论文信息

研究背景

液晶弹性体作为一类重要的软致动材料，能够在外界刺激下产生大幅、可逆的形变，在软体机器人、智能穿戴和人工肌肉等领域具有广阔的应用前景。然而，绝大多数高分子基软材料在火灾或高温环境下极易燃烧、熔融或坍塌，防火安全与驱动功能之间的不兼容已成为制约液晶弹性体实际应用的根本性障碍。传统的外添加型阻燃策略（如填充阻燃剂、表面涂层或构建复合材料）虽然在理论上可提供热防护，但引入的外来相往往破坏液晶弹性体的分子有序排列，并在反复形变过程中引发界面脱粘和力学失配，最终牺牲其可逆驱动性能。

成果简介

近日，东南大学化学化工学院杨洪教授课题组在液晶弹性体材料的防火安全与驱动功能兼容性研究方面取得重要进展。研究团队通过自由基介导的P—H/烯烃逐步聚合策略，将次磷酸以稳定的P—C键引入液晶弹性体主链，成功合成了首例兼具本征阻燃性、可逆热致驱动与火焰触发驱动功能的液晶弹性体材料。研究成果发表于《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。

研究内容

东南大学研究团队从分子设计源头出发，摒弃了传统含磷液晶高分子依赖刚性芳香族含磷单元的设计思路，通过自由基介导的P—H/烯烃逐步聚合，将次磷酸以稳定P—C键形式引入LCE主链，在实现高达6.8 wt.%磷含量的同时，保持低且可调的相转变温度与可逆驱动能力。该含磷LCE纤维在热致驱动下可实现约36%的可逆收缩应变，并且相比无磷对照样品，其热释放容量和峰值热释放速率分别降低33.7%和33.1%，垂直燃烧测试中表现出明确的自熄行为。

尤为引人注目的是，该材料实现了独特的“火焰触发驱动”功能。如下方动图所示，在承重致动器构型下，含磷LCE纤维在直接火焰接触后0.4秒内迅速收缩并将重物提起；移开火焰后材料自行熄灭，冷却后重物回落，完成可逆升降做功循环。经火焰燃烧后的致动器在后续热循环中持续服役，结构完整性与输出功能均未丧失。相反，无磷对照样品在直接火焰接触中迅速点燃并发生破坏性燃烧，结构严重扭曲，致动功能完全丧失。

图文导读

图1：展示了从传统LCE遇火燃烧失效（左）到新型有机磷LCE在火焰触发下驱动并自熄（右）的对比。

图2：有机磷LCPs的合成与热致性表征。（a）有机磷LCPs的合成路线。（b）LCPs的¹H NMR和³¹P NMR谱图。（c）LCPs在10°C·min^-1降温和第二次升温过程中的DSC曲线。（d）LCP1在52 °C、LCP2在60 °C、LCP3在71 °C从各向同性态冷却时的POM图像。（e）LCPs在液晶相的二维SAXS/WAXS谱图。（f）本工作与文献报道含磷LCPs的磷含量、T_g和T_iso对比（数据见表S1）。

图3：单畴有机磷LCE纤维的制备、取向、热驱动及力学性能。（a）有机磷LCEs的合成路线。（b）LCE纤维制备流程示意图。（c）LCE纤维的SEM图像和EDS元素面扫图。（d）LCEs在10°C·min^-1降温和第二次升温过程中的DSC曲线。（e）LCEs在30 °C和100 °C下的二维WAXS图案，纤维轴水平放置。（f）LCE3纤维在30 °C液晶态和100 °C各向同性态之间可逆长度变化的照片。（g）LCE3在等力模式下测得的应变-温度曲线。（h）LCE3在不同温度下的应力-应变曲线，插图为对应弹性模量。

图4：有机磷LCEs的阻燃性能及成炭机理。（a）MCC测得的HRC和THR。（b）MCC测得的PHRR及对应峰值温度。（c）LCEs的TGA曲线。（d, e）无磷LCE0和含磷LCE3的垂直燃烧测试。（f）LCE3残炭的SEM图像和EDS磷元素面扫图。（g）LCE3残炭的XPS全谱和高分辨P 2p谱。（h）LCE3在空气下释放挥发物的三维TG-FTIR谱图。（i）涉及气相抑制和磷富集凝聚相成炭的阻燃机理示意图。

图5：负载型有机磷LCE致动器的火焰触发驱动及运行可靠性。（a）火焰触发驱动及负载型致动器构型示意图。（b,c）无磷LCE0和含磷LCE3负载型致动器在直接火焰暴露下的照片。（d）无磷和含磷LCE致动器对火焰响应的直接对比。（e）火焰触发驱动及后续冷却过程的红外热成像图。（f）含磷致动器在火焰诱导驱动过程中的实时长度变化。（g）火焰暴露后的含磷致动器在后续热循环中的可逆应变及对应温度曲线。

结论

该工作的核心创新在于通过分子层面的P—C键设计，从根本上解决了阻燃性与驱动功能长期以来的不相容矛盾。与传统含磷液晶高分子中不稳定的P—O—C键不同，P—C键赋予了材料优异的热氧化稳定性，使其能够在高温下程序化地释放气相淬灭组分，同时通过磷促进的成炭机制在凝聚相形成坚固的保护层。这种气-固两相协同的阻燃机制，使材料在火焰触发快速驱动的同时，能够在火焰移除后自行熄灭并保持结构完整，为下一轮驱动做好准备。

期刊介绍

Angewandte Chemie是全球化学领域最具影响力的顶级期刊之一，由Wiley出版，创刊于1887年，最新影响因子为16.9。