CN115260783A - 液晶弹性体致动器及应用 - Google Patents
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Abstract
本公开属于液晶技术领域，具体涉及液晶弹性体致动器及应用；液晶聚合物薄膜按照预设的Kresling结构编制外观诱导分子取向，进行后交联得到具有Kresling结构的液晶弹性体致动器，该致动器能够在加热或光照条件下驱动负载发生可逆伸缩运动，可在软机械执行器、人工肌肉的应用、多自由度运动的弹性体、温度传感器、光传感器、人体内血管支架或器官支撑体的应用。
Description
技术领域
本公开属于液晶技术领域，具体涉及液晶弹性体致动器及应用。
背景技术
液晶弹性体材料是一类典型的具有双向形状记忆特性同时力学性能优良的功能软材料，在人工肌肉、软机器人等智能器件领域有应用潜力。
然而，现有液晶弹性体材料的致动形式受限于类型化的化学结构和分子取向调控模式，难以取得常规的软致动器材料所不具备的性质。目前，液晶弹性体可以通过“一步法”或“两步法”来制备。
“一步法”是通常是将可聚合液晶单体直接交联，常被用于制备多畴的液晶弹性体，其体系中杂乱无章的液晶取向无法使材料在外界刺激下产生宏观的形变。
“两步法”可用于制备单畴的液晶弹性体。“两步法”是通过先获得线性的或轻度交联的液晶聚合物，对其取向后再进行化学交联来固定取向，得到液晶基元均一取向的单畴液晶弹性体。在可逆的有序-无序相转变的作用下，液晶弹性体会展现出宏观的可逆形状变化。但是，受限于以上制备工艺，液晶弹性体分子取向模式比较单一，其外观局限于薄膜或者纤维，因此致动形式局限于简单的收缩、弯曲和扭曲模式。
在现有的技术中，摩擦取向、光取向、磁控取向等技术也可被应用于小面积上的分子取向模式和致动形式的调控，但是难以大规模制备且仅限应用在厚度很小的液晶聚合物薄膜(～50μm)中。
更重要的是，以上技术均无法突破材料本身化学结构的限制，从而实现材料本身不具有的性质，例如零泊松比、多稳态结构、可调刚性。
发明内容
第一方面，本发明提供了一种液晶弹性体致动器，利用Kresling折纸结构编制液晶弹性体薄膜，可制得具有Kresling结构的液晶弹性体致动器。
一种液晶弹性体致动器，包括液晶弹性体薄膜，所述液晶弹性体薄膜进行折叠，折叠的折痕处产生液晶分子垂直于折痕取向，其他区域呈现低取向程度或无取向的多畴状态，受热时所述液晶弹性体薄膜发生相变，使折痕趋向从折叠到展开的状态，所有的折痕协同运动。
在一些公开中，所述液晶弹性体薄膜以Kresling折纸结构折叠。
在一些公开中，所述液晶弹性体薄膜的折叠结构基本单元的特征角度范围为：0＜α+β≤90°。
在一些公开中，所述液晶弹性体致动器受刺激前处于折叠的初始状态，受刺激后会伸长，撤去刺激后又会恢复到初始状态，所述刺激包括加热刺激或者光刺激。
在一些公开中，所述液晶弹性体致动器受刺激后会伸长至初始长度的2倍以上。
在一些公开中，所述液晶弹性体致动器在加热刺激或者光刺激不同区域下，进行弯曲、扭转变形。
在一些公开中，所述液晶聚合物薄膜厚度大于50μm。
在一些公开中，所述液晶弹性体致动器制备方法包括以下任一项：
(1)将液晶弹性体薄膜折成Kresling折纸结构，液晶弹性体薄膜折成Kresling折纸结构形成的接口之间通过粘贴方式进行固定连接；
(2)将液晶弹性体薄膜折成Kresling折纸结构，使液晶弹性体薄膜折叠形成的接口的贴合，将折叠好的液晶弹性体薄膜在50℃下加热10小时，使液晶弹性体薄膜的折叠形成的接口的热熔连接，并固定接口。
在一些公开中，所述液晶弹性体薄膜制备包括以下任一方法：
(1)将液晶单体RM257(50.5mol％)、扩链剂DODT(42.8mol％)、交联剂PETMT(4.8mol％)、硝基偶氮苯染料(1.9mol％)溶于氯仿中，超声处理得到透明溶液；将透明溶液倒入聚四氟乙烯模具中，在50℃下保温1小时，得到预交联的液晶弹性体薄膜；
