2024-10-12 / 行业新闻

科学Tang丨高强度热塑性聚酰亚胺/碳纤维微孔复合泡沫:合成与制备

聚酰亚胺(PI)泡沫以其优异的耐热性,化学稳定性和缓冲性能使其广泛应用于航空航天、船舶、电子和新能源领域。目前的PI泡沫研究主要集中化学发泡制备热固性PI泡沫,但其发泡过程中存在潜在的环境危害,且成本高,这使得研究具有成本效益和环境友好特点的热塑性聚酰亚胺(TPI)泡沫相当重要。

 

然而,TPI在长期高温条件下的热性能和力学性能的提升仍然有限,限制了其在极端环境中的广泛应用。为了应对这一挑战,研究人员正在探索各种方法,包括化学结构修饰和纳米增强策略提高TPI泡沫的各项性能。

 

近期,北京工商大学王向东教授团队报道了一种高强度热塑性聚酰亚胺/碳纤维微孔复合泡沫的制备。首先以芳香族4,4′-二氨基二苯醚(ODA)和线型聚醚胺(D230)为原料,合成高度支化和微交联结构的TPI,采用表面处理的SCF与TPI复合,进一步利用超临界二氧化碳(ScCO 2)技术对TPI和TPI/SCF复合材料进行发泡,制备了具有小泡孔尺寸和优异机械强度的TPI泡沫材料。

 

其中,ODA加入提高聚合物链的刚性和热稳定性,添加SCF可显著提高TPI/SCF复合材料的力学性能。这项工作不仅为高性能TPI泡沫材料的开发提供了创新思路,同时也拓展了其在航空航天和电子通讯等苛刻领域的应用可能性。

 

该研究成果以“High strength microcellular thermoplastic polyimide/carbon fiber composite foams containing flexible ether amine, rigid diaminodiphenyl ether, and triaminopyrimidine moieties: Synthesis and fabrication”为题发表在《Chemical Engineering Journal》期刊上,论文第一作者为刘海明博士,通讯作者为王向东教授
 

01

化TPI泡沫与TPI/SCF泡沫的制备过程和形貌表征
 

图1(a)为支化TPI的合成过程:以均苯四甲酸二酐(PMDA)为二酐单体,D230和ODA为二胺单体(调节摩尔比),2,4,6-三氨基嘧啶(TAP)为扩链剂单体合成聚酯铵盐(PEAS)前驱体溶液,随后通过热亚胺化反应转化为TPI。

图1(b)为TPI/SCF复合材料的制备过程,其中羟基和羧基可以发生酯化反应形成酯键。图1(c)证明了改性SCF表面显示羧基,而TPI中存在羟基。图1d为纯TPI的SEM图像,图1(e)表明SCF与TPI有较强的界面粘合力,图1(g)为SCF表面的SEM图像。图1(f) 为TPI泡沫与TPI/SCF复合泡沫的制备流程,发泡条件为20MPa, 2h。

图1.支化TPI泡沫与TPI/SCF复合泡沫的制备和形貌表征

 

02

TPI热性能与流变性能

 

图2(a-b) 表明随着ODA含量增加,TPI的Tg和热分解温度逐渐升高,这归因于更多的支链或交联结构限制了分子链的运动,降低了TPI的热分解速率。图2(c-e)表明随着ODA含量增加,TPI的储能模量、损耗模量和复数黏度都在增加,这是由于ODA促进了TPI分子形成支化与交联结构,并增加了TPI分子间的链缠结,使得PI的黏弹性响应从类液体状态转变为类固体状态。

图2 (f) 表明ODA含量增加提高了TPI的黏性特征。图2(g) 表明随着ODA含量增加,TPI内部逐渐形成了支化与交联结构。图2(h) 为不同ODA含量下tanδ与ω的关系,图线交点表明在该ODA/D230比例下,TPI分子开始形成支化拓扑结构。

图2.ODA含量对TPI性能的影响

 

03

TPI泡沫和TPI/SCF发泡性能
 
图3(a-c)研究了在相同的饱和时间和压力条件下,ODA/D230比例、发泡温度对PI泡沫的泡孔尺寸、发泡倍率和泡孔密度的影响。图3(d-f)进一步研究了在恒定饱和时间和发泡温度条件下,饱和压力对PI泡沫的泡孔尺寸、体积膨胀比和泡孔密度的影响。
基于这些数据,选择四种不同的发泡温度(112 ℃、122 ℃、132 ℃和142 ℃)以获得具有不同ODA含量的PI泡沫。图3(g-i)研究了不同发泡温度和SCF含量对TPI/SCF发泡性能的影响,特别是对泡孔尺寸、泡沫密度和发泡倍率的影响。
结果表明,SCF含量和发泡温度对复合材料发泡性能有明显影响。当SCF用量为3份,发泡温度为125 ℃时,复合材料的发泡倍率最高,密度为88 kg/m3,泡孔尺寸约为11 μm。这些研究结果为深入了解SCF含量和发泡温度对TPI/SCF复合泡沫材料微观结构和性能的影响提供了重要依据,为进一步优化泡沫材料制备工艺提供了有价值的参考。

图3.各种因素对TPI 泡沫及TPI/SCF泡沫的发泡性能的影响

 
04

TPI/SCF泡沫压缩性能

图4(a-b)表明在泡沫密度(180 ± 10 kg/m3)条件下,随着SCF含量的增加,TPI/SCF泡沫压缩强度提高了近300%。图17(c-f)详述了在不同发泡温度(115 ℃、120 ℃、125 ℃和130 ℃)下SCF含量对TPI/SCF泡沫的压缩强度的影响: 随着SCF含量的增加,所有TPI/SCF泡沫压缩强度都得到提高; 固定SCF含量,发泡温度的增加导致压缩强度的降低。这是因为更高的温度会降低聚合物熔体的强度,使得泡孔壁更容易破裂,从而削弱材料的整体强度。此外,在较高温度下的SCF膨胀可能破坏成核位点的分布,进一步影响材料的微观结构稳定性。
因此,为了实现最佳的复合材料性能,平衡SCF含量和发泡温度的综合影响对于优化制备工艺至关重要。上述结果不仅为理解材料性能提供了新的视角,也为复合泡沫材料的制备和性能优化提供了有价值的参考。

 

图4. TPI/SCF压缩强度曲线

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154384

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