[发明专利]一种基于液态金属纳米微滴的液晶弹性体材料

说明书

本发明公开了基于液态金属纳米液滴的液晶弹性体材料及其制备方法和应用。在液晶弹性体基体材料中引入液态金属纳米微滴，分子链中的硫元素与液态金属之间有动态相互作用，可以实现液态金属纳米微滴在液晶弹性体中的均匀分布，通过热引发二次交联，最终制得基于液态金属纳米液滴的液晶弹性体材料(LM‑LCE)。该复合液晶弹性体体材料的力学性能尤其是抗疲劳性的极大改善，可以有效推动基于液晶弹性体的软致动器材料及其以外的长期工业应用。

技术领域

本发明涉及液晶弹性体领域，具体涉及一种由液态金属纳米微滴和液晶弹性体基材料复合形成的具有超高抗疲劳液晶弹性体材料。

背景技术

液晶弹性体(LCE)，作为非常规类型的聚合材料，结合了液晶基元的各向异性和弹性体的熵弹性，可响应外部刺激(例如热，光，湿度，电和磁场)而做出可逆形变。这种出色的双向形状记忆功能使LCE材料在软质执行器，传感器，微机械系统，软机器人技术等方面具有潜在的应用前景。然而，常规LCE材料机械性能不尽人意，尤其是中等的驱动应力和较差的抗疲劳性，已经成为阻碍LCE材料实际工业应用的根本障碍。人们迫切希望开发出同时具有大的驱动行程，高的驱动应力和出色的抗疲劳性的新型LCE材料，但这仍然是一个艰巨的挑战。

为了提高LCE材料的机械性能，以前的大多数研究工作都集中在引入新的分子结构，结晶处理，互穿网络和添加纳米填料来增强驱动应力，弹性模量和工作能力；然而，LCE材料的耐疲劳性被选择性地忽略了。LCE材料的抗疲劳性是其工业应用的关键因素，并且在过去的40年中几乎没有研究LCE的长期耐久性。实际上，该缺点源自LCE结构网络的固有缺陷：为了获得高驱动应变，LCE材料始终要轻度交联。这种低交联密度意味着某些聚合物链可能没有化学交联，因此在致动过程中，未交联的聚合物链将遭受不可逆的滑移，相关聚合物链的物理缔合将受到损害，分子网络的某些部分将受到损害，聚合物内部结构被永久损坏，导致抗疲劳性较差。

为了提高LCE材料的抗疲劳性，传统研究方法是将许多诸如金纳米颗粒，碳纳米管和碳纤维等增强材料掺入LCE基质中，以引入额外的物理缔合以增强LCEs的链状网络，但没有达到想要的效果，这可能是由于增强材料和LCE基质之间没有形成相互作用而出现相分离而导致的。

文献Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2019,116,21438报道了一种将液态金属的方法引入到液晶弹性体中的方法，制备出了可以电驱动的液晶弹性体材料。其使用的是一种1,4-双-[4-(3-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯的液晶单体。其缺点在于引入的液态金属太多，并且液态金属微滴的尺寸太大，大约为数百个微米，液晶弹性体的清亮点较高，超过了60℃，液晶弹性体的力学性能并未得到很大，并且文献并未对液晶弹性体的抗疲劳性进行研究报道。

文献Soft Matter,2020,16,5878也报道了一种在液晶弹性体中引入液态金属的方法，从而制备出一种导电复合液晶弹性体材料。其使用的是1,4-双-[4-(3-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯的液晶单体。液态金属以微米尺寸分散在液晶弹性体中，实现了复合液晶弹性体的导电性，但是这种新型复合液晶弹性体的力学性能并未得到较好的改善，并且抗疲劳性并未被研究报道。目前有液晶弹性体与液态金属的复合材料，但是为了实现复合材料的导电性他们的液态金属都是微米尺寸以上，而对液晶弹性体复合材料的力学性能没有什么大的改善。

发明内容

技术问题：本发明目的是提供一种基于液态金属纳米液滴的液晶弹性体材料，该液晶弹性体材料具有超高的抗疲劳性能，解决了传统液晶弹性体材料在实际应用过程中使用寿命不足的问题，并提供了该种材料的制备方法。

技术方案：本发明的一种基于液态金属纳米液滴的液晶弹性体材料是由液晶单体聚合而成，聚合之后，液晶单体在分子链中以液晶基元的形式，均沿着拉伸方向有序排列形成分子主链，液态金属被破碎成纳米级别的微滴然后与所述分子主链中的硫元素有动态相互作用而均匀稳定分散在液晶弹性体基体中。