(2)将液晶单体MBB(41.2mol％)、聚合物PMHS(51.6mol％)、11UB(4.4mol％)、1002染料(2.8mol％)溶于氯仿中，超声处理得到透明溶液；
将透明溶液倒入聚四氟乙烯模具中，在50℃下保温1小时，得到预交联的液晶弹性体薄膜；
(3)将液晶单体RM82(55.5mol％)、扩链剂DODT(39.8mol％)、交联剂OPDSPA(3.0mol％)、炭黑(1.7mol％)溶于氯仿中，超声处理得到透明溶液；将透明溶液倒入聚四氟乙烯模具中，在50℃下保温1小时，得到预交联的液晶弹性体薄膜。
第二方面，本发明提供了一种致动器，致动器包括第一方面的液晶弹性体致动器，在以下以下任一项的应用：
(1)致动器在软机械执行器的应用；
(2)致动器在人工肌肉的应用；
(3)致动器在多自由度运动的弹性体的应用；
(4)致动器作为温度传感器的应用；
(5)致动器作为光传感器的应用；
(6)致动器在人体内血管支架或器官支撑体的应用。
有益效果：
解决液晶弹性体材料致动形式局限于简单的收缩、弯曲和扭曲模式的技术问题，提供了可伸展、多自由度运动的液晶弹性体致动器。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本公开实施例的折痕结构设计图；
图2是本公开实施例的驱动应力随温度变化图；
图3是本公开实施例的致动过程实物图，左边为材料初始状态下的状态图，右边为在波长为365nm，从前、后、左、右照射时，材料向上伸展的状态图；
图4是本公开实施例的形变程度随温度和光照强度变化实物图，图4中(a)为在20℃或者光强20mW/cm2下的材料向上伸展的状态图，图4中(a)为在20℃或者光强20mW/cm2下的材料向上伸展的状态图，图4中(b)为在40℃或者光强40mW/cm2下的材料向上伸展的状态图，图4中(c)为在50℃或者光强50mW/cm2下的材料向上伸展的状态图，图4中(d)为在60℃或者光强60mW/cm2下的材料向上伸展的状态图，图4中(e)为在65℃或者光强70mW/cm2下的材料向上伸展的状态图，图4中(f)为在70℃或者光强80mW/cm2下的材料向上伸展的状态图，图4中(g)为在75℃或者光强90mW/cm2下的材料向上伸展的状态图，图4中(h)为在80℃或者光强100mW/cm2下的材料向上伸展的状态图；
图5是本公开实施例的光控致动器向任意方向弯曲实物图，图5中(a)为在光强50mW/cm2下从315°方向照射，材料向135°方向弯曲，图5中(b)为在光强50mW/cm2下从225°方向照射，材料向45°方向弯曲，图5中(c)为在光强50mW/cm2下从45°方向照射，材料向225°方向弯曲，图5中(d)为在光强50mW/cm2下从135°方向照射，材料向315°方向弯曲；
图6是本公开实施例的折痕处液晶分子取向示意图。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。
液晶聚合物薄膜，英文名称：liquid crystal polymer LCP,中文名称叫液晶聚合物。LCP是介于固体结晶和液体之间的中间状态聚合物，其分子排列虽然不像固体晶态那样三维有序，但也不是液体那样无序，而是具有一定(一维或二维)的有序性。它是一种新型的高分子材料，在熔融态时一般呈现液晶性。这类材料具有优异的耐热性能和成型加工性能。
液晶高分子按物质的来源可分为天然液晶高分子和合成液晶高分子，根据液晶形成的条件又可分为热致性液晶高分子和溶致性液晶高分子。液晶高分子材料具有一系列优异的性能，如高强度、高模量、突出的耐热性、极小的线膨胀系数、优良的耐燃性、电绝缘性、耐化学腐蚀性、耐气候老化和能透微波，以及优异的成型加工性能等。
