CellPress细胞科学官方澎湃号12月15日讯：近日，北京航空航天大学秦国彤教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊iScience上发表了题为“Facile synthesis of super-thermal insulating polyimide aerogel-like films”的文章，报道了简单相分离且常温常压干燥条件下制备超级隔热柔性多孔聚酰亚胺膜。通过改变凝固浴（水与乙醇）的组成，调控聚酰亚胺膜孔结构，制备了具有均匀纳米孔的超级隔热柔性多孔聚酰亚胺膜，揭示了聚酰亚胺膜的隔热性能及力学性能与孔结构之间的关系。经优化，聚酰亚胺膜可同时获得低导热系数（0.019W m-1 K-1）和高抗拉伸强度（89.6MPa）。超级隔热柔性多孔聚酰亚胺膜的成功制备将聚酰亚胺膜的应用领域从海水淡化或气体分离等领域扩展到隔热节能领域。
图1聚酰亚胺膜制备流程图
能源危机是人类面临的主要问题，节能是解决能源危机的重要手段。热能损失占能量损失的比重较大，隔热材料的发明和应用可有效降低热能损失。常规隔热材料的导热系数在30到40W·m-1·K范围内。虽然聚酰亚胺膜在隔热节能方面具有良好的应用前景，但由于制备过程耗时及高压工艺的安全问题，聚酰亚胺膜的应用仍受限。
面对这些问题，秦国彤团队通过简单相分离法，在常温常压下制备了超级柔性多孔聚酰亚胺膜。这种制备方法避免了常规工艺中繁琐的溶剂交换和超临界干燥（或冷冻干燥）过程，所制得的聚酰亚胺膜同时具有超低导热系数和高抗拉伸强度。
聚酰亚胺膜的多孔结构是在相分离过程中形成的，通过调控凝固浴的组成，可获得具有不同厚度的多级孔结构或均匀纳米孔结构的聚酰亚胺膜。当使用纯水作为凝固浴时，薄膜显示出典型的多级孔结构，包括致密的介孔皮层、微米级大孔和由均匀的纳米孔构成的大孔孔壁。在凝固浴中加入20w%乙醇，孔隙率降低，膜孔径从几十微米减少到数百纳米，且孔间相互连接。随着凝固浴中乙醇含量增加到40w%，大孔消失，薄膜变得对称，孔间连通性降低。当乙醇含量进一步增加到70w%时，孔径变小，孔间连通性减小，多为封闭孔。当乙醇含量达到90w%时，孔道壁变厚且孔径增大。
含40w%乙醇的凝固浴中所制得的膜导热系数最高（0.035W m-1 K-1），这可能与存在大孔或连接孔有关，大孔或连接孔加速了气体对流热传导。含70w%乙醇的凝固浴中所制得的膜导热系数最低（0.019 W m-1 K-1），这是因为膜孔大多是封闭孔，有效降低了气体对流热传导。由于膜孔均匀，导热系数最低的膜同时也表现出较高的抗拉伸强度（89.6MPa）。
图2不同凝固浴中聚酰亚胺膜的导热系数和抗拉伸强度
通过调控凝固浴组成来调控膜孔结构，在常温常压干燥条件下，获得同时具有超低导热系数和高抗拉伸强度的超级隔热柔性聚酰亚胺膜。相关成果为隔热聚合物膜制备提供了全新的方法思路，揭示了膜孔结构与导热系数及力学性能间的内在联系，为未来隔热节能材料的制备与应用提供了全新的解决方案。
本论文完成人来自北京航空航天大学以及北京化工大学，第一作者为马晶博士，主要通讯作者为秦国彤教授。该研究得到国家自然科学基金委、中国博士后科学基金委科研项目的资助。
