本发明涉及一种以连续性纤维为增强相的液晶弹性体复合材料及制备方法。
背景技术：
智能材料是在一定的外界条件刺激下形状发生改变的材料，在工业、环境以及医疗等领域具有重要应用价值。液晶弹性体(Liquid crystalline elastomers,LCEs)是近年发展起来的新型智能材料，具有液晶的各向异性结构特性和橡胶弹性体的弹性特性，具有变形幅度大、响应速度快以及变形具有可逆性等优点，在微机电系统，智能制动器和传感器等领域具有更优越的应用价值。不同种类的液晶弹性体可被不同的外界刺激因素所制动，如光、热和电磁场等。现有的液晶弹性体存在材料强度偏低的问题，在长时间高温环境下，较大的制动负载下易于损伤以至断裂，反复制动下的抗疲劳损伤能力也不高。通过结合增强相制成复合材料是提高材料的力学性能有效方法。由于液晶弹性体是一种大变形幅度的智能材料，一般认为引入连续性增强相，如连续性纤维，可能严重影响其变形制动性能。而且受材料制备工艺等条件限制，目前未有用连续性纤维来增强液晶弹性体材料。目前主要是加入分散相材料来提高其理化性能，包括力学性能。但分散性的添加材料，其对力学复合增强作用不及连续性增强相材料。
技术实现要素：
基于以上不足之处，本发明提供一种以连续性纤维为增强相的液晶弹性体复合材料及制备方法。
本发明所采用的技术如下：一种以连续性纤维为增强相的液晶弹性体复合材料的制备方法，基体为液晶弹性体，方法如下：
反应混合溶液为0.16克聚甲基硅氢氧烷、0.65克1，4-丁烯氧基苯甲酸-对位甲氧基苯酚脂和0.088克1,4-双十一烯氧基苯溶解在2.6毫升的甲苯内，加入120微升的催化剂溶液，
催化剂溶液配制过程为0.025克的1氯铂(II)-1,5-环辛二烯溶入2毫升的二氯甲烷，而后用20毫升甲苯稀释，配成溶液；
连续性柔性纤维事先布置于模具底部，反应混合液浇注后，进行第一步热交联，第一步预交联之后，进行拉伸形成材料内的向列分子结构，而后进行第二步热交联，完成交联过程，制备成以连续性纤维为增强相、以液晶弹性体为基体的复合材。
本发明还具有如下技术特征：
1、如上所述的第一步热交联，然后拉伸成形，最后第二步热交联的具体方法如下：
将反应混合液倒入一长方形聚四氟模具内，此模具的尺寸为长90毫米、宽14毫米、深10毫米，模具底部事先布置一个长90毫米、宽12毫米、厚0.3-0.4毫米的聚氨酯纤维网，
而后将模具密封并在65℃下加热50分钟，此时模具内生成了预交联的复合材料凝胶体，打开模具，加入7毫升的脱膜剂正己烷，将其内埋有聚氨酯纤维网的复合材料凝胶体小心取出，挂在架子上凉干，待凝胶体内的甲苯逐渐挥发干净,此条形复合材料凝胶体逐渐缩成63毫米长的长方条形膜，埋在其内的聚氨酯纤维网由于具有柔性，也随材料同步收缩；
而后在其下端挂载6.5克重物，并每2小时加挂2.5克重物，直至重物总重达到14克，在此重量重物作用下继续持续12小时，此复合材料凝胶膜被拉伸至90毫米，埋在其内的聚氨酯纤维网恢复了原长度，消除了预变形以及由此导致的预应力；
在此拉伸过程中，凝胶基体内也形成了液晶的向列分子结构，
而后将材料在70℃下热处理24小时，完成第二步交联，制备成以聚氨酯纤维网为增强相的、以向列型液晶弹性体为基体的液晶弹性体纳米复合材料，其尺寸为90mm×12mm×0.8mm。
2、按如上所述制备过程，将各原料用量、设备尺寸，操作的相关物理数据按比例放大，能够制备出不同大小的以连续性纤维为增强相的液晶弹性体复合材料。
3、该液晶弹性体复合材料能够在78℃以上收缩，在10秒内收缩达到最大收缩幅度为27％，当温度低于60℃后，能够在10秒内恢复原长，其收缩所产生的最大制动力为260KPa。
4、按如上所述制备过程，在液晶弹性体基体内加入Fe3O4纳米粒子，所制成的液晶弹性体纳米复合材料能够被交流磁场可逆制动。
5、按如上所述制备过程，在液晶弹性体基体内加入碳纳米管、石墨烯材料或纳米碳黑粒子，所制成的纳米复合材料能够被可逆地光制动。
6、按如上所述制备过程，在液晶弹性体基体内加入碳纳米管，当加入的碳纳米管的比例为液晶弹性体基体质量的0.4％时，所制得的液晶弹性体纳米复合材料在室温25℃，在200mW/cm2的拟日光光谱的白光光照下，在10秒内沿轴向收缩最大收缩率为27％，并产生260KPa的最大收缩制动力，移除光源后，在10秒内恢复原长，具有完全的可逆光制动性能。
本发明的优点及有益效果：由于聚胺脂纤维网的柔性，使其可随液晶弹性体基体同步伸缩而不影响其可逆变形性能。液晶弹性体基体内复合聚胺脂纤维网，显著提高材料的力学性能。使材料经历多次接近满负载负荷条件下反复致动，无明显的疲劳损伤。可在高温条件下长时间工作。而且显著提高了实际致动力。复合材料制备工艺有效地结合基体材料的合成工艺，制备方法相对简便高效。
