含偶氮苯液晶弹性体的微纳结构构筑

摘要

偶氮苯液晶聚合物，由于其同时具有了偶氮苯分子的光响应性和液晶的自组装的特性，在光响应性聚合物材料的研究领域得到了广泛关注。相比于普通液晶聚合物，偶氮苯分子光响应性的特点会对液晶性质产生显著影响，例如光引发的重新取向，光化学相转变以及光引起的分子协同运动等，这使得偶氮苯液晶聚合物具有光可控的特点。偶氮苯液晶弹性体同时结合了聚合物网络的弹性和液晶的有序性，使其对于外界微小的刺激可以产生很大的形状改变，从而实现光能向机械能的转变，在制动器，人造肌肉及生物材料领域都具有很多潜在的应用。此外巯基-烯反应作为点击反应的一种，具有不怕水氧阻聚等优点，广泛应用于各种聚合物的制备。本论文通过巯基-烯点击反应制备了偶氮苯液晶聚合物及液晶弹性体，研究其热力学性质和液晶相类型，探索了基于巯基-烯的光刻胶在激光直写中的应用潜力，制成微纳尺度的液晶弹性体并进一步研究了偶氮苯液晶基元在微纳结构中的取向行为。主要研究内容如下：
　　（1）以往合成硅氧烷为主链的液晶聚合物，通常使用硅氢加成的方法，这种方法需要使用贵金属作为催化剂，并且在后期纯化时不易除去，此外通过硅氢加成反应得到的产物同时具有马氏加成与反马氏加成的产物，导致产物不纯，直接影响聚合物的液晶性。而巯基-烯反应作为点击反应的一种，具有很多优点。本文通过巯基-烯点击反应的方法，成功制备了侧链为偶氮苯的硅氧烷类液晶聚合物，通过核磁对其进行了化学结构的表征，证明通过此法可以获得硅氧烷为主链的液晶聚合物。随后通过使用差示扫描量热法（DSC），变温的偏光显微镜（POM）及变温的X射线衍射（XRD）对聚合物的相行为进行了研究。
　　（2）双光子激光直写可以用于复杂的二维及三维微纳结构的制备，其原理是在激光的焦点处发生了双光子聚合，许多材料都已报道可运用于激光直写。基于巯基-烯反应具有反应速度快，不怕水氧阻聚，可以不需要引发剂及溶剂的优点，我们将偶氮苯液晶聚合物与交联剂及光引发剂共混，制成基于巯基-烯反应的光刻胶，将其应用于激光直写上并成功制备出了微纳尺度的液晶弹性体。通过对这种光刻胶进行不同能量不同直写速度的剂量测试，了解了该光刻胶使用的阈值，分辨率与特征尺寸，并据此选择合适的激光参数制备了各种复杂的二维及三维的液晶弹性体。
　　（3）通过激光直写的方法，我们实现了激光诱导下液晶基元的取向。通过偏光显微镜和偏振的纳米红外研究了线条结构中液晶基元的择优取向，并通过扫描电子显微镜和偏振红外研究了取向度与线宽和激光能量的关系。同时，本文还用偏光显微镜观察了其它结构如圆及三维柴堆结构中液晶基元的取向行为，并成功制备了四取向的光栅，实现通过调整激光方向来控制液晶基元的取向。

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第一章 前 言

1.1 软物质

1.2 液晶及液晶聚合物

1.3 偶氮苯液晶聚合物

1.4 论文的切入点及研究方向

第二章 偶氮苯材料的制备及表征

2.1 引言

2.2 试剂和原料

2.3偶氮苯小分子的制备

2.4偶氮苯液晶聚合物的制备及表征

2.5 液晶弹性体薄膜的制备及表征

2.6 分析测试仪器

2.7 本章总结

第三章 液晶弹性体微纳图案化的研究

3.1 前言

3.2 材料和仪器

3.3 微纳图案化的实验步骤

3.4 直写前后的红外表征

3.5 激光直写的剂量测试

3.6 不同微纳结构的制备

3.7 本章总结

第四章 微纳结构中液晶基元取向的研究

4.1 前言

4.2 材料和仪器

4.3 偏振红外研究取向的原理

4.4 不同微纳结构中液晶基元的取向研究

4.5 液晶取向的机理

4.6 多取向图案的制备

4.7 本章总结

第五章 全文总结

参考文献

攻读学位期间公开发表的论文

致谢