高强耐热纸是一种专用材料，旨在保持结构完整性并在高温下抵抗降解。芳纶纸是此类材料的一个主要例子，主要由芳纶纤维制成，芳纶纤维以其卓越的强度和热稳定性而闻名。这些特性赋予芳纶纸优异的机械耐久性和耐热性，使其成为航空航天、汽车和电气应用的关键。传统的芳纶纸生产涉及多个复杂阶段，包括芳纶纤维的预合成和随后通过造纸形成纤维纸张。详细的过程包括单体聚合、纺丝、凝结、拉伸、洗涤、干燥、切割、纤维分散、化学交联、精确分层、高温干燥和最终卷取.尽管芳纶纸具有巨大的优势，但其复杂的生产过程导致高成本，限制了其在各个行业的广泛采用。因此，简化制造工艺和降低成本对于当前的芳纶耐热纸来说具有意义的。
近期，华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室陶劲松课题组开发了一种简单且经济高效的方法，通过在纤维素纸中直接合成聚酰亚胺来生产高强耐热纸。通过使用聚酰亚胺（PI）作为替代耐热聚合物，通过低温化学亚胺化直接在纤维素纸中合成，该方法绕过了传统的芳纶纤维预合成，省去了其后续的纤维组装和造纸工艺，大大简化了生产复杂性并降低了成本（图1）。在该研究中同时评估了催化聚酰亚胺的催化剂和各种类型的纤维素纸张，确定了聚酰亚胺低温酰亚胺化的最佳催化剂和纸张结构（图2）。所得的 PI/纤维素纸表现出与商用芳纶纸相当的优异机械、热和介电性能（强度：89 MPa;最高工作温度：240 ℃;介电损耗：0.017 ～ 0.004@1 ～ 10? Hz），以及出色的阻燃性、疏水性和防潮性（图3）。此外，用这种纸制造的轻质蜂窝结构组件优于用 Nomex T410 制造的组件（图4）。电绝缘纸的绝缘性能超过了 Nomex T410（图5）。特别是该方法简单、可扩展且具有成本效益，与Nomex T410，生产成本显著降低了约26.9%。（图6）这种方法具有相当或卓越的性能，再加上简化的制造工艺和较低的成本，为大规模生产坚固的耐热纸材料提供了一条有前途的途径，并拓宽了其在军事和民用领域的应用。
图1. PI/纤维素纸的制造及其应用。（a） PI/纤维素纸的制造过程示意图，涉及在纤维素纸中直接合成聚酰亚胺 （PI）。（b） PI/纤维素纸表现出优异的机械、热和介电性能，使其能够用于轻质蜂窝结构部件和电绝缘纸。（c）纤维素纸原纸和制造的 PI/纤维素纸 （40 cm × 30 cm） 的数字照片图像证明了该方法的简单性和可升级扩展性。（d） PI/纤维素纸与商用芳纶纸 Nomex T410 的性能比较，突出了 PI/纤维素纸良好的机械、热和电气性能及其成本效益。
图 2. PI/纤维素纸的制造工艺优化。（a） 使用不同亚胺化催化剂合成的纯 PI 薄膜。（b） PI （180 ℃） 、 PI （250 ℃） 、 PI （4-Hdql） 和 PI （4-Hdpla） 的放大 TG 曲线。插图显示，PI（4-Hdpl） 具有高度的亚胺化 （0.802），与在 250 ℃ 下热亚胺化的亚胺化 （0.807） 相当。（c） PI 薄膜的极限拉伸强度，证明 PI（4-Hdql） 达到与 PI（250 ℃） 相似的强度。（d）-（f）纤维素纸1、2 和 3 的 SEM 图像。（g）-（i）来自纤维素纸 1、2 和 3 的 PI/纤维素纸的 SEM 图像。（j）-（l）纤维素纸张 1、2 和 3 的 PI/纤维素纸的应力-应变曲线。与 Nomex T410 相比，含 4-Hdql 的 PI/纤维素纸 3 表现出优异的应力性能。（m） 三种 PI/纤维素纸 3 和 Nomex T410 的极限应力比较。（n） Nomex T410 和含 4-Hdql 的 PI/纤维素纸 3 的负载测试照片。
