高強耐熱紙是一種專用材料，旨在保持結構完整性并在高溫下抵抗降解。芳綸紙是此類材料的一個主要例子，主要由芳綸纖維制成，芳綸纖維以其卓越的強度和熱穩定性而聞名。這些特性賦予芳綸紙優異的機械耐久性和耐熱性，使其成為航空航天、汽車和電氣應用的關鍵。傳統的芳綸紙生產涉及多個復雜階段，包括芳綸纖維的預合成和隨后通過造紙形成纖維紙張。詳細的過程包括單體聚合、紡絲、凝結、拉伸、洗滌、干燥、切割、纖維分散、化學交聯、精確分層、高溫干燥和最終卷取.盡管芳綸紙具有巨大的優勢，但其復雜的生產過程導致高成本，限制了其在各個行業的廣泛采用。因此，簡化制造工藝和降低成本對于當前的芳綸耐熱紙來說具有意義的。
近期，華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室陶勁松課題組開發了一種簡單且經濟高效的方法，通過在纖維素紙中直接合成聚酰亞胺來生產高強耐熱紙。通過使用聚酰亞胺（PI）作為替代耐熱聚合物，通過低溫化學亞胺化直接在纖維素紙中合成，該方法繞過了傳統的芳綸纖維預合成，省去了其后續的纖維組裝和造紙工藝，大大簡化了生產復雜性并降低了成本（圖1）。在該研究中同時評估了催化聚酰亞胺的催化劑和各種類型的纖維素紙張，確定了聚酰亞胺低溫酰亞胺化的最佳催化劑和紙張結構（圖2）。所得的 PI/纖維素紙表現出與商用芳綸紙相當的優異機械、熱和介電性能（強度：89 MPa;最高工作溫度：240 ℃;介電損耗：0.017 ～ 0.004@1 ～ 10? Hz），以及出色的阻燃性、疏水性和防潮性（圖3）。此外，用這種紙制造的輕質蜂窩結構組件優于用 Nomex T410 制造的組件（圖4）。電絕緣紙的絕緣性能超過了 Nomex T410（圖5）。特別是該方法簡單、可擴展且具有成本效益，與Nomex T410，生產成本顯著降低了約26.9%。（圖6）這種方法具有相當或卓越的性能，再加上簡化的制造工藝和較低的成本，為大規模生產堅固的耐熱紙材料提供了一條有前途的途徑，并拓寬了其在軍事和民用領域的應用。
圖1. PI/纖維素紙的制造及其應用。（a） PI/纖維素紙的制造過程示意圖，涉及在纖維素紙中直接合成聚酰亞胺 （PI）。（b） PI/纖維素紙表現出優異的機械、熱和介電性能，使其能夠用于輕質蜂窩結構部件和電絕緣紙。（c）纖維素紙原紙和制造的 PI/纖維素紙 （40 cm × 30 cm） 的數字照片圖像證明了該方法的簡單性和可升級擴展性。（d） PI/纖維素紙與商用芳綸紙 Nomex T410 的性能比較，突出了 PI/纖維素紙良好的機械、熱和電氣性能及其成本效益。
圖 2. PI/纖維素紙的制造工藝優化。（a） 使用不同亞胺化催化劑合成的純 PI 薄膜。（b） PI （180 ℃） 、 PI （250 ℃） 、 PI （4-Hdql） 和 PI （4-Hdpla） 的放大 TG 曲線。插圖顯示，PI（4-Hdpl） 具有高度的亞胺化 （0.802），與在 250 ℃ 下熱亞胺化的亞胺化 （0.807） 相當。（c） PI 薄膜的極限拉伸強度，證明 PI（4-Hdql） 達到與 PI（250 ℃） 相似的強度。（d）-（f）纖維素紙1、2 和 3 的 SEM 圖像。（g）-（i）來自纖維素紙 1、2 和 3 的 PI/纖維素紙的 SEM 圖像。（j）-（l）纖維素紙張 1、2 和 3 的 PI/纖維素紙的應力-應變曲線。與 Nomex T410 相比，含 4-Hdql 的 PI/纖維素紙 3 表現出優異的應力性能。（m） 三種 PI/纖維素紙 3 和 Nomex T410 的極限應力比較。（n） Nomex T410 和含 4-Hdql 的 PI/纖維素紙 3 的負載測試照片。
圖 3. PI/纖維素紙的耐熱性、介電性能和潤濕性。（a） 熱處理 （100、130、160、190、210 和 240 ℃ 0.5 和 1 h） 后 PI/纖維素紙的數字圖像，顯示其優異的熱穩定性。（b） PI/纖維素紙和 Nomex T410 的應力和模量隨溫度的變化。（c） 熱處理后 PI/纖維素紙和 Nomex T410 的應力降解。（d） 熱處理后 PI/纖維素紙和 Nomex T410 的模量降解。（e） 原始纖維素紙、PI 膜、PI/纖維素紙和 Nomex T410 的熱重 （TG） 曲線。（f） 及 （g） 阻燃性測試。（h）-（i）PI/纖維素紙和 Nomex T410 的介電常數和損耗。（j） PI 膜、PI/纖維素紙和 Nomex T410 的水接觸角的數字圖像。（k） PI/纖維素紙和 Nomex T410 的吸濕性。
圖 4. 用 PI/纖維素紙和 Nomex T410 制造的蜂窩結構部件的機械性能。（a） 蜂窩結構在飛機部件中的潛在應用說明。（b） 手工制作的 PI/纖維素紙蜂窩的實驗室制造工藝。（c） 原紙的環壓強度比較：PI/纖維素紙和 Nomex T410。（d） PI/纖維素紙蜂窩與 Nomex T410 蜂窩的沖擊強度比較。（e） PI/纖維素紙蜂窩和 Nomex T410 蜂窩的壓縮應力-應變曲線。（f） 兩種蜂窩結構的極限壓縮應力和壓縮模量。（g） PI/纖維素紙和 Nomex T410 蜂窩的三點彎曲曲線。（h） 極限彎曲載荷和彎曲模量比較。與 Nomex T410 蜂窩相比，PI/纖維素紙蜂窩的機械性能顯著增強。
圖 5. PI/纖維素紙的電絕緣性能。（a） PI/纖維素紙作為電動汽車電機絕緣材料的潛在應用。（b） PI/纖維素紙和 Nomex T410 在不同溫度下熱處理 1 h 后的擊穿強度。（c） 在不同溫度下熱處理 1 h 后 PI/纖維素紙和 Nomex T410 的擊穿強度保持率。（d） 在不同溫度下熱處理 2 小時后，PI/纖維素紙和 Nomex T410 中的分解強度和 （e） 保留率。（f） PI/纖維素紙和 Nomex T410 在不同溫度下熱處理 1 小時和 2 小時后的電阻保持性。（g） PI/纖維素紙和 Nomex T410 在不同溫度下熱處理后的模量保持率。與 Nomex T410 相比，PI/纖維素紙表現出良好的電絕緣性能。
圖 6. PI/纖維素紙的生產成本分析和可大規模生成潛在分析。（a） PI/纖維素紙和 Nomex T410 的生產成本比較，表明 PI/纖維素紙的成本比 Nomex T410 低約 26.9%。（b） PI/纖維素紙潛在大規模生產過程的示意圖，突出其簡單性、兼容性和可擴展性。
總結：該工作已經成功開發了一種簡單且經濟高效的方法，通過在纖維素紙中直接合成 PI 來生產高強耐熱絕緣PI/纖維素紙。該方法不僅簡單且可擴展，而且成本效益高，為大規模生產高性能耐熱紙提供了一條有前途的途徑。該工作以“A simple and cost-effective method to produce high-performance robust heat-resistant paper by directly synthesizing polyimide within cellulose paper matrixes”為題發表在《Chemical Engineering Journa》上（Chem. Eng. J. 2025, 508, 160885）。該研究由課題組碩士生張澤完成，得到廣東省基礎與應用基礎研究基金的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160885
