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摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）能安全環(huán)保地收集能源，但其不可或缺的組成部分——摩擦電聚合物多數(shù)都不耐火。常用的耐火材料研制策略是向聚合物中加入共混型或共聚型阻燃劑，這常會(huì)犧牲材料原有加工性能和機(jī)械性能，因此開(kāi)發(fā)新型耐火聚合物是迫切需求也是巨大挑戰(zhàn)。
近日，東華大學(xué)教授游正偉團(tuán)隊(duì)研制出一種基于高性能液晶聚芳酯醚（LCPAEE）的本征型耐火材料。LCPAEE的高剛性液晶主鏈結(jié)構(gòu)賦予了其出色的抗滴落、耐高溫和耐火特性，制成的新型LCP-TENG將在消防、個(gè)人防護(hù)和其他極端溫度環(huán)境中具有廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)成果已在《先進(jìn)材料》發(fā)表。
耐火難題
相關(guān)文獻(xiàn)顯示，當(dāng)溫度超過(guò)200攝氏度時(shí)，TENG的電輸出性能即出現(xiàn)大幅下降。如果處在火焰中，普通TENG所用的聚合物材料會(huì)卷曲變形，甚至燃燒損毀，均無(wú)法再次使用。而且TENG的應(yīng)用環(huán)境多與電子電器相連，一旦發(fā)生火災(zāi)，著火點(diǎn)會(huì)因普通聚合物易燃、熔融滴落而導(dǎo)致火災(zāi)迅速蔓延。
隨著人們安全意識(shí)的不斷提高，對(duì)開(kāi)發(fā)防火材料的需求也愈加迫切。盡管科學(xué)家通過(guò)添加阻燃劑等方式，開(kāi)發(fā)出一些阻燃聚合物材料，但其往往制備過(guò)程繁雜，同時(shí)副產(chǎn)物難以處理。一方面制備TENG的聚合物材也容易在燃燒時(shí)會(huì)被破壞，導(dǎo)致其無(wú)法再使用。另一方面，如果采用傳統(tǒng)的風(fēng)冷、水冷等降溫技術(shù)，將導(dǎo)致TENG器件尺寸增大，大大降低其使用便捷性和應(yīng)用范圍。因此，開(kāi)發(fā)阻燃抗熔滴聚合物非常必要。
“TENG自身的溫度會(huì)因摩擦或周圍環(huán)境的變化出現(xiàn)上升，尤其是在一些極端高溫環(huán)境（如火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)），若材料本身不耐高溫，TENG則根本無(wú)法正常應(yīng)用?！庇握齻?duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)，“因此，開(kāi)發(fā)本征型（物質(zhì)本身具有某種特征）耐火聚合物對(duì)于減輕火災(zāi)危害，進(jìn)而促進(jìn)TENG在極端環(huán)境下的應(yīng)用至關(guān)重要?！?/p>
新的理念
大多數(shù)高分子材料都容易燃燒，且一旦引燃就無(wú)法自熄。該研究設(shè)計(jì)的LCP是一種本征型阻燃高分子，未添加任何阻燃劑，因此在燃燒情況下仍能保持摩擦電輸出性能。
而且這種LCP采用一步法熔融聚合反應(yīng)制備或溶液法加工成型，和聚酰亞胺或芳綸等使用強(qiáng)腐蝕性或極性溶劑進(jìn)行多步合成加工成型相比。該方法制備過(guò)程更簡(jiǎn)單、技術(shù)操作難度小。該反應(yīng)的副產(chǎn)物是醋酸，可以很方便地冷凝收集并再利用，避免出現(xiàn)傳統(tǒng)方法中溶劑回收問(wèn)題。
“這項(xiàng)研究合成了一種LCPAEE，高剛性主鏈結(jié)構(gòu)賦予其出色的本征型耐火和抗滴落性能?！庇握齻ソ榻B說(shuō)，“特別是由LCPAEE制成的LCP-TENG在火焰中（520攝氏度以上）燃燒16秒后，其電輸出性能仍保持在65%以上，優(yōu)于以往報(bào)道的阻燃TENG。在火災(zāi)等極端環(huán)境中，逃生時(shí)間往往以秒計(jì)算，16秒的時(shí)間大大增加了生存幾率?！?/p>
TENG和其他相關(guān)電子器件的電輸出性能與材料的介電性能密切（在電場(chǎng)作用下,材料表現(xiàn)出對(duì)靜電能的儲(chǔ)蓄和損耗的性質(zhì)，通常用介電常數(shù)和介質(zhì)損耗來(lái)表示）相關(guān)。提高聚合物介電常數(shù)的典型方法是引入具有高極性的脂肪族側(cè)鏈或取代基，這不可避免地會(huì)降低耐火性。
“我們提出一種新的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)使用非線性骨架來(lái)改善分子鏈運(yùn)動(dòng)和偶極極化，從而有效解決了聚合物材料長(zhǎng)期相互矛盾的介電常數(shù)與耐火性問(wèn)題?！痹撜撐牡谝蛔髡?、東華大學(xué)副研究員管清寶介紹說(shuō)，“這種LCPAEE表現(xiàn)出高介電常數(shù)（4.8），比典型LCP高60%，同時(shí)能保持優(yōu)異的熱穩(wěn)定性(大于450攝氏度)和自熄特性。由此制得的本征型耐火LCP-TENG表現(xiàn)出高電輸出性能。”
廣闊前景
“這種新型本征型阻燃高性能液晶聚芳酯醚不但有出色的介電性能和耐火性，還具備優(yōu)良加工性和高強(qiáng)度、高模量、高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，可為未來(lái)新一代航空航天和尖端科學(xué)提供有先導(dǎo)保障作用的高性能材料。其分子設(shè)計(jì)理念也為其他高性能材料研制提供參考?！庇握齻フf(shuō)。
在電子電器領(lǐng)域，LCP材料可應(yīng)用于高密度連接器、線圈架、線軸、基片載體、電容器外殼等，尤其是在5G通信行業(yè)，目前LCP薄膜材料有非常旺盛的需求；在汽車工業(yè)領(lǐng)域，LCP可用于汽車燃燒系統(tǒng)元件、燃燒泵、隔熱部件、精密元件、電子元件等；在航空航天領(lǐng)域，可用于雷達(dá)天線屏蔽罩、耐高溫耐輻射殼體等方面。
作為一種高性能聚合物材料，LCP與聚酰亞胺或聚酰胺（芳綸）相比有著諸多優(yōu)勢(shì)。在性能方面，LCP在干態(tài)環(huán)境中的熱學(xué)、力學(xué)性能與聚酰亞胺或芳綸相當(dāng)，但LCP的吸濕性非常低（小于0.02%），使其在濕熱環(huán)境中力學(xué)性能仍有保持99%以上，而芳綸僅能維持90%；在電學(xué)性能方面，聚酰亞胺因易吸水等問(wèn)題，其介電常數(shù)和損耗均會(huì)陡增，而LCP在濕熱環(huán)境中介電性能則表現(xiàn)得更加穩(wěn)定。
“由于具備諸多聚合、加工優(yōu)勢(shì)，LCP在成本上低于聚酰亞胺或芳綸，但目前該類材料主要依賴從美、日進(jìn)口。”游正偉說(shuō)，“如果能實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)并形成一定規(guī)模，將使我國(guó)擺脫美日等國(guó)對(duì)液晶聚芳酯材料領(lǐng)域的技術(shù)封鎖?！?/p>
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202204543
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