CN116289170B - 一种多重刺激响应的液晶弹性体/MXene复合纤维软体驱动器及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多重刺激响应的液晶弹性体/MXene纤维软体驱动器及其制备方法与应用，属于智能材料技术领域。本发明的液晶弹性体/MXene纤维软体驱动器的制备具体是采用连续干法纺丝技术制备LCE纤维长丝，并通过等离子体改性技术对纤维进行改性处理，随后在纤维表面高效均匀负载聚多巴胺或导电银胶改性的MXene纳米片，使其具备优异的光/热/电多重刺激驱动性能；通过调控光刺激参数、热刺激参数、电刺激参数可以对纤维不同驱动过程实现远程精准操控；可以广泛应用于光控人工肌肉、光热智能电路开关和自适应光伏智能窗等新型光电子微型器件。

Description

一种多重刺激响应的液晶弹性体/MXene复合纤维软体驱动器 及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于智能材料技术领域，具体涉及一种多重刺激响应的液晶弹性体/MXene复合纤维软体驱动器及其制备方法与应用。

背景技术

智能驱动材料是一类将微型电子元器件与有机高分子基材集成于一体的新型智能材料，可以有效感知环境变化和各类型刺激信号，通过信号传输并对其做出反应，从而实现智能调控的效果。

MXene具有独特的物理和化学性质，如金属导电性、大表面积、层状结构、优异的机械强度、显著的光电转化特性、从半导体到金属的可调带隙、良好的生物相容性及丰富的亲水性官能团等。上述特性也为MXene纳米材料的应用提供了巨大潜力，目前该材料已被广泛应用于光热管理、智能驱动、能源催化、传感及电磁屏蔽等领域。

如现有技术中通常采用改性的MXene与碳纤维/环氧树脂结合，用于制备导电聚合物材料，提高复合材料的导电性和传感性能。但这些材料的性能单一，无法具备环境多重响应刺激。

液晶弹性体(LCE)是一种将液晶基元和相邻的高分子链连接形成的网络结构化合物，能够在各向同性相或者液晶相中表现出良好的弹性。液晶弹性体同时具有液晶各向异性和聚合物橡胶弹性，在受到外界刺激(热、光、电、磁、pH、湿度等)时，其内部相态或分子结构会产生变化，进而改变了液晶基元的排列顺序，导致复合材料本身发生宏观形变；当撤除外界刺激后，液晶弹性体可以逐渐恢复到原来的形态。目前，通过调控液晶单体的分子结构、大分子交联网络结构使LCE的物理和化学性质、响应速度及运动模式得到极大优化，从而拓宽其在人工智能、光电材料、生物工程、软体机器人等领域的应用前景。

但目前液晶弹性体仍存在驱动率和响应速度较低、响应模式和产品形态较为单一、制备成本较高等不足之处。

发明内容

[技术问题]

现有技术中的智能驱动材料驱动率低、响应速度较低、响应模式和产品形态较为单一，无法满足环境多重响应刺激的需求。

[技术方案]

针对上述技术问题，本发明提供了一种光/热/电多重刺激响应的液晶弹性体/MXene纤维软体驱动器及其制备方法及光电器件应用。本发明通过采用干法纺丝技术制备出纤维直径均匀、形态良好的LCE纤维长丝，通过聚合涂层的方法在纤维表面高效均匀负载改性MXene纳米片，使其具备优异的光/热/电多重刺激响应驱动性能。采用该方法制备的纤维软体驱动器的相态在光、热、电的刺激下会出现有序-无序转变特性，从而使其宏观产生可逆的形状变化。通过调控光刺激参数(光照强度、光照距离、光照时间、光照变化频率等)、热刺激参数(环境温度大小、温度升高及降低速率)、电刺激参数(电压、电流、电刺激时间等)可以对纤维不同驱动过程实现远程精准操控。

此外，由于该纤维软体驱动器具有良好的多刺激响应能力、长效光电特性和优异的柔韧可编织性能，为了进一步拓宽该纤维软体驱动器的实际应用前景，本发明以其为基础，开发设计制造了多种新型光电子微型器件，如光控人工肌肉、光热智能电路开关和光燃料自适应光伏智能窗等，表现出很好的光热电刺激驱动灵敏性。

