清华大学吉岩课题组《Nat. Commun.》：成型后调控液晶弹性体驱动器的驱动温度

2023-06-15 来源：高分子科技

液晶弹性体（LCEs）能够在热、光、电等刺激下，在液晶相-各向同性相转变时，可以发生显著的可逆变形。作为优异的软驱动器材料，其在人工肌肉、柔性机器人、可穿戴设备等领域具有广阔的应用前景，近年来液晶弹性体的发展非常迅速。一般情况下，驱动温度由液晶相-各向同性相转变温度(T_i)确定，材料合成之后，其驱动温度已经确定无法改变。驱动温度的调控需要改变材料的分子设计，从合成开始改变材料的化学组成，从而改变T_i, 才可以获得不同的驱动温度。

近期，清华大学化学系吉岩副教授课题组发现，通过对动态共价液晶弹性体进行退火，得到新的拓扑结构，新结构可以被动态共价键的交换反应固定下来，从而在材料成型后不改变材料的化学组成，即可调控驱动器的驱动温度。该工作以“Enabling liquid crystal elastomers with tunable actuation temperature”为题发表在《Nat. Commun.》上。文章的第一作者是清华大学博士生姚艳锦。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

图1. 液晶弹性体在退火温度(Ta)分别为110°C（T_a < T_i0)和180°C （T_a > T_i0)时T_i随时间的变化

以含酯键的液晶类玻璃高分子xLCE-BP为例，文章展示了通过动态酯交换反应和退火共同作用，可以实现对xLCE-BP的T_i进行大幅度的调控。如图1所示，差示扫描量热法(DSC)数据显示，退火温度(T_a)小于初始T_i(T_i0)时，xLCE-BP的T_i会升高；相反，退火温度小于初始T_i0时，xLCE-BP的T_i值随着退火时间的增加而降低。随着退火时间的延长，T_i峰逐渐变宽，最终几乎与玻璃化转变重叠。而且退火温度越高，T_i降低速度越快。例如，从DSC升温曲线看，在T_a= 140℃下5天，T_i从114 ℃下降到89 ℃，高于相同xLCE-BP在180℃下退火4天获得的77℃。

通过退火调控xLCE-BP (T_i0=114 ℃)的T_i的过程是可逆的，如图2所示，在80℃ (T_a < T_i0)下再退火30天后，样品在180℃下退火3小时(新T_i0 = 103 ℃)和6小时(新T_i0 = 95℃)后，T_i分别上升到122℃和105℃。同样，在180 ℃下退火12小时(新T_i0= 88 ℃)、1天(新T_i0 = 81 ℃)、2天(新T_i0 = 80 ℃)、4天(新T_i0 = 77 ℃)的样品，在65 ℃ (T_a< T_i0)下退火50天后，T_i值也分别上升到92 ℃、82 ℃、83 ℃、79 ℃。由于退火是在低温下进行的，在低温下，酯交换反应缓慢，所以这种情况导致T_i增加相对较小且缓慢。

图2.T_i的可逆调控

对在拉伸试样的同时进行退火，可以得到单畴xLCE-BP。与多畴样品类似，在不同温度下，不同退火时间可以得到具有不同T_i的单畴xLCE-BP。如图3所示，采用多畴xLCE-BP（T_i0 = 114 ℃）在180℃下拉伸24h和3h后退火得到T_i为90 ℃ (T_i1)和112 ℃（T_i2）的样品。采用xLCE-BP（T_i0 =114 ℃）在110℃下拉伸3 d、10 d和30 d后，分别退火得到T_i含量为122 ℃（T_i3）、135 ℃（T_i4）和152 ℃（T_i5）的样品。五个样品放在一起。当温度达到100℃时，只有T_i为90℃的试样收缩。随着温度的升高，在120℃、130℃、140℃、160℃时，T_i为112℃、122℃、135℃、152℃的试样依次收缩。

图3 同一种组成的xLCE-BP通过退火获得5种具有不同驱动温度的驱动器

全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39238-2

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（责任编辑：xu）

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