北航秦國彤教授課題組：超級隔熱柔性多孔聚酰亞胺膜制備

  CellPress細胞科學(xué)官方澎湃號12月15日訊：近日，北京航空航天大學(xué)秦國彤教授團隊在Cell Press細胞出版社旗下期刊iScience上發(fā)表了題為“Facile synthesis of super-thermal insulating polyimide aerogel-like films”的文章，報道了簡單相分離且常溫常壓干燥條件下制備超級隔熱柔性多孔聚酰亞胺膜。通過改變凝固?。ㄋc乙醇）的組成，調(diào)控聚酰亞胺膜孔結(jié)構(gòu)，制備了具有均勻納米孔的超級隔熱柔性多孔聚酰亞胺膜，揭示了聚酰亞胺膜的隔熱性能及力學(xué)性能與孔結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。經(jīng)優(yōu)化，聚酰亞胺膜可同時獲得低導(dǎo)熱系數(shù)（0.019W m-1 K-1）和高抗拉伸強度（89.6MPa）。超級隔熱柔性多孔聚酰亞胺膜的成功制備將聚酰亞胺膜的應(yīng)用領(lǐng)域從海水淡化或氣體分離等領(lǐng)域擴展到隔熱節(jié)能領(lǐng)域。
  能源危機是人類面臨的主要問題，節(jié)能是解決能源危機的重要手段。熱能損失占能量損失的比重較大，隔熱材料的發(fā)明和應(yīng)用可有效降低熱能損失。常規(guī)隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)在30到40W·m-1·K范圍內(nèi)。雖然聚酰亞胺膜在隔熱節(jié)能方面具有良好的應(yīng)用前景，但由于制備過程耗時及高壓工藝的安全問題，聚酰亞胺膜的應(yīng)用仍受限。
  面對這些問題，秦國彤團隊通過簡單相分離法，在常溫常壓下制備了超級柔性多孔聚酰亞胺膜。這種制備方法避免了常規(guī)工藝中繁瑣的溶劑交換和超臨界干燥（或冷凍干燥）過程，所制得的聚酰亞胺膜同時具有超低導(dǎo)熱系數(shù)和高抗拉伸強度。
  聚酰亞胺膜的多孔結(jié)構(gòu)是在相分離過程中形成的，通過調(diào)控凝固浴的組成，可獲得具有不同厚度的多級孔結(jié)構(gòu)或均勻納米孔結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺膜。當(dāng)使用純水作為凝固浴時，薄膜顯示出典型的多級孔結(jié)構(gòu)，包括致密的介孔皮層、微米級大孔和由均勻的納米孔構(gòu)成的大孔孔壁。在凝固浴中加入20w%乙醇，孔隙率降低，膜孔徑從幾十微米減少到數(shù)百納米，且孔間相互連接。隨著凝固浴中乙醇含量增加到40w%，大孔消失，薄膜變得對稱，孔間連通性降低。當(dāng)乙醇含量進一步增加到70w%時，孔徑變小，孔間連通性減小，多為封閉孔。當(dāng)乙醇含量達到90w%時，孔道壁變厚且孔徑增大。
  含40w%乙醇的凝固浴中所制得的膜導(dǎo)熱系數(shù)最高（0.035W m-1 K-1），這可能與存在大孔或連接孔有關(guān)，大孔或連接孔加速了氣體對流熱傳導(dǎo)。含70w%乙醇的凝固浴中所制得的膜導(dǎo)熱系數(shù)最低（0.019 W m-1 K-1），這是因為膜孔大多是封閉孔，有效降低了氣體對流熱傳導(dǎo)。由于膜孔均勻，導(dǎo)熱系數(shù)最低的膜同時也表現(xiàn)出較高的抗拉伸強度（89.6MPa）。
  通過調(diào)控凝固浴組成來調(diào)控膜孔結(jié)構(gòu)，在常溫常壓干燥條件下，獲得同時具有超低導(dǎo)熱系數(shù)和高抗拉伸強度的超級隔熱柔性聚酰亞胺膜。相關(guān)成果為隔熱聚合物膜制備提供了全新的方法思路，揭示了膜孔結(jié)構(gòu)與導(dǎo)熱系數(shù)及力學(xué)性能間的內(nèi)在聯(lián)系，為未來隔熱節(jié)能材料的制備與應(yīng)用提供了全新的解決方案。
  本論文完成人來自北京航空航天大學(xué)以及北京化工大學(xué)，第一作者為馬晶博士，主要通訊作者為秦國彤教授。該研究得到國家自然科學(xué)基金委、中國博士后科學(xué)基金委科研項目的資助。