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和繁杂的制备步骤，已开发出许多阻燃聚合物材料，但由此制成的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。基于此，我室游正伟教授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的潜在应用方面具有很大的前景。这项工作的意义概述如下。
(1)基于全芳族LCP的本征型耐火TENG在燃烧后仍能保持优异的电输出性能。
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，TENGs不能再使用了。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(图1)。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，超越了以往报道的阻燃TENG的工作。
图 1. LCP-TENG的耐火性能演示。(A)用于驱动电子设备的LCP-TENG示意图；(B) LCPAEE-TENG 分别燃烧4 s、8 s和16 s 后的电输出性能；(C)充电系统电路图；(D)燃烧16 s前后点亮17个LED的照片；(E) LCPAEE燃烧16 s前后表面和内部形态的SEM图。(2)采用分子策略同时增强聚合物材料长期相互矛盾的介电常数、热性能和耐火性。
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侧链、取代基或与导电填料共混，这不可避免地会降低热性能和耐火性。在该工作中，游正伟教授团队提出了一种新的设计理念，通过使用非线性骨架构象来改善分子链运动和偶极极化，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(图2)。
图 2. LCP-TENG的工作机理和电输出性能。(A)具有层状结构的LCP-TENG的工作机理示意图；(B)不同LCP与PDMS的介电常数(ε')和损耗(tan δ)；(C)不同LCP与PDMS和(D)不同摩擦电聚合物与LCPAEE分别组成LCP-TENG的电输出性能；(E) PDMS、PTFE与LCPAEE的摩擦电系列；(F)电流密度和功率密度随外部电阻的变化曲线。(3)极其简便的一步法多组分熔融缩聚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，但仍然面临着牺牲原有加工性能和机械性能的两难境地。开发本征型耐火聚合物将是解决上述挑战极为有效的策略，然而，现有的聚合物，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。本文采用一步法多组分熔融缩聚制备LCPAEE(图3)，这种极其简便的合成策略将显著促进本征型阻燃聚合物的快速发展和应用。
图 3. 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。综上所述，本研究设计制备了基于高性能液晶聚芳酯醚LCPAEE的本征型阻燃TENG，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气输出性能，有效解决了TENG在消防、个人防护等极端环境中的应用挑战。这项工作是高性能聚合物的一项重大发展，并将激发新的策略来调和通常相互矛盾的材料特性。这一成果近期发表在Advanced Materials上，文章的第一作者是东华大学管清宝副研究员，通讯作者为游正伟教授。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202204543High‐performance liquid crystalline polymer for intrinsic fire-resistant and flexible triboelectric nanogeneratorsQingbao Guan, Xiao Lu, Yuyao Chen, Haiyang Zhang, Yaxuan Zheng, Rasoul Esmaeely Neisiany, Zhengwei You, Adv. Mater., 2022, 2204543, DOI: 10.1002/adma.202204543
