CN106103653B - 聚合物分散液晶弹性体(pdlce) - Google Patents

聚合物分散液晶弹性体(pdlce) Download PDF

Info

Publication number
CN106103653B
CN106103653B CN201580014216.6A CN201580014216A CN106103653B CN 106103653 B CN106103653 B CN 106103653B CN 201580014216 A CN201580014216 A CN 201580014216A CN 106103653 B CN106103653 B CN 106103653B
Authority
CN
China
Prior art keywords
liquid crystal
elastic body
particle
crystal elastic
orientation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201580014216.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106103653A (zh
Inventor
安德拉兹·雷塞蒂克
杰那亚·米拉维科
布拉兹·祖潘基奇
波斯简·扎拉尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institut Jozef Stefan
Original Assignee
Institut Jozef Stefan
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institut Jozef Stefan filed Critical Institut Jozef Stefan
Publication of CN106103653A publication Critical patent/CN106103653A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106103653B publication Critical patent/CN106103653B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/005—Processes for mixing polymers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K19/00—Liquid crystal materials
    • C09K19/04—Liquid crystal materials characterised by the chemical structure of the liquid crystal components, e.g. by a specific unit
    • C09K19/40—Liquid crystal materials characterised by the chemical structure of the liquid crystal components, e.g. by a specific unit containing elements other than carbon, hydrogen, halogen, oxygen, nitrogen or sulfur, e.g. silicon, metals
    • C09K19/406—Liquid crystal materials characterised by the chemical structure of the liquid crystal components, e.g. by a specific unit containing elements other than carbon, hydrogen, halogen, oxygen, nitrogen or sulfur, e.g. silicon, metals containing silicon
    • C09K19/408—Polysiloxanes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/20—Compounding polymers with additives, e.g. colouring
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/24—Crosslinking, e.g. vulcanising, of macromolecules
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/28—Treatment by wave energy or particle radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L101/00—Compositions of unspecified macromolecular compounds
    • C08L101/12—Compositions of unspecified macromolecular compounds characterised by physical features, e.g. anisotropy, viscosity or electrical conductivity
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L83/00—Compositions of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon with or without sulfur, nitrogen, oxygen or carbon only; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L83/04—Polysiloxanes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K19/00—Liquid crystal materials
    • C09K19/04—Liquid crystal materials characterised by the chemical structure of the liquid crystal components, e.g. by a specific unit
    • C09K19/38—Polymers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K19/00—Liquid crystal materials
    • C09K19/52—Liquid crystal materials characterised by components which are not liquid crystals, e.g. additives with special physical aspect: solvents, solid particles
    • C09K19/54—Additives having no specific mesophase characterised by their chemical composition
    • C09K19/542—Macromolecular compounds
    • C09K19/544—Macromolecular compounds as dispersing or encapsulating medium around the liquid crystal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2300/00—Characterised by the use of unspecified polymers
    • C08J2300/26—Elastomers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2383/00—Characterised by the use of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon with or without sulfur, nitrogen, oxygen, or carbon only; Derivatives of such polymers
    • C08J2383/04—Polysiloxanes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L2205/00—Polymer mixtures characterised by other features
    • C08L2205/12—Polymer mixtures characterised by other features containing additives being liquid crystalline or anisotropic in the melt

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Liquid Crystal Substances (AREA)
  • Electrochromic Elements, Electrophoresis, Or Variable Reflection Or Absorption Elements (AREA)

Abstract

本发明涉及产生基于液晶弹性体(LCE)的组件的方法。所述方法包括步骤：(i)提供或产生微米尺寸或纳米尺寸的LCE颗粒，(ii)将所述颗粒分散于未固化的液体聚合物中，(iii)使所述颗粒的向列指向矢取向，以及(iv)使所述基体/颗粒混合物成形并且固化。通过这种方法形成的复合材料是具有定制性能的聚合物分散液晶弹性体(PDLCE)，所述聚合物分散液晶弹性体可以成形为任意形式。

