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清华大学吉岩副教授《Angew. Chem.》:可反复加工的热固性柔性驱动器
2019-09-18  来源:高分子科技

  柔性驱动器可将外部能量(光、热、电等)直接转化为机械变形,在柔性机器人、可穿戴设备、人造肌肉、细胞支架等领域有广阔的应用前景。热固性材料因具有高尺寸稳定性、优异的机械性能等优点,被广泛应于构筑柔性驱动器。但热固性材料在固化成型时形成不溶不熔的交联聚合物网络,虽然可提高材料的稳定性,但很大程度地限制了柔性驱动器的复杂形状,也使其在成型之后不能再次加工和塑形。近年来,含动态共价键的共价交联高分子为柔性驱动器构建3D形状、成型后的再次加工和塑形提供了一个很好的解决思路。但是这些动态共价交联高分子都存在各自的缺点,例如缺乏高温稳定性。更为理想的思路是采用传统的热固性高分子构筑可再塑形的柔性驱动器。

  近日,清华大学化学系吉岩副教授,利用时温等效原理,提出了一种采用传统热固性液晶环氧树脂,构建可再塑形的3D柔性驱动器的方法(图1)。

图1 (a)液晶环氧树脂的制备;(b)螺旋驱动在液晶相(25℃)和各向同性相(120℃)的可逆变化;(c)凸起驱动在液晶相(25℃)和各向同性相(120℃)的可逆变化。

  过去人们认为传统的热固性环氧树脂无法再加工和变形,只有加入酯交换催化剂,使其成为类玻璃高分子(vitrimer),才可能进行再加工。吉岩课题组之前偶然发现即使不含催化剂,高温下的酯交换反应也可使传统环氧树脂材料的拓扑网络结构发生改变(Nat. Commun., 2019, 10, 3165)。也就是说,传统的热固性材料也存在用于构建柔性驱动器的可能,只是过去从膨胀实验无法看出拓扑结构转变的信号峰,从应力松弛实验看出其在高温下松弛非常缓慢,因此其动态网络的性质一直被忽略。但根据时温等效原理,如果发生足够长时间的酯交换反应,其拓扑网络结构的变化非常明显,足以用来使传统液晶环氧树脂材料在成型之后再次加工成3D柔性驱动器。

  根据上述时温等效原理,利用长时间的酯交换反应,传统的液晶环氧树脂材料在成型之后能被加工成可反复塑形、可焊接、高温稳定的3D柔性驱动器。该驱动器结合了液晶类玻璃高分子的可塑性和传统热固性材料的稳定性(图2a),还具有一些液晶类玻璃高分子不具备的优点。例如,由该液晶环氧树脂制备的3D柔性驱动器可通过热逐步地、局部地编程(reprogramming)成复杂形状(图2b和2c),还可将相同或不同的组件焊接成更复杂的3D结构(图2d),这在过去液晶类玻璃高分子和传统热固性材料都无法实现。当掺入光响应物质(如具有光热效应的碳纳米管)时,还可通过光照将环氧树脂复合材料再次加工成3D柔性驱动器、并用光驱动其可逆的形状变化(图2e)。

图2 (a)柔性驱动器在1000次可逆驱动后仍保持很好的稳定性;(b)液晶环氧树脂逐步编程成3D柔性驱动器;(c)局部编程使“花瓣形”柔性驱动器的不同部位的可逆驱动程度不同;(d)焊接取向的液晶环氧树脂成网状结构;(e)液晶环氧树脂复合材料驱动器用光驱动其可逆的形状变化。

  除了传统的热固性液晶环氧树脂外,这一方法也适用于其他具有可逆和平衡反应的传统热固性材料,如聚氨酯(PU)。基于此,这种方法将极大地促进传统热固性材料和3D柔性驱动器在工业上的实际应用。

  相关结果发表在Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201911612。文章第一作者为清华大学化学系杨洋博士,通讯作者为清华大学化学系吉岩副教授。剑桥大学Eugene M. Terentjev教授为该研究提供了很好的理论和写作支持;清华大学化学系危岩教授张宇白博士生、陈巧梅博士、赵原博士参与了该研究。该研究得到了国家自然科学基金和中国博士后科学基金的资助。

  论文链接:Reprocessable thermoset soft actuators. Yang Yang, Eugene M. Terentjev, Yubai Zhang, Qiaomei Chen, Yuan Zhao, Yen Wei, and Yan Ji. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201911612.

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