CN111471198A - 液晶弹性体薄膜及其制备方法、驱动方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液晶弹性体薄膜及其制备方法、驱动方式和应用，该制备方法包括：1)将光取向层的材料溶解于溶剂中，而后覆设于基板上形成取向涂层；2)使用DMD数字掩模光刻系统通过数字掩模板对取向涂层进行取向，得到光取向层，再采用带有光取向层的基板制备液晶盒子；或者，采用带有取向涂层的基板制备液晶盒子，并使用DMD数字掩模光刻系统通过数字掩模板对取向涂层进行取向；3)将包括液晶单体、偶氮苯和光引发剂的液晶混合物填充于液晶盒子中；4)将液晶盒子置于热台上，并在蓝光区进行聚合。本发明液晶弹性体薄膜的制备方法操作简单，灵活性强，精确度高，所制得产品薄膜在光和/或温度刺激下可实现微观表面形貌的动态响应。

Description

液晶弹性体薄膜及其制备方法、驱动方法和应用
技术领域
本发明涉及智能表面材料技术领域，尤其是涉及一种液晶弹性体薄膜及其制备方法、驱动方法和应用。
背景技术
自然界中的生物具有与环境直接接触的表面，表面上各种各样的微观形貌具有特殊的功能，生物利用其功能作用于环境。受到大自然的启发，人类大量研究了具有这类功能的表面智能材料，并在调控亲疏水性、自清洁、攀附机器人等领域得到应用，但以上现有表面智能材料的微观表面多数是形貌不可控且静态不可逆的。
液晶弹性体材料近年来作为刺激影响材料受到了广大研究学者的关注。液晶弹性体材料是液晶聚合物网络的一种类型，液晶弹性体的聚合程度较低，玻璃化转变温度较低，结合了液晶的取向各向异性以及聚合物的弹性，其物理化学性质得到了优化，进而使其得到了广泛应用，尤其液晶弹性体薄膜的宏观薄膜变形已得到了学者的广泛研究和应用，而液晶弹性体薄膜表面的微观形貌可实现驱动、监测、传输和传感等功能，在机器人、光子学和生物医学设备等领域存在着潜在的应用。
近年来，图案化液晶弹性体薄膜一般通过掩模板对液晶进行特定取向，但目前所采用掩模板一般存在价格昂贵、有图案的限制、有最小的像素限制以及操作麻烦等问题，这限制了液晶弹性体薄膜的图案化的设计及应用。另外，液晶弹性体薄膜表面的响应三维结构的形貌大小对于其表面的性质以及应用起着决定性作用，而现有掩模板的使用对图案化的限制导致薄膜表面的三维形貌受限，不利于液晶弹性体薄膜表面的应用。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种液晶弹性体薄膜及其制备方法、驱动方法和应用。
本发明所采取的技术方案是：
本发明的第一方面，提供一种液晶弹性体薄膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、将光取向层的材料溶解于溶剂中，而后覆设于基板上形成取向涂层；
S2、使用DMD数字掩模光刻系统通过数字掩模板对所述取向涂层进行取向，得到光取向层，再采用带有所述光取向层的基板制备液晶盒子；或者，采用带有所述取向涂层的基板制备液晶盒子，并使用DMD数字掩模光刻系统通过数字掩模板对所述取向涂层进行取向；
S3、将液晶混合物填充于所述液晶盒子中；所述液晶混合物包括液晶单体、液晶低聚物、偶氮苯和光引发剂；
S4、将步骤S3处理后的液晶盒子置于热台上，并在蓝光区进行聚合，形成交联网络，制得液晶弹性体薄膜。
根据本发明的一些实施例，步骤S3中，所述液晶混合物包括以下质量份数的成分：0～60份液晶单体A、0～80份液晶单体B、0～80份液晶低聚物、1～15份偶氮苯、0.2～2份光引发剂；所述液晶单体A选自双端丙烯酸酯类液晶单体；所述液晶单体B选自单端丙烯酸酯类液晶单体，所述液晶低聚物选自聚合度为2～5的自主链型液晶低聚物。
根据本发明的一些实施例，所述光引发剂选自光引发剂819、光引发剂784中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，步骤S1中，所述光取向层的材料为偶氮类光取向材料SD1。
