一种聚酰亚胺气凝胶的制备方法及其制备装置与流程

本发明属于气凝胶材料领域，具体涉及一种聚酰亚胺气凝胶的制备方法及其制备装置。

背景技术：

1、气凝胶是由胶体粒子或高聚物分子相互聚结构成纳米多孔网络结构，并在纳米孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固态纳米材料。气凝胶具有低密度、高比表面积、低热导率及低声阻抗等特点。聚酰亚胺气凝胶是有机气凝胶的一种，与纯无机气凝胶相比具有良好的力学性能和柔韧性能，同时具有低热导率，制成的薄膜具有很好的柔韧性，可弯曲、折叠，在折叠航天器、航天飞行器热控系统、航天服、军用帐篷等方面具有非常广阔的应用前景。

2、聚酰亚胺气凝胶可分为线型和交联型两种。线型结构的聚酰亚胺气凝胶，在超临界干燥过程中体积往往会发生较大的体积收缩，不适合工业生产；而交联型聚酰亚胺气凝胶从原理上分析，由于交联剂的引入使得聚酰亚胺聚合物链通过共价键进行结合，可以形成三维网状结构，使其能降低样品的密度和导热系数，同时提升其热、力学性能。

3、然而，目前生产的聚酰亚胺（pi）气凝胶孔径较大，且孔径分布不够均匀，在模具冷冻成形过程中易出现脱模困难，成型不规则等问题，强力脱模还会造成聚酰亚胺（pi）气凝胶的损坏。本方案针对这一技术问题进行解决。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种聚酰亚胺气凝胶的制备方法及其制备装置，解决了如何同时解决控制气凝胶孔径大小和脱模的技术问题，通过完善生产工艺，使生产的聚酰亚胺气凝胶拥有更小的孔径和更规则的外观形态，更容易脱模，且保证了其性能的稳定。

2、一种聚酰亚胺气凝胶的制备方法，具体包括如下步骤：

3、步骤s1：将bpda二酐和oda二胺，加入三乙胺中，制备水溶性聚酰胺酸盐溶液并沉析颗粒；

4、步骤s2：将水溶性聚酰胺酸盐溶液放置在内模具中，并向内模具中添加芳纶复合材料、交联剂、脱水剂、柔软剂、石墨烯材料和丙三醇，用于固定形状；同时，内模具设置在外模具的内部，两者之间具有间距；

5、在低温冷冻下，来实现大分子物质的交联，经过溶胶凝胶过程形成聚酰胺酸湿凝胶；

6、步骤s3：对步骤s2中的聚酰胺酸湿凝胶进行干燥，可制备聚酰胺气凝胶；

7、步骤s4：通过加热对步骤s3中的聚酰胺气凝胶进行热亚胺化得到聚酰亚胺气凝胶；

8、步骤s5：将聚酰亚胺气凝胶取出。

9、所述的步骤s1和步骤s2中，按质量百分比计，各原料的用量为bpda二酐10％～20％、oda二胺15％～25％、三乙胺30％～45％、芳纶复合材料5%-10%、交联剂1%-2%、脱水剂1%-2%、柔软剂1%-2%、石墨烯材料5％～10％、丙三醇2%-10%。

10、所述步骤s2中，在水溶性聚酰胺酸盐溶液放置在内模具前，先向内模具中铺设一层油膜，油膜厚度在0.1-0.3cm，对油膜进行低温冷冻，使其成为冷冻层，溶液位于冷冻层包裹中。

11、所述步骤s2中，在油膜铺设在内模具中前，预先对油膜通入空气，使得油膜中充满着小气泡。

12、所述步骤s5中，将内模具和外模具放置在密闭空间中，当需要将制备好的聚酰亚胺气凝胶取出时，对封闭空间进行抽真空处理。

13、所述步骤s2中，所述外模具与电加热丝连接，所述电加热丝与电源连接。

14、所述油膜的种类为植物油、动物油、矿物油、香精油中的任意一种。

15、一种聚酰亚胺气凝胶的制备装置，包括封闭箱，所述封闭箱的顶端设置固定盖和活动盖，且内部设置降温冷冻装置，所述封闭箱的内部设置有外模具，所述外模具的内部设置有内模具，所述外模具的内侧面和所述内模具的外侧面之间设置有间距，所述内模具的上端部设置有若干的进液孔，所述间距内部设置有液体油，所述内模具的内部设置有升降活塞，所述内模具的底端与连通管的一端连接，所述连通管的另一端伸入外部；所述封闭箱与吸气喷气组件连接；

