LCE

300

到

40 0

度

的明火，如果在

10

秒内没有点着，才可用于制造赛服。车手和车队人员的内衣、头罩、袜子和手套

都是用诺梅克斯制造的。

3

、

液晶弹性体（

LCE

）

液晶弹性体中起源于液晶表现的许多性质都能够被极大的保留下来

,

从而产生了一些具有非寻

常性质的 各向异性固体。

人工肌肉

液晶弹性体的

热响应和光响应

人工肌肉特征：弹性和收缩性。可 以由明显的形状和尺寸的变化去响应种种外界的刺激

,

如离子

浓度

,

电场

,

温度

,

光等。

液晶系统的取向有序性

和

聚合物网络的橡胶弹性

相结合是液晶弹性体

的核心。

不同相态的液晶作为主体可以生成不同类型的液晶弹性体，

主要 介绍

向列相液晶弹性体人工肌肉，

1981

年

Finkelmann

等人通过侧链液晶聚合物交联

,

制备出世界上首例液晶弹性体以来

,

液晶

弹性体由于兼有弹性体和液晶的 双重特性

(

即弹性、

有序性和流动性

),

具有机械力场作用下的取

向性

、铁电性、压电性和光学非线性等特殊性能

,

不仅可以用于制备全新的压电传感器

,

而且

还能应用于无孔过滤渗透膜和非线性光学材料等领域

[ 1]

。

【

1981

】

Finkelmann H, Kock H J, Rehage G. Investigations on liquid crystalline polysiloxanes 3. Liquid

crystalline elastomers

—

a new type of liquid crystalline material[J]. Die Makromolekulare Chemie, Rapid

Communications, 1981, 2(4): 317-322.

合成主链上含有介晶基元的液晶弹性体所需化合

物的化学结构式

[ 11]

Fig. 3 Chemical structures of the compounds used in the

preparation of LCEs with the mesogens on the main chains

This concept has been realized by adding liquid-crystalline molecules and crosslinking components to

poly(methy1siloxane)

a)

(1)in a polymer-analogous reaction as shown in Scheme

1.

In the first reaction

step an equimolar concentration (with respect to the vinyl groups) of the liquid-crystalline monomer 2

and the two crosslinking components 3 and

4

is added to 1in a solution of toluene.

The key point of this reaction is the addition of the crosslinking component

4

with the functional vinyl-

and methacryloyl groups.

No.89

Artificial muscles based on liquid crystal elastomers

Li M H, Keller P

. Artificial muscles based on liquid crystal elastomers[J]. Philosophical Transactions of the

Royal

Society

of

London

A:

Mathematical,

Physical

and

Engineering

Sciences,

2006,

364(1847):

2763-2777.

Li M H and Keller P. Phil. T rans. R. Soc. A, 2006, 364 : 2763-2777 .

( a)

主链液晶聚合物

( b)

侧对侧链液晶聚合物

( c)

端对侧链液晶聚合物

长的聚合物 链可以把刚性的类棒状液晶分子单体联接在一起并使其向列性有序化

< br>,

从而形成了

如图

19

所示的向列相聚合物。在这种情况中平均大分子的形状是 跟取向向列相有序性耦合的。

当然

,

最 强的耦合是在主链向列相聚合物中

,

此时液晶分子单体是直接链接成聚合物的骨架的

。

当分子单体取向为向列相时

,

聚合物的链是 拉长的

[

92]

,

而当分子状态为各向同性相时

,

则为熵

所驱动分子单体的排列恢复到无序的卷线构形

[

93]

。因此

,

从向列相到各向同性相的相变过程中产

生了分子平均形状从拉伸状到球形的转变

,

如图

20( a)

所示

。

当这些聚合物的链再松弛地联在一起的时候

< br>,

就形成了一种新型的橡胶

———

液晶弹性体

。

如果

,

液晶弹性体被制备得适宜

,

使得在整个样品中所有的分子单体都取向相同

,

那么耦合后作

为一个单畴所有的链都在一个方向上被拉长

(

所谓的液态单晶弹性体

———

Liquid

Sing

le

Cry

stal Elastome r

[ 94]

),

这样

,

在向列相

———

各向同性相相变中单个 聚合体的链形的变化将被传输到

弹性体样品的宏观形状的变化

,

如图

20( b)

所示。

Figure 2. (a) Conformations of main-chain LC polymers in the nematic (N) and isotropic (I)

phases. In the nematic phase, depending on the molecular weight of the chain, two possible

stretched chain conformations (linear and hairpin) were predicted theoretically (

de Gennes 1982

)

and observed by neutron-scattering experiments (

Li et al. 1993

;

Hardouin et al. 1995

). In the isotropic phase, a

random

coil

(Gaussian-like)

conformation

was

observed

(

Li

et

al.

1994

).

(b)

Macroscopic

shape

change

of

the

monodomain sample of main-chain LC elastomer at thenematic

–

isotropic transition.

除了上述 的具有同一微结构且交链桥无序分布于单畴样品的人工肌肉之外

, de Gennes

[ 91]

还提出

了一种基于三体共聚物

RNR(

R

:

经典的弹性体

,

N

:

向列相聚合物

)

的片状相的组合结构

,

如

图

21

所示。

其交链是只存在于

R

部分的

。

这个纹理化的结构在机械上是更强健的

,

< br>而且在压

缩

/

伸展周期中其单畴 向列相有序性也会更好地保持

。

从仿 生的角度来看这个结构也是很有意思

的

,

因为生物结构正是活性的和有组织的。这个三体复合结构模拟的不仅仅是肌肉的功能

(

收缩

/

伸 张

),

而且在某种程度上还模拟了真实肌肉细胞的等级和纹理结 构

[

98]

。在这一个三体模型的指

导下

,

已经合成和研究了许多这一类的片状结构的人工肌肉

[ 99

Figure 3. A striated artificial muscle (b) (

de Gennes 1997

) based on a triblock copolymer RNR (a)

in a lamellar phase with suitable crosslinking of the elastomer part R.

Figure 4. (a) Chemical structure of a side-on LC monomer and (b) schematic of the targeted

side-on LC elastomer

图

22

是一种组成热响应人工肌肉的侧链液晶聚合物单体的化学分子式和最终形成的侧链液晶< /p>

弹性体的结构简图

。

为了在宏观尺度上实现发生在分子水平上的形态变化