干法纺丝制备过程具有高效便捷、生产速度快，纤维形态良好等特点。干法纺丝生产过程主要为：纺丝液通过计量泵输送到喷丝头，从喷丝头毛细孔中挤出的纺丝液细流进入纺丝甬道与热介质(空气或氮气)接触，通过甬道中热介质的作用，溶液细流中的溶剂快速挥发，并被热介质流带走。溶液细流在逐渐脱去溶剂的同时发生浓缩和固化，并在卷绕张力的作用下伸长变细而成为初生纤维。

本发明的第一个目的是提供一种光/热/电多重刺激响应的LCE/MXene复合纤维软体驱动器的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)LCE纤维软体驱动器的制备

将液晶单体、扩链剂、交联剂溶解于二氯甲烷中，然后将其置于室温下搅拌，得到均匀混合溶液；然后再向混合溶液中逐滴加入催化剂二丙胺(DPA)，使其发生迈克尔加成反应，形成第一步交联体系溶液；再向第一步交联体系溶液中加入光引发剂制备干法纺丝溶液；

将干法纺丝溶液置于注射器中进行纺丝，纺丝溶液从喷嘴挤出到PTFE接收辊的表面上，喷丝速度为0.2-2ml/min，进行LCE纤维固化；并通过改变接收辊的旋转速度将LCE纤维进行拉伸，在牵伸过程中，采用紫外线灯照射拉伸的LCE纤维进行第二步交联反应，以固定LCE纤维的液晶单元和分子链的排列方向，即得到具有取向的LCE纤维软体驱动器；

(2)改性MXene油墨的制备

将MXene纳米薄片加入到盐酸多巴胺溶液或导电银胶中形成分散液，搅拌、离心以除去溶液中未反应的单体，即得到聚多巴胺或导电银胶改性MXene油墨；

(3)LCE基复合纤维软体驱动器的制备

将步骤(1)制备的LCE纤维软体驱动器进行等离子体处理，然后浸入步骤(2)制备的聚多巴胺或导电银胶改性MXene油墨中浸渍，取出鼓风烘干，即得LCE基复合纤维软体驱动器。

在一种实施方式中，步骤(1)所述液晶单体包括(1，4-双-[4-(3-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯(RM257)、1，4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯(R6M)、4-氰基苯基4-((6-(丙烯酰氧基)己基)氧基)苯甲酸酯(R23)和4-(4’-己氧基)苯甲酰氧基苯甲酸-R-2-辛醇酯(R811)中的一种或多种。

在一种实施方式中，步骤(1)所述扩链剂包括己二硫醇(HDT)、辛二硫醇、2,2’-(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇(EDDET)、1,3-丙二硫醇中的一种或多种。

在一种实施方式中，步骤(1)所述交联剂为巯基丙酸-季戊四醇酯(PETMP)。

在一种实施方式中，步骤(1)所述光引发剂包括3-甲基-4，苯基二苯甲酮(HHMP)、2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-吗啉-1-丙酮、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮中的一种或多种。

在一种实施方式中，步骤(1)所述液晶单体中的丙烯酸酯基团与扩链剂和交联剂中的硫醇基团的摩尔比为1.1:1。

在一种实施方式中，步骤(1)所述液晶单体的质量分数为20-25％(液晶单体占总溶液质量分数)。

在一种实施方式中，步骤(1)所述光引发剂占第一步交联溶液的质量分数为1％-5％。

在一种实施方式中，步骤(1)所述将LCE纤维进行拉伸具体是将LCE纤维拉伸至其初始长度的2-3倍。

在一种实施方式中，步骤(2)所述MXene纳米薄片是由以下步骤制备而成：采用去离子水清洗Ti₃AlC₂ MAX粉末，以完全去除小颗粒；然后将清洗后的Ti₃AlC₂ MAX粉末放于氢氟酸溶液中，在35～40℃温度下蚀刻24～36h后，再用去离子水洗涤溶液，离心，收集单层MXene薄片，真空低温冷冻干燥，即得MXene纳米薄片。