Description

聚合物分散液晶弹性体(PDLCE)
发明领域和现有技术
本发明涉及产生基于液晶弹性体(LCE)的组件的方法。本发明属于智能材料的领域并且具体涉及具有定制(custom-tailored)性能的聚合物。
聚合物(特别是弹性体)在现代技术中的广泛使用强烈依赖于它们对模塑、再成形和加工的要求相对宽松的事实。在大多数应用中，将聚合物部件或弹性体部件分别用作被动性机械组件或用作带状物的替换件。仅在最近，已经开发了具有外部刺激诱导的机械响应性的智能软材料。其中，已经将电活性聚合物最广泛地用于新一代致动器和传感器元件的开发中，所述致动器和传感器元件用于宏观器件(例如，人造肌肉)以及微米尺寸和纳米尺寸的器件(例如，MEMS和NEMS)。然而，液晶弹性体(LCE)正成为这一领域中越来越强有力的竞争对手。
LCE是将介晶性分子的排序与聚合物网络的弹性性能相结合的智能聚合物材料。当在聚合物中发生液晶特有的定向/定位排序时，就形成了聚合物液晶相。例如，通过将介晶基元连接在一起以形成聚合物液晶，介晶元(mesogen)之间的向列型相互作用或近晶型相互作用将各向异性施加于聚合物主链上。原则上，液晶弹性体是具有通过交联的方式在若干处交联的聚合物网络的液晶聚合物。这通过降低其流动能力而使网络稳定，并且产生橡胶熵弹性，这在液晶中未曾遇到。由于介晶性排序与聚合物网络之间的偶联，单畴液晶弹性体的宏观尺寸可以随温度的变化而可逆地改变。等效地，LCE表现出热机械响应。例如，向列型排序的增加(冷却)将使得弹性体更长，然而排序的减少(加热)将使材料收缩。
在许多原型器件中，已经开发利用了液晶弹性体(LCE)的热和EM辐射控制的形状记忆行为。然而，目前可用的LCE材料及其合成方法不易在大规模生产环境中实现。主要障碍是LCE畴的微观尺寸：尽管单个的LCE畴具有形状记忆，但是由于常规的UV/光或热固化聚合方法产生畴定向的各向同性分布，样品作为整体是惰性的。因此，将形状记忆印记在宏观尺寸的LCE试样中的关键性步骤为对畴赋予永久性定向取向，即，在宏观尺度上具有各向异性的物理性能的有效的“单畴”状态。考虑到这一要求，制备例如在US5385690A或WO8909419A1中所示的侧链型LCE网络的常规方法严重受限于一组相当有限的可能性取向技术。目前，唯一的有效方法是热聚合受机械应力的、部分交联的网络。在J.Kupfer,H.Finkelmann,“Nematic Liquid Single-Crystal Elastomers”,Makromol.Chem.-RapidCommun.12,717(1991)中描述了这种技术。不幸的是，该程序既未考虑到任意形状的样品的制备，也未考虑到几何结构的微型化。
相反，在体系的尺寸向畴的大小尺度降低的薄膜和受限制的几何体中，各向异性是固有的，使得在电场或磁场、粘性流动的存在下或在取向表面的交联在畴定向的操作中非常有效。基于胶体液晶(LC)颗粒的沉淀聚合的构思，已经在例如WO2010112831A1中公开了微米尺寸的LCE珠。最近，已经将磁场中的软模光刻技术用于产生LCE微柱(参见A.Buguin,Min-Hui Li,P.Silberzan,B.Ladoux和P.Keller,》Micro-Actuators:WhenArtificial Muscles Made of Nematic Liquid Crystal Elastomers Meet SoftLithography《,JACS 128,1088(2006))。类似尺寸的棒状和椭圆形状的LCE还可以通过如在C.Ohm,M.Brehmer和R.Zentel,》Liquid Crystalline Elastomers as Actuators andSensors《,Adv.Mater.22,3366(2010)中所报道的微流体技术来获得。此外，通过直接热控制或通过经由金属内含物加热，这些颗粒被证明表现出强烈的热机械效应。
