日本ehc液晶高分子取向裝置的特點(diǎn)

發(fā)布日期：2023-10-21      瀏覽次數(shù)：562

日本ehc液晶高分子取向裝置的特點(diǎn)

液晶高分子是同時(shí)具有液晶各向異性和高分子力學(xué)特性的功能高分子。在液晶高分子中引入具有光化學(xué)異構(gòu)化或者光熱響應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元，可以使其在光或者熱刺激下發(fā)生相轉(zhuǎn)變，引發(fā)宏觀形狀變化。通過一步或兩步的取向方法可以對(duì)液晶高分子中液晶基元的取向方向進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)材料的變形編程。液晶高分子形態(tài)上的變化在仿生軟機(jī)器人、微流控、柔性執(zhí)行器、結(jié)構(gòu)色和防偽等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

液晶高分子的取向方法




在外界的刺激作用下，液晶高分子可以發(fā)生形態(tài)上變化的原因是高分子網(wǎng)絡(luò)中液晶基元有序度的變化。有序度可以通過“有序參數(shù)（S）" 來量化。當(dāng)外界的刺激作用在材料上時(shí)，導(dǎo)致液晶的有序參數(shù)降低，高分子聚合物網(wǎng)絡(luò)中的鏈段構(gòu)象發(fā)生變化，在宏觀上可以表現(xiàn)為彎曲，扭曲，收縮或膨脹等形態(tài)的變化。


在液晶高分子的制備過程中，液晶基元的取向是一個(gè)非常重要而且關(guān)鍵的步驟。隨著液晶高分子研究的不斷發(fā)展，多種液晶高分子的取向手段被開發(fā)出來。將按照合成時(shí)的步驟，取向方法大體上可以劃分為一步法和兩步法。




  1.1 一步法  




我們?cè)谶@里提到的一步法是指反應(yīng)物中的液晶分子在交聯(lián)之前已經(jīng)通過例如外場(chǎng)的感應(yīng)作用或表面誘導(dǎo)效應(yīng)等小分子液晶取向技術(shù)排列成有序相，然后通過化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)固定取向結(jié)構(gòu)。


1.1.1 外場(chǎng)感應(yīng)取向
1.1.1.1 磁場(chǎng)誘導(dǎo)作用
對(duì)于大部分的反應(yīng)性液晶分子來說，都有多苯環(huán)的結(jié)構(gòu)，所以分子具有各向異性抗磁性，使得其分子長(zhǎng)軸傾向于平行于外加磁場(chǎng)的方向排列?；诖嗽恚?991年，C. H. Legge等人使用磁場(chǎng)將聚合前的液晶分子取向，合成了單疇的側(cè)鏈型液晶高分子薄膜。Patrick Keller等人利用釹鐵硼永磁體（約1T）的磁場(chǎng)誘導(dǎo)作用（圖1），成功制備了形變量約300%-400%的微米尺寸的微執(zhí)行器。







圖1：磁場(chǎng)取向制備微米尺寸的執(zhí)行器

圖源：Journal of the American Chemical Society， 2009， 131（41）：15000-15004.



1.1.1.2 電場(chǎng)誘導(dǎo)作用
電場(chǎng)下取向的液晶材料通常需要在液晶分子結(jié)構(gòu)中引入極性官能團(tuán)，例如酯基、腈基或鹵素。對(duì)于正介電各向異性的液晶，例如以腈基為端基的單官能團(tuán)液晶單體，由于其長(zhǎng)軸方向的介電常數(shù)大于短軸，其長(zhǎng)軸將平行于電場(chǎng)方向排列。對(duì)于負(fù)介電各向異性的液晶，例如以二丙烯酸酯為端基的雙官能團(tuán)液晶單體，由于其長(zhǎng)軸方向的介電常數(shù)小于短軸，其長(zhǎng)軸將垂直于電場(chǎng)方向排列。圖2展示了液晶盒中使用電場(chǎng)進(jìn)行取向的基本實(shí)驗(yàn)操作。此類方法制備的液晶高分子的形態(tài)通常為膜，且厚度受限制。





