與電子產品有關的火災每年都會在全球範圍內造成巨大的生命和財產損失👥🙎🏽‍♂️。摩擦納米發電機(TENG)的出現提供了一種安全且環保的方式來收集能源並將其轉化為電能。作為TENG不可或缺的一部分⌚️，現有的大多數摩擦電聚合物都不耐火。盡管研究人員通過添加阻燃劑和繁雜的製備步驟🧙🏿‍♂️，已開發出許多阻燃聚合物材料💷，但由此製成的TENG在火災中仍存在熔滴問題，且燃燒後不能重復使用🏄🏻‍♂️。因此，開發本征型耐火聚合物對於減輕火災危害🧗🏻‍♂️，進而促進TENG在極端環境下的應用至關重要。基於此👩🏻‍🍳，沐鸣2平台遊正偉教授團隊報道了一種基於高性能液晶聚芳酯醚(LCP_AEE的本征型耐火其高剛性的液晶主鏈結構賦予了TENG出色的抗滴落、耐高溫和耐火特性。這一新型LCP-TENG在減少火災危險和在消防、個人防護和其它極端溫度環境中的潛在應用方面具有很大的前景。這項工作的意義概述如下。

基於全芳族型耐火

現有的阻燃TENG通常由納米填料增強復合材料製成🤶🏌🏻‍♂️。雖然復合材料很難燃燒🥷🏻，但聚合物基體在燃燒時會被嚴重破壞👐🏻，TENGs不能再使用了👨🏿‍🎓。在這項工作中合成的高剛性LCPAEE主鏈賦予LCP-TENG出色的本征型耐火和抗滴落性能(圖1)🏙👷🏿‍♂️。特別是LCP-TENG在520 ℃以上燃燒16 s後，其電輸出性能保持在65%以上🤾🏽‍♀️，超越了以往報道的阻燃TENG的工作。

圖(A)用於驅動電子設備的LCP-TENG示意圖；(B) LCP_AEE-TENG 分別燃燒4 s、8 s和16 s 後的電輸出性能👵🏽；(C)充電系統電路圖；(D)燃燒16 s前後點亮17個LED的照片；(E) LCP_AEE燃燒16 s前後表面和內部形態的SEM圖☸️。

(2)采用分子策略同時增強聚合物材料長期相互矛盾的介電常數、熱性能和耐火性。

眾所周知🕎🥛，TENG和其它相關電子器件的電輸出性能與材料的介電性能密切相關。提高聚合物介電常數的典型方法是引入具有高極性的側鏈👳🏽、取代基或與導電填料共混，這不可避免地會降低熱性能和耐火性。在該工作中，遊正偉教授團隊提出了一種新的設計理念👝，通過使用非線性骨架構象來改善分子鏈運動和偶極極化👨🏻‍🍳👨🏻‍🎨，從而有效解決了上述材料特性的矛盾問題🥵。製得LCP_AEE表現出高介電常數(4.8)👮🏻‍♂️⬅️，比典型LCP高60%🙄，同時保持優異的熱穩定性(>450 ℃)和自熄特性🥒。由此製得的本征型耐火LCP-TENG表現出高電輸出性能(圖2)。

圖(A)具有層狀結構的LCP-TENG的工作機理示意圖🤽🏽‍♀️；(B)不同LCP與PDMS的介電常數(ε')和損耗(tan δ)👨‍❤️‍👨；(C)不同LCP與PDMS和(D)不同摩擦電聚合物與LCP_AEE分別組成LCP-TENG的電輸出性能；(E) PDMS🧎🏻‍➡️、PTFE與LCP_AEE的摩擦電系列；(F)電流密度和功率密度隨外部電阻的變化曲線

極其簡便的一步法多組分熔融縮聚合成本征型耐火聚合物⏲。

隨著人們對消防安全的認識不斷提高，對開發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劑👱‍♂️，但仍然面臨著犧牲原有加工性能和機械性能的兩難境地👲🏽。開發本征型耐火聚合物將是解決上述挑戰極為有效的策略🙇🏽，然而，現有的聚合物🏄‍♂️，如聚酰亞胺或聚酰胺通常使用強腐蝕性或極性溶劑進行多步合成。本文采用一步法多組分熔融縮聚製備LCP_AEE(圖3)，這種極其簡便的合成策略將顯著促進本征型阻燃聚合物的快速發展和應用⚽️。

圖型的分子結構設計與性能優勢🙎🏼‍♂️。(A)將4, 4'-二羥基二苯醚(DHPE)單體引入主鏈結構製得LCP_AEE；(B)基於LCP_AEE研製本征型阻燃LCP-TENG與(C)其在極端溫度環境下的潛在應用展示；(D)LCP_AEE與現有摩擦電聚合物的綜合性能對比🙎。

綜上所述，本研究設計製備了基於高性能液晶聚芳酯醚LCP_AEE的本征型阻燃TENG🩶🟫，具有出色的介電性能和耐火性。製得的LCP-TENG在燃燒前後均表現出優異的電氣輸出性能🪔，有效解決了TENG在消防、個人防護等極端環境中的應用挑戰👨‍🔧。這項工作是高性能聚合物的一項重大發展，並將激發新的策略來調和通常相互矛盾的材料特性。

這一成果近期發表在Advanced Materials上，文章的第一作者是沐鸣2平台管清寶副研究員🏌🏽，通訊作者為遊正偉教授。

論文信息：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202204543

High‐performance liquid crystalline polymer for intrinsic fire-resistant and flexible triboelectric nanogenerators

Qingbao Guan, Xiao Lu, Yuyao Chen, Haiyang Zhang, Yaxuan Zheng, Rasoul Esmaeely Neisiany, Zhengwei You, Adv. Mater., 2022, 2204543, DOI: 10.1002/adma.202204543