清華大學(xué)吉巖團(tuán)隊(duì) Nat. Commun.：力學(xué)性能與耗散性能兼優(yōu)的液晶聚合物網(wǎng)絡(luò)
隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，振動(dòng)與噪音污染等問題愈發(fā)顯著，不僅影響設(shè)備和儀器的正常運(yùn)作，也對(duì)人們的身心健康構(gòu)成威脅。為此，研究人員們不斷探尋高性能的能量耗散材料，實(shí)現(xiàn)有效地減振降噪。液晶聚合物網(wǎng)絡(luò)（LCN）是一種極具潛力的能量耗散聚合物材料。LCN的液晶性賦予其區(qū)別于傳統(tǒng)聚合物的新相變溫度——液晶相-各向同性相轉(zhuǎn)變溫度（Ti）：傳統(tǒng)聚合物的阻尼性能在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）達(dá)到峰值；而由于LCN獨(dú)特的液晶性，其阻尼性能不僅在Tg附近出現(xiàn)峰值，也會(huì)在Ti溫度附近表現(xiàn)出優(yōu)異表現(xiàn)。此外，LCN還具有特殊的“軟彈性”：在外力作用下，其應(yīng)變?cè)黾拥耐瑫r(shí)能夠保持幾乎一定應(yīng)力。在此過(guò)程中，LCN的液晶基元發(fā)生偏轉(zhuǎn)，能夠有效吸收外界施加的能量，實(shí)現(xiàn)能量耗散。然而，當(dāng)前具有良好能量耗散性能的LCN通常缺少良好的力學(xué)性能，限制其使用壽命與應(yīng)用場(chǎng)景。如何獲取力學(xué)性能與耗散性能兼優(yōu)的液晶聚合物網(wǎng)絡(luò)，是LCN走向?qū)嶋H應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。
清華大學(xué)化學(xué)系生命有機(jī)磷化學(xué)及化學(xué)生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吉巖團(tuán)隊(duì)在液晶能量耗散材料領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)提出一種基于液晶半互穿網(wǎng)絡(luò)（LC-semi-IPN）的高性能能量耗散材料，通過(guò)在LCN中引入結(jié)晶性的液晶線型聚合物（c-LCP），從而構(gòu)筑得到兼具優(yōu)良的力學(xué)性能與耗散性能的LC-semi-IPN，實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能與耗散性能的協(xié)同優(yōu)化。液晶線型聚合物的結(jié)晶特性能夠顯著提升LC-semi-IPN力學(xué)性能，c-LCP聚合物鏈的運(yùn)動(dòng)及其與LCN的摩擦使得LC-semi-IPN具有良好的能量耗散特性。該工作以“Robust liquid crystal semi-interpenetrating polymer network with superior energy-dissipation performance”為題發(fā)表在《Nature Communications》上（Nat. Commun. 2024, 15, 9902）。文章第一作者是清華大學(xué)楊志俊博士，通訊作者是清華大學(xué)吉巖副教授。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。
圖1 LCN與LC-semi-IPN的能量耗散行為與力學(xué)增強(qiáng)的示意圖。通過(guò)引入c-LCP，能夠?qū)崿F(xiàn)液晶聚合物網(wǎng)絡(luò)的力學(xué)性能提高，并且拓寬其有效阻尼溫域（tanδ＞0.3）。
圖2展示了c-LCP與LCN的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)。c-LCP與LCN的合成均基于硫醇-邁克爾加成反應(yīng)。c-LCP與LC-semi-IPN的結(jié)晶行為可以由X射線衍射分析（XRD）與差示掃描量熱（DSC）進(jìn)行表征。阻尼因子tanδ是用以判斷聚合物材料阻尼特性的重要參數(shù)，通常地，tanδ＞0.3的溫度范圍被稱為“有效阻尼溫域”，流變測(cè)試結(jié)果表明，LC-semi-IPN的有效阻尼溫域高達(dá)130℃，遠(yuǎn)超于先前報(bào)道的LCN阻尼材料。
圖2 LC-semi-IPN的組成、結(jié)晶行為與阻尼特性。
由于c-LCP的引入，LC-semi-IPN也表現(xiàn)出結(jié)晶行為，其力學(xué)性能也有了明顯提高。圖3與圖4分別展現(xiàn)了LC-semi-IPN在拉伸與壓縮條件下的力學(xué)行為。在拉伸測(cè)試中，與LCN相比，LC-semi-IPN的楊氏模量提高了18倍。在拉伸-回縮循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，LC-semi-IPN比LCN展現(xiàn)出更高的能量耗散與能量耗散百分比。改變拉伸測(cè)試的應(yīng)變速率，LC-semi-IPN仍能夠表現(xiàn)出更優(yōu)的能量耗散性能與力學(xué)性能。相似地，在壓縮測(cè)試中，在不同的壓縮應(yīng)變速率條件下，LC-semi-IPN同樣表現(xiàn)出更優(yōu)的能量耗散性能與力學(xué)性能。
圖3 LC-semi-IPN與LCN在拉伸條件下的力學(xué)特性。
圖4 LC-semi-IPN與LCN在壓縮條件下的力學(xué)特性。
為了驗(yàn)證LC-semi-IPN在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中緩震與抗變形的特性，設(shè)計(jì)如下的落球?qū)嶒?yàn)（圖5）。將商用PDMS聚硅氧烷減振片、LCN與LC-semi-IPN覆蓋于載玻片上，并保留一組空白實(shí)驗(yàn)，將50 g小鋼球從距離載玻片1 m的上空落下。空白組實(shí)驗(yàn)與覆蓋PDMS的載玻片發(fā)生明顯破碎，覆蓋LCN的載玻片也出現(xiàn)裂痕，然而覆蓋LC-semi-IPN的載玻片未出現(xiàn)裂紋與破碎，表明LC-semi-IPN具有良好的緩震特性。此外，將PDMS、LCN與LC-semi-IPN覆蓋于中空的塊體，將25 g小鋼球從距離塊體1 m的上空落下，PDMS樣片出現(xiàn)明顯裂紋，LCN樣片發(fā)生變形，而LC-semi-IPN樣片仍能夠保持原有形狀，表明LC-semi-IPN具有良好的抗變形能力。
圖5 LC-semi-IPN與LCN在落球?qū)嶒?yàn)中緩震與抗變形行為（比例尺：2.5 mm）。
LC-semi-IPN也可用以制備輕量化、高性能的能量耗散結(jié)構(gòu)件（圖6）。在壓縮-回復(fù)循環(huán)測(cè)試中，基于LC-semi-IPN的結(jié)構(gòu)件具有遠(yuǎn)超于LCN結(jié)構(gòu)件的能量耗散能力。此外，當(dāng)外界壓力釋放后，LC-semi-IPN結(jié)構(gòu)件能夠逐漸恢復(fù)其原有形狀，能夠保持基本相似的能量耗散能力，表明其具有可重復(fù)使用特性。
圖6 LC-semi-IPN結(jié)構(gòu)件在壓縮實(shí)驗(yàn)中的能量吸收特性。
綜上所述，LC-semi-IPN兼具良好的力學(xué)性能與能量耗散特性，有效地平衡了阻尼材料的力學(xué)性能與耗散性能間的矛盾。此外，該策略也有望應(yīng)用于其它聚合物材料體系，獲取高性能能量耗散材料。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54233-x