圖2：電場(chǎng)取向的基本操作流程

圖源：Soft Matter， 2017，13（32）：5463-5468

1.1.1.3 光誘導(dǎo)作用
光誘導(dǎo)取向的方法最早使用在液晶顯示器領(lǐng)域。在已有的研究中，開發(fā)出了偶氮苯染料、肉桂酸鹽等可以在線偏光下圖案化排列的分子。其制備的一般過程是將具有線偏振性質(zhì)的感光分子作為取向誘導(dǎo)層，利用線偏振藍(lán)光進(jìn)行圖案化取向，取向后的誘導(dǎo)層可以用來誘導(dǎo)液晶分子產(chǎn)生圖案化取向。值得注意的是，由于光可以方便的圖案化，并且空間精度高，所以基于此方法的取向技術(shù)具有高分辨率的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)局部取向方向不同。例如，Timothy J. White等人利用激光光柵作為圖案化光的方法開發(fā)出了存在多個(gè)沿圓周方向取向的液晶高分子薄膜，其中每一個(gè)有序的取向單元體積僅為0.0005立方毫米（圖3）。





圖3：體素化的液晶高分子：（a）液晶高分子膜的偏光照片；（b）液晶高分子膜在不同溫度下的形態(tài)。

圖源：Science， 2015， 347（6225）：982-984.



1.1.2 表面誘導(dǎo)作用取向
當(dāng)液晶分子和某些材料表面接觸時(shí)，由于受到表面的作用力而被誘導(dǎo)排列。這種誘導(dǎo)的原因主要是以下兩個(gè)方面：第一是液晶分子和取向?qū)又g存在分子間作用力；第二是這些取向?qū)油ǔＴO(shè)計(jì)成微米或者納米尺度的溝槽，結(jié)合表面錨泊作用，使得液晶分子的長(zhǎng)軸方向被限域在沿溝槽的方向。通過改變液晶盒上下玻璃表面的溝槽方向的排列和引入垂直取向?qū)樱梢詫?shí)現(xiàn)平行或垂直于薄膜、扭曲取向的液晶高分子。但是，受限于這種表面的作用力的范圍（作用有效尺度~50μm），這種取向方式只能制備取向厚度較小的液晶高分子膜。


1.1.2.1 摩擦法制備表面誘導(dǎo)模板
在模板表面制作微納尺度的溝槽時(shí)，簡(jiǎn)單的方法是摩擦法。通過在液晶盒內(nèi)側(cè)的玻璃片上涂覆上聚酰亞胺層，通過布等摩擦表面可以產(chǎn)生細(xì)小的溝槽。隨著原子力顯微鏡技術(shù)的發(fā)展，使用原子力顯微鏡探針在取向?qū)颖砻婺Σ量梢援a(chǎn)生更加復(fù)雜的溝槽圖案。


1.1.2.2 光刻法制備表面誘導(dǎo)模板
通過光刻技術(shù)可以使用光自由的設(shè)計(jì)溝槽形貌。表面誘導(dǎo)模板的一般制備過程是用圖案化的紫外光照射在旋涂有負(fù)光刻膠SU-8的玻璃片上，被照射區(qū)域的光刻膠固化，未照射的區(qū)域通過溶液清洗去除，這樣就在玻璃表面留下了圖案化的溝槽?；诖朔椒梢栽O(shè)計(jì)高分辨率的溝槽形貌。光刻法為復(fù)雜取向提供了強(qiáng)有力的取向基板加工方法。



