新技术助力耐火聚合物 具有先导保障作用的高性能材料问世
【化工仪器网 项目成果】随着通讯、互联网等技术的发展，物联网应育而生，传感器和微型器件得到了大规模应用，如何为这些微型器件充电，成为了一个难题。摩擦纳米发电机是一种全新的机械能收集技术，可以从周围环境中收集各种形式的机械能，包括人体运动、机械振动、轮胎旋转、水滴/水流、风能等，并将其直接转化为电能。
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摩擦纳米发电机与电子发电机最大的不同是，电子发电机是利用磁场变化进行发电的，而摩擦纳米发电机是基于位移电流发电的，即随时间变化的电场而产生的感应电流，以及介质极化所引起的静电荷微小位移所产生的电流。从物理效应来看，它是基于两种材料的接触摩擦，产生静电感应并对外输出电流。
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摩擦纳米发电机能安全环保地收集能源，但其不可或缺的组成部分——摩擦电聚合物多数都不耐火。相关文献显示，当温度超过200摄氏度时，摩擦纳米发电机的电输出性能即出现大幅下降。如果处在火焰中，普通摩擦纳米发电机所用的聚合物材料会卷曲变形，甚至燃烧损毁，均无法再次使用。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剂，这常会牺牲材料原有加工性能和机械性能，因此开发新型耐火聚合物是迫切需求也是巨大挑战。
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尽管科学家通过添加阻燃剂等方式，开发出一些阻燃聚合物材料，但其往往制备过程繁杂，同时副产物难以处理。一方面制备摩擦电聚合物的聚合物材也容易在燃烧时会被破坏，导致其无法再使用。另一方面，如果采用传统的风冷、水冷等降温技术，将导致摩擦电聚合物器件尺寸增大，大大降低其使用便捷性和应用范围。因此，开发阻燃抗熔滴聚合物非常必要。
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近日，东华大学教授游正伟团队研制出一种基于高性能液晶聚芳酯醚(LCPAEE)的本征型耐火材料。LCP本身是一种本征型阻燃高分子，未添加任何阻燃剂，因此在燃烧情况下仍能保持摩擦电输出性能。该种材料采用一步法熔融聚合反应制备或溶液法加工成型，和聚酰亚胺或芳纶等使用强腐蚀性或极性溶剂进行多步合成加工成型相比。其制备过程更简单、技术操作难度小，并且该反应的副产品是醋酸，可以很方便地冷凝收集并再利用，避免出现传统方法中溶剂回收问题。
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高刚性主链结构赋予研究合成的LCPAEE出色的本征型耐火和抗滴落性能。由LCPAEE制成的LCP-摩擦纳米发电机在火焰中(520摄氏度以上)燃烧16秒后，其电输出性能仍保持在65%以上，优于以往报道的阻燃摩擦纳米发电机。
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与此同时，研究团队还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，从而有效解决聚合物材料长期相互矛盾的介电常数与耐火性问题。这种LCPAEE表现出高介电常数(4.8)，比典型LCP高60%，同时能保持优异的热稳定性(大于450摄氏度)和自熄特性。由此制得的本征型耐火LCP-摩擦纳米发电机表现出高电输出性能。
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新型本征型阻燃高性能液晶聚芳酯醚不但有出色的介电性能和耐火性，还具备优良加工性和高强度、高模量、高玻璃化转变温度，可为未来新一代航空航天和尖端科学提供有先导保障作用的高性能材料，其分子设计理念也为其他高性能材料研制提供参考。在电子电器领域，LCP材料可应用于高密度连接器、线圈架、线轴、基片载体、电容器外壳等；在汽车工业领域，LCP可用于汽车燃烧系统元件、燃烧泵、隔热部件、精密元件、电子元件等；在航空航天领域，可用于雷达天线屏蔽罩、耐高温耐辐射壳体等方面。
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(资料来源：中国科学报)