前者在溶剂中呈液晶态，后者因温度变化而呈液晶态。热致液晶聚合物是继溶致液晶聚合物之后兴起的，其综合性能优异，而且能够进行注塑、挤出成型加工。液晶聚合物分子的分之主链刚硬，分子之间堆砌紧密，且在成型过程中高度取向，所以具有线膨胀系数小，成型收缩率低和非常突出的强度和弹性模量以及优良的耐热性，具有较高的负荷变形温度，有些可高达340℃以上。LCP还具有耐化学药品和气密性优良，此外，有些液晶聚合物具有某些特殊的功能，如光导液晶聚合物、功能性液晶高分子分离膜及生物性液晶高分子等。一般热致性液晶聚合物具有较好派的流动性，易加工成型。其成型产品具有液晶聚合物特有的皮芯结构，树脂本身具有纤维性质，在熔融状态下有高度的取向，故可起到纤维增强的效果。
因为其具有高强度、高刚性、耐高温、电绝缘性等十分优良，被用于电子、电气、光导纤维、汽车及宇航等领域。用液晶作成的纤维可以做渔网、防弹服、体育用品、刹车片、光导纤维几显示材料等，还可制成薄膜，用于软质印刷线路、食品包装等。热致液晶聚合物还可与多种塑料制成聚合物共混材料，这些共混材料中液晶聚合物起到纤维增强的作用，可以大大提高材料的强度、刚性及耐热性等。
在本申请中提及的液晶聚合物薄膜为现有目前存在液晶聚合物薄膜均可，当然后期也可以是衍生出液晶聚合物薄膜的系列；现有的液晶聚合物薄膜在实际产品中一般以软机器人的机械臂、柔性手抓、运动模块、光传感器、温度传感器、光传感器等，人工肌肉的驱动模块。
针对于目前常规的液晶聚合物薄膜的合成工艺如下：
将液晶单体、扩链剂、交联剂、催化剂和光敏染料(可选)溶于溶剂中混合均匀，热引发条件下进行预聚合得到液晶聚合物薄膜，所述的液晶单体、扩链剂、交联剂、催化剂的组合为已报导的或未报导的能够制备液晶弹性体的原料组合，其中，扩链剂和催化剂在某些原料组合中可以不存在。光敏染料为能够大量吸收光的有机染料或无机染料。
现有存在通过以下方式进行合成液晶聚合物薄膜：
如：(1)将液晶单体RM257(50.5mol％)、扩链剂DODT(42.8mol％)、交联剂PETMT(4.8mol％)、硝基偶氮苯染料(1.9mol％)溶于氯仿中，超声处理得到透明溶液；
将透明溶液倒入聚四氟乙烯模具中，在50℃下保温1小时，得到预交联的液晶弹性体薄膜。
如：(2)将液晶单体MBB(41.2mol％)、聚合物PMHS(51.6mol％)、11UB(4.4mol％)、1002染料(2.8mol％)溶于氯仿中，超声处理得到透明溶液；
将透明溶液倒入聚四氟乙烯模具中，在50℃下保温1小时，得到预交联的液晶弹性体薄膜。
如：(3)将液晶单体RM82(55.5mol％)、扩链剂DODT(39.8mol％)、交联剂OPDSPA(3.0mol％)、炭黑(1.7mol％)溶于氯仿中，超声处理得到透明溶液；
将透明溶液倒入聚四氟乙烯模具中，在50℃下保温1小时，得到预交联的液晶弹性体薄膜。
当然上述液晶单体、扩链剂、交联剂、催化剂和光敏染料对应的衍生物也是可以进行替换对应的液晶单体、扩链剂、交联剂、催化剂(催化剂不是所有的都有，和配方组成有关)和光敏染料，
如在上述方法(1)中，
液晶单体RM257，其衍生物可表现形式可以但不局限于为：BYLC1、BYLC2、RM82、LC242；
交联剂PETMT，其衍生物可表现形式可以但不局限于为：OPDSPA；
硝基偶氮苯染料，其衍生物可表现形式可以但不局限于为：甲氧基偶氮苯、分散红I、对甲氧基硝基偶氮苯；
如在上述方法(2)中，
11UB，其衍生物可表现形式可以但不局限于为：9UB、10UB、12UB；
1002染料，其衍生物可表现形式可以但不局限于为：NIR800A、NIR979C、NIR1031M；
如在上述方法(3)中，其衍生物可表现形式可以但不局限于为：
液晶单体RM82，其衍生物可表现形式可以但不局限于为：BYLC1、BYLC2、RM257、LC242；
交联剂OPDSPA，其衍生物可表现形式可以但不局限于为：PETMT；
炭黑，其衍生物可表现形式可以但不局限于为：石墨烯、碳60、碳纳米管。
致动器，可以移动或控制物体动作的机械装置或者部件；
