《形状记忆聚合物及其应用》笔记摘抄3:双向形状记忆聚合物

液晶弹性体

常用的形状记忆聚合物(SMP)一般指的是单向形状记忆性能,须借助外力赋予材料临时形状,这样在应用中受限了。

近年来,发现,液晶弹性体和水凝胶具有双向形状记忆,能够实现外界环境变化循环的自主形状变化,在驱动器及柔性机器人领域中展现出应用潜质。

液晶( Liquid Crystal)是一种介于液体和晶体之间的有序态,既拥有液体的流动性,同时也具备晶体的各向异性。

可将液晶基元引入可交联的聚合物链段中,经交联后就可以得到液晶弹性体 (LCE).

LCE利用刚性液晶域与柔性聚合物链段之间独特的耦合作用形成交联网络,既具有聚合物的弹性,又具有液晶的取向性,使之获得如热驱动、各向异性膨胀和弹性等。

经过单畴化的LCE网络中的介晶单元是有取向的,通常介晶单元在外部作用(如机械拉伸、电场、磁场等)下会发生定向排列。在一定的刺激条件下,介晶单元会发生各向同性相和各向异性相的相互转变,从而是制件在宏观上发生一定的尺寸变化,表现出双向记忆效应。

常见的LCE(液晶弹性体)制备方法有2种。

第一种的采用两步法。首先通过液晶单体和交联剂直接混合二形成一种弱交联的聚合物凝胶或低聚物,在对其单轴拉伸以单畴化,最后在保持机械力不变的情况下,进行二次交联,以锁定液晶基元在聚合物的排列方式。这类取向方式仅限于机械拉伸。

第二种是一步法直接交联,即选用带有端基可聚合的液晶单体,将其与交联剂、引发剂混合,在有取向的情况下进行聚合和交联。可采用拉伸外的磁场、电场、表面场定向。

这里选1个小视频,来演示LCE,注意观察来光,原实验来自UPENN。(参考大塑聚公众号同名文章里的视频)

液晶弹性体由于其“天然”的优势,在近10年来发展很快,特别是在3D打印材料,若把时间轴考虑,可称为4D材料。有兴趣的朋友可以搜索一下。

有个形象的比喻,LCE 的微观结构,像是在河流上漂泊的木排,经过“折腾“后,部分短结构高度取向,从而带来很特别的表现。

这类材料,与自然界里的天然材料在功能上更接近。

离充分理解自然之道还很远。感觉,只要稍微掰下一点渣渣,都够把玩好些年的。