在一种实施方式中，步骤(3)所述等离子体处理是采用等离子体处理机在常压空气氛围下进行处理；等离子体处理机的条件设置为：两电极间距为5-10mm，电压设置为45V，电流设置为2A。

在一种实施方式中，步骤(3)所述聚多巴胺改性MXene油墨的浓度为3-5g/L；优选为4g/L。

在一种实施方式中，步骤(3)所述导电银胶(浓度为43％±3％)改性MXene油墨的浓度为3-5g/L；优选为4g/L。

在一种实施方式中，步骤(3)所述浸渍时间为1-3分钟。

本发明的第二个目的是提供一种由上述所述方法制备得到的LCE基复合纤维软体驱动器。

本发明的第三个目的是提供一种由上述所述LCE基复合纤维软体驱动器在柔性传感器、电子皮肤、可穿戴电子产品和软体机器人中的应用。

本发明的第四个目的是提供一种人工手臂模型，所述人工手臂模型包含上述所述的LCE基复合纤维软体驱动器。

本发明的第五个目的是提供一种智能电路的开关，所述开关包括上述所述的LCE基复合纤维软体驱动器。

本发明的第六个目的是提供一种自适应智能窗帘，所述窗帘包括上述所述的LCE基复合纤维软体驱动器。

[有益效果]

(1)本发明采用连续干法纺丝和化学涂层策略(涂覆PDA/导电银胶改性MXene油墨)，可以制备直径均匀、形态良好的LCE长纤维软体驱动器，其生产过程便捷高效、生产速率高，由于改性MXene片层连续均匀分布于LCE纤维表面，在外界光照或电流刺激下，MXene纳米片将其吸收的光能和焦耳热转换成热能施加在液晶弹性体纤维，从而赋予液晶弹性体纤维良好的光电刺激驱动性能。利用PDA和导电银胶对MXene表面改性，不仅可以赋予其良好附着力，而且可以有效增强其优异长效的光电性能。

(2)与常规的液晶弹性体膜相比，本发明制备的LCE/MXene复合纤维软体驱动器具有较强的机械柔韧性(约56.8MPa)、光-热-电多重快速刺激响应特性(约0.4s)、较大稳定的驱动性能(驱动率约60％)。

(3)基于复合纤维软体驱动器良好的柔韧可编织特性和长效光电驱动特性，本发明制备的复合纤维软体驱动器可以设计制造多种具备优异远程精准调控性能的微型智能光电子器件。设计的近红外光调控的人工肌肉可以轻松举起自身1000倍的重物；设计并制造的一种新型快速响应的光-热双控智能电路开关，与传统的光热开关相比，它具有稳定的光-热可控性能和快速响应(～0.1秒)的特性。

(4)采用集成纤维软体驱动器编织的智能驱动窗帘和透明太阳能电池玻璃开发了一种新型的光燃料自适应光伏智能窗。该智能窗巧妙地集成了窗帘的自发光驱动和光伏玻璃能量收集和转换功能，为智能材料同步驱动和能源器件能量收集提供了一种新思路，而且整个过程实现闭环控制，无需额外的外部组件，为LCE纤维软体驱动器在能源收集和智能响应领域研究从理论走向实际生产应用提供了可能。

附图说明

图1为对比例1制备的LCE纤维软体驱动器的SEM及实物图；

图2为本发明实施例1制备的改性MXene/LCE复合纤维软体驱动器截面SEM及实物图；

图3为本发明实施例6基于复合纤维软体驱动器构建的人工肌肉模型图及实物图；

图4为本发明实施例6光驱动人工肌肉手臂收缩角随时间的变化图；

图5为本发明实施例7基于复合纤维软体驱动器构建的光热双控智能电路开关模型及电路图；

图6为本发明实施例7不同光强和温度与智能开关响应时间的关系图；

图7为本发明实施例8基于复合纤维软体驱动器构建的自适应智能窗系统示意图及电路图；

图8为本发明实施例8自适应智能窗的窗帘驱动过程和光生电流测试结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

