江西理工大学青年教师肖芸芸：聚苯并噁嗪气凝胶制备、性能、复合材料和杂化材料制备及应用的研究进展

一、【导读】

近日，江西理工大学青年教师肖芸芸联合国防科技大学冯坚研究员在《胶体与界面科学前沿（Adv. Colloid Interface Sci.）》上发表综述论文，针对近年来一种新兴的聚合物气凝胶——聚苯并噁嗪气凝胶的发展历程，制备方案，形貌调控策略，复合材料和杂化材料的制备，以及应用前景作了全面的介绍，提出了聚苯并噁嗪气凝胶领域目前普遍存在的问题，展望了未来聚苯并噁嗪气凝胶的发展方向。

第一作者：周锦龙

通讯作者：肖芸芸、冯坚

二、【内容简介】

1. 前言

聚苯并噁嗪是一种化学结构中包含一个苯环和一个相邻的噁嗪环的热固性聚合物，具备出色的力学性能，高残炭率和玻璃化转变温度，低介电常数和损耗，以及良好的化学和热稳定性。聚苯并噁嗪气凝胶很好地结合了苯并噁嗪与气凝胶的优势，不仅具备聚苯并噁嗪所拥有的诸多优点，而且还表现出源于气凝胶的多孔性，高比表面积和低密度等特点。首个聚苯并噁嗪气凝胶于2009年被报道。直至目前，聚苯并噁嗪气凝胶正处于迅速发展的阶段。这篇综述将“制备—性能—应用”联系起来，对聚苯并噁嗪气凝胶目前的研究进展进行了全面地陈述。

图1  聚苯并噁嗪气凝胶的发展历史及研究进展  ©

2. 材料基于胶体化学原理的微观形貌调控

具有典型珍珠链状形貌的聚苯并噁嗪气凝胶的微观形貌被认为可以受溶剂和表面活性剂的影响而变得可调控。对于溶剂方面，聚苯并噁嗪气凝胶的微观形貌与溶剂自身的极性和质子性，以及溶剂与苯并噁嗪单体之间的相互作用力有关。在表明活性剂方面，具有阴离子性的聚苯并噁嗪分子链易受到阳离子型或非离子型表面活性剂的影响而形成胶束，进而改变聚苯并噁嗪气凝胶的凝胶化行为。

图2溶剂与表面活性剂对于聚苯并噁嗪气凝胶微观形貌的调控  ©

3. 聚苯并噁嗪气凝胶的基本性质

除了气凝胶材料所共有的低密度，高比表面积和高孔隙率以外，聚苯并噁嗪气凝胶还表现出优异的力学性能，良好的隔热性，低的吸湿性以及高的残炭率等优点。

图3未经修饰或改性的聚苯并噁嗪气凝胶基本性能的相应数值范围  ©

4. 基于聚苯并噁嗪的复合气凝胶和杂化气凝胶

作者同样对聚苯并噁嗪气凝胶的复合和杂化材料的制备流程和它们的应用情况作了全面的讨论，并总结了目前可用于制备聚苯并噁嗪复合或杂化气凝胶的增强体（或填料）的种类和作用。

图4  聚苯并噁嗪基的复合气凝胶和杂化气凝胶的分类  ©

5. 聚苯并噁嗪气凝胶材料的应用

在这一节，作者着重介绍了聚苯并噁嗪气凝胶以及相应的碳气凝胶，复合或杂化气凝胶在吸附（主要包括污水处理，CO₂吸附，微波吸收），隔热，储能，传感，以及紫外屏蔽等领域的具体应用情况，并在最后总结了当被应用于这些领域时聚苯并噁嗪气凝胶还存在的不足之处。

5.1 碳气凝胶的先驱体

以聚苯并噁嗪气凝胶为前驱体的碳气凝胶目前主要应用在吸附（主要包括污水处理，CO₂吸附，微波吸收）和储能（用作电容器的电极材料）领域。

图5聚苯并噁嗪碳气凝胶在CO₂吸附和微波屏蔽领域中的应用  ©

图6聚苯并噁嗪碳气凝胶在储能领域中的应用  ©

5.2隔热领域的应用

作者在这一节主要介绍了聚苯并噁嗪气凝胶的隔热机理，以及总结了影响隔热性能的相关因素，最后提出了目前聚苯并噁嗪气凝胶的常温热导率的一般范围，以及相应的密度数值。

图7  聚苯并噁嗪气凝胶在隔热领域中的应用  ©

5.3 其它领域的应用

作者在这一节着重介绍了基于聚苯并噁嗪气凝胶的复合或杂化材料在传感以及紫外屏蔽领域中的研究现状。

图8聚苯并噁嗪气凝胶在传感以及紫外屏蔽领域中的应用  ©

6. 总结与展望

作者认为目前聚苯并噁嗪气凝胶仍处于发展阶段，距离脱离实验阶段而走向实际应用并实现产业化还存在一定的距离。基于过去的研究，作者提出聚苯并噁嗪目前仍面临（1）工艺繁琐和制备过程环境不友好和（2）密度和脆性较高的问题。此外，作者认为未来的研究还可以从（1）单体的多元化，（2）柔性和弹性气凝胶的制备，（3）高性能和多功能化，以及（4）环境友好的产物四个方面进行发展。

五、【成果启示】

这篇综述从聚苯并噁嗪气凝胶的历史发展出发，针对制备方式，形貌调控策略，用于复合与杂化材料的增强体种类，以及应用前景作了详细地介绍，提出了目前聚苯并噁嗪气凝胶需要克服的一系列问题，指出了未来聚苯并噁嗪气凝胶可能的发展方向。针对目前各个领域对于高性能材料的迫切需求，聚苯并噁嗪气凝胶应该在这一阶段获得更多的关注，并围绕其开展深入地研究，以促进其逐步走向实际应用和产业化。

原文详情：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