本發明涉及一種以連續性纖維為增強相的液晶彈性體復合材料及制備方法。
背景技術：
智能材料是在一定的外界條件刺激下形狀發生改變的材料，在工業、環境以及醫療等領域具有重要應用價值。液晶彈性體(Liquid crystalline elastomers,LCEs)是近年發展起來的新型智能材料，具有液晶的各向異性結構特性和橡膠彈性體的彈性特性，具有變形幅度大、響應速度快以及變形具有可逆性等優點，在微機電系統，智能制動器和傳感器等領域具有更優越的應用價值。不同種類的液晶彈性體可被不同的外界刺激因素所制動，如光、熱和電磁場等。現有的液晶彈性體存在材料強度偏低的問題，在長時間高溫環境下，較大的制動負載下易于損傷以至斷裂，反復制動下的抗疲勞損傷能力也不高。通過結合增強相制成復合材料是提高材料的力學性能有效方法。由于液晶彈性體是一種大變形幅度的智能材料，一般認為引入連續性增強相，如連續性纖維，可能嚴重影響其變形制動性能。而且受材料制備工藝等條件限制，目前未有用連續性纖維來增強液晶彈性體材料。目前主要是加入分散相材料來提高其理化性能，包括力學性能。但分散性的添加材料，其對力學復合增強作用不及連續性增強相材料。
技術實現要素：
基于以上不足之處，本發明提供一種以連續性纖維為增強相的液晶彈性體復合材料及制備方法。
本發明所采用的技術如下：一種以連續性纖維為增強相的液晶彈性體復合材料的制備方法，基體為液晶彈性體，方法如下：
反應混合溶液為0.16克聚甲基硅氫氧烷、0.65克1，4-丁烯氧基苯甲酸-對位甲氧基苯酚脂和0.088克1,4-雙十一烯氧基苯溶解在2.6毫升的甲苯內，加入120微升的催化劑溶液，
催化劑溶液配制過程為0.025克的1氯鉑(II)-1,5-環辛二烯溶入2毫升的二氯甲烷，而后用20毫升甲苯稀釋，配成溶液；
連續性柔性纖維事先布置于模具底部，反應混合液澆注后，進行第一步熱交聯，第一步預交聯之后，進行拉伸形成材料內的向列分子結構，而后進行第二步熱交聯，完成交聯過程，制備成以連續性纖維為增強相、以液晶彈性體為基體的復合材。
本發明還具有如下技術特征：
1、如上所述的第一步熱交聯，然后拉伸成形，最后第二步熱交聯的具體方法如下：
將反應混合液倒入一長方形聚四氟模具內，此模具的尺寸為長90毫米、寬14毫米、深10毫米，模具底部事先布置一個長90毫米、寬12毫米、厚0.3-0.4毫米的聚氨酯纖維網，
而后將模具密封并在65℃下加熱50分鐘，此時模具內生成了預交聯的復合材料凝膠體，打開模具，加入7毫升的脫膜劑正己烷，將其內埋有聚氨酯纖維網的復合材料凝膠體小心取出，掛在架子上涼干，待凝膠體內的甲苯逐漸揮發干凈,此條形復合材料凝膠體逐漸縮成63毫米長的長方條形膜，埋在其內的聚氨酯纖維網由于具有柔性，也隨材料同步收縮；
而后在其下端掛載6.5克重物，并每2小時加掛2.5克重物，直至重物總重達到14克，在此重量重物作用下繼續持續12小時，此復合材料凝膠膜被拉伸至90毫米，埋在其內的聚氨酯纖維網恢復了原長度，消除了預變形以及由此導致的預應力；
在此拉伸過程中，凝膠基體內也形成了液晶的向列分子結構，
而后將材料在70℃下熱處理24小時，完成第二步交聯，制備成以聚氨酯纖維網為增強相的、以向列型液晶彈性體為基體的液晶彈性體納米復合材料，其尺寸為90mm×12mm×0.8mm。
2、按如上所述制備過程，將各原料用量、設備尺寸，操作的相關物理數據按比例放大，能夠制備出不同大小的以連續性纖維為增強相的液晶彈性體復合材料。
3、該液晶彈性體復合材料能夠在78℃以上收縮，在10秒內收縮達到最大收縮幅度為27％，當溫度低于60℃后，能夠在10秒內恢復原長，其收縮所產生的最大制動力為260KPa。
4、按如上所述制備過程，在液晶彈性體基體內加入Fe3O4納米粒子，所制成的液晶彈性體納米復合材料能夠被交流磁場可逆制動。
5、按如上所述制備過程，在液晶彈性體基體內加入碳納米管、石墨烯材料或納米碳黑粒子，所制成的納米復合材料能夠被可逆地光制動。
6、按如上所述制備過程，在液晶彈性體基體內加入碳納米管，當加入的碳納米管的比例為液晶彈性體基體質量的0.4％時，所制得的液晶彈性體納米復合材料在室溫25℃，在200mW/cm2的擬日光光譜的白光光照下，在10秒內沿軸向收縮最大收縮率為27％，并產生260KPa的最大收縮制動力，移除光源后，在10秒內恢復原長，具有完全的可逆光制動性能。
本發明的優點及有益效果：由于聚胺脂纖維網的柔性，使其可隨液晶彈性體基體同步伸縮而不影響其可逆變形性能。液晶彈性體基體內復合聚胺脂纖維網，顯著提高材料的力學性能。使材料經歷多次接近滿負載負荷條件下反復致動，無明顯的疲勞損傷。可在高溫條件下長時間工作。而且顯著提高了實際致動力。復合材料制備工藝有效地結合基體材料的合成工藝，制備方法相對簡便高效。
