北航劉明杰/周嘉嘉《自然·通訊》精確定制受限聚合物流體的弛豫來制備超高能耗彈性體凝膠
2021年6月17日 11:16瀏覽：2387 收藏：1
耗能彈性體依靠其玻璃化轉變區鏈段的粘彈性行為可以有效抑制各個領域的振動和噪聲，但這些彈性體的工作頻率難以精確控制，其范圍較窄。最近，
北京航天航空大學
周嘉嘉副教授
/
劉明杰教授
團隊
報告了一種構建聚合物
-流體-凝膠的協同策略，該策略在寬頻率范圍內提供可控的超高能量耗散，這是傳統方法難以實現的。
這是通過精確調整彈性網絡中受限聚合物流體的松弛來實現的。這種組合的共生包括：形成彈性矩陣的彈性網絡，顯示可逆變形和聚合物流體來回蠕動以耗散機械能。使用原型聚（丙烯酸正丁酯）彈性體，團隊證明聚合物-流體-凝膠表現出可控的超高能量耗散特性（損耗因子大于 0.5），頻率范圍很寬（10-2 ~ 108 Hz）。
在相同的動態應力下，聚合物-流體-凝膠的能量吸收比商業阻尼材料高 200 倍以上。此外，它們的模量在工作頻率范圍內是準穩定態的。
相關論文以題為Ultrahigh energy-dissipation elastomers by precisely tailoring the relaxation of confined polymer fluids發表在《Nature Communications》上。
圖
1：高耗能聚合物-流體-凝膠 (PFG) 設計的示意圖結構。a
）
通過將具有受控鏈長的粘性聚合物流體引入彈性聚合物網絡來制造高耗能 PFG。
b
）
聚合物網絡、PFG 和粘性聚合物流體在動態機械刺激下的粘彈性行為。在中/低頻，聚合物網絡處于高彈性狀態，其中它們的鏈段可以自由振蕩。它們顯示出相當低的能量耗散（低tanδ）和高度可逆的變形能力。在這種情況下，由于整個鏈的蠕動，聚合物流體的能量耗散 (tanδ) 顯著增加。PFG 的情況完全不同。PFG 處于彈性狀態，同時具有粘性，其中受限聚合物流體的整個鏈蠕動可以發生在聚合物網絡的高彈性區域。
圖
2：聚合物-流體-凝膠 (PFG) 的機械性能。a
）
PFG(0.1%, 40%-5k) 拉伸至 5000% 前后的照片。
b
）
PFGs 的拉伸應力-應變曲線。
c
）
PFG 的循環拉伸（0.1%，40%-5k）（高達 3000% 應變）。
d
）
PFG（3%、60%-35k）和聚（丙烯酸正丁酯）（PBA）有機凝膠的壓縮應力-應變曲線。
e
）
(3%, 60%-35k) 壓縮至 60% 應變并釋放 1000 次循環的循環應力-應變曲線。
圖
3：聚合物-流體-凝膠 (PFG) 的動態機械主曲線。a, b)
PFG 的儲能模量 (G')、損耗模量 (G") 和損耗因子 (tanδ) 的頻率依賴性。主曲線是通過時間-溫度疊加 (TTS) 獲得的，并通過指示因素水平移動以保持清晰。PFG 的平臺模量 (G
p
) 隨著聚丙烯酸正丁酯 (PBA) 流體含量的增加而降低。在本體網絡的高彈性區域，隨著ΦPBA流體的增加，tanδ的確定峰變得更加明顯，表明該峰源自PBA流體的全鏈蠕動。
c
）
具有不同 Mn（PBA 流體）的 PBA 流體的垂直移動模量主曲線。實心方塊：G'，空心方塊：G''。
d)
PFGs tanδ 的主曲線，Φ
c
= 3%，Φ
PBA
fluid
= 60%，M
n（PBA
f
luid）
變化。隨著聚合物流體Mn的增加，tanδ的確定峰值向低頻側移動。
e
）
在頻率為 10 rad s
?
1
和 T = 25 °C 時，PFG 的Tanδ 和 G' 與 Φ
c
= 3% 和 Φ
p
olymer fluid
= 60% 作為 M
n（PBA
fluid
）
的函數。
圖
4：高阻尼聚合物流體凝膠 (PFG) 在寬頻率范圍內的精確大分子設計。
a）
蠕動模型預測固定網絡中聚（丙烯酸正丁酯）（PBA）流體的全鏈蠕動時間 (τ)。
b)
對于包含三種不同分子量（M
n（PBA
fluid
）
）PBA 聚合物流體的 PFG-b1，在 25 °C 時損耗因子 (tanδ) 的頻率依賴性，Φ
PBA
fluid
的重量分數 = 60%。在本體網絡的高彈性區域，可以觀察到多個明顯的tanδ峰，這表明聚合物流體的整個鏈運動是逐步發生的。
c)
與報告的阻尼材料相比，PFG 的 tanδ 的溫度范圍大于 0.5。
圖
5：聚合物-流體-凝膠 (PFG) 的減震和
減振
。a, b
）
阻尼材料的大振幅振蕩剪切 (LAOS) 測試。滯后回線是橢圓形的，表明 PFG(3%, 60%-35k) 位于線性粘彈性區域，應變為 50%。磁滯回線面積表示在每個循環中機械能轉換為熱量，并且在 50 k 個循環后該面積減少了約 20%。在相同的動態應力下，PFG(3%, 60%-35k) 的能量耗散（
ΔW
）比商用阻尼材料高 200 倍以上。
c
）
在選定的阻尼材料上進行落錘沖擊試驗。PFG(3%, 60%-35k)可將沖擊力降低85%。
d
）
所選阻尼材料的振動臺演示實驗。PFG(3%, 60%-35k)上原始振動信號的振幅消散了10倍；同時，信號相位明顯滯后。
e
）
阻尼材料的吸聲實驗。PFG(3%, 60%-35k)可以有效衰減聲波。
f
）
將雞蛋從 2 米的高度掉到 5 毫米厚的 PFG(1%, 60%-35k) 墊上并保持完整。SBR丁苯橡膠、NR天然橡膠、PDMS聚二甲基硅氧烷橡膠、NBRd腈橡膠、EPR乙丙橡膠。比例尺：5 mm (e), 20 cm (f)。
團隊開發了通過將聚合物流體注入聚合物網絡，在寬頻率范圍內提供超高能量耗散的材料。能量耗散機制是由于聚合物流體鏈在網絡矩陣中的整個鏈運動引起的內摩擦。
通過精確調節聚合物流體的弛豫時間，該材料可以在所需頻率下呈現最佳的能量耗散和機械性能。此外，通過將具有顯著不同鏈長的幾種聚合物流體注入基體，利用總體思路來設計寬頻率范圍內的高能量耗散特性
。值得注意的是，與傳統阻尼材料不同，這種材料的模量在相應的頻率范圍內是準穩定的。此外，該材料還表現出優異的拉伸性和抗疲勞性。因此，團隊預計這一設計理念將為開發具有廣泛實際應用的先進耗能材料提供通用方法。
doi.org/10.1038/s41467-021-23984-2
版權聲明
：「
高分子材料科學
」旨在分享學習交流高分子聚合物材料學等領域的研究進展。上述僅代表作者個人觀點。商業轉載，投稿，薦稿或合作請后臺聯系編輯。感謝各位關注！
技術鄰APP
工程師必備
