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東華大學(xué)朱美芳院士/葉長懷團(tuán)隊(duì) AFM：基于CO2發(fā)泡方法制備超高透明度、優(yōu)異力學(xué)性能的柔性聚酰亞胺納米發(fā)泡材料用于隔熱保溫
2024-08-26  來源：高分子科技

  聚合物發(fā)泡材料具有優(yōu)異的隔熱保溫性能，然而多孔結(jié)構(gòu)對可見光的強(qiáng)烈散射導(dǎo)致不透明的特性限制了其在很多場景的應(yīng)用，比如節(jié)能窗戶領(lǐng)域。消除泡孔對可見光的米氏散射實(shí)現(xiàn)高透明度的光學(xué)特性通常需要將發(fā)泡材料的孔徑減小至40 納米以下。盡管CO2發(fā)泡技術(shù)可以在微米到納米尺度范圍內(nèi)對泡孔尺寸進(jìn)行較好的調(diào)控，然而較低的成核速率和嚴(yán)重的氣泡聚并限制了其獲得均一且小于40納米的CO2發(fā)泡材料。因此，目前文獻(xiàn)中尚未有高透明度、低霧度聚合物CO2發(fā)泡材料的報道。



  東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院葉長懷教授、朱美芳院士團(tuán)隊(duì)報道了一種制備高透光度、低霧度聚酰亞胺CO2發(fā)泡材料的方法。研究人員以合成的含氟聚酰亞胺聚合物作為發(fā)泡基體，利用含氟聚合物對CO2的高親和性，顯著提高聚合物基體對CO2的吸附量，從而極大提高CO2發(fā)泡過程的氣泡成核速率。同時，聚酰亞胺分子鏈的剛性結(jié)構(gòu)可以最大限度抑制氣泡生長過程的氣泡聚并現(xiàn)象，從而制備具有極小孔徑（平均孔徑<10 nm）的CO2發(fā)泡材料。當(dāng)CO2吸附溫度為-5°C，吸附壓力為15MPa時，含氟聚酰亞胺的CO2飽和吸附量達(dá)到70 wt%。在這個條件下，當(dāng)發(fā)泡溫度為160 °C時，所得的CO2發(fā)泡材料平均孔徑僅為5.8 nm。（圖1）


圖1 (a) 不同吸附溫度和壓力下含氟聚酰亞胺（FPI）的CO2飽和吸收量；(b) FPI泡沫的密度、孔隙率；(c) 平均孔徑；(d) SAXS數(shù)據(jù)擬合結(jié)果；(e) SAXS擬合結(jié)果得出的孔徑分布；(f) SEM圖像統(tǒng)計(jì)得到的孔徑分布；(g1-g4) 使用-5°C、10°C、25°C和40°C CO2吸附溫度制備的FPI泡沫的SEM圖像；(h1-h4) 相應(yīng)的發(fā)泡材料的照片。


  制備的聚酰亞胺納米發(fā)泡材料的平均孔徑范圍在5.8 nm至53.5 nm之間，泡孔的米氏散射被極大抑制，因而所得的發(fā)泡材料具有超高的透光率和低霧度。當(dāng)聚酰亞胺發(fā)泡材料的平均孔徑小于12 nm時，約0.2 mm厚度的發(fā)泡材料在500-700nm波長范圍內(nèi)的透光度與商用玻璃接近，而霧度最低小于18%。并且，這種透明CO2納米發(fā)泡材料相較于傳統(tǒng)氣凝膠材料的優(yōu)勢在于其優(yōu)異的韌性和耐濕環(huán)境的特性。聚酰亞胺納米發(fā)泡材料可以在液氮環(huán)境中反復(fù)彎曲以及在水中攪拌6 h后仍然保持納米孔結(jié)構(gòu)不被破壞。研究人員對比了相同孔隙率下納米孔發(fā)泡材料和微米孔發(fā)泡材料的力學(xué)和隔熱性能，發(fā)現(xiàn)納米孔發(fā)泡材料均具有更優(yōu)異的力學(xué)和隔熱性能。通過CO2發(fā)泡法制備的透明納米發(fā)泡材料，憑借其高透明度、優(yōu)異的絕熱和力學(xué)性能，有望成為下一代節(jié)能窗戶隔熱材料，并在航天、汽車及便攜式設(shè)備等對減重有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。


圖2 (a) 不同孔徑FPI發(fā)泡材料的透光度和 (b) 霧度。(c1) 孔徑為11.6納米的FPI納米泡沫和 (c2) 孔徑為5.5微米的微米級泡沫的光學(xué)透明度對比。（d）透明的FPI納米發(fā)泡材料在液氮中彎曲并恢復(fù)原始形狀。(e) 在機(jī)械攪拌過程中，透明的FPI納米泡沫仍然漂浮在水面上。


圖3 納米孔和微米孔CO2發(fā)泡材料的力學(xué)性能對比


圖4 (a) 透明納米泡沫、微米級不透明泡沫的實(shí)測熱導(dǎo)率，以及透明納米泡沫的計(jì)算熱導(dǎo)率；(b) 不同孔隙率FPI納米泡沫中由固相和氣相貢獻(xiàn)的計(jì)算熱導(dǎo)率；(c) 放置在玻璃載片上的FPI納米泡沫和無孔FPI薄膜在 (C1) 50°C、(C2) 100°C、(C3) 150°C 和 (C4) 200°C 時的紅外熱成像。


  該工作以“Achieving Ultrahigh Transparency and Superior Mechanical Properties in Flexible Polyimide Nanofoams Through CO2 Foaming for Thermal Insulation”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上。東華大學(xué)碩士研究生李新澳為該工作的第一作者，葉長懷教授和朱美芳院士為通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202409498

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