江西理工大學青年教師肖蕓蕓：聚苯并噁嗪氣凝膠制備、性能、復合材料和雜化材料制備及應用的研究進展

一、【導讀】

近日，江西理工大學青年教師肖蕓蕓聯合國防科技大學馮堅研究員在《膠體與界面科學前沿（Adv. Colloid Interface Sci.）》上發表綜述論文，針對近年來一種新興的聚合物氣凝膠——聚苯并噁嗪氣凝膠的發展歷程，制備方案，形貌調控策略，復合材料和雜化材料的制備，以及應用前景作了全面的介紹，提出了聚苯并噁嗪氣凝膠領域目前普遍存在的問題，展望了未來聚苯并噁嗪氣凝膠的發展方向。

?

第一作者：周錦龍

通訊作者：肖蕓蕓、馮堅

?

二、【內容簡介】

1. 前言

聚苯并噁嗪是一種化學結構中包含一個苯環和一個相鄰的噁嗪環的熱固性聚合物，具備出色的力學性能，高殘炭率和玻璃化轉變溫度，低介電常數和損耗，以及良好的化學和熱穩定性。聚苯并噁嗪氣凝膠很好地結合了苯并噁嗪與氣凝膠的優勢，不僅具備聚苯并噁嗪所擁有的諸多優點，而且還表現出源于氣凝膠的多孔性，高比表面積和低密度等特點。首個聚苯并噁嗪氣凝膠于2009年被報道。直至目前，聚苯并噁嗪氣凝膠正處于迅速發展的階段。這篇綜述將“制備—性能—應用”聯系起來，對聚苯并噁嗪氣凝膠目前的研究進展進行了全面地陳述。

???????

圖1 ?聚苯并噁嗪氣凝膠的發展歷史及研究進展 ??

?

2. 材料基于膠體化學原理的微觀形貌調控

具有典型珍珠鏈狀形貌的聚苯并噁嗪氣凝膠的微觀形貌被認為可以受溶劑和表面活性劑的影響而變得可調控。對于溶劑方面，聚苯并噁嗪氣凝膠的微觀形貌與溶劑自身的極性和質子性，以及溶劑與苯并噁嗪單體之間的相互作用力有關。在表明活性劑方面，具有陰離子性的聚苯并噁嗪分子鏈易受到陽離子型或非離子型表面活性劑的影響而形成膠束，進而改變聚苯并噁嗪氣凝膠的凝膠化行為。

?

?

圖2溶劑與表面活性劑對于聚苯并噁嗪氣凝膠微觀形貌的調控 ??

?

3. 聚苯并噁嗪氣凝膠的基本性質

除了氣凝膠材料所共有的低密度，高比表面積和高孔隙率以外，聚苯并噁嗪氣凝膠還表現出優異的力學性能，良好的隔熱性，低的吸濕性以及高的殘炭率等優點。

?

圖3未經修飾或改性的聚苯并噁嗪氣凝膠基本性能的相應數值范圍 ??

?

4. 基于聚苯并噁嗪的復合氣凝膠和雜化氣凝膠

作者同樣對聚苯并噁嗪氣凝膠的復合和雜化材料的制備流程和它們的應用情況作了全面的討論，并總結了目前可用于制備聚苯并噁嗪復合或雜化氣凝膠的增強體（或填料）的種類和作用。

?

圖4 ?聚苯并噁嗪基的復合氣凝膠和雜化氣凝膠的分類 ??

?

5. 聚苯并噁嗪氣凝膠材料的應用

在這一節，作者著重介紹了聚苯并噁嗪氣凝膠以及相應的碳氣凝膠，復合或雜化氣凝膠在吸附（主要包括污水處理，CO₂吸附，微波吸收），隔熱，儲能，傳感，以及紫外屏蔽等領域的具體應用情況，并在最后總結了當被應用于這些領域時聚苯并噁嗪氣凝膠還存在的不足之處。

5.1 碳氣凝膠的先驅體

以聚苯并噁嗪氣凝膠為前驅體的碳氣凝膠目前主要應用在吸附（主要包括污水處理，CO₂吸附，微波吸收）和儲能（用作電容器的電極材料）領域。

?

圖5聚苯并噁嗪碳氣凝膠在CO₂吸附和微波屏蔽領域中的應用 ??

圖6聚苯并噁嗪碳氣凝膠在儲能領域中的應用 ??

?

5.2隔熱領域的應用

作者在這一節主要介紹了聚苯并噁嗪氣凝膠的隔熱機理，以及總結了影響隔熱性能的相關因素，最后提出了目前聚苯并噁嗪氣凝膠的常溫熱導率的一般范圍，以及相應的密度數值。

圖7 ?聚苯并噁嗪氣凝膠在隔熱領域中的應用 ??

?

5.3 其它領域的應用

作者在這一節著重介紹了基于聚苯并噁嗪氣凝膠的復合或雜化材料在傳感以及紫外屏蔽領域中的研究現狀。

圖8聚苯并噁嗪氣凝膠在傳感以及紫外屏蔽領域中的應用 ??

?

6. 總結與展望

作者認為目前聚苯并噁嗪氣凝膠仍處于發展階段，距離脫離實驗階段而走向實際應用并實現產業化還存在一定的距離。基于過去的研究，作者提出聚苯并噁嗪目前仍面臨（1）工藝繁瑣和制備過程環境不友好和（2）密度和脆性較高的問題。此外，作者認為未來的研究還可以從（1）單體的多元化，（2）柔性和彈性氣凝膠的制備，（3）高性能和多功能化，以及（4）環境友好的產物四個方面進行發展。

?

五、【成果啟示】

這篇綜述從聚苯并噁嗪氣凝膠的歷史發展出發，針對制備方式，形貌調控策略，用于復合與雜化材料的增強體種類，以及應用前景作了詳細地介紹，提出了目前聚苯并噁嗪氣凝膠需要克服的一系列問題，指出了未來聚苯并噁嗪氣凝膠可能的發展方向。針對目前各個領域對于高性能材料的迫切需求，聚苯并噁嗪氣凝膠應該在這一階段獲得更多的關注，并圍繞其開展深入地研究，以促進其逐步走向實際應用和產業化。

原文詳情：Zhou J, Xiao Y, Liu S, Zhang S, Li Z, Zhao C, et al. Research progress on polybenzoxazine aerogels: Preparation, properties, composites and hybrids fabrication, applications. Adv Colloid Interface Sci.2024;329:103185.?DOI: 10.1016/j.cis.2024.103185

本文由BAC供稿