功能化碳纳米管/反应性液晶复合软材料的构筑、电致取向特性及偏振性能研究

The research aims to design and synthesize functionalized carbon nanotubes (f-CNTs) grafted with different structured mesogenic units based on shorten carbon nanotubes with length of 100-500 nm after acid oxidation cutting process, and then fabricate monodisperse soft composite of f-CNTs/reactive mesogen with high concentration. We further study the effect of variation of “functionalized mesogenic structure” onto dispersing property of f-CNTs in reactive mesogeon medium. . On this basis, utilizing electric field-induced alignment techonogy of f-CNTs, we aim to develop new concept of electric-field induced large-scale CNT polarizer with high degree of polarization. We try to understand electric-field induced alignment characteristics and structure evolution of f-CNTs in reactive mesogeon, and characterize the microstructure、orentation degree and polarization performance of field-aligned soft composites. Introducing mesogeon segment onto shortened f-CNTs not only can improve their dispersion in medium, but also can significantly enchance their electrically induced orientation degree and macroscopic-arrangement order because of electrically induced orientation effect of grafted liquid crystal primitives. . Meanwhile, uv polymerization characteristics of reactive mesogeon will be utilized for f-CNT orientation solidification; we will further explore the uv-solidification method to improve orientation charactertistics of field aligned f-CNTs in field-off state and their stability of polarization performance.. The development of the project has contributed to fabrication monodisperse CNTs-liquid crystal soft materials with high concentration, and has provided new method and theoretical basis for fabrication of high orientation structured CNTs materials and high stability of CNTs polarization devices.

本项目拟在经酸氧化切割后长度为100-500 nm的碳纳米管（CNT）表面接枝不同结构的液晶基团，并与反应性液晶复合来制备高含量单分散的CNT/反应性液晶复合软材料。深入研究“液晶结构”变化对CNT在反应性液晶中分散性的影响。通过电场作用制备具有高偏振度的大面积CNT偏振器件。研究功能化CNT的电场取向特性与电致结构演化，并对CNT的电致取向结构、取向度、偏振性能进行表征。在CNT表面接枝液晶链段不仅能提高其在液晶介质中的分散性，而且接枝液晶基元的电致取向效应可极大提高CNT的电致取向度和宏观排列有序性；同时利用反应性液晶的紫外聚合特性对电致取向材料进行取向固化，探索运用紫外固化方式提高电致取向组件的偏振稳定性能。项目的开展，有助于制备高浓度单分散的CNT-液晶软材料，有助于为高取向结构的CNT材料和高稳定性CNT偏振器件的设计制备提供新的方法和理论依据。

CNT常常受π-π范德华作用力而容易发生无序团聚，导致其优异的光学偏振性能很难充分体现在宏观材料与器件中。为开发CNT取向排列稳定的聚合物薄膜并应用于具有偏振依赖特性的光调制器，研究工作制备出功能化CNT并利用水平电场作用取向排列和紫外聚合固化技术稳定固化功能化CNT/反应性液晶复合软材料，在宏观范围内提高了CNT的电致取向效率并保障了其取向稳定性。. 首先，将合成的4-(6-羟基己氧基)-4-联苯甲腈“液晶结构”与经酸氧化切割后的羧基化CNT通过酯化反应进行共价接枝制备功能化CNT，然后将其与反应性液晶进行超声复合制备出分散良好的功能化CNT/反应性液晶复合软材料。由于功能性CNT之间的范德华相互作用相对减弱，而功能化CNT与液晶介质之间的兼容性响应提高，从而提高了功能性CNT在液晶介质中的分散性。 . 第二，在反应性液晶取向的协同作用下，采用水平电场作用对功能化CNT进行电致取向来组装具有偏振依赖特性的光调制器件。功能化CNT/反应性液晶复合软材料在水平电场下沿电场方向进行动态取向，这主要是源于CNT在介质中将受到电场力，促使其从无序状态沿电场方向进行有序排列;而同时CNT上共价接枝的功能性液晶结构可以在功能化CNT之间产生一定静电排斥或位阻效应，一定程度上削弱了CNT之间的相互作用，从而提高了功能化CNT的电致取向效率和取向含量。另外，共价接枝的功能性液晶结构在电场下的诱导取向效应也极大提高了CNT在反应性液晶介质中的电场响应能力。因此，在各向异性的弹性相互作用下，电致取向的功能化CNT沿着液晶指向场方向保持取向状态。最后，在电场作用下，利用反应性液晶的紫外光聚合特性对反应性液晶进行紫外聚合固化后，功能化CNT在复合薄膜中保持了电场取向状态并趋于稳定，获得了偏振依赖特性稳定的CNT光调制器，其可以选择性的吸收和透过与其取向方向平行和垂直的偏振光，从而最终实现了对光波强度和偏振状态的调控。. 项目研究中功能化CNT的开发有助于制备分散良好的CNT-液晶软材料，同时，新型的功能化CNT电场取向技术有助于制备高取向结构的CNT材料和高稳定性CNT偏振器件。项目研究也拓宽了具有各向异性光电性能的光调制器件和多功能复合材料的潜在应用范围。