[發(fā)明專利]一種液晶彈性體柔性器件及其制備方法和應用

在審

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• 申請日: 2022-12-01
• 公開（公告）號: CN115926212A
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發(fā)明（設計）人: 計紅軍;鄭曉雄;李明雨
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業(yè)大學（深圳）
• 主分類號: C08J5/12
• 分類號: C08J5/12;C08J5/18;C08L101/12;C08G83/00;C08L87/00
• 代理公司: 深圳市添源創(chuàng)鑫知識產(chǎn)權代理有限公司 44855
• 代理人: 覃迎峰

本發(fā)明提供了一種液晶彈性體柔性器件及其制備方法和應用，該制備方法包括如下步驟：步驟S1，通過在液晶分子中引入動態(tài)共價鍵、超分子作用或預埋反應基團的中的一種或幾種的方法制備自修復液晶彈性體；步驟S2，將至少兩個自修復液晶彈性體部分重疊后，針對重疊部分在室溫下施壓進行超聲焊接；所述自修復液晶彈性體為熱、光、電、磁、濕度的不同刺激響應液晶體系的一種或幾種。本發(fā)明的技術方案通過設計制備自修復、可焊接液晶彈性體，并通過室溫、快速的超聲焊接，實現(xiàn)低溫、快速、高效地構建復雜三維結構致動器，而且采用超聲焊接，可以提高固相鍵合效率，有效保持液晶分子的取向性，提高液晶彈性體的驅動穩(wěn)定性。

技術領域

本發(fā)明屬于涉及智能高分子材料技術領域，尤其涉及一種液晶彈性體柔性器件及其制備方法和應用。

背景技術

近年來，液晶彈性體(LCEs)兼具比強度高、耐疲勞等優(yōu)勢，以及其液晶取向與交聯(lián)網(wǎng)絡的協(xié)同作用對環(huán)境具有極敏感的響應變形能力，在柔性致動器、軟體機器人等領域廣泛應用，引起了科研工作者的極大關注。柔性致動器的功能很大程度上依賴于其形狀變化，其形狀的復雜度對相關應用領域至關重要。但是，由于成型后液晶交聯(lián)網(wǎng)絡不溶不熔的特性，液晶彈性體的傳統(tǒng)制備工藝僅限于制備二維薄膜樣品，只能產(chǎn)生簡單的伸縮、彎曲驅動，難以構建復雜三維結構致動器。近日，國內(nèi)外學者通過在液晶交聯(lián)體系中引入動態(tài)共價鍵、預埋反應基團等方法，實現(xiàn)自修復液晶彈性體的焊接組裝，是一種構建液晶彈性體復雜結構致動器的有效策略。截至目前，液晶彈性體的焊接組裝工藝還存在加工溫度較高、加工時間較長等問題，焊接過程可能導致液晶取向度降低、驅動穩(wěn)定性下降。相關研究僅僅側重對動態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡的化學改性以及材料組成的調(diào)控，難以實現(xiàn)加工性與驅動穩(wěn)定性之間的平衡。如何提高液晶彈性體固相界面反應速率、高效制備復雜三維結構致動器是推進軟體機器人相關領域應用的關鍵，也是研究的難點。

發(fā)明內(nèi)容

針對以上技術問題，本發(fā)明公開了一種液晶彈性體柔性器件及其制備方法和應用，通過引入外部超聲能場促進液晶動態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡的固相鍵合，可以低溫、快速、高效地構建復雜三維結構致動器。在此基礎上，研究復雜結構液晶彈性體的焊接組裝，實現(xiàn)致動器在多種模式(伸縮、彎曲、扭曲等)、以及多種刺激(熱、光等)的復合驅動，推進微機電系統(tǒng)、軟體機器人等領域關鍵技術的應用發(fā)展。

對此，本發(fā)明采用的技術方案為：

一種液晶彈性體柔性器件的制備方法，包括如下步驟：

步驟S1，通過在液晶分子中引入動態(tài)共價鍵、超分子作用或預埋反應基團的中的一種或幾種的方法制備自修復液晶彈性體；

步驟S2，將至少兩個自修復液晶彈性體部分重疊后，針對重疊部分在室溫下施壓進行超聲焊接；其中所述自修復液晶彈性體為熱、光、電、磁、濕度的不同刺激響應液晶體系的一種或幾種。

采用此技術方案，通過設計制備力學性能和響應能力優(yōu)異的自修復、可焊接液晶彈性體，并通過室溫、快速的超聲焊接技術，實現(xiàn)低溫、快速、高效地構建復雜三維結構致動器。其中采用的超聲焊接技術利用超聲的高頻振動，在正載荷下將超聲能場轉化為液晶彈性體之間的摩擦功和形變能，通過有限溫升和塑性變形使焊接界面無限接近，發(fā)生擴散與鍵合，冷卻后形成可靠固相連接。其中，所述超聲焊接技術選自點焊和滾焊。而且超聲焊接與傳統(tǒng)固相連接方法(熱板焊等)相比，具有焊接溫度低(室溫)、焊接時間短(1s)、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢。此外，焊接過程中的超聲振動以及試驗件的相對摩擦，可以提高固相鍵合效率，有效保持液晶分子的取向性，提高液晶彈性體的驅動穩(wěn)定性。

進一步的，在此基礎上，可以通過不同液晶組成或取向的異質(zhì)液晶彈性體焊接組裝，實現(xiàn)柔性器件在多態(tài)模式(伸縮、彎曲、扭曲等)、以及多場刺激(熱、光、電等)的復合驅動，在可穿戴器件、微機電系統(tǒng)、軟體機器人等領域具有較大的應用前景。

作為本發(fā)明的進一步改進，步驟S2中，所述自修復液晶彈性體的厚度為0.01～0.5mm。