具體實施方式
下面舉例對本發明做進一步說明
實施例1
一種以連續性纖維為增強相的液晶彈性體復合材料的制備方法，基體為液晶彈性體，如下：
反應混合溶液為0.16克聚甲基硅氫氧烷、0.65克1，4-丁烯氧基苯甲酸-對位甲氧基苯酚脂和0.088克1,4-雙十一烯氧基苯溶解在2.6毫升的甲苯內，加入120微升的催化劑溶液，
催化劑溶液配制過程為0.025克的1氯鉑(II)-1,5-環辛二烯溶入2毫升的二氯甲烷，而后用20毫升甲苯稀釋，配成溶液；
將反應混合液倒入一長方形聚四氟模具內，此模具的尺寸為長90毫米、寬14毫米、深10毫米，模具底部事先布置一個長90毫米、寬12毫米、厚0.3-0.4毫米的聚氨酯纖維網，
而后將模具密封并在65℃下加熱50分鐘，此時模具內生成了預交聯的復合材料凝膠體，打開模具，加入7毫升的脫膜劑正己烷，將其內埋有聚氨酯纖維網的復合材料凝膠體小心取出，掛在架子上涼干，待凝膠體內的甲苯逐漸揮發干凈,此條形復合材料凝膠體逐漸縮成63毫米長的長方條形膜，埋在其內的聚氨酯纖維網由于具有柔性，也隨材料同步收縮；
而后在其下端掛載6.5克重物，并每2小時加掛2.5克重物，直至重物總重達到14克，在此重量重物作用下繼續持續12小時，此復合材料凝膠膜被拉伸至90毫米，埋在其內的聚氨酯纖維網恢復了原長度，消除了預變形以及由此導致的預應力；
在此拉伸過程中，凝膠基體內也形成了液晶的向列分子結構，
而后將材料在70℃下熱處理24小時，完成第二步交聯，制備成以聚氨酯纖維網為增強相的、以向列型液晶彈性體為基體的液晶彈性體納米復合材料，其尺寸為90mm×12mm×0.8mm。
該復合材料能夠在78℃以上收縮，在10秒內收縮達到最大收縮幅度為27％，當溫度低于60℃后，能夠在10秒內恢復原長，其收縮所產生的最大制動力為260KPa。
實施例2
按實施例1所述制備過程，將各原料用量、設備尺寸，操作的相關物理數據按比例放大，能夠制備出不同大小的液晶彈性體復合材料。
實施例3
按實施例1的方法，在液晶彈性體基體內引入其它納米相功能材料，所制成的納米復合材料可以利用其它條件來可逆地制動。例如在液晶彈性體基體內引入Fe3O4納米粒子，所制成的納米復合材料可以被交流磁場可逆制動，機理是分散在液晶彈性體基體內的Fe3O4納米粒子吸收磁能轉變成熱能加熱液晶彈性體基體，對材料產生制動。在液晶彈性體基體內引入碳納米管、石墨烯材料或納米碳黑粒子，所制成的納米復合材料可以被可逆地光制動，機理是這些納米材料可以吸收光能轉變成熱能加熱液晶彈性體基體，對材料產生制動。材料的制動收縮率和最大制動力基本不變。制備方法是在上述材料制備過程中，在反應混合液內加入所需納米材料，其余工序相同。
實施例4
按實施例1的方法，在液晶彈性體基體內加入碳納米管，當碳納米管的比例為液晶彈性體基體質量的0.4％時，所制得的液晶彈性體納米復合材料在室溫25℃，在200mW/cm2的擬日光光譜的白光光照下，在10秒內沿軸向收縮約27％(最大收縮率)，并產生260KPa的最大收縮制動力，移除光源后，可在10秒內恢復原長，具有完全的可逆光制動性能。該材料也可以被自然陽光進行可逆光制動。除廣光譜光源外，也可被單色光制動，無專門的光譜依賴性。原理為分散在液晶彈性體基體內的碳納米管可以吸收光能轉化為熱能，將液晶彈性體基體加熱，當溫度超過向列相態到各向同性相態的轉變溫度Tni后，液晶彈性體基體由各向異性的向列相結構轉變成各向同性相結構，使得材料發生軸向收縮并產生力學制動。當移除光照，溫度下降低于Tni，材料恢復向列相態結構，材料恢復原形狀。該材料也可被熱制動，且制動具有可逆性，當溫度升至超過/或降至低于液晶彈性體基體的Tni之時，材料將收縮或恢復原長，收縮幅度以及收縮制動力相同。由于具有聚胺脂纖維網的增強作用，顯著提高了其光熱制動過程的抗斷裂損傷疲勞等性能，可在最大制動載荷下——即260KPa的最大收縮制動力，反復使用1000次以上而無明顯的疲勞損傷跡象。而無連續性纖維增強的同種液晶彈性體(雖然同樣具有光熱制動性質)，在最大制動載荷下使用不超過10次既斷裂。由于聚胺脂纖維網的柔性，使其可隨液晶彈性體基體同步伸縮而不影響其可逆變形性能。
實施例5
按實施例1的方法，制備過程中如不添加碳納米管，其余工藝同上，則制備的以聚胺脂纖維網為增強相、以液晶彈性體為基體的液晶彈性體復合材料不能被光制動，但可被可逆熱制動，制動力學性能與上述結合了碳納米管和聚胺脂纖維網的液晶彈性體納米復合材料一致。如果不加碳納米管和聚胺脂纖維網，所制備的液晶彈性體材料也只具有可逆熱制動能力，制動的力學性能與上述只加碳納米管而無聚胺脂纖維網為增強相的液晶彈性納米復合材料一樣。