清华大学吉岩团队 Nat. Commun.：力学性能与耗散性能兼优的液晶聚合物网络
随着现代工业的迅速发展，振动与噪音污染等问题愈发显著，不仅影响设备和仪器的正常运作，也对人们的身心健康构成威胁。为此，研究人员们不断探寻高性能的能量耗散材料，实现有效地减振降噪。液晶聚合物网络（LCN）是一种极具潜力的能量耗散聚合物材料。LCN的液晶性赋予其区别于传统聚合物的新相变温度——液晶相-各向同性相转变温度（Ti）：传统聚合物的阻尼性能在玻璃化转变温度（Tg）达到峰值；而由于LCN独特的液晶性，其阻尼性能不仅在Tg附近出现峰值，也会在Ti温度附近表现出优异表现。此外，LCN还具有特殊的“软弹性”：在外力作用下，其应变增加的同时能够保持几乎一定应力。在此过程中，LCN的液晶基元发生偏转，能够有效吸收外界施加的能量，实现能量耗散。然而，当前具有良好能量耗散性能的LCN通常缺少良好的力学性能，限制其使用寿命与应用场景。如何获取力学性能与耗散性能兼优的液晶聚合物网络，是LCN走向实际应用的重要环节。
清华大学化学系生命有机磷化学及化学生物学教育部重点实验室吉岩团队在液晶能量耗散材料领域取得了重要进展。该团队提出一种基于液晶半互穿网络（LC-semi-IPN）的高性能能量耗散材料，通过在LCN中引入结晶性的液晶线型聚合物（c-LCP），从而构筑得到兼具优良的力学性能与耗散性能的LC-semi-IPN，实现力学性能与耗散性能的协同优化。液晶线型聚合物的结晶特性能够显著提升LC-semi-IPN力学性能，c-LCP聚合物链的运动及其与LCN的摩擦使得LC-semi-IPN具有良好的能量耗散特性。该工作以“Robust liquid crystal semi-interpenetrating polymer network with superior energy-dissipation performance”为题发表在《Nature Communications》上（Nat. Commun. 2024, 15, 9902）。文章第一作者是清华大学杨志俊博士，通讯作者是清华大学吉岩副教授。该研究得到国家自然科学基金委的支持。
图1 LCN与LC-semi-IPN的能量耗散行为与力学增强的示意图。通过引入c-LCP，能够实现液晶聚合物网络的力学性能提高，并且拓宽其有效阻尼温域（tanδ＞0.3）。
图2展示了c-LCP与LCN的基本化学结构。c-LCP与LCN的合成均基于硫醇-迈克尔加成反应。c-LCP与LC-semi-IPN的结晶行为可以由X射线衍射分析（XRD）与差示扫描量热（DSC）进行表征。阻尼因子tanδ是用以判断聚合物材料阻尼特性的重要参数，通常地，tanδ＞0.3的温度范围被称为“有效阻尼温域”，流变测试结果表明，LC-semi-IPN的有效阻尼温域高达130℃，远超于先前报道的LCN阻尼材料。
图2 LC-semi-IPN的组成、结晶行为与阻尼特性。
由于c-LCP的引入，LC-semi-IPN也表现出结晶行为，其力学性能也有了明显提高。图3与图4分别展现了LC-semi-IPN在拉伸与压缩条件下的力学行为。在拉伸测试中，与LCN相比，LC-semi-IPN的杨氏模量提高了18倍。在拉伸-回缩循环实验中，LC-semi-IPN比LCN展现出更高的能量耗散与能量耗散百分比。改变拉伸测试的应变速率，LC-semi-IPN仍能够表现出更优的能量耗散性能与力学性能。相似地，在压缩测试中，在不同的压缩应变速率条件下，LC-semi-IPN同样表现出更优的能量耗散性能与力学性能。
图3 LC-semi-IPN与LCN在拉伸条件下的力学特性。
图4 LC-semi-IPN与LCN在压缩条件下的力学特性。
为了验证LC-semi-IPN在实际应用场景中缓震与抗变形的特性，设计如下的落球实验（图5）。将商用PDMS聚硅氧烷减振片、LCN与LC-semi-IPN覆盖于载玻片上，并保留一组空白实验，将50 g小钢球从距离载玻片1 m的上空落下。空白组实验与覆盖PDMS的载玻片发生明显破碎，覆盖LCN的载玻片也出现裂痕，然而覆盖LC-semi-IPN的载玻片未出现裂纹与破碎，表明LC-semi-IPN具有良好的缓震特性。此外，将PDMS、LCN与LC-semi-IPN覆盖于中空的块体，将25 g小钢球从距离块体1 m的上空落下，PDMS样片出现明显裂纹，LCN样片发生变形，而LC-semi-IPN样片仍能够保持原有形状，表明LC-semi-IPN具有良好的抗变形能力。
图5 LC-semi-IPN与LCN在落球实验中缓震与抗变形行为（比例尺：2.5 mm）。
LC-semi-IPN也可用以制备轻量化、高性能的能量耗散结构件（图6）。在压缩-回复循环测试中，基于LC-semi-IPN的结构件具有远超于LCN结构件的能量耗散能力。此外，当外界压力释放后，LC-semi-IPN结构件能够逐渐恢复其原有形状，能够保持基本相似的能量耗散能力，表明其具有可重复使用特性。
图6 LC-semi-IPN结构件在压缩实验中的能量吸收特性。
综上所述，LC-semi-IPN兼具良好的力学性能与能量耗散特性，有效地平衡了阻尼材料的力学性能与耗散性能间的矛盾。此外，该策略也有望应用于其它聚合物材料体系，获取高性能能量耗散材料。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54233-x
