Page 59 - 《精细化工》2022年第3期
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第 3 期 卓龙海，等: 轻质高强芳纶纳米纤维/聚酰亚胺复合气凝胶的制备及性能 ·481·
合性能与气凝胶轻质、多孔等特点，在航天航空、 二苯甲酮四羧酸二酐（BTDA）为单体制备 PAA 水
国防军事、微电子等高科技领域具有广阔的应用前 溶液，以化学劈裂法制备的 ANFs 为填料，制备
景 [6-11] 。PI 气凝胶的制备多采用超临界 CO 2 干燥 [12] 、 ANFs/PAA 水溶液，通过冷冻干燥和热亚胺化相结
丙酮浴 [13] 或冷冻干燥进而热亚胺化 [14-15] 等方法。与 合的方式制备 ANFs/PI 复合气凝胶，并对所得样品
超临界 CO 2 干燥和丙酮浴相比，冷冻干燥进而热亚 进行表征，测试其力学性能及热稳定性，为实现其
[5]
[3]
胺化具有操作简单、化学污染小的优点，更适合 PI 在隔热阻燃 [11] 、电磁屏蔽 和吸附 等领域的应用
气凝胶的制备。然而，该方法制备过程中，前驱体 奠定基础。
聚酰胺酸（PAA）骨架强度差导致其在冷冻干燥进
而热亚胺化的过程中体积收缩严重，甚至出现孔道 1 实验部分
坍塌，从而影响 PI 气凝胶的结构与性能。因此，制
1.1 试剂与仪器
备高强度骨架的 PI 气凝胶对进一步扩展其应用范围
ODA，上海阿拉丁生物科技股份有限公司；N,N-
具有重要意义。
二甲基甲酰胺（DMF），分析纯，广东光华科技股份
目前，研究人员通常采用向 PI 分子链中引入交 有限公司；对位芳纶短切纤维（PPTA），美国杜邦
联结构或向 PI 基体中引入增强填料的方法来提高其 公司；三乙胺（TEA）、KOH、二甲基亚砜（DMSO）、
机械性能 [16-19] 。CAROLINA 等 [20] 向 PI 气凝胶中加 BTDA，分析纯，上海麦克林生化科技有限公司。
入交联剂三(4-氨基苯基)胺，制备的气凝胶的杨氏模 Vector-22 型傅里叶变换红外光谱仪，德国 Bruker
量较 PI 气凝胶提高了 34%，但其密度随着交联剂的 公司；SmartLab 9 kW X 射线衍射仪，日本理学
加入急剧增大。ZHU 等 [21] 制备了玻璃纤维（GF）/PI Rigaku 公司；S8100 型扫描电子显微镜，日本 Hitachi
复合气凝胶，其杨氏模量较 PI 气凝胶提高了 166%， 公司；Tecnai G2 F20 S-TWIN 型透射电子显微镜，
但这种改性随着 GF 与 PI 质量比的增加，脆性显著 美国 FEI 公司；SDT Q600 热分析仪，美国 TA 公司；
提高。JAMROZ 等 [22] 向聚碳酸酯弹性体中加入质量 DSC7020 型差示扫描量热仪，日本日立公司；AI-7000-
分数为 4%的纳米黏土，样品的杨氏模量比纯聚碳酸 NGD 伺服材料多功能高低温控制万能试验机，中国
酯弹性体增加了 20%，且对弹性无明显影响。近年 台湾高特维尔有限公司。
来，研究人员发现，具有较大长径比的纳米填料能 1.2 方法
够在较低的添加量下有效地改善聚合物气凝胶的力 1.2.1 ANFs 的制备
学性能 [23-24] 。芳纶纳米纤维（ANFs）是由对位芳纶 采用化学劈裂法制备 ANFs [32] 。首先，向 500 mL
纤维（PPTA）通过化学劈裂法制得的聚合物纳米纤 DMSO 中分别加入 1.0 g PPTA、20 mL 去离子水以
维，不仅具有独特的纳米尺度结构、大长径比和比 及 1.5 g（26.7 mmol）KOH，室温下剧烈搅拌 4 h 后，
表面积，还保留了芳纶纤维优异的力学性能和耐温 得到暗红色溶液，再加入 1 L 去离子水进行质子化
性能，是一种较为理想的增强材料 [25-29] 。LIN 等 [30] 还原，得到浅黄色凝胶状的 ANFs，用去离子水反复
将 ANFs 分散在环氧树脂中，与纯环氧树脂相比， 洗涤除去体系中的 KOH 和 DMSO，将得到的 ANFs
当 ANFs 的添加量为环氧树脂质量的 1.5%时，制备 重新分散在 500 mL 去离子水中，制得质量浓度为 2
的复合材料的杨氏模量提高了 27%，机械强度和韧 g/L 的 ANFs 分散液。
性分别提高了 28%和 22%。DONG 等 [31] 将多种非极 1.2.2 ANFs/PI 复合气凝胶的制备
性基团改性的 ANFs 加入聚氯乙烯中，得到复合薄 通过 ODA 和 BTDA 制备 PAA，然后加入 ANFs
膜的杨氏模量、屈服强度和韧性均有提高。 得到 ANFs/PAA 水凝胶，经过冷冻干燥和热亚胺化
本文拟以 4,4′-二氨基二苯醚（ODA）和 3,3′,4,4′- 得到 ANFs/PI 复合气凝胶（反应过程见图 1）。
