磷-氮协同改性聚酰亚胺复合气凝胶的制备及其隔热阻燃性能研究

为提升航空航天领域防护材料的综合性能，山东理工大学团队通过植酸(PA)与氮化硼纳米片(BNNS)协同改性聚酰亚胺(PI)气凝胶，成功制备出兼具优异隔热性(热导率降低50%)、高阻燃性(形成致密碳层)和强机械性能(抗压强度提升至2.04MPa)的PI-AS复合气凝胶。该研究通过分子动力学模拟揭示了材料微观隔热机制，为多功能一体化防护材料开发提供新思路。

　　

随着航空航天技术向高马赫数发展，飞行器面临严峻的气动热载荷挑战，亟需兼具轻量化、隔热与阻燃性能的新型防护材料。聚酰亚胺(Polyimide, PI)气凝胶虽具有轻质(ρ<0.1g/cm³)和低热导率(<0.03W/m·K)优势，但其阻燃性能不足且合成过程污染环境。山东理工大学团队创新性地采用生物基植酸(Phytic Acid, PA)与六方氮化硼纳米片(Boron Nitride Nanosheets, BNNS)构建双功能增强相，结合膨胀珍珠岩(Expanded Perlite, EP)制备出PI-AS复合气凝胶，相关成果发表于《Polymer Degradation and Stability》。

研究采用超声分散、溶胶-凝胶法和超临界干燥等关键技术，结合分子动力学模拟分析材料微观传热机制。通过调控PA(3%浓度)与BNNS(4mg/ml)的协同配比，实现了材料性能的突破性提升。

Results and Discussion部分显示：

1. PA的阻燃增效机制：PA通过改变PI孔结构形成致密碳层，极限氧指数(LOI)提升至38%，热释放速率峰值(pHRR)下降62%。
2. BNNS的力学增强：BNNS与PI的交叉链接使抗压强度从0.12MPa跃升至2.04MPa，弹性模量提高17倍。
3. EP的协同效应：80目EP的加入使比表面积扩大15倍，横向热导率低至0.022W/m·K。
4. 分子动力学验证：模拟证实氮分子在-50℃时扩散系数仅为25℃时的1/3，阐明低温下气凝胶结构稳定性机制。

Conclusions指出：该研究构建的PA/BNNS双相增强体系，通过PA的磷系阻燃效应与BNNS的片层屏障效应形成协同阻燃网络，同时BNNS与PI的共价交联优化了材料力学性能。所制备的PI-AS气凝胶在800℃火焰中可保持结构完整性，纵向热导率较传统PI气凝胶降低50%，且制备过程减少有毒溶剂使用。

该成果不仅为航空航天热防护系统提供了多功能一体化材料解决方案，其生物基阻燃剂的应用更推动了绿色化工发展。分子动力学方法的引入为隔热材料设计提供了理论新视角，相关技术可延伸至新能源电池隔热层、建筑防火涂层等领域，具有显著的社会经济效益。