北京科技大学查俊伟 AM：受含羞草启发 - 动态可持续聚酰亚胺电介质薄膜

2022-11-04 来源：高分子科技

电介质聚酰亚胺作为绝缘材料在电力系统和电子设备中普遍存在。高温、高压和高场强等恶劣环境下长期应用，需要动态聚酰亚胺来应对电气或机械损伤等不可逆失效过程。其中，需要解决的关键科学问题在于如何对刚性聚酰亚胺的分子结构进行设计，以实现动态可逆特性。

日前，北京科技大学查俊伟教授课题组设计了一种低分子量聚酰亚胺基因单元，通过与聚酰亚胺连接酶动态交联来制备智能薄膜。有趣的是，由于基因单元和连接酶组合的可变性，通过“含羞草”仿生策略，将聚酰亚胺设计为软硬结合的三种形式，以适应不同的应用场景。同时，薄膜具有良好的降解效率、优异的可回收性和可修复性，并且可重复使用。从含羞草仿生的角度出发，将简单的聚酰亚胺基因单元与连接酶交联制备高强度、耐高温动态聚酰亚胺的设计思路，为电气电子聚酰亚胺的可持续发展提供了良好的科研基础和明确的案例。

含羞草的叶子一旦被触摸就会立即合拢。从本质上说，它会本能地通过调节超分子网络切换到相互连接、紧密的组织状态，以增加叶片在暴露于外部刺激或感知危险时的硬度。以含羞草行为特性为灵感，成功制备了三种不同硬度和柔软度的聚酰亚胺薄膜，以适应不同的恶劣环境。HTPI/80 ℃和HTPI/260 ℃薄膜含有高度移动的HDCN动态结构和稳定的可逆PHT动态交联结构，可发生可逆相互作用，使薄膜在一定的压力和温度下修复。被修复的HTPI/260 ℃薄膜仍具有较好的力学性能、较高的热稳定性、良好的机械性能、优异的抗电晕性和绝缘特性恢复能力。柔韧性较好的HTPI/200 ℃薄膜在湿度为80%时作为湿度传感器的响应和恢复时间分别为~ 0.15 s和~ 0.74 s。其中水分去除过程中的恢复时间长于水分供给过程中的响应时间。此外，进一步设计了可视化的电子元器件，通过简单的实验演示，展示了HTPI/200 ℃薄膜组装器件惊人的可回收性。此外，如何在不破坏碳纤维(CF)特性的情况下，从碳纤维增强复合材料(CFRCs)中回收CF是一个常见的挑战。CF可回收的前提是CF表面树脂完全降解，同时保持原有CF的高性能，包括表面光滑、机械性能稳定和化学结构不变。HTPI/260 ℃作为CFRC的基体可以完全降解而不会对CF造成明显的缺陷，在不牺牲CF性能的情况下对CF进行多次回收将带来巨大的经济效益。

聚酰亚胺基因单元和薄膜的概念设计、结构

动态聚酰亚胺薄膜的可修复能力

动态聚酰亚胺薄膜的湿度传感器应用和可回收性

碳纤维-动态聚酰亚胺薄膜复合材料的应用和可回收性

作者提出了材料合成过程中“基因组合”的创新思路，并基于含羞草的生物启发制备了一种新型动态聚酰亚胺材料。与材料基因组工程不同的是，该思路是面向实际材料生产和制备而提出的。这种软硬结合的聚酰亚胺在任何应用场景下都可以降解、可修复、多次循环利用。综上所述，该多功能聚酰亚胺仿生设计策略可为后续智能刚性树脂材料的制备提供基本思路，也将推动聚酰亚胺在智能绝缘领域的应用发展。本工作近期以“Dynamic Sustainable Polyimide Film Combining Hardness with Softness via a “Mimosa-like” Bionic Strategy”为题发表于Advanced Materials (Doi:10.1002/adma.202207451)上。第一作者为北京科技大学万宝全博士，通讯作者为北京科技大学查俊伟教授。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202207451

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（责任编辑：xu）

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