具有偶氮—二苯乙炔侧基的高分子液晶弹性体的光致弯曲行为

论文摘要

液晶弹性体既具有高分子交联网络的机械性能又具有液晶相各向异性,在外界的各种刺激下（如热、电场、光等）,能产生各向异性的大尺度可逆形变,尤其是其机械性能可设计、调节至与骨骼肌相当的水平,因此成为软致动材料研究中的一个新热点。其中,可以将光能直接转化为机械能的光致形变液晶弹性体,由于具有易于实现材料和器件的小型化,以及可以利用激光等先进技术实现远程和精确控制等优点,受到越来越广泛的关注和研究。在这一类材料中,目前研究最多的是以偶氮苯作为介晶基元的体系,但由于单体及交联剂的液晶相温度范围相对较窄,不利于聚合得到高取向度的薄膜;而且玻璃化转变温度普遍较高,使得光致弯曲的过程需要加热装置辅助完成,不利于器件的小型化。在本课题中,我们首先合成了以偶氮—二苯乙炔基团为介晶基元、间隔基分别为亚壬基及亚十二基的新型液晶单体及交联剂,并通过偏光显微镜（POM）、示差扫描量热仪（DSC）、X射线衍射仪（XRD）及紫外-可见吸收光谱仪等表征方法对其热力学性质和液晶性能进行了深入研究,揭示了间隔基长度及介晶基元的结构对其热力学性质和液晶性能的影响。结果表明:与偶氮苯类液晶单体相比,含偶氮—二苯乙炔介晶基元的液晶单体具有较宽的液晶相温度范围（＞40℃）,且随着间隔基的增长,液晶相温度范围有所减小,这是因为三个苯环共轭的刚性体系更有益于液晶相的稳定,而长的间隔基不利于高温下液晶相的形成。其中,间隔基为亚十二基的交联剂出现了近晶相,表明长的间隔基益于构象的调整,形成有序度更高的排列方式。另外,由于具有长程共轭体系,在紫外-可见光谱中,液晶单体的最大吸收峰与偶氮苯体系相比发生了红移。在此基础上,我们通过光聚合的方法制备了具有不同间隔基的液晶弹性体薄膜,并对其热力学性质、液晶性及光致弯曲行为进行了详细研究,主要结果如下:薄膜的玻璃化转变温度处于室温附近其液晶相结构为向列相,薄膜中介晶基元优先沿着摩擦方向进行排列。根据紫外-可见偏振吸收光谱我们计算了薄膜中介晶基元排列的有序参数,并且通过测量薄膜置于两偏振片之间时的透过光强我们还计算了薄膜的双折射率,结果表明间隔基为亚十二基的薄膜具有更高的有序度和双折射率。薄膜在紫外光的照射下沿着摩擦方向弯向入射光源,并在可见光照射后恢复到最初的平展状态。薄膜的这种光致弯曲完全可以在室温下完成,温度或增大光强可以加快薄膜的弯曲。与间隔基为亚壬基的薄膜相比,间隔基为亚十二基的薄膜具有更快的响应速度及更大的弯曲形变,这是因为后者具有更大的自由体积和更高的有序度,紫外光照后可以产生更快、更完全的光化学相转变,因此薄膜表面能够更快地出现大幅度的收缩。

论文目录

• 摘要（中文）
• Abstract（英文）
• 第一章 前言
• 1.1 概述
• 1.2 导电聚合物刺激响应
• 1.3 凝胶的刺激响应
• 1.4 液晶弹性体的刺激响应
• 1.4.1 液晶
• 1.4.2 液晶弹性体
• 1.4.3 热致形变液晶弹性体
• 1.4.4 电致形变液晶弹性体
• 1.4.5 化学刺激形变液晶弹性体
• 1.4.6 光致形变液晶弹性体
• 1.5 本论文的主要工作内容及意义
• 参考文献
• 第二章 液晶单体及交联剂的合成及其性能表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 液晶单体及交联剂的合成
• 2.2.2 液晶单体及交联剂的表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 液晶单体及交联剂的热力学性质
• 2.3.2 液晶单体及交联剂的液晶织构
• 2.3.3 液晶单体及交联剂的紫外-可见吸收及光致异构
• 2.4 结论
• 参考文献
• 第三章 含有偶氮—二苯乙炔侧基的液晶弹性体薄膜的制备及光响应行为
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 单体及交联剂混合物的制备及性能表征
• 3.2.2 光聚合条件的最优化
• 3.2.3 液晶弹性体薄膜的制备及其性能的表征
• 3.2.4 液晶弹性体薄膜的光致弯曲行为
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 单体及交联剂混合物的热力学性质及液晶性
• 3.3.2 光聚合条件的最优化
• 3.3.3 液晶弹性体薄膜的热力学性质和液晶性
• 3.3.4 光致异构与薄膜的光化学相转变
• 3.3.5 液晶弹性体薄膜的光致弯曲行为
• 3.4 结论
• 参考文献
• 第四章 总结与展望
• 硕士期间发表的论文和专利
• 致谢