微波辅助发泡法制备具有各向异性性能的隔热疏水共聚型聚酰亚胺泡沫材料

本文推荐一种通过微波辅助发泡技术制备具有各向异性结构的共聚型聚酰亚胺泡沫（PIFs）的创新方法。该材料以BTDA/BPADA为共聚二酐，ODA为二胺，通过定向发泡形成垂直方向近球形孔和水平方向椭球条状孔的特殊结构，兼具低导热系数（0.0267 W/(m·K)）和超高疏水性（接触角128°）。其垂直向压缩强度达水平向的1-3倍，热稳定性优异（T5%≥526.5°C），在航空航天、核能等领域具有重大应用潜力。

　　

Highlight

本研究通过共聚策略（采用ODA为二胺、BTDA/BPADA为二酐）合成聚酯铵盐（PEAS）前体粉末，并利用微波辅助发泡和热酰亚胺化处理制备出轻质隔热疏水聚酰亚胺泡沫（PIFs）。"自下而上"的定向发泡过程形成了垂直方向规则近球形孔和水平方向有序椭球条状孔，赋予材料各向异性的机械性能、隔热性和疏水性：垂直向压缩强度比水平向高1-3倍，水平向导热系数低至0.0267 W/(m·K)（接近空气），垂直向水接触角高达128.0°。

Materials

实验采用3,3',4,4'-二苯甲酮四羧酸二酐（BTDA，纯度99%）和4,4'-(4,4'-异丙基二苯氧基)二邻苯二甲酸酐（BPADA，纯度99%）作为二酐单体，四氢呋喃（THF）和无水甲醇（CH₃OH）为溶剂，4,4'-二氨基二苯醚（ODA）为二胺单体。所有原料均经过严格干燥处理。

Chemical structure and aggregation state

FTIR谱图显示（图2a）：BTDA在1854、1781和1668 cm^-1处出现酐基C=O不对称/对称伸缩振动和苯甲酮C=O特征峰；BPADA在2962 cm^-1（C-H）和1223 cm^-1（C-O-C）处呈现特征吸收；ODA的N-H伸缩振动峰位于3386 cm^-1。这些特征峰证实了单体的化学结构完整性。

Conclusions

通过BTDA/BPADA共聚比调控，结合微波辅助发泡技术成功制备出密度18-23 kg/m³、压缩回弹率≥97%的PIFs。材料兼具优异耐热性（T_g≥245.7°C）和热稳定性（T_5%≥526.5°C），通过调控表面能、单位体积偶极密度和分子链柔顺性，实现了导热系数与疏水性的协同优化。