具有低形变温度与高可逆形变的液晶弹性体的研究

Liquid crystal elastomers with shape memory properties can be used as in artificial muscles and actuators. However, the deformation temperature and the reversible deformation of the conventional liquid crystal elastomers cannot meet the higher requirements of the artificial muscle and actuators. The project will carry out some research to solve these problems. In the fund, the preparation of the liquid crystal elastomers can be divided into two steps. First the side-chain liquid crystalline epoxy resin will be prepared. Then the epoxy resin cured completely and the liquid crystal molecules are oriented under a magnetic field or in the tensile stress to obtain the liquid crystal elastomer. The Influence of the tensile stress and the magnetic field intensity on the orientation of liquid crystal molecules will be studied.. The project solve the temperature response problem of the liquid crystal elastomers by selecting liquid crystal monomer with low phase transition temperature.A series of factors affecting shape memory properties will be studied, which include the degree of polymerization of methyl hydrogen siloxane, liquid crystal monomer, the flexible chain length of the curing agent, the length of spacer group and the crosslinking density. Based on this, the liquid crystal elastomers with low deformation temperature and high reversible deformation will be prepared. This study is of great importance for understanding the factors affecting the deformation of liquid crystal elastomers.

具有形状记忆性能的液晶弹性体可以应用在人工肌肉材料和微型致动器等领域。然而目前液晶弹性体的形变温度高以及可逆形变小不能满足人工肌肉材料以及致动器发展的更高要求。为了解决这些问题本项目将进行些研究。在本基金中，将采用两步法制备液晶弹性体，首先制备腰接型侧链液晶环氧树脂,然后使其固化并在磁场作用下或应力作用下使液晶分子取向从而得到液晶弹性体，并研究应力大小以及磁场强度对液晶分子取向的影响。. 通过选择相转变温度低的液晶单体作为液晶弹性体的响应基元来解决温度响应问题；系统分析聚甲基氢硅氧烷聚合度、液晶单体、固化剂柔性链长度、间隔基团长度、交联密度对液晶弹性体形变温度以及可逆形变量的影响，从而得到制备高可逆形变的液晶弹性体的条件。在此基础上制备具有低形变温度与高可逆形变量的液晶弹性体。该课题的研究对于液晶弹性体的形变的影响因素的认识具有非常重要的科学意义

具有形状记忆性能的液晶弹性体成为形状记忆材料的一个新的发展方向，但目前研究的液晶弹性体的形变温度都较高，一般都在60°C以上，这也造成其应用领域上的限制。而液晶弹性体的形变温度很大程度上受液晶单体的影响。本文拟从不同小分子出发通过分子设计合成具有双键或环氧等具有反应性质的官能团的液晶单体，并研究了取代基位置以及取代基长度对液晶单体的熔点和相转变温度的影响规律，得到了一些具有较低的相变温度(60°C)的液晶单体。本论文的主要研究内容有：. 以3,4-二羟基苯甲酸、2,4-二羟基苯甲酸、对羟基苯甲酸甲酯以及烷基环己基苯酚为主要原料，通过醚化、酯化、水解、氧化等反应设计合成了一系列端基官能团为双键或环氧的液晶单体，并通过萃取、重结晶、减压蒸馏以及柱层析对中间产物以及最终产物进行提纯。并通过红外光谱仪（FT-IR）、核磁共振（NMR）对产物分子结构进行表征，结果表明所有目标分子结构正确，符合预期设计。. 此外本文采用差热扫描量热仪（DSC）和热台偏光显微镜（POM）对合成液晶单体进行了其液晶性能的研究。研究表明部分液晶单体其为热致互变型液晶单体，其相转变温度低于60°C，此外还有部分液晶单体为单向冷却降温型液晶，其只在降温时才会呈现液晶相，其液晶相转变温度也低于60°C，符合最初设计初衷；研究还发现液晶单体的熔点和相转变温度是分子量增加与柔性增加的综合影响，当分子量增加带来影响大于柔性增加的影响，此时表现液晶单体的熔点和相转变区间温度向高温移动，反之当柔性增加的影响大于分子量带来的影响时候，液晶单体的熔点和相转变温度向低温区移动；此外取代基位置和官能团的变化也对液晶单体的熔点以及相转变温度有一定影响，当侧基位置越靠近共轭中心的时候，其熔点和相转变温度比较低。而官能团的变化（双键转化为环氧）也导致液晶单体的熔点以及相转变温度向高温移动。部分液晶还呈现出织态结构由向列相向近晶相的转化。