具有长共轭介晶基元液晶弹性体及其复合材料的光致形变

论文摘要

近年来,光致形变材料受到了人们广泛的关注,其中液晶弹性体既具有高分子交联网络结构的弹性、又具有液晶的各向异性,因此成为光致形变材料的一个热点。过去研究者已经通过入射光波长的控制,利用紫外光诱导偶氮苯基团发生光化学反应,改变体系中介晶基元的排列方式,通过介晶基元与高分子链段的偶合实现液晶弹性体材料宏观上的收缩、膨胀甚至弯曲。然而,偶氮苯液晶弹性体的光致形变使用了对人体有害的紫外光,不利于材料的实际应用。因此,我们开发出一种对可见光响应的液晶弹性体,利用太阳光中的可见光,实现液晶弹性体在太阳光下发生可逆的光致弯曲形变。在本论文中,我们使用不同于过去的材料,合成了含有偶氮二苯乙炔长共轭介晶基元的液晶单体和交联剂。我们研究了液晶混合物的热力学及液晶性质,发现液晶单体和交联剂的混合物在120℃都呈现向列相织构。另外,与过去的偶氮苯体系不同,由于偶氮二苯乙炔的三个苯环长共轭刚性结构的存在,使得材料具有更宽的液晶相温度范围。而且三个苯环形成的长共轭结构降低了体系的π-π*跃迁能量,使液晶单体和交联剂在紫外-可见吸收光谱中的吸收峰移向能量较低的长波长区,其最大吸收峰在384 nm附近。此外,不仅366 nm的紫外光可以诱导偶氮二苯乙炔单元发生光致顺反异构,而且436 nm的短波长可见光也可诱导偶氮二苯乙炔单元发生光致异构。随着照射时间的增加,384 nm附近的吸收峰逐渐减弱,直至达到平衡状态。在上述的研究基础上,我们通过热聚合的方法制备了三种不同交联度的液晶弹性体薄膜,观察其DSC曲线,发现薄膜的玻璃化转变温度在室温附近。偏光显微镜照片表明薄膜中的介晶基元沿着玻璃板的摩擦方向排列,并通过紫外-可见吸收光谱的偏振吸光度计算我们发现,薄膜中介晶基元排列的有序参数随着交联度的增加而逐渐升高。在宏观上,所有薄膜均可在室温下发生光致弯曲形变,436 nm的短波长可见光可使薄膜朝向光源方向弯曲,而577 nm的可见光照射可使薄膜恢复到初始的状态。薄膜的弯曲速度受到光强及温度的影响,光强越高,薄膜弯曲速度越快;适当的提高温度也有利于提高薄膜的弯曲速度。在测量薄膜在436 nm短波长可见光照射下所产生的应力变化后发现,随着交联度的增加或照射光强的增大,薄膜光致形变所产生的最大应力逐渐增大;随着温度的增加,薄膜产生的最大应力相应减少。由于薄膜中介晶基元的取向起到了纤维增强的作用,从薄膜拉伸实验的应力-应变曲线可看出,所有的液晶弹性体薄膜在平行于介晶基元方向上的弹性模量均大于垂直方向,而且薄膜的弹性模量随着交联度的增加而逐渐增大。此外,我们还通过热压键合法制备了液晶弹性体与聚乙烯的复合薄膜,通过复合薄膜的拉伸实验我们发现,复合薄膜的机械强度比液晶弹性体薄膜本身有所提高,在拉伸至10%应变后,复合薄膜仍然表现出良好的光致弯曲形变行为。更为有趣的是,光照射到复合薄膜的不同表面时,薄膜表现出不同的光致弯曲形变行为:当光照射液晶弹性体膜一侧时,复合薄膜整体朝向光源方向弯曲;当光照射聚乙烯膜一侧时,复合薄膜远离光源方向弯曲。基于本论文的研究,我们利用透镜和滤波片获得不同波长的太阳光,实现了薄膜在太阳光下的可逆弯曲形变,大大扩展了材料的应用前景。而且,当我们用470 nm波长的光和577 nm波长的光分别照射液晶弹性体薄膜圆环的左上方和右上方时,薄膜圆环就可以间歇地向前滚动。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 概述
• 1.2 以偶氮苯体系为主体的光致形变材料
• 1.3 偶氮苯液晶
• 1.4 液晶弹性体
• 1.4.1 液晶弹性体的自发可逆形变特性
• 1.4.1.1 单畴液晶弹性体的自发可逆形变原理
• 1.4.1.2 热致型自发可逆形变液晶弹性体
• 1.4.1.3 光致型自发可逆形变液晶弹性体
• 1.4.2 光致形变液晶弹性体的应用
• 1.5 本论文的主要工作内容及意义
• 参考文献
• 第二章 含长共轭介晶基元液晶单体与交联剂的合成及性能表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验
• 2.2.1 液晶单体、交联剂的合成
• 2.2.2 液晶单体、交联剂及其混合物的表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 液晶单体和交联剂的热力学及液晶性质
• 2.3.2 液晶单体和交联剂的光致异构
• 2.3.3 液晶混合物的热力学及液晶性质
• 2.4 结论
• 参考文献
• 第三章 含长共轭介晶基元液晶弹性体薄膜的制备及光致形变
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 液晶弹性体薄膜的制备
• 3.2.2 液晶弹性体薄膜的热力学和液晶性质的表征
• 3.2.3 液晶弹性体薄膜光致弯曲行为的观察及应力变化分析
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 液晶弹性体薄膜的热力学及液晶性质
• 3.3.2 液晶弹性体薄膜的光致弯曲
• 3.3.3 光强和温度对液晶弹性体薄膜光致弯曲行为的影响
• 3.3.4 液晶弹性体薄膜的光致应力变化
• 3.3.5 交联度对液晶弹性体薄膜光致弯曲行为的影响
• 3.3.6 太阳光下的液晶弹性体薄膜光致弯曲行为
• 3.3.7 液晶弹性体薄膜圆环的滚动
• 3.4 结论
• 参考文献
• 第四章 液晶弹性体复合薄膜的制备及光致弯曲性能
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 液晶弹性体复合薄膜的制备
• 4.2.2 液晶弹性体膜及其复合膜的力学性能表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 液晶弹性体膜、基体膜及其复合材料的弹性模量
• 4.3.2 液晶弹性体薄膜复合材料的光致弯曲
• 4.4 结论
• 参考文献
• 第五章 结论与展望
• 攻读硕士期间的科研成果
• 致谢