产生LCE组件的另一方法是生成包含常规的各向同性弹性体和介晶性弹性体内含物或一组内含物的复合材料，通过光学、电学、机械、热或化学方式从外部控制所述复合材料的形状(WO2011036080A1)。尽管可以以这种方法获得新性能，但是所述方法使用了还与标准LCE类似的为限制因素的化学合成和取向程序。在这种复合材料中，活化内含物的体积与周围被动性聚合物材料的体积是相同的数量级，即所述材料不是微观尺度上的复合材料。因此，活化结构的应力场和应变场强烈依赖于内含物的形状和定向。在本发明的组件中，由于LCE颗粒的尺寸通常比复合材料试样的尺寸小得多，所以情况并非如此。因此，不均匀的局部应力和应变平均达到它们的平均值，复合材料的有效弹性和热机械性能与常规块状LCE材料的有效弹性和热机械性能类似。
在本领域的目前状态下，LCE的热机械性能在化学上是受控的。这通过合成表现出不同程度的定向和定位排序的各种热致介晶元来实现。当被插入弹性体结构中时，这些介晶基元保留它们的排序能力，所述排序能力决定了材料的最终的结构和机械性能。其他方法主要依赖于改变预聚合混合物中的介晶元和交联剂的相对浓度、非介晶性共聚单体的掺入、或用低摩尔质量的介晶元的聚合物再加工。然而，迄今为止所提出和使用的控制LCE材料性能的方法不允许显著偏离标准的非线性热机械响应，即，在低温或高温下的缓慢变化和在相转变区的快速响应。例如，非介晶性共聚单体的掺入导致向列相-准向列相(paranematic)转变温度的降低，但不改变热机械响应曲线的形状。此外，在取向阶段期间使用的聚合物熔体化学和参数的小细节均会严重影响所得到的弹性体网络的响应。这导致样品制备的再现性的严重问题。此外，由于向预聚合混合物中添加各种功能性材料破坏了液晶排序并且干扰聚合过程，因此化学制备的LC弹性体的功能化是非常有限的。
发明概述
本发明的目的是提供用于制造具有定制性能的基于LCE的组件的可靠方法。更具体地，与标准的机械变形对温度的曲线显著不同的热机械行为必须是可获得的。在一些情况中，期望材料在宽的温度范围内具有线性响应，同时仍然保留大的最大应变。在其他情况下，带响应是更适合的，其中组件仅在特定的温度区间收缩和伸长，但在该区间之外具有相当恒定的长度。更复杂的应变曲线应当是可能的，例如其中在某些温度下的伸长率的急剧变化与几乎不存在应变变化的温度范围相交错的多步响应。可以将这些种类的材料用作开关、温度控制型阀门或模仿蠕动运动的微型泵。除了定制的热机械曲线以外，LCE组件的最大应变和杨氏模量应该是可易于控制的。此外，通过使用不同的填充材料，LCE复合材料的功能化应该是可能的。
使用根据权利要求1所述的方法实现该目的。该方法的有利实施方案是从属权利要求的主题，或在说明书的后续部分和优选实施方案中公开。
提出的方法包括步骤：(i)提供或产生微米尺寸或纳米尺寸的LCE颗粒(自此命名为“颗粒”)，(ii)将所述颗粒分散于未固化的液体聚合物中，优选为弹性体(自此命名为“基体”)中，(iii)使所述颗粒的向列指向矢(nematic director)取向(align)/定向(orient)，以及(iv)使基体/颗粒混合物成形并且固化。通过这种方法形成的复合材料是聚合物分散液晶弹性体(PDLCE)(在下文中表示为“复合材料”)。该材料是有效的二元软-软复合材料，并且在固化基体的橡胶弹性与颗粒的软弹性/半软弹性之间表现为弹性行为中间体。可以将复合材料成形为任意形式，并且使用预功能化的基体(例如，包含微米尺寸或纳米尺寸的填充剂的基体)进行功能化。
