新型仿皮肤液晶聚氨酯弹性体的合成及其电子器件的制备

为研制与人体具有适配性的柔性基材,采用简单的一锅法合成了新型仿皮肤交联液晶聚氨酯(crosslinked liquid crystal polyurethane,CLCPU)弹性体。利用傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)对液晶聚氨酯的结构进行了表征,采用热失重分析仪(thermogravimetric analyzer,TGA)和差示扫描量热仪(differential scanning calorimetry,DSC)对其进行热学性能表征,用动态热机械分析仪(dynamic mechanical analyzer,DMA)测试其黏弹性行为,利用热台偏光显微镜(polarized optical microscope,POM)和电子万能试验机分别测试液晶聚氨酯的液晶相行为和力学性能。进一步将所制备材料作为介电弹性体组装柔性摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator,TENG),并用静电计对所获的TENG进行电输出性能测试。研究结果表明:合成的CLCPU表现出向列相液晶纹理,具有宽液晶相区间(30~200℃);其具有低模量((0.143±0.009)MPa)、高拉伸性(约1200%)及良好的弹性等类皮肤力学性能特点。由该CLCPU构建的TENG具有出色的电学性能(开路电压约275 V),有望应用于可穿戴式电源和生理监测领域。

互穿聚氨酯-单畴液晶弹性相行为与力学性能

单畴液晶弹性体(mLCEs)在柔性机器人等诸多领域有着潜在的应用前景,其相行为和力学性能对其实际应用有着决定性的影响。针对基于m LCEs薄膜驱动器负载能力弱的问题,设计了一种含动态酰胺键的聚氨酯(PUR)和含聚乙二醇二丙烯酸酯(PEG250)的液晶聚合物的预聚体,通过物理交联制备出互穿型网络结构的PUR-mLCEs薄膜。核磁共振氢谱结构表征结果显示合成出含动态酰胺键的PUR,傅里叶变换红外光谱的结构表征结果显示聚合物分子链中形成具有氢键交联的互穿型网络结构。优化和探讨了含PEG250的mLCEs预聚体、PUR预聚体以及互穿型PUR-mLCEs的制备工艺参数,并通过差示扫描量热分析仪和拉力试验机对材料的各向同性转变温度(T_(NI))、力学性能和相行为进行了表征和分析。结果表明,制备出PUR-mLCEs材料的T_(NI)降至56.8℃;在25~60℃工作温度范围内,断裂拉伸强度为15~10.7 MPa,降幅仅为28.9%。在500倍自身质量的负载下收缩率仍可达22.5%。在经过冷/热循环30次,其具有稳定的驱动性能。该PUR-mLCEs实现了在T_(NI)时具有较高强度,同时保持优异的驱动性能,其为解决液晶弹性体在高温下易断裂等问题提供了借鉴思路。