日本ehc液晶高分子取向裝置的特點

發布日期：2023-10-21      瀏覽次數：566

日本ehc液晶高分子取向裝置的特點

液晶高分子是同時具有液晶各向異性和高分子力學特性的功能高分子。在液晶高分子中引入具有光化學異構化或者光熱響應的結構單元，可以使其在光或者熱刺激下發生相轉變，引發宏觀形狀變化。通過一步或兩步的取向方法可以對液晶高分子中液晶基元的取向方向進行調控，實現材料的變形編程。液晶高分子形態上的變化在仿生軟機器人、微流控、柔性執行器、結構色和防偽等領域有潛在的應用價值。

液晶高分子的取向方法




在外界的刺激作用下，液晶高分子可以發生形態上變化的原因是高分子網絡中液晶基元有序度的變化。有序度可以通過“有序參數（S）" 來量化。當外界的刺激作用在材料上時，導致液晶的有序參數降低，高分子聚合物網絡中的鏈段構象發生變化，在宏觀上可以表現為彎曲，扭曲，收縮或膨脹等形態的變化。


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




  1.1 一步法  




我們在這里提到的一步法是指反應物中的液晶分子在交聯之前已經通過例如外場的感應作用或表面誘導效應等小分子液晶取向技術排列成有序相，然后通過化學交聯反應固定取向結構。


1.1.1 外場感應取向
1.1.1.1 磁場誘導作用
對于大部分的反應性液晶分子來說，都有多苯環的結構，所以分子具有各向異性抗磁性，使得其分子長軸傾向于平行于外加磁場的方向排列。基于此原理，在1991年，C. H. Legge等人使用磁場將聚合前的液晶分子取向，合成了單疇的側鏈型液晶高分子薄膜。Patrick Keller等人利用釹鐵硼永磁體（約1T）的磁場誘導作用（圖1），成功制備了形變量約300%-400%的微米尺寸的微執行器。







圖1：磁場取向制備微米尺寸的執行器

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



1.1.1.2 電場誘導作用
電場下取向的液晶材料通常需要在液晶分子結構中引入極性官能團，例如酯基、腈基或鹵素。對于正介電各向異性的液晶，例如以腈基為端基的單官能團液晶單體，由于其長軸方向的介電常數大于短軸，其長軸將平行于電場方向排列。對于負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液晶單體，由于其長軸方向的介電常數小于短軸，其長軸將垂直于電場方向排列。圖2展示了液晶盒中使用電場進行取向的基本實驗操作。此類方法制備的液晶高分子的形態通常為膜，且厚度受限制。





圖2：電場取向的基本操作流程

圖源：Soft Matter， 2017，13（32）：5463-5468

1.1.1.3 光誘導作用
光誘導取向的方法最早使用在液晶顯示器領域。在已有的研究中，開發出了偶氮苯染料、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的感光分子作為取向誘導層，利用線偏振藍光進行圖案化取向，取向后的誘導層可以用來誘導液晶分子產生圖案化取向。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具有高分辨率的特點，可以實現局部取向方向不同。例如，Timothy J. White等人利用激光光柵作為圖案化光的方法開發出了存在多個沿圓周方向取向的液晶高分子薄膜，其中每一個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。

圖源：Science， 2015， 347（6225）：982-984.



1.1.2 表面誘導作用取向
當液晶分子和某些材料表面接觸時，由于受到表面的作用力而被誘導排列。這種誘導的原因主要是以下兩個方面：第一是液晶分子和取向層之間存在分子間作用力；第二是這些取向層通常設計成微米或者納米尺度的溝槽，結合表面錨泊作用，使得液晶分子的長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層，可以實現平行或垂直于薄膜、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模板
在模板表面制作微納尺度的溝槽時，簡單的方法是摩擦法。通過在液晶盒內側的玻璃片上涂覆上聚酰亞胺層，通過布等摩擦表面可以產生細小的溝槽。隨著原子力顯微鏡技術的發展，使用原子力顯微鏡探針在取向層表面摩擦可以產生更加復雜的溝槽圖案。


1.1.2.2 光刻法制備表面誘導模板
通過光刻技術可以使用光自由的設計溝槽形貌。表面誘導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光刻膠SU-8的玻璃片上，被照射區域的光刻膠固化，未照射的區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計高分辨率的溝槽形貌。光刻法為復雜取向提供了強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。兩步法通常先將液晶單體混合物弱交聯形成多疇液晶低聚物，然后對其施加例如拉伸應力、壓應力或者剪切應力引導內部的液晶分子排列。最后等待交聯或使用紫外光引發二次交聯來固定液晶取向結構。


1.2.1 機械拉伸應力取向
機械拉伸應力取向因操作簡單，取向效果好而被廣泛使用。拉伸應力誘導取向的方法最早由Finkelmann等提出37，如圖4所示，在實驗中，作者將聚（氫硅氧烷）鏈、具有單乙烯基官能團的液晶分子、多官能團乙烯基液晶分子和鉑催化劑混合在一起。由于不同官能團在反應上的動力學的差異，反應速率不同。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，得到弱交聯的聚合物。在第二步中，通過外力單軸拉伸取向液晶，然后進一步交聯，固定液晶基元的位置得到最終的液晶高分子網絡。





圖4：機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體具有流動性的特征，將其從針頭中打印出來，由于從打印針頭處擠出時受到剪切應力，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打印本身的優勢，可以制備出分層結構、復雜的幾何形狀。






圖5：3D打印液晶高分子示意圖

小型研磨設備“型號：MRM-100"



產品詳情

這是一款規格優良的小型機器，適合開發用途。

小型摩擦裝置“型號：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。
它結構緊湊，具有出色的功能，特別適合實驗、研究和原型設計應用。

[主要規格]
○工作臺尺寸：100 x 100mm
○工作臺移動速度：600mm/min（可變）
○卷筒水平旋轉范圍：±45°（微頭手動操作）　
○工作臺垂直行程：10mm（自動軸）

產品規格

【規格】
○工作臺尺寸：100 x 100mm
○工作臺移動速度：600mm/min（可變）
○卷筒水平旋轉范圍：±45°（微頭操作）　
○工作臺垂直行程：10mm（自動軸）
○工作臺升降機構：往復運動時，樣品下降并在回程中后退
○輥寬：240mm
○輥直徑：φ48mm
○輥轉速：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/關閉蓋子時（D）1050mm，（H）1050mm
　*以上項目可能會根據購買規格而變化。