CN111484854B - 一种制备具有三维可逆驱动的液晶弹性体智能材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备具有三维可逆驱动的液晶弹性体智能材料的方法，将动态共价键引入到液晶弹性体中，使用外力将液晶弹性体转变成三维结构，于外界刺激(如光、热)下，激活体系中的交换反应，从而将外力变形所致的液晶基元取向固定下来，使液晶弹性体在三维形状与薄膜之间可逆变化。本发明的方法无需催化剂、无需拉伸使液晶基元取向、无需液晶基元整体取向就能使液晶弹性体具有三维可逆驱动。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料加工领域，尤其涉及一种新型的具有三维可逆驱动液晶弹性体智能材料的制备方法。
背景技术
液晶弹性体(LCE)是指非交联型液晶聚合物经适度交联，并在各向同性态或液晶态显示弹性的聚合物。液晶弹性体是一类结合了液晶有序性和橡胶弹性的智能材料，在光、热、电、磁等外界刺激下，当发生液晶相与各向同性相的可逆相转变时，液晶基元的有序/无序的可逆排列带动高分子链段也运动，使液晶弹性体产生大幅度的宏观可逆形变。作为驱动器和感应器，液晶弹性体在盲人触摸显示器、人工肌肉、微型机器人等诸多领域都有广阔的应用前景。
只有单畴液晶弹性体才有自发的可逆形变(自发的可逆形变是指感知外界刺激后，，即可自发地做出响应，待外界刺激消除后，又可自发地回复至响应前的状态)。所谓单畴液晶弹性体，是指液晶弹性体中的液晶基元基本上全部沿特定方向取向和排列。定向排列后，在发生液晶相-各向同性相转变时，液晶基元在有序-无序之间切换，产生的微小形变因方向基本相同，才能在整个样品上宏观地体现出来。相对地，多畴液晶弹性体是指液晶基元没有宏观地、整体地排列和取向，其液晶基元在液晶相-各向同性相转变时，所产生的微小形变是无规的，故而整个样品体现不出形状的改变。
传统的制备单畴液晶弹性体的方法为两步交联法，即第1步先预交联得到一个部分交联的液晶“凝胶”；第2步再对第1步的液晶“凝胶”进行拉伸取向，保持拉力的情况下，进一步交联得到完全交联的产物。这种方法成功率低、操作复杂。近几年也涌现了借助外场(取向膜、电场和磁场)替换外力拉伸对液晶基元进行取向的方法，但该方法成本较高、只能获得非常薄的膜(50μm以下)。单畴制备困难不仅阻碍液晶弹性体的进一步深入研究，更成为阻碍液晶弹性体实际应用的瓶颈因素。且目前为止，常被研究的单畴液晶弹性体只有伸长-缩短、弯曲-变直两种简单的二维可逆驱动，而具有三维形状变化的可逆驱动在实验研究和实际应用中都有着十分重要的意义，推动着仿生材料的开发和应用。
目前已被报道的具有三维可逆驱动的液晶弹性体，其制备方法有两种。一种是借助液晶盒使液晶基元取向获得三维驱动，这种方法成本较高，且受到制备过程中小分子液晶取向工艺的限制，只能得到非常薄的样品。另一种是外力拉伸液晶型类玻璃高分子、通过模具使液晶基元取向获得三维驱动。这种方法中存在一个主要问题，即材料在高温下和多次形变后因催化剂催化下的快速交换反应使单畴容易消失；另一个缺点是，外力拉伸所致的取向度有限(拉伸过长时材料容易断裂，拉伸不够长时液晶基元不足以全部取向，两者之间的矛盾使取向度有限)，不能产生足够大的可逆形变。
因此，急需发展一种简单的制备具有三维可逆驱动的液晶弹性体的方法。
发明内容
本发明的目的就是解决上述现有技术中存在的问题，提供一种制备具有三维可逆驱动液晶弹性体智能材料的方法。
一种制备具有三维可逆驱动的液晶弹性体智能材料的方法，包括：
提供液晶弹性体材料，所述液晶弹性体材料内部可发生交换反应；
使用外力将液晶弹性体转变成三维结构，进行高温加热使液晶弹性体材料发生交换反应，将外力变形所致的液晶基元取向固定下来，从而得到具有三维可逆驱动的液晶弹性体智能材料。
具体说，上述的液晶弹性体材料内部可发生的交换反应包括但不限于酯交换反应、转氨甲酰反应、烷基转移反应、烷氧基交换反应、烯烃复分解反应中的任意一种。
具体说，当交换反应为酯交换反应时，上述的加热温度为不低于100℃，所述的加热时间为0.5-8小时。
更具体说，本发明的制备方法中的高温加热步骤中，当采用的温度越高时，所需的时间相对越短。当交换反应为酯交换反应时，优选的，当温度为100℃时，加热时间为8小时，当温度为150℃时，加热时间为4小时，当温度为180℃时，加热时间为2小时，当温度为200℃时，加热时间为1小时，当温度为220℃时，加热时间为0.5小时。
具体说，本发明上述的液晶弹性体智能材料包括含有液晶基元的液晶分子和脂肪族二酸。
更具体说，本发明上述的液晶基元选自联苯液晶基元、芳香酯基液晶基元或三联苯液晶基元的一种。
更具体说，上述的脂肪族二酸包括但不限于辛二酸、壬二酸、癸二酸、十二烷二酸、十六烷二酸、十八烷二酸中的一种。
优选的，所述液晶弹性体智能材料包括含有联苯液晶基元的4,4’-二羟基联苯二缩水甘油醚和癸二酸。
本发明提出的这种制备具有三维可逆驱动液晶弹性体智能材料的方法，无需催化剂、无需针对液晶基元整体取向，就能使液晶弹性体具有三维的可逆驱动特性。具体说，本发明的方法中无需使用外力对材料进行整体拉伸，仅需采用外力将液晶弹性体转变成三维结构，再进行高温加热使液晶弹性体材料发生交换反应，将外力变形所致的液晶基元取向固定，即可产生可逆驱动。