本发明的方法基于以下构思：在软聚合物基体中被视为填充剂或内含物，LCE颗粒应该给予复合材料有效地热机械活性，条件是它们的各向异性的轴至少部分取向。因此该方法基于对嵌入软聚合物基体内的微米尺寸和亚微米尺寸的LCE畴的调控。这种软-软复合材料类似于聚合物分散液晶(PDLC)的结构，其中使用聚合的LCE(PDLCE)代替液晶。PDLCE的最终的热机械响应是所有组成弹性体种类的响应的迭加。与常规的液晶弹性体相比，这些复合材料的主要优势是非化学方法制造。特别地，将先前存在的块状LCE材料机械成粉，或者将直接合成的LCE微米颗粒或纳米颗粒与聚合物/弹性体树脂混合以易于调控颗粒尺寸、组成和取向度，导致对热响应的有效定制。
可以通过冷冻断裂或低温研磨块状LCE块制备微米尺寸和亚微米尺寸的LCE颗粒。使用的块状LCE可以是单畴型或多畴型。在单畴弹性体的情况下，所得到的颗粒可以在100nm至100μm具有多种尺寸分布。在多畴弹性体的情况下，颗粒的最大可使用尺寸受限于畴的尺寸。在任一情况下，所得到的LCE颗粒是各向异性的，即不管它们的单畴特性或多畴特性，它们具有优先的定向方向。作为以上机械方法的替换，可以通过先前已知的方法之一直接制备LCE颗粒以确保更均匀的形貌。可能的方法包括在悬浮液中LC液滴的模板辅助合成、软光刻或直接聚合。
通过将所述微米尺寸或纳米尺寸的LCE颗粒分散于未固化的基体材料内部来制备预聚合混合物。基体材料是LCE相容的、可热固化或可UV固化的、具有合适的粘度以允许有效混合和足够缓慢的颗粒离析(在固化过程的时间尺度上)的聚合物。
嵌入的颗粒可以仅有一种LCE类型。在这种情况下，可以通过改变基体材料的浓度、颗粒尺寸和类型来定制最终的复合材料或组件的性能。在另一实施方案中，所述颗粒可以是由不同的LCE材料制成的混合物。在这种复合材料或组件中，最终性能由以下决定：组成种类之间的相对浓度和所得到的颗粒相转变温度的分布、最大应变和弹性模量。
固化前，使微米尺寸或纳米尺寸的LCE颗粒在预聚合混合物中取向，例如通过磁场。用于取向的该方法利用了向列畴的磁各向异性。根据抗磁各向异性的迹象，使颗粒平行于磁场或垂直于磁场取向。通过改变磁场强度来控制平均定向排序，然而平均方向取决于场的方向。在一个实施方案中，使用空间调制的磁场以产生具有空间调制的热机械响应的复合材料。在另一实施方案中，具有不同取向的颗粒的层进行相继固化。作为替换，可以使用电场来控制颗粒的定向排序。
还可以将功能化的基体材料用于形成复合材料或组件，其通常填充有导电的、铁电性或铁磁性纳米颗粒或光敏性分子。因此，避免了当试图使LCE组件功能化时经常遇到的聚合抑制问题，并且LCE颗粒不需要提供除了热机械响应性之外的任何性能。在一个实施方案中，将导电颗粒分散于基体内以制备适于经电阻加热而驱动的复合材料。
附图简述
在以下部分，通过实施例结合附图的方式描述了若干种提出的复合材料类型。所述附图如下所示：
图1A：具有单畴LCE颗粒的基础复合材料。
图1B：处于驱动状态的具有单畴LCE颗粒的基础复合材料。
图2：其中LCE颗粒具有多个部分有序的畴的复合材料。
图3：其中通过使用两种不同的LCE类型定制热机械性能的复合材料。
图4：具有空间调制取向的LCE颗粒的复合材料。
图5：通过相继取向和聚合制备的变形复合材料。
图6：功能化的导电复合材料。
具体实施方案
图1A示出了对于所有其他复合材料类型而言也是常见的基础PDLCE复合材料结构的示意图。所述复合材料包含聚合物基体1和单畴LCE颗粒2。聚合前，通过外场使LCE颗粒取向以使单个的向列指向矢3大约指向相同的方向。取向度取决于多种参数，例如，外场强度、聚合物基体的粘度和颗粒尺寸。选择聚合物基体和LCE颗粒为化学上相容的并且在聚合过程期间被胶合在一起。因此，颗粒定向被锁定，使得驱动复合材料。
图1B示出了处于驱动状态(即在向列相至各向同性相转变以上的温度下)的图1A中描述的复合材料。在相转变过程中，LCE颗粒2在与向列指向矢平行的方向上收缩并且在与向列指向矢垂直的方向上膨胀。因此，使聚合物基体1相应地变形，在复合材料样品中产生肉眼可见的形状变化。