Kresling折纸结构，由BirtuaKresling发现并命名，其折痕是薄壁圆柱经扭转产生的，其展开情况下的折痕分布如图1所示，展开平面进行划分为多个面积相等的平行四边形结构，折痕以平行四边形结构的对角线形式进行平分；图1展示的是Kresling折纸结构展开情况下的折痕分布，折痕以图示中虚线表示，折叠的折痕处产生液晶分子垂直于折痕取向，其他区域呈现低取向程度或无取向的多畴状态(图6)，当材料在被加热或光照时，折痕处的液晶发生有序到无序相转变，驱动折痕从折叠状态变为展开状态，从而带动材料整体运动，如向上伸展、弯曲等；α、β分别表示折叠结构基本单元的特征角度，具体是，以一个平行四边形结构的三个相邻顶点分别标记为A、B、C，那么∠BAC＝α，∠ACB＝β。
液晶弹性体致动器，液晶弹性体(LiquidCrystalElastomer,LCE)，即一类既具有弹性体材料的弹性等性能又具备液晶材料的有序性、流动性等性质的聚合物。由于其在由介晶基元单轴排列的各向异性相态向排列无序的各向同性相态的相态变化中，可以产生大形变量且可逆的宏观形变，可以作为软体致动器。
针对于本申请中，将液晶弹性体薄膜以Kresling折纸结构折叠，形成稳定的结构，形成液晶弹性体致动器，液晶弹性体致动器受刺激前处于折叠的初始状态，受刺激后会伸长，撤去刺激后又会恢复到初始状态；液晶弹性体薄膜以Kresling折纸结构折叠过程中，液晶弹性体薄膜进行折叠，折叠的折痕处产生液晶的特殊取向结构，受热时液晶弹性体薄膜发生相变，使折痕趋向从折叠到展开的状态，所有的折痕协同运动。
本发明利用Kresling折纸结构编制的液晶弹性体薄膜，利用折叠过程产生的内应力实现分子取向控制，并通过后交联的方式固定取向结构，可制得具有Kresling结构的液晶弹性体致动器，该致动器改变了传统液晶弹性体致动器在外界刺激下收缩或弯曲的形变模式，能够在热、或光的驱动下向空间中多方向进行伸展，具有远超液晶弹性体材料的运动自由度和可调控的刚度。本发明将Kresling结构应用于软致动材料本身，使材料获得不依赖于外接或内置驱动部件即可进行多模式致动的能力，且致动的负载重量能够达到自身重量的数十倍以上。该方法操作不依赖昂贵的设备，适用范围广，制得的软驱动器同时能够通过光和热两种方式进行无线控制，在软机械执行器方面有潜在应用。
特殊取向结构，如表现为：在折痕的外侧液晶分子垂直于折痕取向，其他区域呈现低取向程度或无取向的多畴状态。
针对于液晶弹性体薄膜以Kresling折纸结构折叠，如何保持稳定结构：在本申请可通过以下任一项方法：
(1)将液晶弹性体薄膜折成Kresling折纸结构，液晶弹性体薄膜折成Kresling折纸结构形成的接口之间通过粘贴方式进行固定连接；
在此处更多是通过物理的方式进行使得液晶弹性体薄膜折成Kresling折纸结构后形成液晶弹性体致动器，液晶弹性体致动器的液晶弹性体薄膜折叠形成的接口之间稳定的连接状态；如：
粘贴方式，如胶水粘贴方式，胶水需要具有一定的韧性且耐热更好，例如502、环氧胶、UV胶3181等，针对于不同粘贴的胶水选择，只要使得液晶弹性体薄膜折叠形成的接口之间不断开，处于稳定的连接状态即可；
当然粘贴方式也可以选择为其他非胶水方式，如固体胶等，目的是使得液晶弹性体薄膜折叠形成的接口之间稳定的连接状态，使得在液晶弹性体致动器在工作或者非工作状态，液晶弹性体致动器上的液晶弹性体薄膜折叠形成的接口之间稳定的连接状态。
(2)将液晶弹性体薄膜折成Kresling折纸结构，使液晶弹性体薄膜折叠形成的接口的贴合，将折叠好的液晶弹性体薄膜在50℃下加热10小时，使液晶弹性体薄膜的折叠形成的接口的热熔连接，并用环氧树脂固定接口。
在此处更多是通过热熔的方式进行使得液晶弹性体薄膜折成Kresling折纸结构后形成液晶弹性体致动器，液晶弹性体致动器的液晶弹性体薄膜折叠形成的接口之间稳定的连接状态。
环氧树脂可以为：α-氰基丙烯酸酯、乙基丙烯酸酯、聚氨酯、氨基树脂、酚醛树脂等；无影胶、502胶、强力固体胶、极速胶、免钉胶、AB胶等进行替换，目的在于使得接口进行固定即可。
实施例一：
为了验证本申请液晶弹性体薄膜折成Kresling折纸结构形成液晶弹性体致动器性能，由于不能穷举的原因，故本申请以以下一种常见的液晶弹性体薄膜作为基础验证，以及关于液晶弹性体薄膜的合成也是常规的方式，具体如下：
