CellPress細胞科學官方澎湃號12月15日訊：近日，北京航空航天大學秦國彤教授團隊在Cell Press細胞出版社旗下期刊iScience上發表了題為“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。通過改變凝固浴（水與乙醇）的組成，調控聚酰亞胺膜孔結構，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性能與孔結構之間的關系。經優化，聚酰亞胺膜可同時獲得低導熱系數（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用領域從海水淡化或氣體分離等領域擴展到隔熱節能領域。
圖1聚酰亞胺膜制備流程圖
能源危機是人類面臨的主要問題，節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，隔熱材料的發明和應用可有效降低熱能損失。常規隔熱材料的導熱系數在30到40W·m-1·K范圍內。雖然聚酰亞胺膜在隔熱節能方面具有良好的應用前景，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熱系數和高抗拉伸強度。
聚酰亞胺膜的多孔結構是在相分離過程中形成的，通過調控凝固浴的組成，可獲得具有不同厚度的多級孔結構或均勻納米孔結構的聚酰亞胺膜。當使用純水作為凝固浴時，薄膜顯示出典型的多級孔結構，包括致密的介孔皮層、微米級大孔和由均勻的納米孔構成的大孔孔壁。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熱系數最高（0.035W m-1 K-1），這可能與存在大孔或連接孔有關，大孔或連接孔加速了氣體對流熱傳導。含70w%乙醇的凝固浴中所制得的膜導熱系數最低（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。由于膜孔均勻，導熱系數最低的膜同時也表現出較高的抗拉伸強度（89.6MPa）。
圖2不同凝固浴中聚酰亞胺膜的導熱系數和抗拉伸強度
通過調控凝固浴組成來調控膜孔結構，在常溫常壓干燥條件下，獲得同時具有超低導熱系數和高抗拉伸強度的超級隔熱柔性聚酰亞胺膜。相關成果為隔熱聚合物膜制備提供了全新的方法思路，揭示了膜孔結構與導熱系數及力學性能間的內在聯系，為未來隔熱節能材料的制備與應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以及北京化工大學，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基金委、中國博士后科學基金委科研項目的資助。