具体实施方式
下面举例对本发明做进一步说明
实施例1
一种以连续性纤维为增强相的液晶弹性体复合材料的制备方法，基体为液晶弹性体，如下：
反应混合溶液为0.16克聚甲基硅氢氧烷、0.65克1，4-丁烯氧基苯甲酸-对位甲氧基苯酚脂和0.088克1,4-双十一烯氧基苯溶解在2.6毫升的甲苯内，加入120微升的催化剂溶液，
催化剂溶液配制过程为0.025克的1氯铂(II)-1,5-环辛二烯溶入2毫升的二氯甲烷，而后用20毫升甲苯稀释，配成溶液；
将反应混合液倒入一长方形聚四氟模具内，此模具的尺寸为长90毫米、宽14毫米、深10毫米，模具底部事先布置一个长90毫米、宽12毫米、厚0.3-0.4毫米的聚氨酯纤维网，
而后将模具密封并在65℃下加热50分钟，此时模具内生成了预交联的复合材料凝胶体，打开模具，加入7毫升的脱膜剂正己烷，将其内埋有聚氨酯纤维网的复合材料凝胶体小心取出，挂在架子上凉干，待凝胶体内的甲苯逐渐挥发干净,此条形复合材料凝胶体逐渐缩成63毫米长的长方条形膜，埋在其内的聚氨酯纤维网由于具有柔性，也随材料同步收缩；
而后在其下端挂载6.5克重物，并每2小时加挂2.5克重物，直至重物总重达到14克，在此重量重物作用下继续持续12小时，此复合材料凝胶膜被拉伸至90毫米，埋在其内的聚氨酯纤维网恢复了原长度，消除了预变形以及由此导致的预应力；
在此拉伸过程中，凝胶基体内也形成了液晶的向列分子结构，
而后将材料在70℃下热处理24小时，完成第二步交联，制备成以聚氨酯纤维网为增强相的、以向列型液晶弹性体为基体的液晶弹性体纳米复合材料，其尺寸为90mm×12mm×0.8mm。
该复合材料能够在78℃以上收缩，在10秒内收缩达到最大收缩幅度为27％，当温度低于60℃后，能够在10秒内恢复原长，其收缩所产生的最大制动力为260KPa。
实施例2
按实施例1所述制备过程，将各原料用量、设备尺寸，操作的相关物理数据按比例放大，能够制备出不同大小的液晶弹性体复合材料。
实施例3
按实施例1的方法，在液晶弹性体基体内引入其它纳米相功能材料，所制成的纳米复合材料可以利用其它条件来可逆地制动。例如在液晶弹性体基体内引入Fe3O4纳米粒子，所制成的纳米复合材料可以被交流磁场可逆制动，机理是分散在液晶弹性体基体内的Fe3O4纳米粒子吸收磁能转变成热能加热液晶弹性体基体，对材料产生制动。在液晶弹性体基体内引入碳纳米管、石墨烯材料或纳米碳黑粒子，所制成的纳米复合材料可以被可逆地光制动，机理是这些纳米材料可以吸收光能转变成热能加热液晶弹性体基体，对材料产生制动。材料的制动收缩率和最大制动力基本不变。制备方法是在上述材料制备过程中，在反应混合液内加入所需纳米材料，其余工序相同。
实施例4
按实施例1的方法，在液晶弹性体基体内加入碳纳米管，当碳纳米管的比例为液晶弹性体基体质量的0.4％时，所制得的液晶弹性体纳米复合材料在室温25℃，在200mW/cm2的拟日光光谱的白光光照下，在10秒内沿轴向收缩约27％(最大收缩率)，并产生260KPa的最大收缩制动力，移除光源后，可在10秒内恢复原长，具有完全的可逆光制动性能。该材料也可以被自然阳光进行可逆光制动。除广光谱光源外，也可被单色光制动，无专门的光谱依赖性。原理为分散在液晶弹性体基体内的碳纳米管可以吸收光能转化为热能，将液晶弹性体基体加热，当温度超过向列相态到各向同性相态的转变温度Tni后，液晶弹性体基体由各向异性的向列相结构转变成各向同性相结构，使得材料发生轴向收缩并产生力学制动。当移除光照，温度下降低于Tni，材料恢复向列相态结构，材料恢复原形状。该材料也可被热制动，且制动具有可逆性，当温度升至超过/或降至低于液晶弹性体基体的Tni之时，材料将收缩或恢复原长，收缩幅度以及收缩制动力相同。由于具有聚胺脂纤维网的增强作用，显著提高了其光热制动过程的抗断裂损伤疲劳等性能，可在最大制动载荷下——即260KPa的最大收缩制动力，反复使用1000次以上而无明显的疲劳损伤迹象。而无连续性纤维增强的同种液晶弹性体(虽然同样具有光热制动性质)，在最大制动载荷下使用不超过10次既断裂。由于聚胺脂纤维网的柔性，使其可随液晶弹性体基体同步伸缩而不影响其可逆变形性能。
实施例5
按实施例1的方法，制备过程中如不添加碳纳米管，其余工艺同上，则制备的以聚胺脂纤维网为增强相、以液晶弹性体为基体的液晶弹性体复合材料不能被光制动，但可被可逆热制动，制动力学性能与上述结合了碳纳米管和聚胺脂纤维网的液晶弹性体纳米复合材料一致。如果不加碳纳米管和聚胺脂纤维网，所制备的液晶弹性体材料也只具有可逆热制动能力，制动的力学性能与上述只加碳纳米管而无聚胺脂纤维网为增强相的液晶弹性纳米复合材料一样。