根据本发明的一些实施例，步骤S1中，所述溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，步骤S2中，所述光取向层为环形取向、径向取向、弯曲取向、展曲取向中的至少一种。
本发明的第二方面，提供一种液晶弹性体薄膜，由本发明第一方面所提供的任一种液晶弹性体薄膜的制备方法制得，且所述液晶弹性体薄膜可在光刺激和/或温度刺激下发生可逆形变。
根据本发明的一些实施例，所述液晶弹性体薄膜可在光刺激和/或温度刺激下发生可逆形变，包括：在紫外光的刺激下，所述液晶弹性体薄膜中偶氮苯分子的形态发生改变，产生自由体积并结合所述液晶弹性体薄膜的交联网络的序参数改变，从而带动所述液晶弹性体薄膜发生形变；或者，在50～125℃热刺激下，所述液晶弹性体薄膜的交联网络的序参数改变，从而带动所述液晶弹性体薄膜发生形变；
由于所述光取向层的取向作用，局域液晶弹性体薄膜的交联网络具有特定的排布，在变形时产生朝向特定方向的驱动力，进而推动局域液晶弹性体薄膜朝特定方向发生三维形变，且三维形变大小及形貌与光取向层的取向图案有关；而在45℃以下低温刺激和/或可见光刺激下，所述三维形变可回复变形。
具体地，液晶弹性体薄膜由于紫外光刺激而产生的形变，可通过在45℃以下低温刺激和/或可见光刺激而回复形变；由于50～125℃热刺激而产生的形变，可通过降温至45℃以下而回复形变。若采用低温刺激回复变形，优选采用40～45℃低温刺激回复变形。
本发明的第三方面，提供一种本发明第二方面所提供的任一种液晶弹性体薄膜的驱动方法，所述驱动方法包括将所述液晶弹性体薄膜置于紫外光照射区域，通过控制紫外光照射区域的紫外光源开关，以控制所述液晶弹性体薄膜的形变；
或者，所述驱动方法包括将所述液晶弹性体薄膜置于温控区域，通过调节所述温控区域的温度，以控制所述液晶弹性体薄膜的形变。
本发明的第四方面，提供一种本发明第二方面所提供的任一种液晶弹性体薄膜在制备盲人显示器、感应器、光动马达、微流体系统阀门或智能响应界面中的应用。
本发明实施例的有益效果是：
本发明实施例提供了一种液晶弹性体薄膜的制备方法，该通过采用DMD数字掩模光刻系统通过数字掩模板对取向涂层进行取向，以形成光取向层，操作简单，可根据需求设计掩模板结构，灵活性强，且精确度高，进而在光取向层上制备液晶弹性体薄膜，可实现开发制备微观三维表面形貌可预先设计的动态响应型液晶弹性体薄膜。所制得的液晶弹性体薄膜在光刺激和/或温度刺激下发生可逆形变；具体地，在紫外光的刺激下，所述液晶弹性体薄膜中偶氮苯分子的形态发生改变，产生自由体积并结合所述液晶弹性体薄膜的交联网络的序参数改变，从而带动所述液晶弹性体薄膜发生形变；或者，在50～125℃热刺激下，所述液晶弹性体薄膜的交联网络的序参数改变，从而带动所述液晶弹性体薄膜发生形变；由于所述光取向层的取向作用，局域液晶弹性体薄膜的交联网络具有特定的排布，在变形时产生朝向特定方向的驱动力，进而推动局域液晶弹性体薄膜朝特定方向发生三维形变，且三维形变大小及形貌与光取向层的取向图案有关；而在45℃以下低温刺激和/或可见光刺激下，所述三维形变可回复变形，从而实现液晶弹性体薄膜的微观表面形貌的动态响应。
附图说明
图1是实施例1中采用的数字掩模板所得的液晶指向结构示意图；
图2是实施例2中采用的数字掩模板所得的液晶指向结构示意图；
图3是实施例3中采用的数字掩模板所得的液晶指向结构示意图；
图4和图5是液晶弹性体薄膜微观表面形貌三维形变的示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
一种液晶弹性体薄膜，其制备方法包括以下步骤：
S1、以N,N-二甲基甲酰胺溶解偶氮类光取向材料SD1，而后旋涂于玻璃基板上形成取向涂层；
S2、采用带有取向涂层的玻璃基板制备成液晶盒子；而后设计数字掩模板，具体结构如图1所示，呈环形的液晶指向矢排布，并使用数字掩模光刻系统对液晶盒子内部的取向涂层进行取向；
