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液晶弹性体是一种新型的超分子体系,兼有弹性体和液晶的双重特性(即弹性,有序性和流动性),液晶弹性体的研究是近10年来液晶聚合物研究领域的一个新兴的分支学科。
本文采用不同液晶相类型的液晶单体(包括向列型、胆甾型和近晶型),不同化学结构的交联单体(包括脂肪碳链型交联剂、含液晶基元的交联剂、含离子基团的交联剂)与不同链结构的聚合物主链(包括线型聚合物主链和环状聚合物主链)发生聚合反应,合成出具有不同化学结构的侧链液晶弹性体,研究不同交联的化学结构对弹性体液晶性能的影响。
本文合成了三种液晶单体化合物,即向列型液晶单体4-(4-烯丙氧基)苯甲酰氧基-苯甲酸丁酯(M1)、胆甾型液晶单体4-烯丙氧基苯甲酸胆甾醇酯(M2)和显示胆甾相和近晶相液晶态的液晶单体10-十一烯酸胆甾醇酯(M3)。合成了三种交联单体,即全部是柔性组分的普通交联单体1,6-己二醇二丙烯酸酯(MC1)、结构中含有液晶基元的液晶交联单体4,4,-二(4-烯丙氧基)苯甲酰氧基-联苯(MC2)和结构中含有离子基团的离子交联单体2,2’-(1,2-二亚乙烯基)-双{5-[(4-十一烯酰氧基苯基)-偶氮]}-苯磺酸(MC3)。利用所合成的三种液晶单体、三种交联单体与线状聚甲基含氢硅氧烷制备了九个系列不同结构的侧链型液晶弹性体:含柔性交联基元的弹性体P1C1,P2C1,P3C1系列;含刚性液晶交联基元的弹性体P1C2,P2C2,P3C2系列;含磺酸离子交联基团的弹性体P1C3,P2C3,P3C3系列。另外,采用胆甾型液晶单体4-烯丙氧基苯甲酸胆甾醇酯(M2)与三种交联单体和环状甲基含氢硅氧烷制备了三个系列的液晶弹性体P2C1H,P2C2H和P2C3H系列。其中,本文首次合成了含磺酸离子基团的交联单体和以此为原料制备的含离子基团的系列液晶弹性体,该类弹性体兼具有液晶弹性体和液晶离聚物的多重特点,是本文的创新点,为对液晶弹性体和液晶离聚物的研究提供了新型素材。
采用红外光谱和核磁共振分析方法对三种液晶单体和三种交联单体进行了结构表征;采用红外分析方法对所合成的十二个系列的侧链型液晶聚合物及弹性体进行了结构表征。采用DSC、POM、X-射线等研究方法对三种液晶单体、液晶交联单体和所有液晶聚合物及弹性体进行了液晶性能表征。
普通柔性交联单体的引入不改变弹性体的液晶相类型;随着柔性交联剂的含量的增加,聚合物的玻璃化转变温度和清亮点都呈下降趋势,说明柔性交联组分的增塑作用影响比交联作用影响更显著。具有线状主链结构的P2C1系列聚合物都是非晶液晶聚合物;而具有环状主链结构的P2C1H系列聚合物中则有部分样品是结晶或半结晶液晶聚合物,其结晶性随柔性交联组分的增加而降低。
刚性液晶交联单体的引入不改变液晶弹性体的液晶相类型;随着含刚性液晶交联剂含量的增加,聚合物的玻璃化转变温度并不呈现明显的上升与下降趋势;而清亮点却都随着液晶交联组分的增加而降低。具有线状主链结构的P2C2系列聚合物都是非晶液晶聚合物;而具有环状主链结构的P2C2H系列聚合物则是结晶或半结晶液晶聚合物,随液晶交联程度的增加,其结晶性能改变不大。
含磺酸离子基团交联组分的引入不改变液晶弹性体的液晶相类型;随着含磺酸离子交联剂的含量的增加,线状主链结构的系列液晶弹性体的玻璃化转变温度略显上升,环状主链结构的系列液晶弹性体的玻璃化转变温度先略微下降,然后再略有上升。含磺酸离子基团的液晶弹性体体系中除了化学交联作用外,还具有离子基团之间强烈的物理交联作用;离子团与液晶基元具有很强的相容性,液晶基元与离子簇混杂在一起,形成许多刚性很强的混合集团,当体系中离子基团的含量达到一定程度时,体系的液晶性能下降。
P2C1H、P2C2H、P2C3H系列胆甾型液晶弹性体对光的选择反射分析结果说明,随着体系中交联组分含量的增加,其最大反射波长和波峰宽度都有所变化。