[发明专利]一种各向异性细菌纤维素/聚酰亚胺气凝胶及其制备方法

说明书

本发明提供了一种各向异性细菌纤维素/聚酰亚胺气凝胶，其特征在于，其制备方法包括双向冷冻。本发明所制备的各向异性的聚酰亚胺/细菌纤维素气凝胶质量小，强度高，在特定方向的导热系数极低，使用可再生的绿色环保材料‑细菌纤维素，制备过程简单易操作，成本低，绿色环保，可适用于多种隔热场景。

技术领域

本发明涉及隔热保温材料领域，具体是涉及一种具有超隔热功能的各向异性细菌纤维素/聚酰亚胺气凝胶及其制备方法。

背景技术

气凝胶是由高聚物分子或胶体粒子相互聚结构成连续的多孔三维骨架网络结构，并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料，其具有密度低、比表面积高、热导率低等特点，在航空航天、石油化工、汽车工业、建筑保温等领域有广阔的前景。

各向异性隔热材料主要受隔热场景的方向性启发而产生，通过双向冷冻复合水凝胶的方法，调控气凝胶孔的结构与方向性，产生一定的取向，赋予气凝胶各向异性，在特定方向上的导热系数降至极低，在此方向上去隔绝热量的传递，极大地增强了气凝胶隔热保温的性能，拓宽其潜在应用前景。

聚酰亚胺(Polyimide)是一种具有成型加工性能好、机械强度高、热稳定性好等优点的特种工程塑料，广泛应用于国民经济的各个领域。细菌纤维素(Bacterial cellulose)具有高度发达的精细网络织态结构，其纤维由直径3～4纳米的微纤和40～60纳米的纤维束组成，进一步增加了气凝胶中的空隙，降低导热系数。细菌纤维素价廉可再生，绿色环保，其本身有很好的生物相容性，增强了本发明的经济性和实用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备过程简单、成本低廉、绿色环保、隔热保温性能优良的细菌纤维素/聚酰亚胺气凝胶及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种各向异性细菌纤维素/聚酰亚胺气凝胶，其特征在于，其制备方法包括双向冷冻。

优选地，所述的各向异性细菌纤维素/聚酰亚胺气凝胶在与冷冻方向垂直的方向上的导热系数低于0.030W/(mK)。

本发明还提供了上述的各向异性细菌纤维素/聚酰亚胺气凝胶的制备方法，其特征在于，包括：制备细菌纤维素/聚酰胺酸水凝胶；将所得的细菌纤维素/聚酰胺酸水凝胶置于模具中用液氮双向冷冻，再置于冷冻干燥机中干燥；进行热亚胺化，得到各向异性细菌纤维素/聚酰亚胺气凝胶。

优选地，所述的双向冷冻包括将细菌纤维素/聚酰胺酸水凝胶置于双向冷冻用的模具内，模具的下端为斜面，模具的下侧设有一支撑件，该支撑件的上端与该斜面接触，下端与铜块的上端接触，将铜块的下端置于液氮中，使模具中的细菌纤维素/聚酰胺酸水凝胶完全冷冻。

更优选地，所述的模具为聚苯乙烯材质，支撑件为由聚二甲基硅氧烷制成的实心三棱柱。

优选地，所述的细菌纤维素/聚酰胺酸水凝胶的制备方法包括：将细菌纤维素置于去离子水中，超高速分散得到微米级长度纤维状的细菌纤维素分散液；将水溶性聚酰胺酸和三乙胺溶于细菌纤维素分散液中，均匀混合，经过溶胶凝胶过程，得到细菌纤维素/聚酰胺酸水凝胶。

更优选地，所述的水溶性聚酰胺酸的制备方法包括：先将合成聚酰亚胺的单体二元胺溶于极性溶剂，再加入另一种单体二元酐，在冰水浴中聚合反应一段时间后加入三乙胺，继续反应一段时间，制备得到聚酰胺酸溶液；将此聚酰胺酸溶液缓慢倒入去离子水中沉析得到聚酰胺酸纤维，再将聚酰胺酸纤维冷冻干燥，即可得到水溶性聚酰胺酸。此方法参考专利《一种具有自修复功能的氧化石墨烯/聚酰胺酸水凝胶及其制备方法》。(CN107337927A)

更优选地，所述的合成水溶性聚酰胺酸的二元胺单体为4，4’-二氨基二苯醚(ODA)；所述二元酐单体为均苯四甲酸二酐(PMDA)。

更优选地，所述的合成水溶性聚酰胺酸的极性溶剂为二甲基乙酰胺(DMAc)。