导电银胶：购买于深圳市利群联发科技有限公司，是一种高纯银粉浓悬浮液(浓度在43％±3％)，该导电银胶在室温环境下即可干燥。

实施例1

一种LCE基复合纤维软体驱动器的制备方法，包括如下步骤：

(1)采用去离子水清洗Ti₃AlC₂ MAX粉末3次，以完全去除小颗粒；向盐酸中加入适量的氟化锂并在3500～4000rpm下搅拌30min，制备浓度为9mol/L的氢氟酸溶液；

将上述清洗后的Ti₃AlC₂ MAX粉末1g放于40mL氢氟酸溶液中，在35℃温度下蚀刻24h后，然后用去离子水洗涤溶液，并在3000～4000rpm下重复离心5分钟，直到上清液pH值为6时，然后，在转速为3500rpm条件下离心8分钟，收集单层MXene薄片，进行真空低温冷冻干燥，即得MXene纳米薄片；

(2)将步骤(1)制备的MXene纳米薄片加入到浓度为2g/L的盐酸多巴胺溶液(MXene：盐酸多巴胺质量比为10:1)形成分散液，将分散液在300rpm、35℃条件下搅拌1.5h，并在3500rpm条件下离心5min以除去溶液中未反应的单体，制备浓度为4g/L的聚多巴胺改性MXene油墨；

(3)将19.425g液晶单体(RM257)、2.705g扩链剂(HDT)和2.931g交联剂(PETMP)溶解在二氯甲烷(CH₂Cl₂)溶剂中，并在室温下磁搅拌2h制备质量分数为24％(液晶单体占总溶液质量分数)的均匀混合溶液；然后将催化剂1.214g二丙胺DPA添加到上述混合溶液中15min，使体系发生Michael加成反应，制备第一步交联体系溶液；其中液晶单体中的丙烯酸酯基团与HDT和PETMP中的硫醇基团的摩尔比为1.1:1；

之后，将2.023g光引发剂3-甲基-4，苯基二苯甲酮(HHMP)溶解于第一步交联溶液体系中制备均匀干法纺丝溶液(光引发剂量占液晶单体量的4％)；最后，将纺丝溶液置于注射器中，在80℃环境下，将纺丝液从直径为0.3mm的喷嘴挤出到PTFE接收辊的表面上，注射器的挤出速度和接收辊的旋转速度分别设置为1.5mL/min和4.8m/min；将纺丝纤维在80℃的温度下处理15min，蒸发溶剂并固化纤维。

在第二步交联中，通过调节两个辊的不同旋转速度将LCE纤维拉伸至其初始长度的2倍，并且将拉伸的纤维收集在第二个PTFE旋转筒的表面上；在拉伸过程中，纤维的大分子链或液晶单元沿着纤维轴排列并具有高度取向，纤维形态渐呈现透明状态。同时，用波长为365nm的紫外线灯(15mW/cm^-2)照射拉伸的LCE纤维30min，使液晶弹性体纤维经历第二步交联反应，以固定LCE纤维的液晶单元和分子链的排列方向，得到取向的LCE纤维软体驱动器；

(4)将上述制备的LCE纤维软体驱动器进行等离子体处理2min(条件为：常压空气氛围下，两电极间距为6mm，电压设置为45V，电流设置为2A)，然后浸入步骤(2)制备的浓度为4g/L的聚多巴胺(PDA)改性MXene油墨中浸渍2分钟，取出后，鼓风烘干，即得纤维直径均匀、形态良好的LCE基复合纤维软体驱动器。

实施例2

(1)同实施例1；

(2)同实施例1；

(3)将19.425g液晶单体(RM23)、2.705g扩链剂(辛二硫醇HDT)和2.931g交联剂(PETMP)溶解在二氯甲烷(CH₂Cl₂)溶剂中，并在室温下磁搅拌2h制备质量分数为22％(液晶单体占总溶液质量分数)的均匀混合溶液；然后将催化剂1.114g二丙胺DPA添加到上述混合溶液中18min，使体系发生Michael加成反应，制备第一步交联体系溶液；其中液晶单体中的丙烯酸酯基团与HDT和PETMP中的硫醇基团的摩尔比为1.1:1；

