熱致收縮液晶彈性體材料性能研究

1引言

液晶彈性體材料作為一種新型的智能材料引起了人們的廣泛興趣。熱致液晶彈性體薄膜可以在相變溫度處產生收縮形變。實驗中采用全息曝光的方法制備了具有柵狀結構的熱致液晶彈性體薄膜材料。通過偏光顯微鏡對彈性體薄膜的光柵結構、偏光特性進行檢測。對該液晶彈性體薄膜的熱致收縮性能進行測試，其熱致收縮形變率為12%。2實驗本實驗配制的樣品是由具有雙官能度的聚二烯丙基二基氯化銨（polydiallyldimethylammoniumchloride，PDDA）和具有五官能度的二季戊四醇羥基五丙烯酸酯(DipentaerythritolPentaacrylate，DPHPA)的單體材料以一定1：1混合形成平均官能度為3.5的單體基質，質量百分含量為48.5wt%；液晶材料TEB30A(n0=1.522，Δn=0.1703，質量百分含量為36wt%)；交聯單體N-乙烯基吡咯烷酮(N-vinylpyrrolidone，10wt%)、少量的玫瑰紅(RoseBengal，0.5wt%)和共引發(fā)劑N-苯基甘氨酸(N-phenylglycine，2wt%）添加到混合物中；添加少量鄰苯二甲酸二正辛酯（DOP）（AR級，上海試劑公司，3wt%）。將混合后的樣品攪拌均勻，注入到厚度為20μm的液晶盒中。實驗中采用全息方法制備液晶彈性體薄膜。3結果與討論制備的薄膜具有周期性柵狀結構，其正交偏光顯微鏡圖片如圖2所示，旋轉載物臺時能觀測到明顯的亮暗變化。圖2(a)中亮條紋區(qū)域是富液晶區(qū)，該區(qū)域的明暗隨載物臺的旋轉發(fā)生明顯變化，如圖2(b)所示。這說明膜內的液晶具有較為均一的取向效果。具有柵狀結構的液晶彈性體薄膜是由富液晶區(qū)和富聚合物區(qū)周期性分布而形成。在全息曝光過程中，由于兩束光產生干涉，形成明暗相間的干涉光場，在亮區(qū)單體發(fā)生聚合，單體濃度降低，形成的聚合物排擠液晶分子；在暗區(qū)單體濃度相對較高，單體向亮區(qū)擴散；最終形成富液晶區(qū)和富聚合物區(qū)周期性分布。由于擴散作用導致單體由暗區(qū)向亮區(qū)移動，液晶分子由亮區(qū)域向暗區(qū)域遷移，二者的遷移方向均與柵狀結構相垂直。在遷移過程中形成如圖3所示的液晶分子長軸垂直于柵狀結構的排列。根據圖1所示液晶彈性體自發(fā)形變示意圖，該薄膜樣品受熱時應在垂直于柵狀結構的方向（如圖3所示X軸方向）上產生收縮形變。加熱形變前彈性體中的液晶處于向列相態(tài)，液晶分子沿X軸方向排列，加熱至一定溫度后液晶處于各向同性態(tài)，液晶分子的指向矢發(fā)生變化，有序度降低。從而產生收縮。

打開液晶盒，取出液晶彈性體薄膜，對薄膜的熱致收縮性能進行檢測。將取出液晶彈性體膜放置在熱臺上，下面墊放一坐標格紙，用于觀察并檢測薄膜的收縮形變情況，液晶薄膜的收縮情況如圖4所示：圖4(a)為收縮前的薄膜圖片，光柵結構沿X軸方向排列，液晶分子長軸沿X軸方向排列。沿X軸方向薄膜最寬處長度約為1.25cm，沿Y軸方向薄膜長度約為1.45cm。對液晶彈性體薄膜加熱到80℃時，薄膜沿X軸方向發(fā)生收縮。圖4(b)是發(fā)生收縮后的薄膜圖片，收縮后沿X軸方向薄膜最寬處長度約1.10cm，沿Y軸方向薄膜收縮變化不明顯。最終薄膜熱致收縮率約為12%。實驗中觀測到薄膜在從室溫加熱到65℃的過程中，有薄膜長度緩慢增加的現象，增加幅度不大，分析認為是由于丙烯酸酯聚合物的熱膨脹所致。在65℃到80℃的溫度范圍內薄膜迅速發(fā)生收縮，收縮是由于液晶相變導致。有研究表明，對單疇向列彈性體而言，形變的幅度是由向列排布狀態(tài)和高分子主鏈的構象二者的耦合所決定的。單疇向列彈性體的形變系數λ

λ=L/L0其中L0為向列相態(tài)薄膜長度（形變前長度），L為各向同性態(tài)薄膜長度（形變后長度）。λ線性依賴于向列有序參數S，關系式可表示為：（2）式中：μ是彈性模量；σ是應力；U是交叉耦合系數，反映了彈性體在向列態(tài)和各向同性態(tài)間轉變時的分子構象的變化。側鏈型單疇向列彈性體的骨架構象在整個形變過程中幾乎不受影響，剛性的棒狀液晶基元只是與主鏈構象間接耦合。當液晶基元進入到高分子的主鏈后，伴隨著相轉變，大的構象變化就會發(fā)生并直接表現出大的形變量。通常形變率能達到30%以上。

實驗中所制備的液晶彈性體薄膜中的液晶分子是分散在聚合物網絡中的，液晶分子的指向變化對高分子結構的耦合作用相對較弱，因此引起的形變量較小。若實驗中能將液晶分子在光聚合的過程中引入到聚合物側鏈或主鏈中，并形成具有一定取向排布的液晶彈性體結構，將會大為改善液晶彈性體的收縮性能。4結論

液晶彈性體材料在人工肌肉、納米機械、形狀記憶、顯示技術等方面有潛在的應用價值。目前主要研究單疇液晶彈性體的熱致型自發(fā)可逆形變。實驗采用丙烯酸酯單體和液晶共