论文部分内容阅读
交联液晶高分子近十几年来成为了研究的热点。轻度液晶交联高分子，又叫液晶弹性体，既具有聚合物网络的橡胶弹性，又具有液晶分子的各向异性；重度交联的液晶高分子则由于其交联度较高，介晶基元的有序排列被较好地固定下来，弹性模量也较高。近年来，人们比较感兴趣的是交联的液晶高分子在外界刺激(热、光、电等)的作用下由于介晶基元有序度的变化所引起的机械形变(伸缩、弯曲、扭曲等)。其中，含有偶氮苯的交联液晶高分子薄膜所发生的光致形变成为最新的研究热点，然而该类材料的形变大都由于材料的玻璃化转变温度较高而需要加热设备的辅助才能实现，这样不利于仪器的小型化以及其在微机械电系统中的应用。
本论文中合成了含有偶氮苯基团且间隔基较长(亚壬基、亚十一基和亚十二基)的丙烯酸酯类单体和交联剂，并以此制备了不同交联度的液晶高分子薄膜，通过扫描示差量热法(DSC)，偏光显微镜(POM)、热机械分析仪(TMA)、x射线衍射(XRD)、紫外可见吸收光谱(UV-Vis)等手段，对其热力学性质、液晶性、光致弯曲现象以及光致应力变化等方面进行了研究。
我们首先对间隔基为亚十一基的薄膜进行了详细的研究，得到如下的主要研究结果：
(1)通过DSC的表征，我们发现所有薄膜的玻璃化转变温度均在室温附近，较低的玻璃化转变温度使得这些薄膜能够在室温下发生紫外光致弯曲，并在可见光照下恢复原状。这种光致弯曲是由于薄膜表面在光化学相转变过程中产生形变引起的。
(2)薄膜弯曲的速度与从紫外可见吸收光谱计算得到的介晶基元有序参数相对应，即介晶基元有序参数越大的薄膜弯曲越快，这是由于光化学相变前后存在较大的有序参数差异，单位时间内能够产生更大的形变量，因此可以更好的推动薄膜弯盐行为的发生。除此之外，薄膜的弯曲速度还受到了光强和温度的影响，提高光强可以增加单位时间内偶氮苯异构的数量，从而加快弯曲形变；而适当提高温度也能促使链段运动，提高弯曲速度。
(3)我们发现不同交联度的薄膜具有不同的形变方式。其中，交联度为10％的薄膜(11f9010)在90℃以下时会先远离光源然后朝向光源方向弯曲，在90℃以上时则会直接朝着光源方向弯曲。这是因为温度低于90℃时，由近晶相向向列相的转变使得薄膜表面伸长，而紧接着的向列相到各向同性的转变过程中薄膜表面会发生收缩。而温度高于90℃时，薄膜表面处于向列相，紫外光照使得薄膜表面通过光化学相转变变为各向同性相，表面发生收缩；
(4)交联度较高(≥20％)的薄膜在所有温度下均朝向光源方向弯曲，这是由于从近晶相到向列相的相变过程中薄膜形变不明显，只能观察到从向列相到各向同性相的光化学相转变过程中表面收缩而引起的薄膜朝向光源方向的弯曲行为。 (5)我们还利用热机械分析仪测定了各个薄膜在紫外光照下发生的应力变化，发现薄膜11f9010的应力变化与光致弯曲行为的观察结果相吻合。另外，薄膜的光致应力变化随着交联度的提高而增大，交联度为100％的薄膜(11f0100)的应力变化高达800 kPa，远高于人类肌肉的收缩力(300 kPa)，这是应变变化不大而弹性模量随着交联度升高的结果。
此外，为了与间隔基是亚十一基的薄膜相比较，我们还制备了间隔基为亚壬基和亚十二基的薄膜。我们发现间隔基为亚十二基，交联度为10％的薄膜(121901.0)与11f9010有着类似的光致弯曲行为。而间隔基较短的(919010)和交联度较高(12f8020和918020)的薄膜则只发生朝向光源的光致弯曲行为，这是因为较短的间隔基和较高的交联度都能使薄膜的近晶相中更好地保持了类似向列相的扁长主链构象，因此这些薄膜在由近晶相到向列相的转变过程中不发生明显的形变。