[发明专利]可逆光致变形液晶高分子和碳纳米管复合薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于智能材料技术领域，具体涉及一种液晶高分子和碳纳米管复合薄膜的制备方法。

背景技术

由于在人工肌肉、光驱动器和微型光机械系统等领域巨大的应用前景，光致变形高分子材料近年来取得很大的发展。其中，含有偶氮苯等光敏基团的交联型液晶高分子是研究最多的材料之一，材料的形变通过偶氮苯基团的光致异构化实现。通过引入交联液晶高分子材料，人们已经实现很多光驱动柔性器件，包括塑料马达、尺蠖式步行器、柔性微机器人、高频震荡器、人造纤维等。上述应用中，关键是控制液晶高分子材料的弯曲方向，而弯曲方向取决于液晶基元的取向结构。例如，均匀平行取向的液晶高分子薄膜向光弯曲，而垂直取向的液晶高分子薄膜背光弯曲。为了实现液晶取向，所使用的液晶盒基板表面通常需要改性，提高与液晶分子的相互作用。最常用的方法是机械摩擦。这种方法主要在玻璃基板表面涂覆一层聚酰亚胺，然后沿同一方向进行机械摩擦。摩擦过程产生的平行凹槽用来诱导液晶分子的取向。但是这种方法存在一些问题，如在表面引入破碎的残片和静电，对结构有一定程度的破坏，限制液晶高分子的性能和应用。

另一方面，碳纳米管自发现以来被广泛研究。因为优异的机械和电学性能，而且在可见-近红外区域具有很好的吸收，人们已经尝试把碳纳米管分散在热敏性的液晶高分子中，形成一个光控聚合物网络，在近红外光照射时发生收缩。碳纳米管可以吸收近红外光并将其转化为热能，从而诱导热敏液晶高分子从液晶态到无定形态的相转变。但是控制和改进液晶高分子的取向依然是很困难的，因为其中碳纳米管无规分布，同时因为间接光驱动，材料的敏感性和稳定性都较低，其他机械和电学性能也需要进一步提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种机械性能和电学性能良好的可逆光致变形液晶高分子和碳纳米管复合薄膜及其制备方法。

本发明提供的可逆光致变形液晶高分子和碳纳米管复合薄膜的制备方法，以含有光敏性偶氮苯基团的液晶高分子作为研究模型，通过与高度取向的碳纳米管薄膜复合，碳纳米管的取向结构有效诱导液晶基元沿着碳纳米管轴向取向，而不需要其他取向层，制备了可逆光致变形液晶高分子/碳纳米管复合材料。

本发明从化学气相沉积方法合成的碳纳米管阵列中直接纺出碳纳米管薄膜，与含有光敏性偶氮基元的液晶高分子复合，制备的复合薄膜；然后用紫外光照射平展的复合薄膜，复合薄膜向光弯曲，再以可见光照射弯曲复合薄膜的同一面，复合薄膜恢复到平展状态，该可逆光致变形可以重复上百次而没有明显的衰减。

本发明所述光致变形液晶高分子/碳纳米管复合薄膜的制备方法，具体步骤为：

（1）通过化学气相沉积方法合成碳纳米管阵列； 

（2）干法纺丝获得碳纳米管薄膜，并粘附固定在玻璃基片上；

（3）将两片覆有碳纳米管薄膜的玻璃基片平行固定，制成液晶盒；

（4）将液晶单体、交联剂和光引发剂按一定质量比例混合，加热混合物到一定温度使其熔融，将熔融体注入到上述液晶盒中；

（5）将熔融体降温至某临界点，液晶处于向列相；保持此温度，进行光聚合；聚合完成后，打开液晶盒，将得到的复合薄膜直接从玻璃基片上剥下来。

将上述复合薄膜用紫外光和可见光交替照射同一表面，即会交替出现向光弯曲和恢复平展的现象，这种可逆光致变形可以重复上百次而没有明显的衰减。 

本发明的步骤（2）中，固定在玻璃基片上的碳纳米管薄膜的层数可以大于1层，薄膜中碳纳米管是沿同一方向高度取向的，碳纳米管间隙大于50纳米。

本发明的步骤（3）中，制成液晶盒时，将两片覆有碳纳米管薄膜的玻璃片沿碳纳米管平行方向固定即可；液晶盒的厚度为1-1000微米，即对应于所需制备的复合薄膜的厚度。

本发明的步骤（4）中，液晶单体、交联剂和光引发剂按一定比例混合；其中，液晶单体与交联剂的摩尔比为1:99-99:1，光引发剂为液晶单体和交联剂总量的摩尔百分数为0.01%-10%； 加热混合物到一定温度（一般为80-200摄氏度，使其处于熔融态）。

本发明的步骤（4）中，所述交联剂为两端具有可聚合的双键结构化合物，如丙烯酸酯类交联剂，所述光引发剂可以为可见光引发剂，如氟化二苯基钛茂或双(五氟苯基)钛茂等。

本发明的步骤（5）中，所述某临界点温度为50-77摄氏度，处于液晶态；进行光聚合，一般光波长为400-700纳米，功率为1-30毫瓦每平方厘米，光照射聚合时间为1-24小时。