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清华大学吉岩课题组《Nat. Commun.》:成型后调控液晶弹性体驱动器的驱动温度
2023-06-15  来源:高分子科技

  液晶弹性体(LCEs)能够在热、光、电等刺激下,在液晶相-各向同性相转变时,可以发生显著的可逆变形。作为优异的软驱动器材料,其在人工肌肉、柔性机器人、可穿戴设备等领域具有广阔的应用前景,近年来液晶弹性体的发展非常迅速。一般情况下,驱动温度由液晶相-各向同性相转变温度(Ti)确定,材料合成之后,其驱动温度已经确定无法改变。驱动温度的调控需要改变材料的分子设计,从合成开始改变材料的化学组成,从而改变Ti, 才可以获得不同的驱动温度。


  近期,清华大学化学系吉岩副教授课题组发现,通过对动态共价液晶弹性体进行退火,得到新的拓扑结构,新结构可以被动态共价键的交换反应固定下来,从而在材料成型后不改变材料的化学组成,即可调控驱动器的驱动温度。该工作以“Enabling liquid crystal elastomers with tunable actuation temperature”为题发表在《Nat. Commun.》上。文章的第一作者是清华大学博士生姚艳锦该研究得到国家自然科学基金委的支持。 


图1. 液晶弹性体在退火温度(Ta)分别为110°C(Ta < Ti0)和180°C (Ta > Ti0)时Ti随时间的变化


  以含酯键的液晶类玻璃高分子xLCE-BP为例,文章展示了通过动态酯交换反应和退火共同作用,可以实现对xLCE-BPTi进行大幅度的调控如图1所示,差示扫描量热法(DSC)数据显示,退火温度(Ta)小于初始Ti(Ti0)时,xLCE-BPTi会升高;相反,退火温度小于初始Ti0时,xLCE-BPTi值随着退火时间的增加而降低。随着退火时间的延长,Ti峰逐渐变宽,最终几乎与玻璃化转变重叠。而且退火温度越高,Ti降低速度越快。例如,DSC升温曲线看,在Ta1405天,Ti114 下降到89 高于相xLCE-BP180下退火4天获得的77


  通过退火调控xLCE-BP (Ti0=114 )Ti的过程是可逆的,如图2所示,在80  (Ta < Ti0)下再退火30天后,样品在180℃下退火3小时(Ti0 = 103 )6小时(Ti0 = 95 )后,Ti分别上升到122 105 。同样,在180 下退火12小时(Ti0 = 88 )1(Ti0 = 81 )2(Ti0 = 80 )4(Ti0 = 77 )的样品,在65  (T< Ti0)下退火50天后,Ti值也分别上升到92 82 83 79 。由于退火是在低温下进行的,在低温下,酯交换反应缓慢,所以这种情况导致Ti增加相对较小且缓慢。 


2.Ti的可逆调控


  对在拉伸试样的同时进行退火,可以得到单畴xLCE-BP。与多畴样品类似,在不同温度下,不同退火时间可以得到具有不同Ti的单畴xLCE-BP。如图3所示,采用多畴xLCE-BPTi0 = 114 180 下拉伸24h3h后退火得到Ti90  (Ti1)112 Ti2的样品。采用xLCE-BPTi0 =114 110 下拉伸3 d、10 d30 d后,分别退火得到Ti含量为122 Ti3)、135 Ti4152 Ti5的样品。五个样品放在一起。当温度达到100 时,只有Ti90 的试样收缩。随着温度的升高,在120 130 140 160 时,Ti112 122 135 152 的试样依次收缩。


同一种组成的xLCE-BP通过退火获得5种具有不同驱动温度的驱动器


  全文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-39238-2

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(责任编辑:xu)
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