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通过对材料的化学组成和微观结构的控制,开发对外部刺激产生机械变形的人工致动材料是近年来高分子功能性材料研究的热点之一。液晶环氧树脂的的三维刚性交联结构赋予了其优异的力学性能、热学性能、光学性能和电学性能。将液晶环氧树脂优异的性能与功能性结构有机的结合,可望制备出性能优异的刺激-形变响应型功能材料。本文合成了偶氮苯类液晶环氧树脂、长侧链取代液晶环氧树脂和联苯类液晶环氧树脂,通过对液晶环氧树脂微结构的改变,制备出具有光致-变形,热致弯曲和热致形状记忆功能的液晶高分子材料,并结合液晶环氧树脂的化学结构和相结构对其刺激-形变响应机理进行深入的探讨,主要研究内容如下:
1.设计合适的路线,合成了不同长度柔性间隔基的偶氮类双介晶基元液晶环氧树脂。这类偶氮类液晶环氧单体容易形成插层型的近晶相结构,其液晶相层间距与柔性间隔基碳原子数的奇偶性有关。
2.采用非等温扫描的方法研究酸酐固化偶氮类双介晶基元液晶环氧树脂的固化力学,固化过程中,相结构的变化对固化反应活化能的影响先增加后减小;并且在固化反应中,一端含有醚键的偶氮苯单元对固化反应有催化作用。
3.分别以芳香二胺、酸酐、叔胺为固化剂,研究不同固化剂对偶氮类双介晶基元液晶环氧树脂相结构和热性能的影响;材料的力学性能随着中间柔性间隔的增长而下降。
4.以脂肪二元酸为固化剂固化偶氮类液晶环氧树脂,制备了单畴近晶相结构的液晶弹性体,在光照下,弹性体的弯曲曲率先增加后减小,近晶C相的反应速率要大于近晶A相,但最终弯曲曲率反而小于近晶A相。
5.制备了长侧链液晶环氧树脂在摩擦聚酰亚胺表面的取向薄膜,取向度随着固化温度和侧链长度的增加而减小,取向薄膜在取向方向的模量高于垂直于取向方向。
6.制备了扭曲分子排列的长侧链取代液晶环氧树脂薄膜,基于横跨薄膜厚度的热膨胀梯度,研究了其热致弯曲行为,弯曲曲率在玻璃态下弯曲形变很小,玻璃化转变区域弯曲曲率的迅速增加。
7.制备了玻璃纤维织物增强的长侧链液晶环氧树脂复合材料,复合增强后材料的力学强度增加,液晶基元在玻璃纤维附近的取向有助于克服纤维刚度,提高复合材料固定率。多次形状记忆循环后,由于界面的破坏,材料的固定率略有下降。
8.制备了基于联苯二酚缩水甘油醚的液晶环氧树脂热致形状记忆材料,相结构研究表明,柔性烷基链分布在液晶层中间,降低了固化产物的力学性能,随着烷基单胺的增加,交联密度下降,力学性能和玻璃化温度都下降,热分解温度变化不大。形状记忆研究表明,这类材料回复速率较快,在硅油中回复时间可达到4s,20次循环后,回复率和固定率保持在92%以上。