(1)将液晶单体RM257(50.5mol％)、扩链剂DODT(42.8mol％)、交联剂PETMT(4.8mol％)、硝基偶氮苯染料(1.9mol％)溶于氯仿中，超声处理得到透明溶液。
(2)将透明溶液倒入聚四氟乙烯模具中，在50℃下保温1小时，得到预交联的液晶弹性体薄膜。
(3)将预交联的液晶弹性体薄膜切割成平行四边形结构(两邻边均为10cm)，并按照图1所示的折叠方法进行折叠，然后将折叠好的薄膜放置在烘箱中，在50℃下加热10小时完成薄膜的二次交联并用环氧树脂固定接口，得到了(α+β＝60°)的Kresling结构液晶弹性体致动器。
实施例二：实施例一中的液晶弹性体致动器性能研究(性能：需要均从支撑力、延伸、弯曲、扭转变形以及抗疲劳方面进行数据验证，注意需要附检验标准；如补充图示，也请将图示展示的内容以及结论进行表述在下方对应部位)：
针对于光源刺激不同区域下的液晶弹性体致动器性能的反馈：将液晶弹性体致动器数值固定在台面上，使用一束平行光源照射时(波长为365nm)，材料向光源相反的方向弯曲(图5)，光强为50mW/cm2时，可弯曲30°，光强为80mW/cm2时，可弯曲60°。撤去光源后回复至初始状态。此过程经验证可重复50次以上。
针对于不同温度热源刺激下的液晶弹性体致动器性能的反馈：
升温至40℃，该致动器在5g砝码负载下，形变量为原长40％，升温至60℃，形变量为原长120％，升温至80℃，形变量为原长200％，降至室温后致动器，逐渐回复初始状态(图4)。(形变量定义为(实际长度-原始长度)/原始长度)。此过程经验证可重复50次以上。使用动态热机械分析仪测试，最大驱动应力为2.29kPa(图2)；材料呈现出由温度控制的多稳态特性；以及说明材料在不同温度下，抵抗变形的能力不同，即具有可调的刚性；
针对于不同光照强度刺激下的液晶弹性体致动器性能的反馈：将液晶弹性体致动器数值固定在台面上，同时使用四束平行光源(波长为365nm)从前、后、左、右照射时，材料向上伸展(图3)，在此过程中，材料呈现零泊松比特性。10g砝码负载下，每个光源光强为50mW/cm2时，形变量为40％，光强为80mW/cm2时，形变量为120％，光强为100mW/cm2时，形变量为200％。(形变量定义为(实际长度-原始长度)/原始长度)。撤去光源后回复至初始状态。此过程经验证可重复50次以上；材料呈现出由光照强度控制的多稳态特性；
针对于不同类型光刺激下的液晶弹性体致动器性能的反馈：改变光源波长，上述过程形变量均明显减小。光源波长偏离365nm越大，形变量减小越明显。
实施例三：如在上述现有通过(2)方式合成液晶聚合物薄膜中采用：
液晶单体MBB(41.2mol％)、聚合物PMHS(51.6mol％)、11UB(4.4mol％)、1002染料(2.8mol％)溶于氯仿中，超声处理得到透明溶液；
将透明溶液倒入聚四氟乙烯模具中，在50℃下保温1小时，得到预交联的液晶弹性体薄膜；
将预交联的液晶弹性体薄膜切割成平行四边形结构(两邻边均为10cm)，并按照图1所示的折叠方法进行折叠，然后将折叠好的薄膜放置在烘箱中，在50℃下加热10小时完成薄膜的二次交联并用环氧树脂固定接口，得到了(α+β＝60°)的Kresling结构液晶弹性体致动器。
针对于光源刺激不同区域下的液晶弹性体致动器性能的反馈：将液晶弹性体致动器数值固定在台面上，使用一束平行光源照射时(波长为1002nm)，材料向光源相反的方向弯曲，光强为50mW/cm2时，可弯曲50°，光强为80mW/cm2时，可弯曲80°。撤去光源后回复至初始状态。此过程经验证可重复50次以上。
针对于不同温度热源刺激下的液晶弹性体致动器性能的反馈：升温至40℃，该致动器在10g砝码负载下，形变量为原长50％，升温至60℃，形变量为原长140％，升温至80℃，形变量为原长210％，降至室温后致动器，逐渐回复初始状态。(形变量定义为(实际长度-原始长度)/原始长度)。此过程经验证可重复50次以上。使用动态热机械分析仪测试，最大驱动应力为2.40kPa.
