“2022 年初，上海疫情的突然爆发，使我们原本匆忙的脚步停了下来，也拥有更多时间来梳理论文。由于抗疫需要，那两个月我一直吃住在办公室，白天与其他教师一起做抗疫志愿者，晚上与主要负责的管清宝老师和论文的各位作者开在线会议，一起反复修改论文。疫情将我们暂时地分隔在不同的空间，但我们守望相助、互相鼓励，共同完成了论文发表。”东华大学材料科学与工程学院游正伟教授表示。
图 | 游正伟（来源：游正伟）
这篇诞生于 2022 年春上海新冠疫情期间的论文，是一个关于阻燃摩擦纳米发电机的成果，其基于高性能的液晶聚合物。
东华大学材料科学与工程学院管清宝副教授表示：“目前我们正和相关龙头企业洽谈产业化推进，希望能生产出拥有完全自主知识产权的液晶聚芳酯，为解决该领域的‘卡脖子’问题贡献我们的力量。同时基于其优良的性能，我们还将根据此次工作里涉及的本征型阻燃性电子器件，去开拓相关领域的新应用，从而在相关技术上占领全球制高点。”
据悉，此次研制的液晶聚芳酯（LCP，Liquid Crystal Polymer），兼具优良加工性、高强度高模量高玻璃化的转变温度，可为新一代航空航天、国防军工、医疗器械和尖端科学提供有先导和保障作用的高性能材料。
在电子电器领域，其可应用于高密度连接器、基片载体、电容器外壳等。尤其是在当下的 5G 通信行业，液晶聚芳酯薄膜材料在国内外都有着非常旺盛的需求端；在汽车工业领域，可用于汽车燃烧系统元件、燃烧泵、电子元件等；在航空航天领域，则可用于雷达天线屏蔽罩、耐高温耐辐射壳体等领域；而在医疗器械领域，该材料有望发展成为新一代高性能骨科植入物，人工韧带等。
将显著促进本征型阻燃聚合物的发展和应用
摩擦纳米发电机（TENG，Triboelectric Nanogenerator）是近年来新型的前沿技术，在可穿戴自供电设备等领域备受瞩目，优异的电输出性能是其应用的关键，这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。
该团队发现，可通过使用非线性骨架来改善分子链运动和偶极极化，从而有效解决上述材料特性的矛盾问题。
此次制备的液晶聚芳酯醚（LCPAEE），具有 4.8 的高介电常数，比现有的液晶聚芳酯高 60%，同时可保持大于 450℃ 的优异热稳定性、以及自熄特性。由此制得的本征型耐火 LCP-TENG，表现出较高的电输出性能。
在解决领域内的问题上，一是现有的阻燃摩擦纳米发电机通常由纳米填料增强复合材料制成，虽然复合材料难以燃烧，但聚合物基体在燃烧时会被严重破坏，导致摩擦纳米发电机无法再使用。
而该团队合成的高刚性液晶聚芳酯醚主链，可赋予 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 秒后，其电输出性能保持在 65% 以上，优于以往报道的阻燃摩擦纳米发电机。
二是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。目前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。
因此，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。现有的该类聚合物，比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。
为做出进一步优化，该课题组设计了多组分熔融缩聚一步法制备液晶聚芳酯醚，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。
可以说，这项工作一方面解决了此前领域内存在的问题，另一方面也发现了新知识，即团队发现了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。
近日，相关论文以《高性能液晶聚合物用于本征耐火和柔性摩擦电纳米发电机》（High-Performance Liquid Crystalline Polymer for Intrinsic Fire-Resistant and Flexible Triboelectric Nanogenerators）为题，发表在 Advanced Materials 上。管清宝为第一作者，游正伟为通讯作者。
图 | 管清宝（来源：管清宝）
审稿人从研究意义和创新性等方面肯定了本工作，其表示：“由此产生的 LCP-TENG 为个人防护装备有着巨大的前景，它可以提高人们在火灾现场逃生的可能性。作者展示了一种液晶聚芳酯醚，可用于极端温度环境比如消防。”
图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）
此外，这款新型本征型阻燃高性能液晶聚芳酯醚，在燃烧前后均表现出优异的电输出性能，对此审稿人也给予高度评价：“即使在燃烧 16秒（~520℃）后仍保持在 65% 以上的开路电压的结果，是相当显著的。”
图 | 游正伟（二排左六）、管清宝（二排左七）和团队（来源：该团队）
从“纸上谈兵”到“真刀真枪”
据悉，该团队在做科研或攻关项目时，始终采取整套的逻辑思路，此次论文也不例外。整个研究主要分为三个阶段：
其一，立意新颖。首先，游正伟要求团队在最初切入点上一定要有独创性，例如在材料科学研究方面，一个简单的评判标准就是：使用已有材料，是否也能实现某一性能或功能。如果答案是肯定的，那就说明 idea 仍然缺乏创新性。
直到课题组能够说服自己这个 idea 确实是前所未有的，才能进入实验阶段。以本论文为例，虽然商业化的 LCP 作为摩擦电材料从未被报道过，但他们认为以此作为研究出发点是缺乏创新性的。
而其以“前所未有”为标准，助力团队突破自我，所设计研制出的液晶聚芳酯醚，在加工、热学、介电和摩擦电学等性能均优于商业化液晶聚芳酯。
其二，知己知彼。如果把做科研比作一场战争，要想百战不殆，至少先做到知己知彼。无论是立项前的文献调研，还是研究实验阶段，亦或是论文撰写甚至投稿阶段，该团队一直关注领域里的国内外进展。
而处在信息爆炸的时代，获取信息愈加便捷，有任何相关的文献报道，他们都会及时跟进，总结梳理到性能表中，从而让此次研究工作具备清晰的定位。
其三是科学论证。前面其实算是“纸上谈兵”，课题组的 idea 和各种理论假设，最终还是要通过科学试验“真刀真枪”地验证。
“用实验数据说话，这离不开我们有一支执行力强、团结奋进的团队，从科学高效地设计实验、有的放矢地测试表征、到准确严谨地数据分析，最终以论文形式简洁明了呈现出来。期间，各位团队成员分工明确、协作互助，敢于直面科学难题和技术挑战，过程中不断蜕变成长。”游正伟说。
宏观来看，该成果及其应用前景可以分为两个层次：一是此次设计制备的本征型阻燃高性能液晶聚芳酯醚，是一种新型的液晶聚芳酯，相较于商业化的液晶聚芳酯，在加工、热学、力学等性能方面均有所提升，所以将在商业化液晶聚芳酯原有的应用领域，比如耐热结构件、高性能纤维等细分领域得到推广使用，同时有望开拓在高性能医疗器械等领域的应用。
二是基于液晶聚芳酯醚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，可进一步开发应用于火灾救援系统，在消防、个人防护等极端环境中具有良好的应用前景。
另据悉，实验结果显示液晶聚芳酯醚具备优异的综合性能，其作为一种膜材，具备多方面应用潜力。
除了制膜，液晶聚芳酯优异的加工性和易取向性，使其成为制备高性能纤维的优良高分子材料，这种形态的变化将带来更丰富的应用拓展。接下来，该团队还将再接再厉，在液晶聚芳酯领域继续深耕。
参考资料：
1.Guan, Q., Lu, X., Chen, Y., Zhang, H., Zheng, Y., Neisiany, R. E., & You, Z. (2022). High‐Performance Liquid Crystalline Polymer for Intrinsic Fire‐Resistant and Flexible Triboelectric Nanogenerators. Advanced Materials, 34(34), 2204543.
