出的孔径分布；(f) SEM图像统计得到的孔径分布；(g1-g4)使用-5°C、10°C、25°C和40°C CO₂吸附温度制备的FPI泡沫的SEM图像；(h1-h4)相应的发泡材料的照片。

制备的聚酰亚胺纳米发泡材料的平均孔径范围在5.8nm至53.5nm之间，泡孔的米氏散射被极大抑制，因而所得的发泡材料具有超高的透光率和低雾度。当聚酰亚胺发泡材料的平均孔径小于12nm时，约0.2mm厚度的发泡材料在500-700nm波长范围内的透光度与商用玻璃接近，而雾度最低小于18%。并且，这种透明CO₂纳米发泡材料相较于传统气凝胶材料的优势在于其优异的韧性和耐湿环境的特性。聚酰亚胺纳米发泡材料可以在液氮环境中反复弯曲以及在水中搅拌6h后仍然保持纳米孔结构不被破坏。研究人员对比了相同孔隙率下纳米孔发泡材料和微米孔发泡材料的力学和隔热性能，发现纳米孔发泡材料均具有更优异的力学和隔热性能。通过CO₂发泡法制备的透明纳米发泡材料，凭借其高透明度、优异的绝热和力学性能，有望成为下一代节能窗户隔热材料，并在航天、汽车及便携式设备等对减重有严格要求的领域中得到广泛应用。

图2 (a)不同孔径FPI发泡材料的透光度和(b)雾度。(c1)孔径为11.6纳米的FPI纳米泡沫和(c2)孔径为5.5微米的微米级泡沫的光学透明度对比。（d）透明的FPI纳米发泡材料在液氮中弯曲并恢复原始形状。(e)在机械搅拌过程中，透明的FPI纳米泡沫仍然漂浮在水面上。

图3纳米孔和微米孔CO₂发泡材料的力学性能对比

图4 (a)透明纳米泡沫、微米级不透明泡沫的实测热导率，以及透明纳米泡沫的计算热导率；(b)不同孔隙率FPI纳米泡沫中由固相和气相贡献的计算热导率；(c)放置在玻璃载片上的FPI纳米泡沫和无孔FPI薄膜在(C1) 50°C、(C2) 100°C、(C3) 150°C 和(C4) 200°C 时的红外热成像。

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