基于动态共价键制备组合型液晶弹性体驱动器的研究

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液晶弹性体(Liquid crystal elastomer,LCE)是一种经典的形状记忆材料,在外界刺激下能够发生较大幅度的可逆形变,在软体机器人、感应器、仿生设备、控制器等领域具有广阔的应用前景。Finkelman于1981年首次成功制备LCE。此后,LCE材料因其优异的机械性能以及可逆形变的能力而受到越来越多的关注。然而,传统的LCE材料只能发生一些简单的形变(例如伸缩、弯曲以及褶皱),这极大地限制了它们的实际应用。随着现代科学技术的发展(例如航天航空技术、软体驱动设备),能够执行复杂运动和复杂任务的驱动器变得越来越具有吸引力。为了制造具有上述功能的LCE驱动器,通过将不同的LCE单体有效地整合到一个驱动器中,开发了组装的策略。到目前为止,制备组合型LCE致动器的方法主要有两种:物理粘贴法和化学共价交联法(聚合未反应完全的活性基团)。本论文将动态共价键(二硫键、硼酸酐基团以及二硒键)引入到液晶弹性体中,开发了几种制备组合型液晶弹性体驱动器的新方法。基于动态共价键的交换反应,制备了具有复杂形变能力的组合型LCE驱动器。通过充分利用各种动态共价键固有的性质,优化制备组合型驱动器的方法,克服物理粘贴法和化学共价键交联法的缺点。本工作为制备组合型LCE驱动器提供了一些启发。(1)将含有二硫键的交联剂并入到侧链型LCE体系中,成功制备了聚二硫醚LCEs。在膦基催化试剂的存在下,两张聚二硫醚LCE薄膜通过二硫键的交换反应可以粘贴在一起。根据偏光显微镜(POM)、扫描电子显微镜(SEM)和动态热机械分析仪(DMA)的表征,证明两张薄膜的界面紧紧地结合在一起。几个含有二硫键的LCE片段可以通过剪切和粘贴的方法组装成一个集成型驱动器。通过控制每个LCE模块的液晶基元的排列方式,可以有效地赋予驱动器执行复杂形变的能力。相较于传统的物理粘合法以及共价键交联法,本工作提供一种有效的方法来制备可设计和可编程的组装型LCE驱动器。(2)基于物理粘贴、共价键交联或者动态共价键的方法制备组合型LCE驱动器的过程中,都必须要依靠胶带、催化剂或者二次交联过程的辅助将LCE模块组装起来。因此,在不同LCE部件的界面处形成缺陷是不可避免的,并且会对驱动器的机械性能和使用寿命产生不利的影响。在此,合成了一种新的含有硼酸酐基团的交联剂,然后将其化学键合到传统的聚硅氧烷LCE骨架中。通过SEM以及DMA进一步深入地研究了得到的LCE薄膜的无缝焊接的效果。测试结果证明:两张含有硼酸酐基团的LCE条带在有微量水的情况下可以紧紧地焊接在一起。因此,利用含有硼酸酐基团的LCE可以制备具有多种复杂形变的组合型LCE驱动器。(3)在使用上述方法制备驱动器的过程中,辅助剂(例如胶水、催化剂、引发剂)或者苛刻的加工条件(例如高温、特定的有机溶剂)都是不可避免的,从而导致一些缺陷。例如,LCE驱动器的界面周围存在一些缺陷,这将会对LCE驱动器不同部件的兼容性和同步性产生不利影响;苛刻的加工条件会加速LCE材料的热老化并扰乱液晶基元的有序排列。因此,将二硒键引入到LCE中可以为解决这些问题提供一个可行的解决方案。二硒键的交换反应在无需任何辅助剂(催化剂或引发剂)的条件下就能够引发,因此赋予材料优异的自修复性和可编程性。在此,合成了一种含有二硒键的新型扩链剂并将其引入到LCE的主链中,以便能够在温和条件或可见光照射下直接对LCE材料进行编程、组装和重塑。由于二硒键的工作条件温和,自修复和组装过程都不会对LCE的性能产生不利影响。进一步应用SEM和DMA来研究了该LCE无需任何辅助剂、在温和温度下的自焊接的效果和自修复性能。这种组装策略可用于有效地制备具有复杂形变能力的功能性LCE器件。这些研究结果将有助于开发能够在恶劣的环境中工作、执行复杂的任务、按需重新编程和自我修复的智能软体机器人。
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