【摘 要】
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液晶弹性体（LCEs）是一类在外界刺激条件下能够发生大幅可逆形变响应的柔性智能材料,在人工肌肉、致动器和仿生材料等领域具有广泛应用。然而,现有的LCEs机械强度较低,制约了其实际应用。此外,作为柔性驱动材料,LCEs在应用过程中受到的损伤将会严重缩短其负载、可逆形变稳定性和使用寿命。本文针对上述问题,开展了三种高强度自修复LCEs的研究,并研究了其潜在的实际应用。具体研究内容和主要结论如下:1、为
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液晶弹性体（LCEs）是一类在外界刺激条件下能够发生大幅可逆形变响应的柔性智能材料,在人工肌肉、致动器和仿生材料等领域具有广泛应用。然而,现有的LCEs机械强度较低,制约了其实际应用。此外,作为柔性驱动材料,LCEs在应用过程中受到的损伤将会严重缩短其负载、可逆形变稳定性和使用寿命。本文针对上述问题,开展了三种高强度自修复LCEs的研究,并研究了其潜在的实际应用。具体研究内容和主要结论如下:1、为了提高LCEs的机械性能,同时赋予材料自修复的能力,将含四重氢键的2-脲基-4[1H]-嘧啶酮甲基丙烯酸乙酯（UPy MA）以侧链的方式引入液晶弹性体交联网络,制备了一种以化学交联为主、物理交联为辅的双交联网络液晶弹性体（U-LCEs）。制备的U-LCEs机械性能得到有效提高,拉伸强度可达8.5 MPa。通过两次拉伸准直,U-LCEs的热致动能力十分优异,可逆收缩率可达50%,驱动工作能力为121.2 k J/m~3,比哺乳动物的肌肉（40 k J/m~3）高3倍。四重氢键的静电吸附作用,不仅可以提高U-LCEs的机械性能,同时赋予材料自修复能力。2、为了进一步的提高LCEs的机械性能,特别是高温下的致动能力。本文使用一步法制备了高强度耐高温聚氨酯,将其与液晶弹性体的交联网络互穿,制备了一种高强度互穿结构液晶弹性体复合材料（PTPU-LCEs）。合成的聚氨酯常温下拉伸强度可达26 MPa,高温下拉伸强度也有6.1 MPa。然而,互穿网络会损坏材料原有的机械性能,为了减小互穿网络对材料机械性能的损伤,通过调控聚氨酯的含量,制备的复合材料常温下拉伸强度可达10 MPa,高温下的拉伸强度为1.9 MPa,是普通LCEs的2.7倍。PTPU-LCEs的热致动形变率为40.6%,可提起比自身重1250倍的物体。此外,利用氯化钠对复合材料造孔,在其表面附着CNT/CB,制备成PTPU-LCEs-CNT/CB复合泡沫。基于复合泡沫制备的电阻式应变传感器具有良好的灵敏度,拓展了LCEs的应用范围。3、为提高偶氮苯基LCEs的机械性能,合成了双羟基偶氮苯AZO-OH作为扩链剂,含四重氢键的UPy-OH作为交联剂,采用一步法制备了高强度偶氮苯液晶聚氨酯。交联网络中含有大量的苯环与氢键,将其拉伸强度提高至25 MPa。合成的偶氮苯液晶聚氨酯具有偶氮苯类光响应材料的特性,即紫外光下偶氮苯结构的顺反异构化,实现偶氮苯液晶聚氨酯的光驱动能力。四重氢键与氨基甲酸酯基团可实现材料的自我修复。
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