摩擦納米發(fā)電機(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，這常會犧牲材料原有加工性能和機械性能，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，東華大學教授游正偉團隊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、個人防護和其他極端溫度環(huán)境中具有廣闊的應用前景。相關(guān)成果發(fā)表于《先進材料》。

耐火難題

相關(guān)文獻顯示，當溫度超過200攝氏度時，TENG的電輸出性能會出現(xiàn)大幅下降。如果處在火焰中，普通TENG所用的聚合物材料會卷曲變形，甚至燃燒損毀，無法再次使用。而TENG的應用環(huán)境多與電子電器相連，一旦發(fā)生火災，著火點會因普通聚合物易燃、熔融滴落而導致火災迅速蔓延。

隨著人們安全意識的不斷增強，開發(fā)防火材料的需求也愈加迫切。盡管科學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被破壞，導致其無法使用;另一方面，如果采用傳統(tǒng)的風冷、水冷等降溫技術(shù)，將導致TENG器件尺寸增大，大大降低其使用的便捷性和應用范圍。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(如火災現(xiàn)場)，若材料本身不耐高溫，TENG根本無法正常應用。”游正偉對《中國科學報》說，“因此，開發(fā)本征型耐火聚合物對于減輕火災危害，進而促進TENG在極端環(huán)境下的應用至關(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。該研究設計的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)等使用強腐蝕性或極性溶劑進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)于以往報道的阻燃TENG。在火災等極端環(huán)境中，逃生時間往往以秒計算，16秒的時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)出對靜電能的儲蓄和損耗的性質(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，這不可避免地會降低耐火性。

“我們提出一種新的設計理念，通過使用非線性骨架來改善分子鏈運動和偶極極化，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研究提供有先導保障作用的高性能材料。其分子設計理念也為其他高性能材料研制提供了參考。”游正偉說。

在電子電器領域，LCP材料可應用于高密度連接器、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;在航空航天領域，可用于雷達天線屏蔽罩、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、力學性能與聚酰亞胺或芳綸相當，但LCP的吸濕性非常低(小于0.02%)，使其在濕熱環(huán)境中力學性能仍保持99%以上，而芳綸僅能維持90%;在電學性能方面，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、日進口。”游正偉說，“如果能實現(xiàn)國產(chǎn)并形成一定規(guī)模，將使我國擺脫美日等國對液晶聚芳酯材料領域的技術(shù)封鎖。”

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