单畴液晶弹性体/碳纳米管取向复合膜的制备及其光机械响应

单一材料构建的致动器存在响应速率慢或形变量和输出力小以及难以远程控制等问题。本项目结合碳纳米管可赋予聚合物材料光机械响应行为和单畴液晶弹性体在热致相变时产生大形变的特点，通过电、磁场诱导羟基化碳纳米管和腰接型液晶单体沿场方向有序排列，然后用紫外光引发原位聚合以制备具有光致动特性的单畴液晶弹性体/碳纳米管取向复合膜。通过改变电、磁场强度调节碳纳米管在基体中的取向度；利用碳纳米管表面羟基与液晶分子间的氢键作用，改善碳纳米管在基体中的分散性和界面粘接作用；调节碳纳米管含量和取向度控制复合膜致动器的响应速率、形变量和输出力。本项目基于碳纳米管与液晶弹性体在致动性能上的互补性和形变方向上的协同性，将系统研究近红外激光(波长、强度)、碳纳米管(含量、取向度)与复合膜的光机械响应行为之间的相互关系，揭示复合膜的光致形变机理，从而为发展响应速率快、形变量大和输出力大的光致动器提供新的构建方法和理论依据。

将羟基化碳纳米管、液晶单体、交联剂和光敏剂均匀混合，通过紫外光引发聚合制备了纳米管/液晶弹性体复合纤维；用注射器将纳米管-双组份硅烷的均匀混合液注入到热硅油中，通过反应性挤出纺丝法快速制备了纳米管/聚硅氧烷复合纤维。研究发现：纳米管均匀分散在弹性体中；以近红外(NIR)激光辐照复合纤维，纳米管吸收NIR光产生机械响应，并将光能转换为热能触发弹性体链段运动、构象变化和相转变，赋予弹性体光致动特性，而纯弹性体受光照无机械响应；随纳米管含量增加，复合纤维的形变量和输出力先增加后减小，其形变量、响应速率高达47%和3.6%/s；增加NIR光功率强度、纤维受辐照面积或减小光波长，复合纤维的响应速率、形变量和输出力均增加；预拉伸可诱导纳米管在复合纤维中取向，且随取向度增加输出力增加；随NIR光照开关，复合纤维快速地产生收缩与伸展，以其构建的机械臂和升降模拟装置能够快速地抓举、提升与释放物体。通过多参数(NIR波长、功率、辐照面积、纳米管含量与取向度)调节能够有效地控制复合纤维的光机械响应行为，为构建响应快、形变大和输出力大的光致动器提供了新的理论依据和技术途径。受基金资助已在国际期刊发表论文9篇和专著2章，申请中国发明专利2项。