一种运用偏振光取向的查尔酮液晶弹性体的制备及表征

本发明属于液晶弹性体，涉及了一种运用偏振光取向的查尔酮液晶弹性体的制备及表征；具体的是，涉及了一种利用原位光可写各向异性的含查尔酮的液晶弹性体及其制备方法和用途。

背景技术：

1、液晶弹性体是一种具有液晶和弹性体特性的刺激响应材料，其中液晶基元的相变可导致聚合物网络各向异性的大变形。通过设计液晶基元的排列分布，可对液晶弹性体的机械响应进行编程，以实现具有可控致动应力的复杂形状变形，为人工肌肉、仿生设备和软机器人等应用提供了潜力。因此，精确控制液晶弹性体中的液晶基元排列分布对于实现所需的致动行为至关重要。到目前为止，已开发出包括机械拉伸取向、剪切取向、外加电/磁场取向等策略。然而，当这些策略用于对几何形状一致的取向分布进行编程以显示简单的变形模式(如单轴收缩、弯曲和扭曲)时，它们都非常有效。但要实现高空间分辨率的自由设计取向分布，实现二维到三维的变形，这无疑将提高潜在应用领域的难度。

2、表面取向和3d打印技术的结合实现了对液晶弹性体的空间控制，但在宏观形状的分辨率和普遍性方面受到限制。开发光取向方法可以提供一种有效的方法来控制液晶弹性体的空间取向，从而实现三维复杂形变。这种方法可以在不直接接触材料的情况下在微米尺度的小范围内调节分子的取向排列，为开发具有高分辨率图案结构的液晶器件提供了新的可能性。虽然基于偶氮苯(偶氮)基团光异构化的光取向方法已有报道，但它缺乏一种原位光取向策略来丰富设计方法，因为之前报道的光取向方法必须首先应用于液晶单元的取向层，然后将处理过的单元作为模具，才能获得具有设计液晶基元取向分布的液晶弹性体。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的之一是提供了一种运用偏振光取向的查尔酮液晶弹性体的制备。

2、本发明首先提出了一种通过整合查尔酮中间体实现液晶弹性体原位光编程的有效策略，其在线性偏振光作用下，查尔酮中间体可发生定向[2+2]环加成反应，从而诱导液晶基元在暴露区域垂直于偏振方向排列，而中间体则在未暴露区域保持原状；基于该机理，光可以在液晶弹性体材料中原位写入图案化的各向异性，从而促进复杂三维变形的设计和实现。

3、本发明的目的之二是提供一种运用偏振光取向的查尔酮液晶弹性体的表征。

4、技术方案：本发明所述的一种运用偏振光取向的查尔酮液晶弹性体的制备方法，其制备步骤如下：

5、步骤(1)：将预备的基础液晶单体、光响应液晶单体、扩链剂及交联剂按比例等溶于溶剂中，并超声混合均匀，再倒入聚四氟乙烯模具中；而后加入催化剂，于避光条件下引发第一次交联，从而得到预交联的液晶聚合物薄膜；

6、步骤(2)：将步骤(1)中制得的预交联的液晶聚合物薄膜置于特定形状光掩模板下，而后用不同角度的偏振光对聚合物薄膜进行取向编程，编程结束后于避光环境下引发第二次交联，二次交联结束后得到能在热刺激下进行二维到三维形状变化的液晶弹性体，即运用偏振光取向的查尔酮液晶弹性体。

7、进一步的，在步骤(1)中，所述基础液晶单体包括主链液晶单体或侧链液晶单体。

8、进一步的，在步骤(1)中，所述光响应液晶单体适用于两种基础液晶体系，包括体系一及体系二；

9、其中，体系一使用主链液晶单体，其包括主链液晶单体、光响应液晶单体、扩链剂和交联剂四种溶质，所述主链液晶单体、光响应液晶单体、扩链剂和交联剂分别为rm257或rm82，m-cha，dodt和petmp；

10、在体系二中使用主链液晶单体及侧链液晶单体，具体包括主链液晶单体、侧链液晶单体、光响应液晶单体和交联剂四种溶质，所述主链液晶单体、侧链液晶单体、光响应液晶单体、交联剂分别为pmhs，mbb，m-cha和11ub；此体系无需使用扩链剂。

11、进一步的，以物质的量计，在体系一中，所述主链液晶单体rm257或rm82：光响应液晶单体m-cha：扩链剂dodt：交联剂petmp的摩尔比为：0.97-0.85：0.03-0.15：0.85-0.95：0.02-0.08；

12、在体系二中，所述主链液晶单体pmhs：侧链液晶单体mbb：光响应液晶单体m-cha：交联剂11ub的摩尔比为：1：0.7-0.9：0.01-0.1：0.05-0.15。

13、进一步的，在体系一中，使用的溶剂为二氯甲烷，体系一中各溶质与溶剂的质量比为100：1；另外对于制备2×2cm2大小的薄膜，所使用的溶质总量为100mg，所用溶质含量随着薄膜面积的变化而对应成比例增加或减少；