图2示意性地描述了在将多畴LCE颗粒4引入聚合物基体1中的情况下PDLCE复合材料的第2变体。可以通过研磨多畴LCE材料来产生多畴颗粒，因此避免了用于产生单畴LCE的冗长的两步交联的方法。在某一颗粒尺寸下，由于少量的畴5，存在残余的各向异性，所以多畴颗粒变得具有电活性或磁活性。因此，可以以与单畴颗粒相同的方法使这种颗粒在外场中取向。
图3示出了包含聚合物基体1、第一类型的LCE颗粒2和第二类型的LCE颗粒6的PDLCE复合材料的第3变体。所述两种颗粒可以具有不同的尺寸、有序参数、相转变温度和各向异性的性能。复合材料的最终性能由两种类型的颗粒的个别性能来定义，因此，允许定制热机械响应。颗粒可以表现出相同符号或相反符号的抗磁各向异性。在第一种情况下，两种类型的颗粒的向列指向矢3平行取向，然而在第二种情况下，它们互相垂直。
图4示出了在存在空间分布的颗粒2定向的情况下基础复合材料的第4变体。通过在取向阶段期间使用空间调制的外场7来制备这种复合材料。可以使用外部磁场来产生此类复合材料。在正的磁各向异性的情况下，使颗粒的指向矢3与场平行取向。这导致空间调制的热机械响应。
图5示出了变形复合材料，所述变形复合材料是基础复合材料类型的第5变体。通过添加单独的聚合物层相继构建复合材料。首先使预聚合混合物的单层8沉积、定向并且部分聚合。其次，用相同的程序产生具有垂直于第一层的定向的第二层9。由于两层均是仅部分聚合的，因此在它们之间产生强的键合。同时，降低LCE颗粒的移动性以使颗粒的定向被锁定。可以沉积任意数量的其它层，生产交错式结构。最后，将复合材料完全聚合。
图6示出了功能化的PDLCE复合材料(第6变体)。与基础复合材料相比，向聚合物基体1中添加导电颗粒10。导电颗粒的浓度在使样品导电的逾渗阈值以上。这种复合材料可以被电阻式地加热并且适于间接电驱动。
以下给出了制备基础PDLCE复合材料的实例。首先将标准的单畴液晶弹性体切成小片(l×lmm)以为研磨做准备。研磨前，独自地以3:1的重量比将LCE片与聚二甲基硅氧烷基弹性体184(Dow Corning)混合。将LCE-PDMS混合物放入研钵中并且用液氮冷却直至明显地冻结。随后使用研杵将LCE-PDMS混合物压碎成小尺寸的块。重复该过程直至混合物变得均匀并且处于糊状形式。最后，将混合物保留于室温下以烘干凝结水。
在下一步中，将LCE-PDMS混合物进一步与碱性PDMS混合，以使LCE与PDMS之间的重量比达到1:1。随后添加184固化剂(Dow Corning)并且以1:30的固化剂与碱性PDMS重量比进行混合。将混合物置于真空中以去除任何截留的空气。使用刮刀，将混合物导入具有防止PDMS附着于玻璃表面的插入的特氟龙(Teflon)箔的玻璃管(45mm长度和5mm直径)中。随后用特氟龙胶带密封所述管的两端。
将样品插入具有与场平行取向的长轴的磁场(8.9T)中并且在300K下保持两小时。在这段时间，使混合物中的LCE颗粒定向以使颗粒的平均向列指向矢指向磁场的方向。两小时后，将样品在320K(在LCE的N-I转变温度以下至少20K)下于磁体中保持固化约12h。所得到的LCE基组件具有由玻璃管决定的圆柱形形状。
根据以上描述制备的PDLCE复合材料特有的热机械响应曲线示于图7中。
尽管已经在附图和前面的描述中详细例示和描述了本发明，但是这种例示和描述应被视为是说明性或示例性的而非限制性的。本发明不限于公开的实施方案。在实践要求保护的本发明中，本领域技术人员可以从附图、公开内容和所附权利要求的研究中理解并且进行所公开的实施方案的其他变型。在权利要求中，词语“包含/包括”不排除其他要素或步骤，并且不定冠词“一个/一种(a)”或“一个/一种(an)”不排除复数。