之后，将1.0115g光引发剂3-甲基-4，苯基二苯甲酮(HHMP)溶解于第一步交联溶液体系中制备均匀干法纺丝溶液中(光引发剂量占液晶单体量的2％)；最后，将纺丝溶液置于注射器中，在80℃环境下，将纺丝液从直径为0.3mm的喷嘴挤出到PTFE接收辊的表面上，注射器的挤出速度和接收辊的旋转速度分别设置为1.2mL/min和4m/min；将纺丝纤维在80℃的温度下处理15min，蒸发溶剂并固化纤维；

在第二步交联中，通过调节两个辊的不同旋转速度将LCE纤维拉伸至其初始长度的2.5倍，并且将拉伸的纤维收集在第二个PTFE旋转筒的表面上；在拉伸过程中，纤维的大分子链或液晶单元沿着纤维轴排列并具有高度取向，纤维形态渐呈现透明状态。同时，用波长为365nm的紫外线灯(15mW/cm^-2)照射拉伸的LCE纤维30min，使液晶弹性体纤维经历第二步交联反应，以固定LCE纤维的液晶单元和分子链的排列方向，得到取向的LCE纤维软体驱动器；

(4)同实施例1，制备得到纤维直径均匀、形态良好的LCE基复合纤维软体驱动器。

实施例3

(1)同实施例1；

(2)同实施例1；

(3)将19.425g液晶单体(R6M)、2.705g扩链剂(辛二硫醇HDT)和2.931g交联剂(PETMP)溶解在二氯甲烷(CH₂Cl₂)溶剂中，并在室温下磁搅拌2h制备质量分数为20％(液晶单体占总溶液质量分数)的均匀混合溶液；然后将催化剂1.251g二丙胺DPA添加到上述混合溶液中18min，使系统发生Michael加成反应，制备第一步交联体系溶液；其中液晶单体中的丙烯酸酯基团与HDT和PETMP中的硫醇基团的摩尔比为1.1:1；

之后，将1.5173g光引发剂3-甲基-4，苯基二苯甲酮(HHMP)溶解于第一步交联溶液体系中制备均匀干法纺丝溶液中(光引发剂量占液晶单体量的3％)；最后，将纺丝溶液置于注射器中，在80℃环境下，将纺丝液从直径为0.3mm的喷嘴挤出到PTFE接收辊的表面上，注射器的挤出速度和接收辊的旋转速度分别设置为1.5mL/min和4.8m/min；将纺丝纤维在80℃的温度下处理15min，蒸发溶剂并固化纤维；

在第二步交联中，通过调节两个辊的不同旋转速度将LCE纤维拉伸至其初始长度的2倍，并且将拉伸的纤维收集在第二个PTFE旋转筒的表面上；在拉伸过程中，纤维的大分子链或液晶单元沿着纤维轴排列并具有高度取向，纤维形态渐呈现透明状态。同时，用波长为365nm的紫外线灯(15mW/cm^-2)照射拉伸的LCE纤维30min，使液晶弹性体纤维经历第二步交联反应，以固定LCE纤维的液晶单元和分子链的排列方向，的得到取向的LCE纤维软体驱动器；

(4)同实施例1，制备得到纤维直径均匀、形态良好的LCE基复合纤维软体驱动器。

实施例4

(1)同实施例1；

(2)同实施例1；

(3)将19.425g液晶单体(R811)、2.705g扩链剂(辛二硫醇HDT)和2.931g交联剂(PETMP)溶解在二氯甲烷(CH₂Cl₂)溶剂中，并在室温下磁搅拌2h制备质量分数为23％(液晶单体占总溶液质量分数)的均匀混合溶液；然后将催化剂1.214g二丙胺DPA添加到上述混合溶液中15min，使系统发生Michael加成反应，制备第一步交联体系溶液；其中液晶单体中的丙烯酸酯基团与HDT和PETMP中的硫醇基团的摩尔比为1.1:1；

