游正伟、管清宝团队在高性能液晶聚芳酯领域取得新进展

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与电子产品有关的火灾每年都会在全球范围内造成巨大的生命和财产损失。摩擦纳米发电机(TENG)的出现提供了一种安全且环保的方式来收集能源并将其转化为电能。作为TENG不可或缺的一部分，现有的大多数摩擦电聚合物都不耐火。尽管研究人员通过添加阻燃剂已开发出许多阻燃聚合物材料，但其通常制备过程繁杂，由此制成的TENG在火灾中仍存在熔滴问题，且燃烧后不能重复使用。因此，开发本征型耐火聚合物对于减轻火灾危害，进而促进TENG在极端环境下的应用至关重要。针对此迫切需求，东华大学材料学院游正伟、管清宝团队报道了一种基于高性能液晶聚芳酯醚(LCPAEE)的本征型耐火TENG。其高刚性的液晶主链结构赋予了TENG出色的抗滴落、耐高温和耐火特性。这一新型LCP-TENG在减少火灾危险和在消防、个人防护和其它极端温度环境中具有广阔的应用前景(图1)。

图1. 新型LCP-TENG的分子结构设计与性能优势。(A)将4,4'-二羟基二苯醚(DHPE)单体引入主链结构制得LCPAEE；(B)基于LCPAEE研制本征型阻燃LCP-TENG与(C)其在极端温度环境下的潜在应用展示；(D)LCPAEE与现有摩擦电聚合物的综合性能对比。

         这项工作的意义主要包括：
        (1)基于全芳族LCP的本征型耐火TENG
         现有的阻燃TENG通常由纳米填料增强复合材料制成。虽然复合材料很难燃烧，但聚合物基体在燃烧时会被严重破坏，故而TENGs无法再使用。在这项工作中合成的高刚性LCPAEE主链赋予LCP-TENG出色的本征型耐火和抗滴落性能。特别是LCP-TENG在520 ℃以上燃烧16 s后，其电输出性能保持在65%以上，优于以往报道的阻燃TENG。
        (2)有效解决聚合物材料长期相互矛盾的介电常数与耐火性的新型分子策略
        众所周知，TENG和其它相关电子器件的电输出性能与材料的介电性能密切相关。提高聚合物介电常数的典型方法是引入具有高极性的脂肪族侧链或取代基，这不可避免地会降低耐火性。在本研究中，该团队提出了一种新的设计理念，通过使用非线性骨架来改善分子链运动和偶极极化(图1B)，从而有效解决了上述材料特性的矛盾问题。制得LCPAEE表现出高介电常数(4.8)，比典型LCP高60%，同时保持优异的热稳定性(>450℃)和自熄特性。由此制得的本征型耐火LCP-TENG表现出高电输出性能。
        (3)多组分熔融缩聚一步高效合成本征型耐火聚合物
         随着人们对消防安全的认识不断提高，对开发防火材料的需求愈加迫切。常用策略多是向聚合物中引入共混型或共聚型阻燃剂，但是这常常会牺牲原有加工性能和机械性能。开发新型本征型耐火高性能聚合物是迫切需求也是巨大挑战。现有该类聚合物，如聚酰亚胺或聚酰胺通常使用强腐蚀性或极性溶剂进行多步合成。本文设计了多组分熔融缩聚一步法制备LCPAEE(图1A)，这一高效合成策略将显著促进本征型阻燃聚合物的发展和应用。
          综上所述，本研究设计制备了新型本征型阻燃高性能液晶聚芳酯醚LCPAEE，具有出色的介电性能和耐火性。制得的LCP-TENG在燃烧前后均表现出优异的电输出性能，有效解决了TENG在消防、个人防护等极端环境中的应用挑战。该类材料有望应用于其它极端环境，具有广阔的应用前景，其分子设计理念将为其它高性能材料的研制提供参考。
         这一成果近期发表在Advanced Materials上，文章的第一作者是东华大学材料学院管清宝副研究员，通讯作者为游正伟教授。


        


         文章来源：东华大学
         游正伟，男，1978年2月5日生，博士学位，东华大学材料科学与工程学院高分子科学与工程系教授，博士生导师，主要研究高分子基生物医用材料和生物基高分子功能材料。可降解材料在再生医学里扮演着核心的角色。聚酯是目前可降解材料里被研究的最多、最有前景的一类材料。但是功能化聚酯的合成还是一个难点，其应用的潜能远远没有被挖掘。我们针对这样一个孕育着巨大机会的挑战，发展出全新方法合成功能化聚酯，开发了一系列具有良好应用潜力的功能化生物材料。工作引起了同行的关注，曾在美国化学会年会上做邀请报告。