Claims (12)

1.产生任意形状的基于热机械响应的液晶弹性体的组件的方法，包括以下步骤：
a.提供微米尺寸或纳米尺寸的热机械和抗磁各向异性的液晶弹性体颗粒，
b.将所述液晶弹性体颗粒分散于弹性体的预聚合混合物中，
c.使所述液晶弹性体颗粒在所述混合物中取向，以及
d.使所述混合物成形并且固化，同时保持取向的所述液晶弹性体颗粒。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述液晶弹性体颗粒具有单畴或由多个部分有序的畴组成。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述提供微米尺寸或纳米尺寸的各向异性的液晶弹性体颗粒的步骤包括，通过机械方法分裂肉眼可见的主链型或侧链型液晶弹性体的步骤，特别是通过研磨或碾磨。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述液晶弹性体颗粒的尺寸为100nm至100μm。
5.如权利要求1所述的方法，其中提供不同类型的所述液晶弹性体颗粒并且将所述液晶弹性体颗粒分散于所述预聚合混合物中。
6.如权利要求1所述的方法，其中通过磁场、电场和机械应力场中的至少一种使所述液晶弹性体颗粒取向。
7.如权利要求6所述的方法，其中通过改变取向场的强度来控制所述液晶弹性体颗粒的取向度。
8.如权利要求6所述的方法，其中通过取向场的空间调制来控制所述液晶弹性体颗粒的取向方向。
9.如权利要求1所述的方法，其中使所述混合物热固化或UV固化。
10.如权利要求9所述的方法，其中通过进行所述液晶弹性体颗粒的相继的取向步骤，以及在各个取向步骤后对所述预聚合混合物的不同部分进行局部选择性UV固化来实现所述混合物中的所述液晶弹性体颗粒的颗粒排序或颗粒取向的空间调制。
11.如权利要求1所述的方法，其中通过将导电性、铁电性、铁磁性或光敏性材料掺入预聚合混合物来使所述组件功能化。
12.由复合材料形成的基于液晶弹性体的组件，其包含分散于聚合物基体中的微米尺寸或纳米尺寸的各向异性的液晶弹性体颗粒，其中所述液晶弹性体颗粒在所述聚合物基体中至少局部取向。
CN201580014216.6A 2014-03-17 2015-03-17 聚合物分散液晶弹性体(pdlce) Active CN106103653B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB1404746.8 2014-03-17
GB1404746.8A GB2524251A (en) 2014-03-17 2014-03-17 Polymer dispersed liquid crystal elastomers (PDLCE)
PCT/EP2015/055527 WO2015140149A1 (en) 2014-03-17 2015-03-17 Polymer dispersed liquid crystal elastomers (pdlce)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106103653A CN106103653A (zh) 2016-11-09
CN106103653B true CN106103653B (zh) 2019-01-04