之后，将2.5288g光引发剂3-甲基-4，苯基二苯甲酮(HHMP)溶解于第一步交联溶液体系中制备均匀干法纺丝溶液中(光引发剂量占液晶单体量的4％)；最后，将纺丝溶液置于注射器中，在80℃环境下，将纺丝液从直径为0.3mm的喷嘴挤出到PTFE接收辊的表面上，注射器的挤出速度和接收辊的旋转速度分别设置为1.8mL/min和5m/min；将纺丝纤维在80℃的温度下处理15min，蒸发溶剂并固化纤维。

在第二步交联中，通过调节两个辊的不同旋转速度将LCE纤维拉伸至其初始长度的2倍，并且将拉伸的纤维收集在第二个PTFE旋转筒的表面上；在拉伸过程中，纤维的大分子链或液晶单元沿着纤维轴排列并具有高度取向，纤维形态渐呈现透明状态。同时，用波长为365nm的紫外线灯(15mW/cm^-2)照射拉伸的LCE纤维30min，使液晶弹性体纤维经历第二步交联反应，以固定LCE纤维的液晶单元和分子链的排列方向，的得到取向的LCE纤维软体驱动器。

(4)同实施例1，制备得到纤维直径均匀、形态良好的LCE基复合纤维软体驱动器。

实施例5

(1)同实施例1；

(2)将MXene纳米薄片加入到导电银胶体系中，在功率为500W超声波仪器中超声处理45min，制备浓度为4g/L的导电银胶改性MXene油墨；

(3)同实施例1；

(4)将上述制备的LCE纤维软体驱动器进行等离子体处理3min(条件为：常压空气氛围下，两电极间距为8mm，电压设置为45V，电流设置为2A)，然后浸入步骤(2)制备的导电银胶改性MXene油墨中浸渍2分钟，鼓风烘干，即得纤维直径均匀、形态良好的LCE基复合纤维软体驱动器。

对比例1

与实施例1的区别是：不进行任何改性，直接按照步骤(3)制备LCE纤维软体驱动器。

对比例2

与实施例2的区别是：不进行任何改性，直接按照步骤(3)制备LCE纤维软体驱动器。

对比例3

与实施例3的区别是：不进行任何改性，直接按照步骤(3)制备LCE纤维软体驱动器。

对比例4

与实施例4的区别是：不进行任何改性，直接按照步骤(3)制备LCE纤维软体驱动器。

对比例5

与实施例1的区别仅在于：省去等离子体处理，将步骤(4)将制备的LCE纤维软体驱动器直接浸入浓度为4g/L的聚多巴胺改性MXene油墨中浸渍涂层，鼓风烘干，即得LCE基复合纤维软体驱动器。

对比例6

与实施例1的区别仅在于：调整步骤(4)将上述制备的LCE纤维软体驱动器进行等离子体处理2min(条件为：常压空气氛围下，两电极间距为8mm，电压设置为45V，电流设置为2A)，然后浸入浓度为1g/L的聚多巴胺(PDA)改性MXene油墨中浸渍2min，鼓风烘干，即得LCE基复合纤维软体驱动器。

对比例7

与实施例1的区别仅在于：调整步骤(2)将步骤(1)制备的MXene纳米薄片分散于水溶液中形成分散液，在功率为500W超声波仪器中超声处理45min，制备浓度为4g/L的MXene油墨。

调整步骤(4)将上述制备的LCE纤维软体驱动器进行等离子体处理2min(条件为：常压空气氛围下，两电极间距为8mm，电压设置为45V，电流设置为2A)，然后浸入浓度为4g/L的MXene油墨中浸渍涂层，鼓风烘干，即得LCE基复合纤维软体驱动器。

性能测定

将实施例1～5以及对比例1～7制备的LCE基复合纤维软体驱动器进行性能测定，结果如下：

1、LCE纤维软体驱动器的SEM图

由图1可以看出，对比例1通过干法纺丝技术成功制备出直径均匀(660±21μm)、形态良好的液晶弹性体(LCE)长纤维软体驱动器。图2显示，实施例1在等离子体改性和浸渍涂层处理后制备的MXene/LCE复合纤维软体驱动器纤维直径略微增加，达到710±27μm，纤维形态保持良好，改性MXene纳米片层均匀分布在LCE纤维表面。