针对于不同光照强度刺激下的液晶弹性体致动器性能的反馈：
将液晶弹性体致动器数值固定在台面上，同时使用四束平行光源(波长为1002nm)从前、后、左、右照射时，材料向上伸展。10g砝码负载下，每个光源光强为50mW/cm2时，形变量为40％，光强为80mW/cm2时，形变量为120％，光强为100mW/cm2时，形变量为200％。(形变量定义为(实际长度-原始长度)/原始长度)。撤去光源后回复至初始状态。此过程经验证可重复50次以上。
针对于不同类型光刺激下的液晶弹性体致动器性能的反馈：改变光源波长，上述过程形变量均明显减小。光源波长偏离1002nm越大，上述过程形变量减小越明显。
实施例四：如在上述现有通过(3)方式合成液晶聚合物薄膜中采用：
将液晶单体RM82(55.5mol％)、扩链剂DODT(39.8mol％)、交联剂OPDSPA(3.0mol％)、炭黑(1.7mol％)溶于氯仿中，超声处理；
将透明溶液倒入聚四氟乙烯模具中，在50℃下保温1小时，得到预交联的液晶弹性体薄膜；
将预交联的液晶弹性体薄膜切割成平行四边形结构(两邻边均为10cm)，并按照图1所示的折叠方法进行折叠，然后将折叠好的薄膜放置在烘箱中，在50℃下加热10小时完成薄膜的二次交联并用环氧树脂固定接口，得到了(α+β＝60°)的Kresling结构液晶弹性体致动器。
针对于光源刺激不同区域下的液晶弹性体致动器性能的反馈：将液晶弹性体致动器数值固定在台面上，使用一束平行光源照射时(白光)，材料向光源相反的方向弯曲，光强为50mW/cm2时，可弯曲40°，光强为80mW/cm2时，可弯曲60°。撤去光源后回复至初始状态。此过程经验证可重复50次以上。
针对于不同温度热源刺激下的液晶弹性体致动器性能的反馈：
升温至40℃，该致动器在20g砝码负载下，形变量为原长30％，升温至60℃，形变量为原长100％，升温至80℃，形变量为原长160％，降至室温后致动器，逐渐回复初始状态。(形变量定义为(实际长度-原始长度)/原始长度)。此过程经验证可重复50次以上。使用动态热机械分析仪测试，最大驱动应力为2.4kPa.
针对于不同光照强度刺激下的液晶弹性体致动器性能的反馈：
将液晶弹性体致动器数值固定在台面上，同时使用四束平行光源(波长为365nm)从前、后、左、右照射时，材料向上伸展。10g砝码负载下，每个光源光强为50mW/cm2时，形变量为40％，光强为80mW/cm2时，形变量为120％，光强为100mW/cm2时，形变量为190％。(形变量定义为(实际长度-原始长度)/原始长度)。撤去光源后回复至初始状态。此过程经验证可重复50次以上。
针对于不同类型光刺激下的液晶弹性体致动器性能的反馈：
改变光源波长(400nm～700nm)，保持光强一致时，上述过程形变量无明显变化。
实施例五：针对于(α+β)角的改变，对液晶弹性体致动器性能的影响针对于光源刺激不同区域下的液晶弹性体致动器性能的反馈：
在实施例一、二的情形下，
α+β＝60°时，将液晶弹性体致动器数值固定在台面上，使用一束平行光源照射时(波长为365nm)，材料向光源相反的方向弯曲，光强为50mW/cm2时，可弯曲30°，光强为80mW/cm2时，可弯曲60°。撤去光源后回复至初始状态。此过程经验证可重复50次以上。
α+β＝50°时，将液晶弹性体致动器数值固定在台面上，使用一束平行光源照射时(波长为365nm)，材料向光源相反的方向弯曲(图5)，光强为50mW/cm2时，可弯曲20°，光强为80mW/cm2时，可弯曲40°。撤去光源后回复至初始状态。此过程经验证可重复50次以上。
α+β＝70°时，将液晶弹性体致动器数值固定在台面上，使用一束平行光源照射时(波长为365nm)，材料向光源相反的方向弯曲(图5)，光强为50mW/cm2时，可弯曲30°，光强为80mW/cm2时，可弯曲60°。撤去光源后回复至初始状态。此过程经验证可重复50次以上。
针对于不同温度热源刺激下的液晶弹性体致动器性能的反馈：
α+β＝60°时，升温至40℃，该致动器在5g砝码负载下，形变量为原长40％，升温至60℃，形变量为原长120％，升温至80℃，形变量为原长200％，降至室温后致动器，逐渐回复初始状态(图4)。(形变量定义为(实际长度-原始长度)/原始长度)。此过程经验证可重复50次以上。使用动态热机械分析仪测试，最大驱动应力为2.29kPa。
α+β＝40°时，升温至40℃，该致动器在5g砝码负载下，形变量为原长20％，升温至60℃，形变量为原长60％，升温至80℃，形变量为原长120％，降至室温后致动器，逐渐回复初始状态。(形变量定义为(实际长度-原始长度)/原始长度)。此过程经验证可重复50次以上。使用动态热机械分析仪测试，最大驱动应力为1.78kPa。
