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

首页新闻

2024-10-12 / 行业新闻

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。

支化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

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

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

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

更多新闻

2025.06.27

聚丙烯发泡珠粒（EPP）技术发展现状与未来趋势分析

行业新闻

发泡聚丙烯(EPP)发泡珠粒集轻量化、高强度和环保性于一体，压缩强度达1.5MPa(超传统泡沫3倍)，兼具抗菌(潮湿环境霉菌覆盖率仅5%)、绝缘(介电常数1.8~2.2)及尺寸稳定性(温变线性变形率＜0.1 %)等特性，广泛应用于汽车、包装、电子等领域。其核心技术依托超临界流体发泡工艺，通过熔体改性、气体扩散调控实现微孔结构优化。

了解更多

2025.06.27

松韬自动化：全高压二氧化碳连续发泡生产线-Interfoam展商星势力

行业新闻

上海松韬自动化设备有限公司凭借其深厚的技术积淀和强大的研发团队，成功攻克难关，于2023年率先研发出具有行业领先水平的全高压二氧化碳连续发泡生产线，并于2025年在江苏一家公司成功落地应用。这一重大技术成果，不仅标志着松韬自动化在高端环保装备领域的卓越实力，更彰显了其以创新驱动发展、以品质赢得信赖、以服务创造价值的核心理念，为全球客户提供面向未来的绿色智能生产解决方案。

了解更多

2025.06.17

鲜众科技：深耕30余年的聚氨酯高分子材料加工及生产商-Interfoam展商星势力

企业新闻

鲜众（上海）科技有限公司为鲜众集团上海总部，鲜众集团1997年创立于沈阳，股东均为深耕30余年的聚氨酯高分子材料加工及生产商，集团内8家子公司，服务于汽车行业、服装行业、家私行业及军工行业，因“更好的为客户服务”这一愿景，将高分子材料生产与针织、表皮等各种材料的多种复合简化为一站式完成，缩短复合材料供应链，可提高客户的生产效率、降低客户采购成本，集团公司与国内多家知名内外饰Tier 1紧密合作多年，受到广大客户好评。

了解更多

2025.06.16

Interfoam发泡材料展以协办单位出席2025 中国聚氨酯硬泡/软泡行业可持续发展技术（培训）研讨会

行业新闻

2025 年 6 月 6 日至 10 日，由中国聚氨酯工业协会主办，Interfoam发泡材料展以协办身份参加的 “2025 中国聚氨酯硬泡/软泡行业可持续发展技术（培训）研讨会” 在浙江绍兴开元名都大酒店成功举办并完美收官。

两场研讨会聚焦聚氨酯泡沫行业的绿色转型与技术创新，吸引了国内外超 500 家企业代表、专家学者及行业精英参与，为聚氨酯泡沫行业的可持续发展搭建了高端交流平台。

了解更多

2025.06.16

美铄新材：主要生产PPF、XPE、IXPE和ESD防静电/导电功能材料和制品丨展商星势力

企业新闻

湖州美铄新材科技有限公司致力于交联聚烯烃发泡材料的研发、生产和销售，主要产品有PPF，XPE，IXPE和ESD防静电/导电功能材料和制品。“美铄新材”的核心团队深耕行业二十年，研发团队集合了行业中的技术骨干。

聚烯烃发泡材料应用于各行各业，从运动休闲，医疗敷料，缓冲包装，民用建筑到汽车内饰件，渗透入生活的方方面面。其中PPF是公司旗舰核心产品，承载了公司团队多年的科研心血。

了解更多