2、LCE纤维软体驱动器的机械性能测定

将实施例1-5中制备改性LCE基复合纤维软体驱动器和对比例1～5制备的纤维软体驱动器按纤维强力测试要求，制备纤维测试样品(规格：长为50mm)，使用拉伸强力测量仪(型号：PT-990T)进行单根纤维强力测试；结果如表1所示。

表1实施例1-5LCE基复合纤维软体驱动器和对比例1～5制备的纤维软体驱动器的断裂强度(MPa)和断裂伸长率(％)测试结果

结果表明，LCE纤维的断裂强度明显低于改性MXene/LCE复合纤维软体驱动器，但其断裂伸长率远远大于复合纤维驱动器，说明经过改性MXene/LCE复合纤维的柔软性减弱。

3、LCE纤维软体驱动器的驱动伸缩率和响应时间测定

将实施例1～5以及对比例1～7制备的复合纤维软体驱动器进行驱动伸缩率和响应时间，结果如表2和表3所示。

表2实施例1-5制备的LCE基复合纤维软体驱动器的驱动伸缩率(％)和响应时间(s)测试结果

表3.对比例1-7制备的纤维软体驱动器的驱动伸缩率(％)和响应时间(s)测试结果

结果表明，纯LCE纤维只具有热驱动性能，改性MXene/LCE复合纤维软体驱动器具备良好的光、热、电刺激驱动能力，当低浓度的聚多巴胺改性的MXene油墨涂覆于纤维表面时，纤维只具备光热能力而不具有电驱动能力。

4、LCE纤维软体驱动器的光电长效性能测定

将实施例1～5以及对比例1～7制备的复合纤维软体驱动器进行光电长效性能测定，长度为10cm的纤维软体驱动器在室温下经过720h放置后，其电阻测试结果如表4所示。

表4对比例1-7和实施例1-5制备的MXene/LCE复合纤维软体驱动器的电阻测试结果

结果表明，纯LCE纤维电阻测试显示无穷大，表明不具备导电性；MXene/LCE和PDA@MXene/LCE纤维软体驱动器初试均具备良好的导电性，然而在720小时后MXene/LCE复合纤维的电阻增加了74倍以上；相比之下PDA@MXene/LCE复合纤维的电阻非常稳定(几乎是5倍)。原因是聚多巴胺层紧密结合到MXene片的表面，有效地抑制了氧气渗透，使复合纤维软体具有良好的长期导电性。

实施例6

一种人工手臂模型，具体制备过程如下：

具体是将实施例1制备的改性MXene/LCE复合纤维软体驱动器作为一种人工肌肉，将其两端设置在两条手臂两端；设计制造出一种人工手臂模型，人工手臂模型示意图如图3所示。

通过调控不同光强(4000-7000W/m²)的近红外光来实现光控人工肌肉纤维的收缩和恢复；使用佳能相机记录了不同功率近红外光驱动下人工肌肉的运动过程，并分析了其收缩角随时间的变化；结果如图4所示。

结果表明，改性MXene/LCE复合纤维基软体驱动器制备的人工肌肉对不同光强照射下具备良好的收缩回复特性。

实施例7

一种智能电路的开关，具体制备过程如下：

具体是采用导电铜箔胶带与弯曲PET或PI薄膜连接，铜箔胶带两端与实施例1制备的改性MXene/LCE复合纤维驱动器相连，同时另一端与微型电源和发光二极管(LED)连接，如图5所示。通过施加不同温度(40-120℃)和不同光强的红外光(1000-9000W/m²)来控制智能电路的开关状态，其光、热响应时间变化如图6所示。

结果表明，改性MXene/LCE复合纤维基软体驱动器构建的光、热智能开关对不同温度和不同光强展现出良好的响应特性，其开关响应时间最低可以达到0.1s和0.5s。

实施例8

一种自适应智能窗帘，具体制备过程如下：

具体是将实施例1制备的改性MXene/LCE复合纤维驱动器编织到纺织品上，在窗帘的竖直方向编织三条纤维软体驱动器，制备光控智能窗帘，然后将其与碲化镉透明太阳能玻璃复合，构建一种自适应智能窗，其示意图和电路图如图7所示。

