[发明专利]用于光致动器的液晶弹性体复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及智能材料和聚合物基纳米复合材料领域，具体地指一种用于光致动器的液晶弹性体复合材料及其制备方法。

背景技术

致动器是指在电、热和光等外场刺激下，将电能、热能和光能等转换为机械能的执行装置。其中，以光为驱动源构建聚合物致动器具有可远程控制、机构简化易集成、成本低、质量轻和易加工成型等突出优势。构建致动器用的智能材料要求兼具响应性和驱动性特点，聚合物光致动器的形变机理源于光致分子异构和光触发物理形变。目前主要是偶氮苯类等少数聚合物本征上表现出光致形变，但偶氮苯类聚合物局限于紫外光照条件下产生机械响应，同时纯聚合物材料构建致动器的输出力小，其应用受到了限制。

石墨烯和碳纳米管具有优异的电、光、热和力学性能以及各向异性特点，为构建高性能的致动器开启了新的思路和途径。以石墨烯和碳纳米管构建的电致动器和光致动器能够产生较大的输出力。然而，纯石墨烯和碳纳米管致动器的成本高、加工性差和耦合效率低。科学家们发现，石墨烯和碳纳米管能够高效地吸收近红外激光，将光能转换为热能形成“分子加热器”，进而触发聚合物弹性体复合材料产生机械响应。然而，聚合物复合材料的宏观机械响应源于纳米碳材料和聚合物基体弹性形变的矢量和，但光热效应诱导传统聚合物材料产生的形变量和输出力较小，且响应速率较慢。

发明内容

本发明的目的在于克服现有单一材料构建的致动器存在响应速率慢、形变量小以及难远程控制的缺陷，提供一种用于光致动器的液晶弹性体复合材料及其制备方法，以实现构建响应速率快、形变量大和输出力大的光致动器。

为实现上述目的，本发明所提供的用于光致动器的液晶弹性体复合材料，由作为填料的纳米碳材料、作为基体的热致型液晶弹性体原位聚合而成，所述纳米碳材料与热致型液晶弹性体的重量比为0.02～3:100，所述纳米碳材料为石墨烯、氧化石墨烯或碳纳米管。

优选地，所述纳米碳材料与热致型液晶弹性体的重量比为0.05～1:100。

更优选地，所述纳米碳材料与热致型液晶弹性体的重量比为0.1～0.5:100。

优选地，所述热致型液晶弹性体由丙烯酸酯类液晶单体、乙烯基芳香酯类液晶单体、乙烯基偶氮苯类液晶单体或乙烯基联苯类液晶单体交联而成。

所述丙烯酸酯类液晶单体优选为腰接型丙烯酸酯类液晶单体，如2′,5′-二（4″-烷氧基苯甲酰氧基）-4-苯甲酰氧基-1-丙烯酸酯液晶单体、2′,5′-二（4″-烷基环己基甲酰氧基）-4-苯甲酰氧基-1-丙烯酸酯液晶单体。

所述乙烯基芳香酯类液晶单体优选为腰接型乙烯基芳香酯类液晶单体，如1-乙烯基-3-烷基-2,5-二（4′-烷基苯甲酰氧基）苯甲酸酯液晶单体。

优选地，所述碳纳米管为羟基化碳纳米管。

本发明还提供了一种上述液晶弹性体复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1）将纳米碳材料加入到有机溶剂中超声波处理，分散浓度为0.01～1mg/mL，再将液晶单体、交联剂和光引发剂按摩尔比90:5～10:0.2～1加入，继续搅拌均匀得到分散液；

2）将分散液旋涂在玻璃或聚四氟乙烯衬底板上，然后在避光和氮气气氛环境下缓慢升温至90～130℃，保温5～20min后降温至75～100℃，立即用250～800nm光辐照5～20min，升温至85～110℃后再次照射5～20min，反应完成得到薄膜状的液晶弹性体复合材料；

所述液晶单体为丙烯酸酯类液晶单体、乙烯基芳香酯类液晶单体、乙烯基偶氮苯类液晶单体或乙烯基联苯类液晶单体。

优选地，所述交联剂为二丙烯酸酯类或二乙烯基烷氧基苯类交联剂，可选用1,6-己二醇二丙烯酸酯、1,6-己二醇二甲基丙烯酸酯、4-丙烯酰氧基烷氧基-1-（4′-乙烯烷氧基苯氧基）-苯甲酸酯、或1,4-二（1-乙烯基）-烷氧基苯。

优选地，所述的光引发剂为2-苄基-2-二甲基氨基-1-（4-吗啉苯基）丁酮（Irgacure369）、2-甲基-1-（4-甲硫基苯基）-2-吗啉基丙酮、2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯、2-苄基-2-二甲氨基-1-（4-吗啉苯基）丁酮或2-羟基-2-甲基-1-[4-（2-羟基乙氧基）苯基]丙酮。

优选地，所述有机溶剂为丙酮、乙醇、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮。

优选地，所述纳米碳材料为羟基化碳纳米管，其制备方法如下：