α+β＝70°时，升温至40℃，该致动器在5g砝码负载下，形变量为原长40％，升温至60℃，形变量为原长120％，升温至80℃，形变量为原长200％，降至室温后致动器，逐渐回复初始状态(图4)。(形变量定义为(实际长度-原始长度)/原始长度)。此过程经验证可重复50次以上。使用动态热机械分析仪测试，最大驱动应力为2.21kPa。
针对于不同光照强度刺激下的液晶弹性体致动器性能的反馈：
α+β＝60°时，将液晶弹性体致动器数值固定在台面上，同时使用四束平行光源(波长为365nm)从前、后、左、右照射时，材料向上伸展。10g砝码负载下，每个光源光强为50mW/cm2时，形变量为40％，光强为80mW/cm2时，形变量为120％，光强为100mW/cm2时，形变量为200％。(形变量定义为(实际长度-原始长度)/原始长度)。撤去光源后回复至初始状态。此过程经验证可重复50次以上。
α+β＝40°时，将液晶弹性体致动器数值固定在台面上，同时使用四束平行光源(波长为365nm)从前、后、左、右照射时，材料向上伸展。10g砝码负载下，每个光源光强为50mW/cm2时，形变量为20％，光强为80mW/cm2时，形变量为80％，光强为100mW/cm2时，形变量为120％。(形变量定义为(实际长度-原始长度)/原始长度)。撤去光源后回复至初始状态。此过程经验证可重复50次以上。
α+β＝70°时，将液晶弹性体致动器数值固定在台面上，同时使用四束平行光源(波长为365nm)从前、后、左、右照射时，材料向上伸展。10g砝码负载下，每个光源光强为50mW/cm2时，形变量为40％，光强为80mW/cm2时，形变量为120％，光强为100mW/cm2时，形变量为200％。(形变量定义为(实际长度-原始长度)/原始长度)。撤去光源后回复至初始状态。此过程经验证可重复50次以上。
在本申请中优先选择0＜α+β≤90，在这个范围下，液晶弹性体致动器表面不会产生表面褶皱，避免表面褶皱对自身性能的影响；
当然也可以α+β≥90°，虽然可能导致液晶弹性体致动器表面褶皱，表面褶皱可会对液晶弹性体致动器延伸的性能起到约束作用，但是液晶弹性体致动器约束后的性能也能够满足现有需求即可。
实施例六：需要验证一下液晶聚合物薄膜厚度大于50μm的可能性，以及性能
针对于光源刺激不同区域下的液晶弹性体致动器性能的反馈：
在实施例一、二的情形下，制备的液晶聚合物薄膜厚度为80μm时
将液晶弹性体致动器数值固定在台面上，使用一束平行光源照射时(波长为365nm)，材料向光源相反的方向弯曲，光强为50mW/cm2时，可弯曲20°，光强为80mW/cm2时，可弯曲40°。撤去光源后回复至初始状态。此过程经验证可重复50次以上。
针对于不同温度热源刺激下的液晶弹性体致动器性能的反馈：
升温至40℃，该致动器在5g砝码负载下，形变量为原长20％，升温至60℃，形变量为原长60％，升温至80℃，形变量为原长100％，降至室温后致动器，逐渐回复初始状态(图4)。(形变量定义为(实际长度-原始长度)/原始长度)。此过程经验证可重复50次以上。使用动态热机械分析仪测试，最大驱动应力为2.82kPa
针对于不同光照强度刺激下的液晶弹性体致动器性能的反馈：
将液晶弹性体致动器数值固定在台面上，同时使用四束平行光源(波长为365nm)从前、后、左、右照射时，材料向上伸展。10g砝码负载下，每个光源光强为50mW/cm2时，形变量为20％，光强为80mW/cm2时，形变量为60％，光强为100mW/cm2时，形变量为100％。(形变量定义为(实际长度-原始长度)/原始长度)。撤去光源后回复至初始状态。此过程经验证可重复50次以上。
实施例七：
关于液晶弹性体致动器的运用：
液晶弹性体致动器在软机械执行器的应用，如液晶弹性体致动器作为软机械执行器或者软机械执行器的部分，即可以移动或控制物体动作的机械装置，目前可运用于柔性手抓、机械臂；
液晶弹性体致动器在人工肌肉的应用，如液晶弹性体致动器作为人工肌肉或者人工肌肉的部分，可以模仿肌肉的可逆收缩运动，目前可运用于人工肌纤维；
液晶弹性体致动器在多自由度运动的弹性体的应用，如液晶弹性体致动器作为多自由度运动的弹性体或者多自由度运动的弹性体的部分，可以在空间内自由向各个方向运动的材料，目前可运用于空间机械手臂；
液晶弹性体致动器在热敏件的应用，如液晶弹性体致动器作为热敏件或者热敏件的部分，受热可引起变形、变色和机械力等性质变化的器件，目前可运用于温度传感器。
液晶弹性体致动器在光敏件的应用，如液晶弹性体致动器作为光敏件或者光敏件的部分，受热可引起变形、变色和机械力等性质的器件目前可运用于光传感器。