图 3. PI/纤维素纸的耐热性、介电性能和润湿性。（a） 热处理 （100、130、160、190、210 和 240 ℃ 0.5 和 1 h） 后 PI/纤维素纸的数字图像，显示其优异的热稳定性。（b） PI/纤维素纸和 Nomex T410 的应力和模量随温度的变化。（c） 热处理后 PI/纤维素纸和 Nomex T410 的应力降解。（d） 热处理后 PI/纤维素纸和 Nomex T410 的模量降解。（e） 原始纤维素纸、PI 膜、PI/纤维素纸和 Nomex T410 的热重 （TG） 曲线。（f） 及 （g） 阻燃性测试。（h）-（i）PI/纤维素纸和 Nomex T410 的介电常数和损耗。（j） PI 膜、PI/纤维素纸和 Nomex T410 的水接触角的数字图像。（k） PI/纤维素纸和 Nomex T410 的吸湿性。
图 4. 用 PI/纤维素纸和 Nomex T410 制造的蜂窝结构部件的机械性能。（a） 蜂窝结构在飞机部件中的潜在应用说明。（b） 手工制作的 PI/纤维素纸蜂窝的实验室制造工艺。（c） 原纸的环压强度比较：PI/纤维素纸和 Nomex T410。（d） PI/纤维素纸蜂窝与 Nomex T410 蜂窝的冲击强度比较。（e） PI/纤维素纸蜂窝和 Nomex T410 蜂窝的压缩应力-应变曲线。（f） 两种蜂窝结构的极限压缩应力和压缩模量。（g） PI/纤维素纸和 Nomex T410 蜂窝的三点弯曲曲线。（h） 极限弯曲载荷和弯曲模量比较。与 Nomex T410 蜂窝相比，PI/纤维素纸蜂窝的机械性能显著增强。
图 5. PI/纤维素纸的电绝缘性能。（a） PI/纤维素纸作为电动汽车电机绝缘材料的潜在应用。（b） PI/纤维素纸和 Nomex T410 在不同温度下热处理 1 h 后的击穿强度。（c） 在不同温度下热处理 1 h 后 PI/纤维素纸和 Nomex T410 的击穿强度保持率。（d） 在不同温度下热处理 2 小时后，PI/纤维素纸和 Nomex T410 中的分解强度和 （e） 保留率。（f） PI/纤维素纸和 Nomex T410 在不同温度下热处理 1 小时和 2 小时后的电阻保持性。（g） PI/纤维素纸和 Nomex T410 在不同温度下热处理后的模量保持率。与 Nomex T410 相比，PI/纤维素纸表现出良好的电绝缘性能。
图 6. PI/纤维素纸的生产成本分析和可大规模生成潜在分析。（a） PI/纤维素纸和 Nomex T410 的生产成本比较，表明 PI/纤维素纸的成本比 Nomex T410 低约 26.9%。（b） PI/纤维素纸潜在大规模生产过程的示意图，突出其简单性、兼容性和可扩展性。
总结：该工作已经成功开发了一种简单且经济高效的方法，通过在纤维素纸中直接合成 PI 来生产高强耐热绝缘PI/纤维素纸。该方法不仅简单且可扩展，而且成本效益高，为大规模生产高性能耐热纸提供了一条有前途的途径。该工作以“A simple and cost-effective method to produce high-performance robust heat-resistant paper by directly synthesizing polyimide within cellulose paper matrixes”为题发表在《Chemical Engineering Journa》上（Chem. Eng. J. 2025, 508, 160885）。该研究由课题组硕士生张泽完成，得到广东省基础与应用基础研究基金的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160885
