清華大學吉巖團隊 Nat. Commun.：力學性能與耗散性能兼優的液晶聚合物網絡
隨著現代工業的迅速發展，振動與噪音污染等問題愈發顯著，不僅影響設備和儀器的正常運作，也對人們的身心健康構成威脅。為此，研究人員們不斷探尋高性能的能量耗散材料，實現有效地減振降噪。液晶聚合物網絡（LCN）是一種極具潛力的能量耗散聚合物材料。LCN的液晶性賦予其區別于傳統聚合物的新相變溫度——液晶相-各向同性相轉變溫度（Ti）：傳統聚合物的阻尼性能在玻璃化轉變溫度（Tg）達到峰值；而由于LCN獨特的液晶性，其阻尼性能不僅在Tg附近出現峰值，也會在Ti溫度附近表現出優異表現。此外，LCN還具有特殊的“軟彈性”：在外力作用下，其應變增加的同時能夠保持幾乎一定應力。在此過程中，LCN的液晶基元發生偏轉，能夠有效吸收外界施加的能量，實現能量耗散。然而，當前具有良好能量耗散性能的LCN通常缺少良好的力學性能，限制其使用壽命與應用場景。如何獲取力學性能與耗散性能兼優的液晶聚合物網絡，是LCN走向實際應用的重要環節。
清華大學化學系生命有機磷化學及化學生物學教育部重點實驗室吉巖團隊在液晶能量耗散材料領域取得了重要進展。該團隊提出一種基于液晶半互穿網絡（LC-semi-IPN）的高性能能量耗散材料，通過在LCN中引入結晶性的液晶線型聚合物（c-LCP），從而構筑得到兼具優良的力學性能與耗散性能的LC-semi-IPN，實現力學性能與耗散性能的協同優化。液晶線型聚合物的結晶特性能夠顯著提升LC-semi-IPN力學性能，c-LCP聚合物鏈的運動及其與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”為題發表在《Nature Communications》上（Nat. Commun. 2024, 15, 9902）。文章第一作者是清華大學楊志俊博士，通訊作者是清華大學吉巖副教授。該研究得到國家自然科學基金委的支持。
圖1 LCN與LC-semi-IPN的能量耗散行為與力學增強的示意圖。通過引入c-LCP，能夠實現液晶聚合物網絡的力學性能提高，并且拓寬其有效阻尼溫域（tanδ＞0.3）。
圖2展示了c-LCP與LCN的基本化學結構。c-LCP與LCN的合成均基于硫醇-邁克爾加成反應。c-LCP與LC-semi-IPN的結晶行為可以由X射線衍射分析（XRD）與差示掃描量熱（DSC）進行表征。阻尼因子tanδ是用以判斷聚合物材料阻尼特性的重要參數，通常地，tanδ＞0.3的溫度范圍被稱為“有效阻尼溫域”，流變測試結果表明，LC-semi-IPN的有效阻尼溫域高達130℃，遠超于先前報道的LCN阻尼材料。
圖2 LC-semi-IPN的組成、結晶行為與阻尼特性。
由于c-LCP的引入，LC-semi-IPN也表現出結晶行為，其力學性能也有了明顯提高。圖3與圖4分別展現了LC-semi-IPN在拉伸與壓縮條件下的力學行為。在拉伸測試中，與LCN相比，LC-semi-IPN的楊氏模量提高了18倍。在拉伸-回縮循環實驗中，LC-semi-IPN比LCN展現出更高的能量耗散與能量耗散百分比。改變拉伸測試的應變速率，LC-semi-IPN仍能夠表現出更優的能量耗散性能與力學性能。相似地，在壓縮測試中，在不同的壓縮應變速率條件下，LC-semi-IPN同樣表現出更優的能量耗散性能與力學性能。
圖3 LC-semi-IPN與LCN在拉伸條件下的力學特性。
圖4 LC-semi-IPN與LCN在壓縮條件下的力學特性。
為了驗證LC-semi-IPN在實際應用場景中緩震與抗變形的特性，設計如下的落球實驗（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，并保留一組空白實驗，將50 g小鋼球從距離載玻片1 m的上空落下。空白組實驗與覆蓋PDMS的載玻片發生明顯破碎，覆蓋LCN的載玻片也出現裂痕，然而覆蓋LC-semi-IPN的載玻片未出現裂紋與破碎，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樣片出現明顯裂紋，LCN樣片發生變形，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在落球實驗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構件（圖6）。在壓縮-回復循環測試中，基于LC-semi-IPN的結構件具有遠超于LCN結構件的能量耗散能力。此外，當外界壓力釋放后，LC-semi-IPN結構件能夠逐漸恢復其原有形狀，能夠保持基本相似的能量耗散能力，表明其具有可重復使用特性。
圖6 LC-semi-IPN結構件在壓縮實驗中的能量吸收特性。
綜上所述，LC-semi-IPN兼具良好的力學性能與能量耗散特性，有效地平衡了阻尼材料的力學性能與耗散性能間的矛盾。此外，該策略也有望應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