S3、取24份液晶单体A、72份液晶单体B、3份偶氮苯、1份光引发剂，混合配制液晶混合物，而后将液晶混合物填入液晶盒子中；其中，液晶单体A具体采用1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)-苯甲酰氧基]-2-甲基苯，液晶单体B具体采用24份4-氰基苯基4’-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酸酯，以及48份4-[[6-[(1-氧代-2-丙烯基)氧基]己基]氧基]苯甲酸4-甲氧基苯基酯，偶氮苯采用2-甲基丙烯酸偶氮双(4,1-苯氧基-3,1-丙二醇)酯，光引发剂采用引发剂819；
S4、将液晶盒子放置在蓝光区和热台上进行聚合形成交联网络，打开盒子得到附着在其中一玻璃基板上的液晶弹性体薄膜。
实施例2
一种液晶弹性体薄膜，其制备方法包括以下步骤：
S1、以N,N-二甲基甲酰胺溶解偶氮类光取向材料PAAD-22，而后旋涂于玻璃基板上形成取向涂层；
S2、设计数字掩模板，具体结构如图2所示，呈径向的液晶指向矢排布，并使用数字掩模光刻系统对玻璃基板上的取向涂层进行取向，得到光取向层；再采用带有光取向层的玻璃基板制备成液晶盒子；
S3、取15份液晶单体A、80份液晶低聚物、3份偶氮苯、2份光引发剂，混合配制液晶混合物，而后将液晶混合物填入液晶盒子中；其中，液晶单体A具体采用1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)-苯甲酰氧基]-2-甲基苯，液晶低聚物具体采用以1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)-苯甲酰氧基]-2-甲基苯为主链液晶单体，正丁胺为链增长剂，通过迈克尔加成反应制得的液晶低聚物；偶氮苯采用2-甲基丙烯酸偶氮双(4,1-苯氧基-3,1-丙二醇)酯，光引发剂采用引发剂819；
S4、将液晶盒子放置在蓝光区和热台上进行聚合形成交联网络，打开盒子得到附着在其中一玻璃基板上的液晶弹性体薄膜。
实施例3
一种液晶弹性体薄膜，其制备方法包括以下步骤：
S1、以N-甲基吡咯烷酮溶解偶氮类光取向材料SD1，而后旋涂于玻璃基板上形成取向涂层；
S2、采用带有取向涂层的玻璃基板制备成液晶盒子；而后设计数字掩模板，具体结构如图3所示，呈弯曲和展区的液晶指向矢排布，并使用数字掩模光刻系统对液晶盒子内部的取向涂层进行取向；
S3、取21份向液晶单体A、63份液晶单体B、11份液晶低聚物、3份偶氮苯、2份光引发剂，混合配制液晶混合物，而后将液晶混合物填入液晶盒子中；其中，液晶单体A具体采用1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)-苯甲酰氧基]-2-甲基苯，，液晶单体B具体采用21份4-氰基苯基4’-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酸酯，以及42份4-[[6-[(1-氧代-2-丙烯基)氧基]己基]氧基]苯甲酸4-甲氧基苯基酯，液晶低聚物具体采用以1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)-苯甲酰氧基]-2-甲基苯为主链液晶单体，正丁胺为链增长剂，通过迈克尔加成反应制得的液晶低聚物；偶氮苯采用2-甲基丙烯酸偶氮双(4,1-苯氧基-3,1-丙二醇)酯，光引发剂采用引发剂819；
S4、将液晶盒子放置在蓝光区和热台上进行聚合形成交联网络，打开盒子得到附着在其中一玻璃基板上的液晶弹性体薄膜。
以上各实施例所制得的液晶弹性体薄膜在光刺激和/或温度刺激下发生可逆形变。如图4和图5所示，具体地，具体地，在紫外光刺激的刺激下，液晶弹性体薄膜中偶氮苯分子由反式异构体转变为顺式异构体的形态，顺反异构体转变的过程产生自由体积并结合液晶弹性体薄膜的交联网络的序参数改变，从而带动液晶弹性体薄膜发生形变；或者，在50～125℃热刺激下，液晶弹性体薄膜的交联网络的序参数改变，从而带动液晶弹性体薄膜发生形变；由于光取向层的取向作用，局域液晶弹性体薄膜的交联网络具有特定的排布，在变形时产生朝向特定方向的驱动力，进而推动局域液晶弹性体薄膜朝特定方向发生三维形变，且三维形变大小及形貌与光取向层的取向图案有关；而在45℃以下低温刺激和/或可见光刺激下，该液晶弹性体薄膜会发生回复变形，并回复至原貌，从而可实现液晶弹性体薄膜的微观表面形貌的动态响应。另外，以上液晶弹性体薄膜的制备过程采用DMD数字掩模光刻系统通过数字掩模板对光取向层进行取向，以形成图案化光取向层，操作简单，可根据需求设计掩模板图案结构，灵活性强，且精确度高，进而在光取向层上制备液晶弹性体薄膜，通过在光和/或温度的刺激响应得到对应的三维形貌，可实现开发制备微观三维表面形貌可预先设计的动态响应型液晶弹性体薄。

