一种本征型碳纳米管/液晶弹性体的制备方法及其在致动器中的应用技术

本发明专利技术属于智能材料技术领域，公开了一种本征型碳纳米管/液晶弹性体的制备方法及其在致动器中的应用。碳纳米管通过功能化修饰引入修饰基团，从而与液晶基元、交联剂和间隔基在热聚合和光聚合条件下形成本征型碳纳米管/液晶弹性体网络。该方法制备的本征型碳纳米管/液晶弹性体的平均拉伸强度可达13.87 MPa，相比纯液晶弹性体提高了4.2倍，红外致动应力、紫外致动应力分别达到了1.66 MPa、1.28 MPa。通过制备本征型碳纳米管/液晶弹性体的多层致动器和蛇形致动器，实现了致动器对温度、光等刺激的多重响应。此外，这种方法为设计和制备新型高性能的智能材料提供新思路，有望应用于人工肌肉、智能抓手等仿生器件。智能抓手等仿生器件。智能抓手等仿生器件。

【技术实现步骤摘要】
一种本征型碳纳米管/液晶弹性体的制备方法及其在致动器中的应用


[0001]本专利技术属于智能材料
，具体涉及一种本征型碳纳米管/液晶弹性体的制备方法及其在致动器中的应用。

技术介绍

[0002]致动器是一种通过电、热、光等外场刺激下，直接或间接控制机械结构，使之发生变形、移动或防止变形的机构。构建致动器用的智能材料要求兼具响应性和驱动性特点。作为一种新兴的智能高分子材料，液晶弹性体(LCE)在热、光、化学物质、电或磁场等外界刺激下，可通过改变高分子内部的液晶有序性，产生可逆的宏观形状变化，使其在人工肌肉、柔性机器人、智能表面等诸多智能领域有广阔的应用前景。然而，通常制备的液晶弹性体存在力学强度不佳、致动应力低和响应方式单一(主要为热响应)等问题，使其应用受到了限制。
[0003]碳纳米管因具有高机械强度(1TPa)、高导热性(高达6000W
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‑1)以及良好的光吸收性等优势被广泛应用到液晶弹性体的研究中，且以其构建的致动器能够产生较大的输出力。有研究发现，碳纳米管能够高效地吸收近红外激光。而近红外光响应因具有很强的穿透力、远程控制、局部驱动和无害等特性，在刺激反应中已得到了广泛的应用。因此可利用近红外激光，使碳纳米管将光能转换为热能形成“分子加热器”，进而触发液晶弹性体复合材料产生机械响应。然而，由于存在范德华力，碳纳米管容易聚集成束，导致载荷不能在碳纳米管之间或者碳纳米管与液晶弹性体之间进行有效的转移；而且会导致光不能高效的转化为热。此外，碳纳米管沿长轴方向具有更高的导热能力，若促使其在基体中取向，可以使得少量的碳纳米管发挥更大的作用。但由于碳纳米管的长径比(L/D)比较大，取向困难是另一个基本问题。这些问题的存在使得碳纳米管的优异性能在液晶弹性体中的应用受到了极大地限制。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种本征型碳纳米管/液晶弹性体的制备方法，该方法有效的解决了碳纳米管在液晶弹性体基体中分散和取向的问题，以实现其在致动器的应用中表现出优良的拉伸强度、致动应力以及多重响应特性。
[0005]基于上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]本专利技术第一方面提供了一种本征型碳纳米管/液晶弹性体的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)使用修饰基团物质对碳纳米管进行功能化修饰，得到接枝有修饰基团的功能化碳纳米管；
[0008](2)将液晶基元和光引发剂加入到溶剂中，溶解，得到溶液；
[0009](3)将交联剂、间隔基、催化剂和功能化碳纳米管加入到步骤(2)制备的溶液中，搅拌均匀得到分散液a；
[0010](4)将分散液a浇铸到模具中，进行聚合反应，得到多畴本征型碳纳米管/液晶弹性体；
[0011](5)将多畴本征型碳纳米管/液晶弹性体进行单轴拉伸处理，并置于紫外灯下进行固化，固化后撤去拉伸载荷，得到单畴本征型碳纳米管/液晶弹性体。
[0012]优选地，所述碳纳米管为羟基化碳纳米管、氨基化碳纳米管、羧基化碳纳米管中的至少一种。
[0013]更加优选地，所述碳纳米管为羟基化碳纳米管。
[0014]更加优选地，将步骤(3)中所述功能化碳纳米管加入溶剂中，通过超声处理得到分散液后，再加入到步骤(2)制备的溶液中。
[0015]更加优选地，步骤(4)中所述聚合反应温度为50～100℃，聚合反应时间为12～36h。
[0016]优选地，所述修饰基团物质为10
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十一碳烯酰氯、10
‑
十一烯醇、丙烯酰氯、4
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戊烯酰氯、 10
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十一烯酸、11
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十二烯酸中的至少一种。
[0017]更加优选地，所述修饰基团物质为10
‑
十一碳烯酰氯和丙烯酰氯。
[0018]优选地，所述步骤(1)中使用修饰基团物质对碳纳米管进行功能化修饰的具体操作如下：
[0019]1)在保护气体氛围下，将干燥后的碳纳米管加入溶剂中，超声、搅拌均匀得到碳纳米管分散液；
[0020]2)在保护气体氛围下，将催化剂缓慢滴加至碳纳米管分散液中，搅拌均匀，得到混合液；
[0021]3)在保护气体氛围下，将修饰基团物质滴加到步骤2)制备的混合液中，搅拌反应2～4h，然后在室温下继续反应1～2h，得到反应混合物；
[0022]4)将反应混合物进行离心、抽滤，收集滤出物，滤出物经洗涤、干燥处理，得到功能化碳纳米管。
[0023]优选地，对碳纳米管进行功能化修饰的过程中所述碳纳米管的活性基团、修饰基团物质和催化剂的摩尔比为1∶(2～10)∶(2～10)，其中羟基化碳纳米管的活性基团为羟基，羧基化碳纳米管的活性基团为羧基，氨基化碳纳米管的活性基团为氨基。