Family

ID=50634906

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201580014216.6A Active CN106103653B (zh) 2014-03-17 2015-03-17 聚合物分散液晶弹性体(pdlce)

Country Status (8)

Country Link
US (1) US9969847B2 (zh)
EP (1) EP3119855B1 (zh)
JP (1) JP6526699B2 (zh)
KR (1) KR20160133522A (zh)
CN (1) CN106103653B (zh)
GB (1) GB2524251A (zh)
SI (2) SI24658A (zh)
WO (1) WO2015140149A1 (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3334987B1 (en) * 2015-08-14 2021-01-06 United Technologies Corporation Electrocaloric heat transfer system
JP2018002819A (ja) * 2016-06-30 2018-01-11 倉持　浩 熱可塑性エラストマー混合物およびそれを用いた連続体形成方法
WO2018080465A1 (en) * 2016-10-26 2018-05-03 Massachusetts Institute Of Technology Multidirectional artificial muscles from nylon
KR102082469B1 (ko) * 2017-05-02 2020-02-28 주식회사 디웍스 광 확산 패널
US20200073138A1 (en) * 2018-09-04 2020-03-05 GM Global Technology Operations LLC Tunable film apparatus
US20220098461A1 (en) * 2020-09-25 2022-03-31 Carnegie Mellon University Multifunctional Shape Morphing Elastomer With Liquid Metal Inclusions
CN114670439B (zh) * 2022-04-24 2022-11-18 吉林大学 一种摩擦定向的dlp液晶弹性体4d打印装置、方法及控制变形策略
CN115322374B (zh) * 2022-08-10 2023-11-03 华南师范大学 一种液晶弹性体薄膜及其制备方法和应用

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3872050A (en) * 1972-07-19 1975-03-18 William J Benton Polyurethane liquid crystal dispersion system and devices
US5385690A (en) * 1991-07-26 1995-01-31 Heino Finkelmann Liquid-crystalline elastomers or thermoset materials having a fixed anisothropic network structure
US6046791A (en) * 1995-11-10 2000-04-04 Seiko Epson Corporation Polymer dispersed liquid crystal electro-optical device and method for manufacturing the same
WO2008110316A1 (en) * 2007-03-13 2008-09-18 Technische Universitei Eindhoven Polarization selective scattering security device and method for manufacturing the same
CN101611117A (zh) * 2006-11-30 2009-12-23 索尼德国有限责任公司 制备聚合物分散的液晶的方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3811334A1 (de) 1988-04-02 1989-10-19 Merck Patent Gmbh Fluessigkristallin-elastomere bauelemente
JP3345181B2 (ja) * 1994-07-25 2002-11-18 旭硝子株式会社 液晶表示素子及び液晶表示装置
JP3949215B2 (ja) * 1997-03-19 2007-07-25 住友化学株式会社 積層体、積層体の製造方法および多層基板
JP4596557B2 (ja) * 2000-03-07 2010-12-08 ポリマテック株式会社 複合熱可塑性エラストマー組成物および成形体
GB0218776D0 (en) * 2002-08-13 2002-09-18 Qinetiq Ltd Phoretic display device
AU2003268487A1 (en) * 2002-09-05 2004-03-29 Nanosys, Inc. Nanocomposites
WO2010112831A1 (en) 2009-03-31 2010-10-07 University Of York Liquid crystal elastomer beads
JP5434326B2 (ja) * 2009-07-17 2014-03-05 日産自動車株式会社 集電体およびこれを用いた二次電池
FR2950356B1 (fr) * 2009-09-23 2012-04-27 Polymage Materiau composite utilisant un elastomere mesomorphe et son procede de fabrication

