航天飞行器和电动汽车的超高速发展，迫切需要导热系数更低、热阻更好的热防护系统，以抵御大气飞行或电池组热失控等剧烈加热和强机械应力的极端工况。气凝胶，特别是酚醛气凝胶复合材料因其优异的耐热性和低可燃性被认为是一种很有前途的保温材料。近年来，一些研究实现了苯酚-甲醛树脂（PF）气凝胶的常压干燥制备，在很大程度上简化酚醛气凝胶的制备工艺。然而，苯酚的低反应性导致气凝胶前驱液凝胶化过程缓慢。为了避免气凝胶在常压干燥过程中孔隙结构的崩溃，PF气凝胶通常需要24 h以上的凝胶化和老化时间。漫长的制备过程严重制约了酚醛气凝胶复合材料的广泛应用。
针对这一问题，我室利用4-羟基苯磺酸既可作为共聚单体又可作为酸性催化剂的特点，加快了酚醛气凝胶制备过程中的质子化步骤和凝胶化步骤，实现了可常压干燥酚醛气凝胶复合材料的快速制备。在凝胶化过程中，4-羟基苯磺酸改性酚醛树脂（PFS）中的磺酸基团显著加速了苯并恶嗪中间体的质子化，导致更多的碳正离子形成，降低了固化反应活化能。得益于固化反应活化能的降低，PFS气凝胶前驱液的凝胶化时间相比PF气凝胶前驱液降低了66%。这使得PFS气凝胶复合材料可以在更短的制备周期内获得优异的力学性能和可加工性。凝胶时间最短的PFS10气凝胶复合材料在常压干燥后收缩率仅为4.5%，在50%应变下的压缩强度为5.7 MPa。此外，PFS气凝胶复合材料在低热流密度下具有优异的保温性能，在高热流密度下具有良好的防火性能。该工作为开发低能耗、低成本、制备周期短的酚醛气凝胶复合材料提供了新的途径。
图1 PFS气凝胶制备方法示意图
该成果以“4-Hydroxybenzenesulfonic Acid Triggers Rapid Preparation of Phenolic Aerogel Composites by Ambient Pressure Drying”为题发表在期刊Chemical Engineering Journal上。论文第一作者为博士研究生赵禧，通讯作者为汪秀丽教授和陈琳研究员。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147856