[0024]更加优选地，对羟基化碳纳米管进行功能化修饰的过程中所述羟基化碳纳米管的羟基、修饰基团物质和催化剂的摩尔比为1∶10∶10。
[0025]更加优选地，对羟基化碳纳米管进行功能化修饰的过程中，所述步骤1)至3)均在冰水浴条件下进行。
[0026]更加优选地，对碳纳米管进行功能化修饰的过程中所述干燥过程均在真空条件下进行。
[0027]优选地，所述液晶基元为RM82、RM257中的一种或两种。
[0028]更加优选地，所述液晶基元为RM82。
[0029]优选地，所述间隔基为1,2
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乙二硫醇、1,3
‑
丙二硫醇、1,5
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戊二硫醇、1,6
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己二硫醇、1,8
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辛二硫醇、1,9
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壬二硫醇、1,10
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癸二硫醇、3,6
‑
二氧杂
‑
1,8
‑
辛烷二硫醇中的至少一种。
[0030]更加优选地，所述间隔基为1,10
‑
癸二硫醇。
[0031]优选地，所述交联剂为四(3
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巯基丙酸)季戊四醇酯、季戊四醇四(巯基乙酸)酯、三羟甲基丙烷三(巯基乙酸)、三羟甲基丙烷三(3
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巯基丙酸酯)、六(3
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巯基丙酸)二季戊四醇酯中的至少一种。
[0032]更加优选地，所述交联剂为四(3
‑
巯基丙酸)季戊四醇酯。
[0033]优选地，制备本征型碳纳米管/液晶弹性体的方法中所述液晶基元、交联剂和间隔基的质量比为(50～80)∶(5～10)∶(10～15.5)，所述功能化碳纳米管的质量占液晶基元、交联剂和间隔基三者质量和的0.05～5％，所述催化剂的质量占液晶基元、交联剂和间隔基三者质量和的0.1～0.57％，所述光引发剂的质量占液晶基元、交联剂和间隔基三者质量和的2～8％。
[0034]优选地，所述碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的一种或两种。
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种本征型碳纳米管/液晶弹性体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）使用修饰基团物质对碳纳米管进行功能化修饰，得到接枝有修饰基团的功能化碳纳米管；（2）将液晶基元和光引发剂加入到溶剂中，溶解，得到溶液；（3）将交联剂、间隔基、催化剂和功能化碳纳米管加入到步骤（2）制备的溶液中，搅拌均匀得到分散液a；（4）将分散液a浇铸到模具中，进行聚合反应，得到多畴本征型碳纳米管/液晶弹性体；（5）将多畴本征型碳纳米管/液晶弹性体进行单轴拉伸处理，并置于紫外灯下进行固化，固化后撤去拉伸载荷，得到单畴本征型碳纳米管/液晶弹性体。2.根据权利要求1所述的本征型碳纳米管/液晶弹性体的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管为羟基化碳纳米管、氨基化碳纳米管、羧基化碳纳米管中的至少一种，所述修饰基团物质为10
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十一碳烯酰氯、10
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十一烯醇、丙烯酰氯、4
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戊烯酰氯、10
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十一烯酸、11
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十二烯酸中的至少一种。3.根据权利要求2所述的本征型碳纳米管/液晶弹性体的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中使用修饰基团物质对碳纳米管进行功能化修饰的具体操作如下：1）在保护气体氛围下，将干燥后的碳纳米管加入溶剂中，超声、搅拌均匀得到碳纳米管分散液；2）在保护气体氛围下，将催化剂滴加至碳纳米管分散液中，搅拌均匀，得到混合液；3）在保护气体氛围下，将修饰基团物质滴加到步骤2）制备的混合液中，搅拌反应2～4 h，然后在室温下继续反应1～2 h，得到反应混合物；4）将反应混合物进行离心、抽滤，收集滤出物，滤出物经洗涤、干燥处理，得到功能化碳纳米管。4.根据权利要求3所述的本征型碳纳米管/液晶弹性体的制备方法，其特征在于，对碳纳米管进行功能化修饰的过程中所述碳纳米管的活性基团、修饰基团物质和催化剂的摩尔比为1∶（2～10）∶（2～10），其中羟基化碳纳米管的活性基团为羟基，羧基化碳纳米管的活性基团...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘旭影，张居中，刘水任，孙丹丹，陈金周，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：