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北京航空航天大学:一种构建多响应液晶高分子3D结构的裁剪-焊接工艺

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发表于 2019-4-4 21:35:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
近日,北京航空航天大学陈爱华课题组设计了一种新型的液晶高分子交联体系,通过带有活性酯基团的偶氮苯液晶嵌段共聚物和富含氨基的支化聚乙烯亚胺反应,得到具有光、湿度多响应的交联液晶高分子(图1)。并利用交联体系中氢键作用以及高温再交联的特性,研发其自焊接的工艺(图2)。此外,通过这种裁剪-焊接工艺有效制备了多种2D和3D的复杂结构,可以集成到机械手臂中实现毫米级物体的远程操控(图3),在人工肌肉、软体机器人领域中有巨大的应用潜力。
在智能材料领域中,液晶高分子不仅具有高分子材料质量轻、比强度高、耐疲劳等特点,同时液晶分子的取向排列还赋予了材料分子间的协同作用以及各向异性,极大地提高了材料的刺激响应能力,是近年来的研究热点之一。目前液晶高分子可以通过多种刺激方式(如光照、加热、电磁场等)控制其形变,广泛应用在传感器、制动器、人工肌肉以及软体机器人等领域。
其中,光响应变形的交联液晶高分子(Crosslinkedliquidcrystallinepolymer,CLCP)由于光远程定点精确操控以及光照参数可调,已经实现多种薄膜的制动方式,如弯曲、滚动、波动、行走和推拉式运动。液晶高分子的光致形变功能完全由光控制,不需要任何电池、电动机等的介入,可为微型机器人等微纳系统提供重要的致动部件。然而,由于交联聚合物不溶不熔的特性,目前光响应液晶高分子的加工性能还不够理想,制备仍然停留在二维结构,限制其实际的应用。因此,如何有效制备具有三维复杂结构的交联液晶高分子成为我们亟待解决的问题。
北京航空航天大学:一种构建多响应液晶高分子3D结构的裁剪-焊接工艺
图1(a)CLCP体系化学结构;(b)CLCP薄膜制备示意图;(c)CLCP薄膜光、湿度响应变形示意图与照片。
图2(a)CLCP薄膜焊接工艺示意图;(b)2D焊接薄膜照片;(c)3D焊接圆环照片;(d-f)薄膜焊接前后力学性能研究。
图3(a)3D焊接机械爪的设计示意图;(b)仿鹰爪设计图片;(c)光照、湿度响应协同作用可以拓宽爪子的变形范围;(d)机械爪集成到机械手臂实物照片;(e)被抓取物体照片,尺寸5mm×5mm×5mm,重4.5mg;(f)光照、湿度响应协同作用控制小物体的抓取。
这一成果以题为“ACut-and-WeldProcessto3DArchitecturesfromMultiresponsiveCrosslinkedLiquidCrystallinePolymers”发表在国际著名期刊《Small》上,文章第一作者为北航材料学院博士研究生郑晓雄,通讯作者为陈爱华副教授。该研究为交联液晶高分子的制备工艺提供了一种新的策略,并展示了其在软体机器人领域应用的可能性。
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