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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。
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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
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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
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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
