光驱动液晶/超高分子量聚乙烯复合纤维的研究

In this project, liquid crystal polymer/ultrahigh molecular-weight polyethylene (UHMWPE) composite fibers, in which liquid crystal polymer acts as the dopant and UHMWPE as the matrix, are prepared by elegant combination of wet spinning and radiation-induced chemical crosslinking. Their reversible photo-driven deformation will be studied upon photo-irradiation. The mechanism will be explored by investigating the relationship between photo-driven performance and the content and orientation of liquid crystal polymer and crosslinked density in composite fibers. Then, photo-driven materials with multi-domain alignment of mesogens are designed and synthesized by textile technology, which should endow divers of exotic movements and novel functions to photo-driven materials composed of composite fibers. Thus, this project is beneficial to providing a new explication for the design fabrication and applications of novel photo-driven materials and of great scientific significance.

本项目拟以液晶聚合物为掺杂剂，超高分子量聚乙烯为聚合物基体，结合湿法纺丝和辐照交联的方法制备具有可逆形变的光驱动液晶/超高分子量聚乙烯复合纤维。通过研究复合纤维中液晶聚合物的含量、取向程度和辐照之后的交联密度与光驱动性能之间的关系，探讨其光驱动机理。在此基础上，以复合纤维为基材，通过纺织技术设计制备具有多畴取向的光驱动材料，赋予其多种多样的运动方式和功能。本项目可望为新型光驱动材料的设计、研究与应用提供新的思路，具有重要的科学意义。

本项目设计制备了与超高分子量聚乙烯（UHMWPE）化学结构相似、具备光响应和协同运动作用的液晶高分子。将液晶高分子掺杂到光惰性的UHMWPE中，结合湿法纺丝和辐照交联的方法制备了液晶/UHMWPE复合纤维。基于液晶高分子在UHMWPE基体中的分散行为和取向程度，研究了湿法纺丝和辐照交联制备工艺对液晶/UHMWPE复合纤维光驱动性能的影响。由于湿法纺丝中液晶高分子在UHMWPE基体中取向程度有限，为了进一步研究液晶/UHMWPE复合纤维的光驱动机理，结合溶液浇注和机械拉伸的方法制备了可见光激发和光致形变量大的氧化石墨烯（GO）掺杂的聚合物分散液晶（PDLC）复合薄膜。通过调节液晶的含量和机械拉伸程度可以有效控制复合薄膜的光驱动性能。研究液晶在复合薄膜中的分散状态和取向程度对PDLC复合薄膜光驱动性能的影响，阐述了其光致形变的机理。根据以上研究发现，液晶的取向程度是决定光驱动性能的主要因素，因此进行了除机械拉伸之外诱导液晶取向制备光驱动器件的研究，如利用纳米粒子诱导液晶取向，并对其诱导液晶取向的机理进行了初步的探索。本项目的研究不但对一维光驱动复合纤维的设计和制备具有借鉴意义，也为二维和三维光驱动器件的研究奠定了基础。