本发明的方法非常简单，因为制备方法中不需要采用催化剂，所以液晶弹性体的取向很稳定，因此可延长其使用寿命，同时本发明方法的制备成本很低，因此适宜大规模生产和应用。
采用本发明的方法，可以开放式设计液晶弹性体的待处理部位，然后设计适宜的外力可以令液晶弹性体材料变形为各式各样的三维形状，即本发明方法处理后的液晶弹性体材料可以完全实现复杂的三维可逆驱动，从而可以拓宽液晶弹性体的应用范围，为具有可逆驱动仿生材料的开发和应用带来新突破。
本发明同时保护采用上述的制备方法所制备的具有三维可逆驱动的液晶弹性体智能材料。
附图说明
图1为本发明实施例中的液晶弹性体智能材料诱导弯曲可逆形变的制备过程示意图。
图2为本发明实施例中液晶弹性体在各向同性相与液晶相之间的可逆弯曲形变的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明制备具有三维可逆驱动的液晶弹性体智能材料进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出的这种具有三维可逆驱动液晶弹性体智能材料的制备方法，首先针对液晶弹性体材料的待处理部位进行外力变形，将其转变成三维结构，接着通过外界环境刺激激活该液晶弹性体系中的交换反应，从而将外力变形所致的局部液晶基元取向固定下来，使液晶弹性体在三维形状与二维薄膜之间可实现可逆变化。
当液晶弹性体材料优选为含有联苯液晶基元的4,4’-二羟基联苯二缩水甘油醚和癸二酸制备而成时，该交换反应为酯交换反应，且在不低于100℃的高温下发生反应不少于0.5小时。
实施例1：
本实施例所用液晶弹性体为可发生酯交换反应、含有联苯液晶基元的液晶弹性体，具体是采用4,4’-二羟基联苯二缩水甘油醚与癸二酸，在高温180℃下熔化、搅匀后、再加热4小时后得到的液晶弹性体。
请参阅图1，具体说明采用本发明的这种制备具有三维可逆驱动的液晶弹性体智能材料的过程方法：
首先，使用外力将本发明的这种三维可逆驱动液晶弹性体智能材料的长条形样条折成90°，此时在折角处的液晶基元会重新排列，然后，保持该折叠变形在高温(180℃)下放置2小时，此过程中液晶弹性体中发生的酯交换反应会将折角处的液晶基元的取向固定下来，最后降至室温后液晶基元的折角形状固定。
请参阅图2，具体说明本发明的制备方法可使该液晶弹性体材料实现可逆变化的过程：
图1操作、处理后的液晶弹性体在室温下(此时为液晶相)与高温下(如120℃，此时为各项同性相)有自发的可逆三维形变。如此可反复实现两种形状之间的可逆变化。
以上实施例采用较常见的液晶弹性体材料为例来说明，但是应当明白本发明专利针对的并不仅仅局限于上述的材料，对于能够发生酯交换反应、转氨甲酰反应、烷基转移反应、烷氧基交换反应、烯烃复分解反应、氨基交换反应、亚胺交换反应等的液晶弹性体材料，采用本发明的方法均可以得到具有三维可逆驱动的液晶弹性体智能材料。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种制备具有三维可逆驱动的液晶弹性体智能材料的方法，其特征在于，所述液晶弹性体智能材料包括含有液晶基元的液晶分子和脂肪族二酸，该方法包括：
提供液晶弹性体材料，所述液晶弹性体材料为单畴取向的液晶弹性体材料，所述液晶弹性体材料内部可发生交换反应，所述交换反应为酯交换反应；
无需催化剂且无需针对液晶基元整体取向，使用外力仅将液晶弹性体材料的待处理部位转变成三维结构，然后进行高温加热使液晶弹性体材料发生交换反应，将外力变形所致的局部液晶基元取向固定下来，从而得到具有三维可逆驱动的液晶弹性体智能材料；
所述酯交换反应时的加热温度为100ºC至220ºC，且加热时间为0.5-8小时。
2.根据权利要求1所述的具有三维可逆驱动的液晶弹性体智能材料的制备方法，其特征在于：
当温度为100ºC时，加热时间为8小时；当温度为150ºC时，加热时间为4小时；当温度为180ºC时，加热时间为2小时；当温度为200ºC时，加热时间为1小时；当温度为220ºC时，加热时间为0.5小时。
3.根据权利要求1所述的具有三维可逆驱动的液晶弹性体智能材料的制备方法，其特征在于，所述液晶基元选自联苯液晶基元、芳香酯基液晶基元或三联苯液晶基元的一种。
4.根据权利要求3所述的具有三维可逆驱动的液晶弹性体智能材料的制备方法，其特征在于，所述的脂肪族二酸选自辛二酸、壬二酸、癸二酸、十二烷二酸、十六烷二酸、十八烷二酸中的一种。
5.根据权利要求1所述的具有三维可逆驱动的液晶弹性体智能材料的制备方法，其特征在于，所述液晶弹性体智能材料为含有联苯液晶基元的4,4’-二羟基联苯二缩水甘油醚和癸二酸。
6.一种采用权利要求1所述的方法得到的具有三维可逆驱动的液晶弹性体智能材料，所述液晶弹性体材料为单畴取向的液晶弹性体材料，所述液晶弹性体材料内部可发生交换反应，所述交换反应为酯交换反应。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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