基于Diels-Alder化学的可闭环回收聚酰亚胺气凝胶：实现超绝热与零废弃材料设计

本文报道了一种基于Diels-Alder动态共价化学的聚（酰胺-酰亚胺）气凝胶（PAIAs）合成策略，通过"气凝胶-溶胶-气凝胶"（ASA）循环工艺实现材料的闭环回收。该气凝胶具有超低导热系数（16.0 mWm-1K-1）、高孔隙率（>87%）和优异力学强度（≈3.4 MPa），其热可逆交联网络可在100℃解聚为可溶性寡聚体，无需催化剂即可重构为性能保持率100%的新气凝胶，为开发可持续超绝热材料提供了新范式。

　　

引言

气凝胶作为国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）评选的十大化学新兴技术之一，在节能领域展现出巨大潜力。其中聚酰亚胺（PI）气凝胶因其卓越的热稳定性（T_d5%≈400℃）和机械强度备受关注，但传统永久交联网络导致其不可回收。本研究通过呋喃胺修饰商业聚酰亚胺Matrimid^? 5218，制备含呋喃基团的聚（酰胺-酰亚胺）（PAI-FU），再与双马来酰亚胺（BMI）通过Diels-Alder反应构建热可逆交联网络，开创了气凝胶闭环回收新路径。

材料设计与制备

PAI-FU中约25%的酰亚胺基团被呋喃取代（¹H NMR证实），与BMI在50℃发生环加成反应形成交联网络。溶剂交换甲基乙基酮（MEK）后经超临界CO₂干燥，获得三种不同密度（0.08-0.12 g cm^-3）的PAIAs。模型反应显示Diels-Alder转化率达68%，97℃即可触发逆反应实现解聚。

性能表征

结构特性：PAIAs呈现典型IV型氮吸附等温线，比表面积达278.6 m² g^-1，骨架由纳米颗粒串联构成（直径16-54 nm）。随浓度增加，孔径从314 nm减小至72.8 nm，接触角升至126°，水吸收率仅5%。

力学性能：压缩模量达3.40 MPa，优于同类密度有机气凝胶，可承受70%形变。

热学特性：导热系数低至16.0 mWm^-1K^-1，红外热像显示其能有效阻隔100℃至-25℃温差。TGA显示5%失重温度405℃，燃烧测试中10秒自熄，残炭层阻隔火焰蔓延。

闭环回收机制

PAIA-C在DMAc中97℃解聚3小时即完全溶解，GPC显示寡聚体分子量与原料相当。补充31 mol%新鲜BMI后，重构气凝胶保持原始性能：导热系数15.9-16.9 mWm^-1K^-1，孔隙率>87%，SEM证实纳米结构完整性。该ASA过程实现100%原料利用率，无需纯化步骤。

结论

本研究通过Diels-Alder化学赋予聚酰亚胺气凝胶热可逆特性，首次实现其闭环回收。材料兼具超绝热性（λ_Total<20 mWm^-1K^-1）、优异力学强度和阻燃性，回收过程零废弃产生，为建筑节能、航空航天等领域可持续隔热材料开发提供新思路。