高性能光致形變液晶高分子及其智能器件的制備與研究.pdf

1、交聯(lián)液晶高分子(Crosslinked liquid crystalline polymers，CLCPs)兼具高分子材料良好的加工性能，機(jī)械性能和液晶材料特有的結(jié)構(gòu)有序性，成為刺激響應(yīng)性形變材料的一個(gè)新興而又重要的分支。同時(shí)，在熱、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、pH值等外界刺激方式中，光能以其特有的環(huán)保性、遠(yuǎn)程可控性、瞬時(shí)性等優(yōu)異的特性，受到更多的關(guān)注。隨著光致形變，尤其是光致三維形變（彎曲）CLCPs的問世，人們便開始探索如何將其應(yīng)用在智能器件中。就

2、目前光致彎曲CLCPs而言，還存在制備困難、彎曲速度較慢、光致應(yīng)力較小、材料機(jī)械性能較差、形變模式比較單一等問題，嚴(yán)重制約著材料的實(shí)際應(yīng)用。
　　本論文為了分析影響CLCPs材料光致彎曲性能的因素，合成了四種不同的液晶單體和交聯(lián)劑，研究發(fā)現(xiàn)，在含有三個(gè)苯環(huán)高長(zhǎng)徑比液晶基元的單體C9A的摻雜作用下，反應(yīng)混合物在升降溫的過程中向列相的溫度范圍大大拓寬，最寬的達(dá)到了60℃以上，方便了CLCPs薄膜的制備。
　　成功制備出了一系列偶

3、氮苯發(fā)色團(tuán)濃度不同、交聯(lián)度不同以及厚度不同的CLCPs薄膜。研究發(fā)現(xiàn)偶氮苯發(fā)色團(tuán)濃度為10％厚度為20μm的CLCPs薄膜在紫外光照射前，薄膜在平行于液晶基元排列方向上的彈性模量是垂直于液晶基元排列方向上彈性模量的5倍，具有非常顯著的各向異性，而經(jīng)紫外光照以后，液晶基元由各向異性排列變?yōu)楦飨蛲耘帕?，彈性模量的各向異性基本消失，首次從機(jī)械性能方面表征出CLCPs薄膜中光化學(xué)相轉(zhuǎn)變所引起的變化。
　　在不含有偶氮苯基團(tuán)的液晶單體的摻

4、雜作用下，實(shí)現(xiàn)了CLCPs薄膜中偶氮苯發(fā)色團(tuán)濃度的自由調(diào)控，使紫外光在薄膜厚度方向上的照射光程變長(zhǎng)，低偶氮濃度的薄膜中產(chǎn)生形變的區(qū)域變大，因而具有更加優(yōu)異的光致彎曲性能。厚度為20μm，偶氮苯含量為20％的薄膜的光致彎曲速度、光致應(yīng)力分別為原CLCPs薄膜(偶氮苯含量100％)的6倍和6.7倍。同時(shí)，能夠產(chǎn)生光致彎曲的薄膜的極限厚度也產(chǎn)生根本性的變化，原CLCPs薄膜當(dāng)厚度為30μm時(shí)基本上已經(jīng)不具有光致彎曲性能，而偶氮苯含量為20％的

5、薄膜當(dāng)厚度為60μm時(shí)的光致彎曲速度、光致應(yīng)力仍然達(dá)到了4.5°·s-1和380kPa，在保證彎曲性能基本不受影響的前提下實(shí)現(xiàn)了其機(jī)械強(qiáng)度大幅度的增加。進(jìn)一步，通過薄膜在水面上的光致彎曲實(shí)驗(yàn)以及熱力學(xué)原理計(jì)算出其光能-機(jī)械能轉(zhuǎn)換效率約為0.033％。
　　利用高性能CLCPs薄膜以及精巧的設(shè)計(jì)，首次制備出全光驅(qū)動(dòng)微型泵，該泵的單次流速能夠達(dá)到2.13μL·min-1，最大泵壓約為200Pa，光能-機(jī)械能的實(shí)際轉(zhuǎn)換效率為0.0024

6、％。利用不對(duì)稱形變?cè)?，設(shè)計(jì)出具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的CLCPs/聚乙烯復(fù)合材料，該環(huán)形結(jié)構(gòu)在紫外光的作用下能夠發(fā)生開環(huán)形變，再經(jīng)可見光的照射后又可在數(shù)秒內(nèi)恢復(fù)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，極其相似地模擬了手爪的動(dòng)作。并且以此為基礎(chǔ)，成功制各出能夠?qū)崿F(xiàn)抓、舉、放、移等功能的全光驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手臂。此外，通過分子結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，制備出可以完全由可見光照射實(shí)現(xiàn)光致彎曲及回復(fù)的CLCPs材料，利用相似的工藝制備出在單波長(zhǎng)可見光的作用下即可實(shí)現(xiàn)上述功能的機(jī)器人手臂，使操作更加便捷，