14、在体系二中，使用的溶剂为甲苯，体系二中各溶质与溶剂的质量比为150：1；另外对于制备2×2cm2大小的薄膜，所使用的溶质总量为150mg，所用溶质含量随着薄膜面积的变化而对应成比例增加或减少。

15、进一步的，在体系一中，使用的催化剂为二丙胺或其他胺类碱性试剂；

16、在体系二中，使用的催化剂为卡斯特试剂；催化剂给整个交联体系提供一种碱性环境，促进交联成膜。

17、进一步的，体系一中的一次交联条件为避光环境，室温下交联12-16小时；

18、体系二中的一次交联条件为避光环境，60℃下交联3-4小时。

19、进一步的，在步骤(2)中，所述偏振光取向编程的时间为0.5-1小时。

20、进一步的，在步骤(2)中，体系一中的二次交联条件为避光环境，室温下交联10-14小时；

21、体系二中的二次交联条件为避光环境，50℃下交联24-48小时。

22、进一步的，所述制备方法制备的一种运用偏振光取向的查尔酮液晶弹性体的表征，经过偏振光取向编程的液晶弹性体，在室温环境下处于平整状态，加热后沿着垂直于偏振光取向的方向产生特定形变，撤去热刺激后恢复至初始平整状态；

23、在偏振光取向编程过程中加入不同图案的光掩模板进行复杂编程，则弹性体薄膜能在加热条件下实现不同形状的二维到三维复杂形状模式(即：经过偏振光取向编程的液晶弹性体能在热刺激下沿着垂直于偏振光取向的方向进行二维到三维复杂形状的变化；

24、进一步的，所述液晶弹性体在受热前是处于平整的初始状态，加热后会沿着垂直于偏振光取向的方向产生特定形变，撤去刺激后又会恢复到初始状态；

25、进一步的，对于不同图案的光掩模板进行的预编程后，能够实现不同形状的二维到三维的复杂形变模式)。

26、本发明利用原位光可写各向异性的含查尔酮的液晶弹性体的一些应用，如本发明材料赋予其在热刺激下能够实现不同形状的二维到三维形状改变。

27、有益效果：本发明与现有技术相比，本发明的特点是：1、制作工艺流程简单，制作液晶弹性体时无需大型设备辅助；2、具有智能性，在偏振光的远程控制下能够实现不同形变形状的预编程；3、利用偏振光预编程可实现材料高空间分辨率的自由设计取向分布；4、开发的查尔酮液晶分子，键合到液晶弹性体中利用其光交联特点使材料具有优异的光取向行为。

技术特征：

1.一种运用偏振光取向的查尔酮液晶弹性体的制备方法，其特征在于，其制备步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种运用偏振光取向的查尔酮液晶弹性体的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述基础液晶单体包括主链液晶单体或侧链液晶单体。

3.根据权利要求1所述的一种运用偏振光取向的查尔酮液晶弹性体的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述光响应液晶单体适用于两种基础液晶体系，包括体系一及体系二；

4.根据权利要求3所述的一种运用偏振光取向的查尔酮液晶弹性体的制备方法，其特征在于，

5.根据权利要求3所述的一种运用偏振光取向的查尔酮液晶弹性体的制备方法，其特征在于，

6.根据权利要求3所述的一种运用偏振光取向的查尔酮液晶弹性体的制备方法，其特征在于，

7.根据权利要求3所述的一种运用偏振光取向的查尔酮液晶弹性体的制备方法，其特征在于，

8.根据权利要求1所述的一种运用偏振光取向的查尔酮液晶弹性体的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述偏振光取向编程的时间为0.5-1小时。

9.根据权利要求1所述的一种运用偏振光取向的查尔酮液晶弹性体的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，体系一中的二次交联条件为避光环境，室温下交联10-14小时；

10.如权利要求1-9任意一项所述制备方法制备的一种运用偏振光取向的查尔酮液晶弹性体的表征，其特征在于，经过偏振光取向编程的液晶弹性体，在室温环境下处于平整状态，加热后沿着垂直于偏振光取向的方向产生特定形变，撤去热刺激后恢复至初始平整状态；

技术总结
本发明公开了一种运用偏振光取向的查尔酮液晶弹性体的制备及表征；属于液晶弹性体技术领域，其制备步骤：将液晶单体、光响应的含查尔酮的液晶单体、扩链剂和交联剂溶于溶剂中，并超声混合均匀，而后倒入聚四氟乙烯模具内，加入催化剂，于避光条件下引发第一次交联得到预交联的液晶聚合物薄膜，然后将预交联薄膜置于特定形状光掩模板下进行不同角度偏振光取向编程，编程结束后于避光条件下引发第二次交联得到液晶弹性体。本发明材料赋予液晶弹性体双向形状记忆特性，此外，该材料在不同形状光掩模板及不同角度偏振光取向编程后能使得此液晶弹性体表现出不同的复杂形状的二维到三维的热致动行为。

技术研发人员：黄帅,徐艺艺,王瑾宇,金梦诗,杨洪,李全
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24