[發明專利]一種基于晶體光致相變的智能復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201610584431.6
• 申請日: 2016-07-22
• 公開（公告）號: CN106279745B
• 公開（公告）日: 2019-07-19
• 發明（設計）人: 于海峰;胡婧;李曉;王文忠
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: C08J7/06
• 分類號: C08J7/06;C08L23/06;C08L79/08
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 李稚婷

本發明公布了一種基于晶體光致相變的智能復合材料及其制備方法。以聚合物薄膜為柔性基底，其表面經摩擦處理得微溝槽結構，將可發生光致相變的小分子光響應晶體材料涂覆在基底表面，并通過退火獲得可以將光能轉換為機械能的光驅動復合薄膜。該復合薄膜經過裁剪，可以在特定波長光照下產生特定的變形，如彎曲、卷曲、螺旋、行走等，且過程可逆。本發明制備方法簡單，材料易得，形變量大，響應速度快，可控功能化，適用范圍廣，可用于柔性環境如人造機械系統的肌肉、關節，也可用于微機械系統領域。

技術領域

本發明涉及一類光響應性晶體材料，尤其涉及小分子光響應性晶體材料的光致相變，通過適當的方法與聚合物材料復合，得到可以實現復雜光致形變的復合材料，屬于智能材料領域。

背景技術

目前，公知的光驅動材料即光-機械能轉換材料主要集中在液晶材料領域，如液晶彈性體材料，該類材料的彎曲變形主要是利用液晶的相變來實現的。由于液晶是二維或一維有序，它的相變體積變化相對于三維有序的晶體材料要小，這導致材料宏觀形變程度較小。另外合成此類高分子液晶材料需要聚合、交聯，步驟繁瑣，要嚴格控制產物的分子量(參考文獻：Toru Ube,et al.AngewandteChemie International Edition，2014，53，10290-10299)。因此需要開發新型光驅動復合材料簡化與解決傳統光驅動材料體系存在的問題。

光驅動復合材料的功能主體一般是可以在光照下發生體積收縮和膨脹的光敏材料，具體實現方式是將光敏材料與基質材料相復合，通過材料間相互作用將光敏材料的微觀形變放大到宏觀可視的級別。目前應用較多的幾類光敏材料，包括發生光交聯作用的香豆素和蒽等；允許分子內光誘導成鍵的俘精酸酐、螺吡喃和二芳基乙烯等；還有發生光致順反異構作用的二苯代乙烯和偶氮苯等(參考文獻：Osvaldo Pieroni,et al.,Acc.Chem.Res.,2001,34,9-17；Zahid Mahimwalla,et al.,Polum.Bull.,2012,69,967-1006)。此外，有文獻報道一些特殊結構的小分子偶氮苯衍生物晶體材料可以在室溫條件下發生光致相變(參考文獻：YasuoNorikane,et al.,Org.Lett.,2014,16,5012-5015)。光致相變的晶體材料其相變所引發的材料體積變化顯著，可以在光驅動復合材料中發揮巨大的作用。

已經有文獻報導利用小分子偶氮苯衍生物晶體與低密度聚乙烯(LDPE)薄膜進行簡單的復合，實現光-機械能轉換，但是這一過程只利用偶氮苯分子的光致異構，沒有涉及相變過程，形變程度不夠大(參見文獻：Ziyi Liu,et al.Macromolecular RapidCommunication，2015，36，1171-1176)。基于這種材料的運動形式也比較有限，應用范圍受到限制。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明致力于開發一種新型光驅動復合材料，利用光響應性晶體材料的大的體積變化實現復合材料整體的光驅動功能，并提供一種以光響應性晶體材料為功能主體的光驅動薄膜材料的制備方法，克服現有光-機械能轉換材料制備工藝復雜、形變量不足等的缺陷。

本發明制備的光驅動復合材料由一類可以發生光致相變的小分子光響應晶體材料與通用聚合物薄膜組成。該光驅動復合材料是一種具有雙層結構的復合薄膜。如圖1所示，其中基底b為摩擦處理過的聚合物材料，上層a為小分子光響應晶體材料。在聚合物表面摩擦得到的微溝槽可以誘導小分子晶體取向，從而使光化學作用引發的體積變化在取向方向上得以放大，最終材料在特定波長的光照下，可以將光能轉換為機械能，對材料進行特定設計可以實現如下宏觀運動：薄膜的彎曲、纏繞、卷曲、行走等運動形式，其形變機理為雙層材料特有的雙金屬機理，將光活性層a的微觀形變放大為復合材料整體的宏觀形變。圖1中，過程1-2為復合薄膜光驅動右旋運動，過程3-4為復合薄膜光驅動左旋運動，過程5-6為復合薄膜彎曲成多層纏繞的同心環，以上過程均完全可逆。需要說明的是，圖1僅僅是對復合材料的形變情況進行示意，具體彎折情況以實際情況為準。