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3872050A (en) * 1972-07-19 1975-03-18 William J Benton Polyurethane liquid crystal dispersion system and devices
US5385690A (en) * 1991-07-26 1995-01-31 Heino Finkelmann Liquid-crystalline elastomers or thermoset materials having a fixed anisothropic network structure
US6046791A (en) * 1995-11-10 2000-04-04 Seiko Epson Corporation Polymer dispersed liquid crystal electro-optical device and method for manufacturing the same
CN101611117A (zh) * 2006-11-30 2009-12-23 索尼德国有限责任公司 制备聚合物分散的液晶的方法
WO2008110316A1 (en) * 2007-03-13 2008-09-18 Technische Universitei Eindhoven Polarization selective scattering security device and method for manufacturing the same

Also Published As

Publication number Publication date
EP3119855B1 (en) 2019-06-19
EP3119855A1 (en) 2017-01-25
GB2524251A (en) 2015-09-23
US9969847B2 (en) 2018-05-15
US20170183456A1 (en) 2017-06-29
JP2017515927A (ja) 2017-06-15
SI3119855T1 (sl) 2019-12-31
KR20160133522A (ko) 2016-11-22
GB201404746D0 (en) 2014-04-30
SI24658A (sl) 2015-09-30
WO2015140149A1 (en) 2015-09-24
CN106103653A (zh) 2016-11-09
JP6526699B2 (ja) 2019-06-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106103653B (zh) 聚合物分散液晶弹性体(pdlce)
Kularatne et al. Liquid crystal elastomer actuators: Synthesis, alignment, and applications
Yuan et al. Thermal conductivity enhancement of platelets aligned composites with volume fraction from 10% to 20%
An et al. Enhanced hardening of soft self-assembled copolymer gels under homogeneous magnetic fields
Rešetič et al. Polymer-dispersed liquid crystal elastomers
Varadan et al. Smart material systems and MEMS: design and development methodologies
Wang et al. Janus suprabead displays derived from the modified photonic crystals toward temperature magnetism and optics multiple responses
US8846143B2 (en) Method for selectively anchoring and exposing large numbers of nanoscale structures
Thomas et al. Design and applications of nanostructured polymer blends and nanocomposite systems
US6812268B2 (en) Methods for material fabrication utilizing the polymerization of nanoparticles
Varga et al. Smart nanocomposite polymer gels
Marchi et al. Highly magneto-responsive elastomeric films created by a two-step fabrication process
WO2008027571A2 (en) Nanoparticles having functional additives for self and directed assembly and methods of fabricating same
Varga et al. Electric and Magnetic Field‐Structured Smart Composites
Braun et al. Functional liquid crystalline particles and beyond
CN101189181A (zh) 含有随机分散或取向排列的纳米纤维的金属/聚合物/陶瓷基质复合物的制造方法
CN101405128A (zh) 形状记忆复合物
Sierra-Romero et al. Strategies for the preparation of polymer composites with complex alignment of the dispersed phase
Suresh et al. Evaluation of mechanical behaviour of carbon fiber reinforced nanoclay filled IPN matrix composite
Ni et al. Large-size honeycomb-shaped and iris-like liquid crystal elastomer actuators
Wang et al. Recent advances in molecular programming of liquid crystal elastomers with additive manufacturing for 4D printing
Aly et al. One‐step fabrication of bulk nanocomposites reinforced by carbon nanotube array fragments
CN110628068A (zh) 一种制备具有磁响应表面图案结构的方法
Sánchez-Ferrer et al. Integration of liquid-crystalline elastomers in MEMS/MOEMS
Zhang et al. Magnetic Responsive Polymer Nanocomposites with In–situ Tunable Anisotropy by Magnetic Self‐Organization

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant