剑桥大学Macromolecules

液晶弹性体(LCE)经常用于软致动器的开发。然而，应用受到限制，因为LCE在工作循环期间承受重载和高温时容易出现机械故障。机械坚固的LCE系统为执行器提供更大的工作能力和更低的故障率。最近，科研人员采用双网络策略，从基于硅氧烷的可交换LCE开始，开发了一系列机械强度比初始弹性体更强的双网络液晶弹性体(DN-LCE)。团队结合二丙烯酸酯反应单体来制造DN-LCE，其中一些具有40MPa的断裂应力。团队采用热塑性聚氨酯制造DN-LCE，实现了90MJ/m3的巨大延展性。团队还尝试利用aza-Michael化学来制造DN-LCE，该DN-LCE由于多种键交换机制而保持高可塑性；然而，它未能使用传统的酯基反应性介晶生产稳定的可再加工LCE系统。这些DN-LCE中的每一个都表现出独特的特征和特性，团队对其进行了比较和讨论。

图1.每种单一网络的反应方案。这些单一网络分为介晶网络和各向同性网络，如绿色和紫色阴影所示。以Si-SN为基础网络，与四种二级“增强”网络（RM82、Aza、diA和TPU）组合成DN-LCE。有一次，diBP-SN被用来代替Si-SN进行对照实验。示意图中突出显示了负责硅氧烷交换和酯交换的官能团。

图3.(a)顶部：与施加%应变时交联的单畴Si-RM82（底部）相比，多畴Si-RM82样品在室温下交联而没有施加应变。(b)将多畴Si-RM82（左）的广角X射线衍射图案与单畴Si-RM82（右）的图案进行比较，证实了介晶排列。(c)两个Si-RM82样品都比基础Si-SN硬得多（稍后显示）。多域Si-RM82显示出锯齿状平台，归因于RM82-SN牺牲网络的破坏，而单域Si-RM82没有这样的平台。

图4.(a)Si-RM82在无应力（50kPa以保持拉紧）和(b)在1MPa以下时热驱动；加热/冷却速率为5°C/min。样品显示在大温度范围内的驱动。

图5.Si-RM82中的阻塞应力曲线（加热速率，3°C/分钟）证实了如此大的驱动温度范围，因为它在°C时尚未达到平衡。Si-RM82可以承受较大的块应力(3MPa)而不会导致样品失效。相比之下，Si-SN产生0.35MPa的阻塞应力，并且在°C时容易失效（插图）。

图6.(a)Si-TPU和diBP-TPU在DMA测试中的储能模量，与TPU95A相比。Si-TPU在50°C左右向列-各向同性转变后具有相对稳定的6MPa模量平台，而diBP-TPU在玻璃化转变后模量持续下降。由于所含TPU中的微晶熔化，两种DN-LCE均在°C左右显示出储能模量的快速下降。

图7.(a)Si-TPU和diBP-TPU与TPU95A和Si-SN的环境拉伸测试。两个DN-LCE都显示出在单个网络中没有发现的巨大断裂应变。(b)在0.5MPa的恒定应力下加热的Si-TPU的等应力测试。介晶Si-TPU显示10%的致动应变，而非介晶diBP-TPU根本不致动。作为比较，Si-Aza也在相同的加热曲线下进行了测试，但在较低的0.25MPa下，显示出类似的行为模式。(c)Si-RM82（多畴和单畴）、Si-Aza、Si-TPU和diBP-TPU（都是多畴）的应力-应变曲线比较，它们的每个韧性值是通过测量曲线下的面积。

图8.(a)DN-LCE在°C下的DMA应力松弛测量，其中Si-Aza和Si-TPU显示出完全的应力松弛，而Si-RM82没有（Si-TPU系统在文本）。(b)将两个DN-LCE切成片并在°C的热压下压制1小时。Si-RM82不会融合在一起，而Si-Aza会。

图9.(a)高度交联的Aza-SN在°C热处理前后的应变应力响应。在下一轮拉伸测试之前，每个样品随后在室温下冷却24小时。该图清楚地表明Aza-SN网络中发生了机械劣化。(b)样品经过热处理后，ATR-FTIR扫描中出现额外的峰，表明发生了副反应。(c)说明可能破坏介晶核的过度酯交换反应。然后新形成的二醇被空气氧化，产生棕色。

相关论文以题为DoubleNetworksofLiquid-CrystallineElastomerswithEnhancedMechanicalStrength发表在《Macromolecules》上。通讯作者是剑桥大学EugeneM.Terentjev教授。

参考文献：

doi.org/10./acs.macromol.1c

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