16、所述外模具还与电加热组件连接。

17、所述吸气喷气组件包括与封闭箱连通的真空泵、一端与所述真空泵连接的抽吸管、一端与所述抽吸管连接的吹气管、设置在所述抽吸管上的阀门二、设置在所述吹气管上的阀门一，所述吹气管的另一端穿过所述固定盖且与细管的一端连接，所述细管的另一端伸入到所述间距中的油液面以下。

18、所述电加热组件包括一端与所述外模具连接的两个电热丝、与两个所述电热丝连接的电源。

19、本发明的有益效果在于如下：

20、（1）加入丙三醇和石墨烯，具有如下的几点技术效果：

21、一是加入丙三醇使气凝胶网络结构更细化，骨架颗粒更细小，同时孔洞较小且分布均匀、密集，通过bet吸附仪测试其测孔径分布，产生了优良的技术效果；

22、二是与石墨烯结合，形成电流变液，液体中微粒的微观形态呈降落伞结构，有利于提高胶体溶液的抗沉降性能，避免溶胶的过度聚集；

23、三是添加石墨烯，还有助于形成致密、良好分散性能的溶液,有助于配方工艺的优化，同时也间接提升了聚酰亚胺气凝胶的防腐性能和力学性能的提升；

24、（2）在模具的内侧和底面设置有油膜，并使其冷冻，形成冷冻油膜层，一方面当聚酰亚胺（pi）气凝胶形成后并脱模时，更加容易，此时升温将油膜层融化，聚酰亚胺气凝胶便可以非常容易的从模具中脱离开来，另一方面，加入石墨烯虽然能够产生良好的效果，但是也增加了聚酰亚胺气凝胶与其它材料的界面粘结力，因此设置冷冻油膜层，可以进一步避免聚酰亚胺气凝胶难以从模具中脱离的现象；

25、此外，聚酰亚胺气凝胶具有较高的吸水率，若吸水率过高就会使气凝胶遭到破坏而失去使用价值，因此，油膜的使用有助于降低聚酰亚胺气凝胶的吸水率，对保持其性能、延长其使用寿命和扩大其应用领域具有重要的作用；

26、最后，丙三醇并不溶于油膜中，即两者并不相互润湿，因此加入丙三醇，还有助于聚酰亚胺气凝胶与油膜之间分离地更加容易；

27、（3）在模具上设置电热丝，可以实现如下几点技术效果：

28、一是有助于实现气凝胶的热亚胺化；

29、二是将冷冻油膜层融化，并在封闭箱中，实现对聚酰亚胺气凝胶的干燥处理；

30、三是由于在油膜中含有较多的气泡，因此加热油膜后，使得气泡破裂，从而使得聚酰亚胺气凝胶与油膜更加容易分离；

31、（4）设置有吸气喷气组件，具有如下的几点技术效果：

32、一是配合外模具和内模具之间的液体油，通过细管向液体油中喷气，使得液体油中产生较多微小的气泡，当降温冷冻后，气泡保存在油膜中；

33、二是关闭阀门一，打开阀门二，封闭活动盖，将封闭箱抽真空，一方面有助于气泡在油膜中的破裂，另一方面有助于升降模具的上升，将形成的聚酰亚胺气凝胶顶出，从而方便了聚酰亚胺气凝胶的取出；

34、（5）气凝胶孔径大小和脱模难易是相互矛盾的关系，气凝胶孔径越小，脱模难度越大，气凝胶孔径越打，脱模难度越容易；而本方案在制备聚酰亚胺气凝胶过程中，结合油膜、丙三醇和石墨烯，三者组合且相互配合，同时解决了控制气凝胶孔径大小和脱模的技术问题，使生产的聚酰亚胺气凝胶拥有更小的孔径和更规则的外观形态，且脱模更加容易；芳纶复合材料的添加形成聚酰亚胺气凝胶的增强基，避免了脱模时对聚酰亚胺气凝胶的损坏。