基于染料掺杂液晶弹性体光频选择性的光致动性能研究

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液晶弹性体(LCE)是一种新兴起的响应型智能形变材料。其中光致形变液晶弹性因其光致动方式具有能源清洁、设备简便、远程控制等优点而在人工肌肉、微流控以及微机械等领域存在广泛的应用前景。目前多数LCE的致动光源的波段范围为紫外、红外光区,以拟日光区波段光源作为致动光源的报道甚少;此外,大部分多功能化LCE致动器均只能通过不同光区(紫外、红外)的致动光源来分别执行两种功能,极少数多功能化LCE致动器可以执行三种功能,但也需要不同光区的多个致动光源来分别执行三种功能。因此,本文基于光—热—机械的LCE光致动机制,选用Luxottica Exciton公司的可见光吸收染料(Visible Absorber Dyes)作为光热介质,分别制备了染料掺杂液晶弹性体材料(Dye-doped LCE materials)并采用紫外可见吸收光谱、透射电子显微镜、偏振光显微镜、示差扫描量热分析、致动光源和力学实验机等表征测试手段对其进行结构表征与性能分析,在Dye-doped LCE materials均能有效利用拟日光源进行光致动的同时,594/LCE因其光吸收范围处于拟日光源发射光谱最强处附近而具有最佳的光致动性能。另外,本文制备了含非液晶基元的染料掺杂液晶弹性体复合材料(Dye-MOCH3-LCE materials),通过对Dye-MOCH3-LCE materials结构表征与性能分析,最终设计了单一光源,可见光区内多光频控制的光控开关。主要研究结论如下:(1)合成制备了侧链-腰接型液晶单体4’-丙烯酰氧基丁基2,5-二(4’-丁氧基苯氧基)苯甲酸酯(4a)及4’-丙烯酰氧基丁基2,5-二(4’-戊基环己基羧基氧基)苯甲酸酯(4b),以及侧链-尾接型液晶单体2,5-双(甲酰氧基-4-丁氧基苯)(MBB)和交联剂1,4对十一烯烃氧基苯(11UB)。侧链-尾接型液晶弹性体成型适合染料掺杂,具有尺寸规格较大,利于器件设计和制作而被选用。(2)采用两步交联法与溶剂交换技术制备了Dye-doped LCE materials,在拟日光区致动光源照射下,Dye-doped LCE materials的光致收缩形变率均能达到30%左右。其中594/LCE在Dye-doped LCE materials中均表现出最优光致动行为。(3)采用两步交联法与溶剂交换技术制备了Dye-MOCH3-LCE materials,相比于Dye-doped LCE materials的相转变温度降低了10~12℃。在可见光区内不同光频率(405nm、450nm、590nm)的光照射下,均有单个Dye-MOCH3-LCE material的光致收缩形变率在30%左右,其余两个Dye-MOCH3-LCE materials的光致收缩形变率低于10%。结果表明制备的Dye-MOCH3-LCE materials在可见光区内具有光频选择性。(4)采用上层Dye-MOCH3-LCE materials,下层不掺杂染料的液晶弹性体(MOCH3-LCE materials)的阶层结构制备Dye-MOCH3-LCE materials复合材料,将光致形变行为由单一的轴向伸缩转变成弯曲运动。最后设计了简易的光控红外感应开关,模拟了通过可见光区内不同的光频率的照射而执行多种不同的功能。这对于环境工程、生物医疗、电子技术、人工智能、微机电等领域的发展有一定的应用价值。
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