新技術助力耐火聚合物 具有先導保障作用的高性能材料問世
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】隨著通訊、互聯(lián)網(wǎng)等技術的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)應育而生，傳感器和微型器件得到了大規(guī)模應用，如何為這些微型器件充電，成為了一個難題。摩擦納米發(fā)電機是一種全新的機械能收集技術，可以從周圍環(huán)境中收集各種形式的機械能，包括人體運動、機械振動、輪胎旋轉、水滴/水流、風能等，并將其直接轉化為電能。
摩擦納米發(fā)電機與電子發(fā)電機最大的不同是，電子發(fā)電機是利用磁場變化進行發(fā)電的，而摩擦納米發(fā)電機是基于位移電流發(fā)電的，即隨時間變化的電場而產生的感應電流，以及介質極化所引起的靜電荷微小位移所產生的電流。從物理效應來看，它是基于兩種材料的接觸摩擦，產生靜電感應并對外輸出電流。
摩擦納米發(fā)電機能安全環(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。相關文獻顯示，當溫度超過200攝氏度時，摩擦納米發(fā)電機的電輸出性能即出現(xiàn)大幅下降。如果處在火焰中，普通摩擦納米發(fā)電機所用的聚合物材料會卷曲變形，甚至燃燒損毀，均無法再次使用。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)。
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，但其往往制備過程繁雜，同時副產物難以處理。一方面制備摩擦電聚合物的聚合物材也容易在燃燒時會被破壞，導致其無法再使用。另一方面，如果采用傳統(tǒng)的風冷、水冷等降溫技術，將導致摩擦電聚合物器件尺寸增大，大大降低其使用便捷性和應用范圍。因此，開發(fā)阻燃抗熔滴聚合物非常必要。
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)的本征型耐火材料。LCP本身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。該種材料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。其制備過程更簡單、技術操作難度小，并且該反應的副產品是醋酸，可以很方便地冷凝收集并再利用，避免出現(xiàn)傳統(tǒng)方法中溶劑回收問題。
高剛性主鏈結構賦予研究合成的LCPAEE出色的本征型耐火和抗滴落性能。由LCPAEE制成的LCP-摩擦納米發(fā)電機在火焰中(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)于以往報道的阻燃摩擦納米發(fā)電機。
與此同時，研究團隊還提出了一種新的設計理念，通過使用非線性骨架來改善分子鏈運動和偶極極化，從而有效解決聚合物材料長期相互矛盾的介電常數(shù)與耐火性問題。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-摩擦納米發(fā)電機表現(xiàn)出高電輸出性能。
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)良加工性和高強度、高模量、高玻璃化轉變溫度，可為未來新一代航空航天和尖端科學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參考。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方面。
(資料來源：中國科學報)
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