  1.2 兩步法  

在液晶高分子的制備組裝過程中，如果不做任何取向處理，最終合成的液晶高分子為多疇排列，液晶分子為雜亂無序的狀態(tài)。兩步法通常先將液晶單體混合物弱交聯(lián)形成多疇液晶低聚物，然后對(duì)其施加例如拉伸應(yīng)力、壓應(yīng)力或者剪切應(yīng)力引導(dǎo)內(nèi)部的液晶分子排列。最后等待交聯(lián)或使用紫外光引發(fā)二次交聯(lián)來固定液晶取向結(jié)構(gòu)。


1.2.1 機(jī)械拉伸應(yīng)力取向
機(jī)械拉伸應(yīng)力取向因操作簡(jiǎn)單，取向效果好而被廣泛使用。拉伸應(yīng)力誘導(dǎo)取向的方法最早由Finkelmann等提出37，如圖4所示，在實(shí)驗(yàn)中，作者將聚（氫硅氧烷）鏈、具有單乙烯基官能團(tuán)的液晶分子、多官能團(tuán)乙烯基液晶分子和鉑催化劑混合在一起。由于不同官能團(tuán)在反應(yīng)上的動(dòng)力學(xué)的差異，反應(yīng)速率不同。因此在第一步中，通過鉑催化將液晶基元的乙烯基鍵合到聚硅氧烷主鏈上，得到弱交聯(lián)的聚合物。在第二步中，通過外力單軸拉伸取向液晶，然后進(jìn)一步交聯(lián)，固定液晶基元的位置得到最終的液晶高分子網(wǎng)絡(luò)。





圖4：機(jī)械拉伸取向法制備單疇硅氧烷液晶彈性體

圖源：Die Makromolekulare Chemie， Rapid Communications， 1991， 12（12）：717-726.



1.2.2 流體剪切取向
利用液晶高分子前驅(qū)體具有流動(dòng)性的特征，將其從針頭中打印出來，由于從打印針頭處擠出時(shí)受到剪切應(yīng)力，液晶分子將沿著打印方向取向。如圖5所示André R. Studart和Theo A. Tervoort等人利用擠出熔融液晶材料的方法打印出了高度取向的液晶高分子材料，并且由于3D打印本身的優(yōu)勢(shì)，可以制備出分層結(jié)構(gòu)、復(fù)雜的幾何形狀。






圖5：3D打印液晶高分子示意圖

小型研磨設(shè)備“型號(hào)：MRM-100"



產(chǎn)品詳情

這是一款規(guī)格優(yōu)良的小型機(jī)器，適合開發(fā)用途。

小型摩擦裝置“型號(hào)：MRM-100"是通過摩擦形成在液晶面板的玻璃基板上的膜來使液晶分子取向的裝置。
它結(jié)構(gòu)緊湊，具有出色的功能，特別適合實(shí)驗(yàn)、研究和原型設(shè)計(jì)應(yīng)用。

[主要規(guī)格]
○工作臺(tái)尺寸：100 x 100mm
○工作臺(tái)移動(dòng)速度：600mm/min（可變）
○卷筒水平旋轉(zhuǎn)范圍：±45°（微頭手動(dòng)操作）　
○工作臺(tái)垂直行程：10mm（自動(dòng)軸）

產(chǎn)品規(guī)格

【規(guī)格】
○工作臺(tái)尺寸：100 x 100mm
○工作臺(tái)移動(dòng)速度：600mm/min（可變）
○卷筒水平旋轉(zhuǎn)范圍：±45°（微頭操作）　
○工作臺(tái)垂直行程：10mm（自動(dòng)軸）
○工作臺(tái)升降機(jī)構(gòu)：往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，樣品下降并在回程中后退
○輥寬：240mm
○輥直徑：φ48mm
○輥轉(zhuǎn)速：最大 1500rpm
○用途：電源 AC100V 500W 壓縮空氣 0.5MPa
○外形尺寸：(W)570 ×（D）700×（H）730mm 約80kg
○安裝尺寸：打開/關(guān)閉蓋子時(shí)（D）1050mm，（H）1050mm
　*以上項(xiàng)目可能會(huì)根據(jù)購買規(guī)格而變化。