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(物質(zhì)本身具有某種特征)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，用它制成的新型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)成果發(fā)表于《先進(jìn)材料》。

耐火難題

相關(guān)文獻(xiàn)顯示，當(dāng)溫度超過200攝氏度時(shí)，TENG的電輸出性能會(huì)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，無法再次使用。而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)的不斷增強(qiáng)，開發(fā)防火材料的需求也愈加迫切。盡管科學(xué)家通過添加阻燃劑等方式開發(fā)出一些阻燃聚合物材料，但往往制備過程繁雜，同時(shí)副產(chǎn)物難以處理。一方面制備TENG的聚合物材料容易在燃燒時(shí)被破壞，導(dǎo)致其無法使用;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，大大降低其使用的便捷性和應(yīng)用范圍。因此，開發(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)境的變化而上升，尤其是在一些極端高溫環(huán)境(如火災(zāi)現(xiàn)場)，若材料本身不耐高溫，TENG根本無法正常應(yīng)用。”游正偉對(duì)《中國科學(xué)報(bào)》說，“因此，開發(fā)本征型耐火聚合物對(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。”

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。和聚酰亞胺或聚酰胺(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，該方法制備過程更簡單、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，解決了傳統(tǒng)方法中溶劑回收的問題。

“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。”游正偉介紹，“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)間大大增加了生存概率。”

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相關(guān)。在電場作用下，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)損耗來表示。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，通過使用非線性骨架來改善分子鏈運(yùn)動(dòng)和偶極極化，從而有效解決了聚合物材料長期相互矛盾的介電常數(shù)與耐火性問題。”該論文第一作者、東華大學(xué)副研究員管清寶介紹，“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LCPAEE不但具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，可為未來新一代航空航天和尖端科學(xué)研究提供有先導(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了參考。”游正偉說。

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;在5G通信行業(yè)，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。

作為一種高性能聚合物材料，LCP與聚酰亞胺或芳綸相比有著諸多優(yōu)勢。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)性能仍保持99%以上，而芳綸僅能維持90%;在電學(xué)性能方面，因易吸水等問題，聚酰亞胺的介電常數(shù)和介質(zhì)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，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，“如果能實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)并形成一定規(guī)模，將使我國擺脫美日等國對(duì)液晶聚芳酯材料領(lǐng)域的技術(shù)封鎖。”

關(guān)鍵詞： 摩擦納米發(fā)電機(jī) 摩擦電聚合物 開發(fā)新型耐火聚合物 高性能聚合物材料