Claims (10)

1.一种液晶弹性体薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将光取向层的材料溶解于溶剂中，而后覆设于基板上形成取向涂层；
S2、使用DMD数字掩模光刻系统通过数字掩模板对所述取向涂层进行取向，得到光取向层，再采用带有所述光取向层的基板制备液晶盒子；或者，采用带有所述取向涂层的基板制备液晶盒子，并使用DMD数字掩模光刻系统通过数字掩模板对所述取向涂层进行取向；
S3、将液晶混合物填充于所述液晶盒子中；所述液晶混合物包括液晶单体、液晶低聚物、偶氮苯和光引发剂；
S4、将步骤S3处理后的液晶盒子置于热台上，并在蓝光区进行聚合，形成交联网络，制得液晶弹性体薄膜。
2.根据权利要求1所述的液晶弹性体薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述液晶混合物包括以下质量份数的成分：0～60份液晶单体A、0～80份液晶单体B、0～80份液晶低聚物、1～15份偶氮苯、0.2～2份光引发剂；所述液晶单体A选自双端丙烯酸酯类液晶单体；所述液晶单体B选自单端丙烯酸酯类液晶单体，所述液晶低聚物选自聚合度为2～5的自主链型液晶低聚物。
3.根据权利要求1所述的液晶弹性体薄膜的制备方法，其特征在于，所述光引发剂选自光引发剂819、光引发剂784中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的液晶弹性体薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述光取向层的材料为偶氮类光取向材料。
5.根据权利要求1所述的液晶弹性体薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的液晶弹性体薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述光取向层为环形取向、径向取向、弯曲取向、展曲取向中的至少一种。
7.一种液晶弹性体薄膜，其特征在于，由权利要求1至6中任一项所述液晶弹性体薄膜的制备方法制得，且所述液晶弹性体薄膜可在光刺激和/或温度刺激下发生可逆形变。
8.根据权利要求7所述的液晶弹性体薄膜，其特征在于，所述液晶弹性体薄膜可在光刺激和/或温度刺激下发生可逆形变，包括：在紫外光的刺激下，所述液晶弹性体薄膜中偶氮苯分子的形态发生改变，产生自由体积并结合所述液晶弹性体薄膜的交联网络的序参数改变，从而带动所述液晶弹性体薄膜发生形变；或在50～125℃热刺激下，所述液晶弹性体薄膜的交联网络的序参数改变，从而带动所述液晶弹性体薄膜发生形变；
由于所述光取向层的取向作用，局域液晶弹性体薄膜的交联网络具有特定的排布，在变形时产生朝向特定方向的驱动力，进而推动局域液晶弹性体薄膜朝特定方向发生三维形变，且三维形变大小及形貌与光取向层的取向图案有关；而在45℃以下低温刺激和/或可见光刺激下，所述三维形变可回复变形。
9.权利要求7或8所述的液晶弹性体薄膜的驱动方法，其特征在于，所述驱动方法包括将所述液晶弹性体薄膜置于紫外光照射区域，通过控制紫外光照射区域的紫外光源开关，以控制所述液晶弹性体薄膜的形变；
或者，所述驱动方法包括将所述液晶弹性体薄膜置于温控区域，通过调节所述温控区域的温度，以控制所述液晶弹性体薄膜的形变。
10.权利要求7或8所述的液晶弹性体薄膜在制备盲人显示器、感应器、光动马达、微流体系统阀门或智能响应界面中的应用。
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