使用碘钨灯来模拟阳光，当光源照射时窗帘由于复合纤维驱动器的自发光驱动特性，窗帘逐渐收起，光线照射随之照射到透明太阳能电池上收集光能，并将光能转化为电能储存，为房间提供所需的电力；其窗帘驱动过程和光生电流测试结果如图8所示。

结果表明，当光源照射时智能窗帘时复合纤维驱动器收缩，窗帘15秒内收缩率达到52.34％，继续光照15秒后，太阳能收集的能源可以点亮房间2个微型LED灯。

Claims (10)

1.一种光/热/电多重刺激响应的LCE/MXene复合纤维软体驱动器的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)LCE纤维软体驱动器的制备

将液晶单体、扩链剂、交联剂溶解于二氯甲烷中，然后将其置于室温下搅拌，得到均匀混合溶液；然后再向混合溶液中逐滴加入催化剂二丙胺，使其发生迈克尔加成反应，形成第一步交联体系溶液；再向第一步交联体系溶液中加入光引发剂制备干法纺丝溶液；其中，所述液晶单体包括(1，4-双-[4-(3-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯(RM257)、1，4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯(R6M)、4-氰基苯基4-((6-(丙烯酰氧基)己基)氧基)苯甲酸酯(R23)和4-(4’-己氧基)苯甲酰氧基苯甲酸-R-2-辛醇酯(R811)中的一种或多种；所述扩链剂包括己二硫醇(HDT)、辛二硫醇、2,2’-(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇(EDDET)、1,3-丙二硫醇中的一种或多种；所述交联剂为巯基丙酸-季戊四醇酯(PETMP)；

将干法纺丝溶液置于注射器中进行纺丝，纺丝溶液从喷嘴挤出到PTFE接收辊的表面上，喷丝速度为0.2-2ml/min，进行LCE纤维固化；并通过改变接收辊的旋转速度将LCE纤维进行拉伸，在牵伸过程中，采用紫外线灯照射拉伸的LCE纤维进行第二步交联反应，以固定LCE纤维的液晶单元和分子链的排列方向，即得到具有取向的LCE纤维软体驱动器；

(2)改性MXene油墨的制备

将MXene纳米薄片加入到盐酸多巴胺溶液或导电银胶中形成分散液，搅拌、离心以除去溶液中未反应的单体，即得到聚多巴胺或导电银胶改性MXene油墨；

(3)LCE基复合纤维软体驱动器的制备

将步骤(1)制备的LCE纤维软体驱动器进行等离子体处理，然后浸入步骤(2)制备的聚多巴胺或导电银胶改性MXene油墨中浸渍，取出鼓风烘干，即得LCE基复合纤维软体驱动器；其中所述聚多巴胺改性MXene油墨的浓度为3-5g/L；所述导电银胶改性MXene油墨的浓度为3-5g/L。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述液晶单体占混合溶液的质量分数为20-25％。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述聚多巴胺或导电银胶改性MXene油墨的浓度为3-5g/L。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述浸渍的时间为1-3分钟。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述等离子体处理是采用等离子体处理机在常压空气氛围下进行处理；等离子体处理机的条件设置为：两电极间距为5-10mm，电压设置为45V，电流设置为2A。

6.由权利要求1～5任一所述的制备方法制备得到的LCE基复合纤维软体驱动器。

7.由权利要求6所述的LCE基复合纤维软体驱动器在柔性传感器、电子皮肤、可穿戴电子产品和软体机器人中的应用。

8.一种人工手臂模型，其特征在于，所述人工手臂模型包含权利要求6所述的LCE基复合纤维软体驱动器。

9.一种智能电路的开关，其特征在于，所述开关包含权利要求6所述的LCE基复合纤维软体驱动器。

10.一种自适应智能窗帘，其特征在于，所述窗帘包含权利要求6所述的LCE基复合纤维软体驱动器。