液晶弹性体致动器在支撑体的应用，如液晶弹性体致动器作为支撑体或者支撑体的部分，能够在一定负载压力下保持外观和力学稳定性，目前可运用于人体内血管支架、器官支撑体等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本公开的基本原理、主要特征和本公开的优点。本行业的技术人员应该了解，本公开不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本公开的原理，在不脱离本公开精神和范围的前提下，本公开还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本公开范围内容。
Claims (10)
1.一种液晶弹性体致动器，其特征在于，包括液晶弹性体薄膜，所述液晶弹性体薄膜进行折叠，折叠的折痕处产生液晶分子垂直于折痕取向，其他区域呈现低取向程度或无取向的多畴状态，受热时所述液晶弹性体薄膜发生相变，使折痕趋向从折叠到展开的状态，所有的折痕协同运动。
2.根据权利要求1所述的液晶弹性体致动器，其特征在于，所述液晶弹性体薄膜以Kresling折纸结构折叠。
3.根据权利要求2所述的液晶弹性体致动器，其特征在于，所述液晶弹性体薄膜的折叠结构基本单元的特征角度范围为：0＜α+β≤90°。
4.根据权利要求1所述的液晶弹性体致动器，其特征在于，所述液晶弹性体致动器受刺激前处于折叠的初始状态，受刺激后会伸长，撤去刺激后又会恢复到初始状态，所述刺激包括加热刺激或者光刺激。
5.根据权利要求4所述的液晶弹性体致动器，其特征在于，所述液晶弹性体致动器受刺激后会伸长至初始长度的2倍以上。
6.根据权利要求1所述的液晶弹性体致动器，其特征在于，所述液晶弹性体致动器在加热刺激或者光刺激不同区域下，进行弯曲、扭转变形。
7.根据权利要求1所述的液晶弹性体致动器，其特征在于，所述液晶聚合物薄膜厚度大于50μm。
8.根据权利要求1-7任一所述的液晶弹性体致动器，其特征在于，所述液晶弹性体致动器制备方法包括以下任一项：
(1)将液晶弹性体薄膜折成Kresling折纸结构，液晶弹性体薄膜折成Kresling折纸结构形成的接口之间通过粘贴方式进行固定连接；
(2)将液晶弹性体薄膜折成Kresling折纸结构，使液晶弹性体薄膜折叠形成的接口的贴合，将折叠好的液晶弹性体薄膜在50℃下加热10小时，使液晶弹性体薄膜的折叠形成的接口的热熔连接，并固定接口。
9.根据权利要求1-7任一所述的液晶弹性体致动器，其特征在于，所述液晶弹性体薄膜制备包括以下任一项方法：
(1)将液晶单体RM257(50.5mol％)、扩链剂DODT(42.8mol％)、交联剂PETMT(4.8mol％)、硝基偶氮苯染料(1.9mol％)溶于氯仿中，超声处理得到透明溶液；将透明溶液倒入聚四氟乙烯模具中，在50℃下保温1小时，得到预交联的液晶弹性体薄膜；
(2)将液晶单体MBB(41.2mol％)、聚合物PMHS(51.6mol％)、11UB(4.4mol％)、1002染料(2.8mol％)溶于氯仿中，超声处理得到透明溶液；
将透明溶液倒入聚四氟乙烯模具中，在50℃下保温1小时，得到预交联的液晶弹性体薄膜；
(3)将液晶单体RM82(55.5mol％)、扩链剂DODT(39.8mol％)、交联剂OPDSPA(3.0mol％)、炭黑(1.7mol％)溶于氯仿中，超声处理得到透明溶液；将透明溶液倒入聚四氟乙烯模具中，在50℃下保温1小时，得到预交联的液晶弹性体薄膜。
10.一种致动器的应用，所述致动器包括权利要求1-7任一所述的液晶弹性体致动器，所述应用包括以下任一项：
(1)致动器在软机械执行器的应用；
(2)致动器在人工肌肉的应用；
(3)致动器在多自由度运动的弹性体的应用；
(4)致动器作为温度传感器的应用；
(5)致动器作为光传感器的应用；
(6)致动器在人体内血管支架或器官支撑体的应用。
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|---|
| ZIZHENG FANG等: ""Modular 4D Printing via Interfacial Welding of Digital Light-Controllable Dynamic Covalent Polymer Networks"", MATTER, no. 2, pages 1 - 11 * |
Also Published As
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|---|---|
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