一种碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料及制备方法

1.本发明涉及一种液晶弹性体复合材料及制备方法，尤其涉及一种碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料及制备方法。


背景技术：

2.液晶弹性体（lce）作为一种新型的智能材料，既具有弹性体材料的弹性又具有液晶材料的流动性、有序性，是一种双向形状记忆的材料。当受到外部条件刺激时，液晶基元从单轴排列的各向异性相态向排列无序的各向同性相态变化，导致材料发生可逆的宏观形变，使其在软体驱动器等领域有着广泛的应用价值。
3.碳纤维丝是一种特种纤维，具有耐高温、耐磨、导电、导热、拉伸强度高等特性，可用于工业、航天、纺织等领域。由于碳纤维丝有很高的强度和模量，碳纤维丝材料会逐渐替代大部分金属材料，被广泛应用于国防军工和高技术等领域。
4.液态金属（lm）是一种不定型、可流动液体的金属材料，兼具流体和金属导体的性质，具有高导电性、导热性、良好的生物相容性和无限变形能力等诸多优点，可作为一种新型的功能型流体填料添加到高分子材料中，形成液态金属高分子材料，被广泛应用于软体驱动器、人造肌肉、智能可穿戴设备等领域。
5.目前已经报道的液晶弹性体复合材料，其机械性能不优异，材料容易损坏。另外制备过程比较繁琐，增加制备过程的复杂性和工艺成本，限制了液晶弹性体材料的应用，无法满足在智能可穿戴设备等领域中运用的要求。


技术实现要素：

6.发明目的：本发明旨在提供一种质量轻、力学性能优异的三明治结构的碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料；本发明的另一目的在于提供一种反应条件温和，操作方便，易成型加工的碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料的制备方法。
7.技术方案：本发明所述的一种碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料，其结构为三明治结构，中间层为碳纤维丝，外层均为液态金属液晶弹性体材料；所述液态金属液晶弹性体材料为液态金属和液晶弹性体的复合，所述液晶弹性体的结构式如下：式ⅰ。
8.所述碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将丙烯酸酯液晶单体1,4-双-[4-(3-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯、交联剂季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)、扩链剂3,6-二氧杂-1,8-辛烷二硫醇和液态金属溶
于二氯甲烷溶液中，使其混合均匀；（2）将催化剂二丙胺加入到上述混合溶液中，在冰水混合的条件下超声，得到混合均匀的溶液；（3）取上述超声后的混合溶液倒入聚四氟乙烯槽中，去除混合溶液中少量的气泡；（4）将上述槽子放入真空烘箱中进行干燥；（5）取出上述槽子，得到未取向的液态金属液晶弹性体材料；（6）将上述未取向的液态金属液晶弹性体材料裁剪成长条状，拉伸至原始长度的2.3-2.6倍；（7）将碳纤维丝平铺在步骤（6）中拉伸过后的预交联液态金属液晶弹性体材料上；（8）最后再取与步骤（6）中相同的拉伸过后的预交联液态金属液晶弹性体材料以平行的角度覆盖在步骤（7）中碳纤维丝上，放入真空烘箱中进行干燥，得到三明治结构的碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料。
[0009]
优选地，步骤（1）中所述季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)，3,6-二氧杂-1,8-辛烷二硫醇和1,4-双-[4-(3-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯的摩尔比为1:20:(21.8-22)。
[0010]
优选地，步骤（1）中所述液态金属成分为镓w=71%，铟w=15%，锡w=13%，锌w=1%；该液态金属含量为1~25%。
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优选地，步骤（2）中所述超声时间为1-1.2小时。
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优选地，步骤（4）中所述干燥温度为38-42℃，干燥时间为1.5-2小时。
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优选地，步骤（8）中所述干燥温度为38-42℃，干燥时间为12-16小时。
[0014]
本发明所述的碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料，通过引入液态金属，一方面是由于液态金属在常温下是液态的，具有流动性和生物相容性，有利于制备液态金属液晶弹性体材料，另一方面能够显著提高复合材料的力学性能，这是因为液晶聚合物分子链通过金属-硫的相互作用锚固在液态金属表面，会进一步增强额外的物理缔合作用，从而提高液晶弹性体复合材的力学性能。
[0015]
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：（1）力学性能优异，本发明制备的液晶弹性体复合材料，首先通过物理掺杂的方式引入液态金属得到液态金属液晶弹性体材料，然后通过多层材料复合的方式嵌入碳纤维丝得到三明治结构的碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料；该复合材料改善了传统液晶弹性体复合材料在实际应用中力学性能不佳等问题，该复合材料的拉伸断裂强度达到10.6mpa、拉伸弹性模量达到199.2mpa，表现出极其优异的力学性能；同时也避免了其他高工艺要求，过程繁琐的问题；（2）反应条件温和，制备过程简单，本发明采用多层材料复合的方式得到液晶弹性体复合材料，操作方便，成本低廉，易成型加工；（3）本发明制备得到的液晶弹性体复合材料具有质量轻（质量约为0.5g）的同时还保持优异的力学性能。
附图说明
[0016]
图1为碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料的结构示意图；图2为碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料的所用化合物结构；图3为碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料的应力与应变关系图。
具体实施方式
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下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
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本发明所述的一种碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料，其结构为三明治结构，中间层为碳纤维丝，外层均为液态金属液晶弹性体材料；所述液态金属液晶弹性体材料为液态金属和液晶弹性体的复合，所述液晶弹性体的结构式如上述式ⅰ所示。
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实施例1上述碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将0.3788g1,4-双-[4-(3-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯、0.0144g季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)、0.1075g3,6-二氧杂-1,8-辛烷二硫醇和0.0051g液态金属溶于二氯甲烷溶液中，使其混合均匀；（2）将6.0μl二丙胺加入到上述混合溶液中，在冰水混合的条件下超声1小时，得到混合均匀的溶液；（3）取上述超声后的混合溶液倒入聚四氟乙烯槽中，去除混合溶液中少量的气泡；（4）将上述槽子放入真空烘箱中，在39℃下进行干燥2小时；（5）取出上述槽子，得到未取向的液态金属液晶弹性体材料；（6）将上述未取向的液态金属液晶弹性体材料裁剪成长条状，拉伸至原始长度的2.5倍，放入39℃真空烘箱中16小时，得到液态金属液晶弹性体材料，测得拉伸断裂强度为4.85mpa；（7）将碳纤维丝平铺在步骤（6）中拉伸过后的预交联液态金属液晶弹性体材料上；（8）最后再取与步骤（6）中相同的拉伸过后的预交联液态金属液晶弹性体材料以平行的角度覆盖在步骤（7）中碳纤维丝上，放入39℃真空烘箱中16小时，得到三明治结构的碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料。
[0020]
实施例2上述碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将0.3788g1,4-双-[4-(3-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯、0.0144g季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)、0.1075g3,6-二氧杂-1,8-辛烷二硫醇和0.0264g液态金属溶于二氯甲烷溶液中，使其混合均匀；（2）将6.0μl二丙胺加入到上述混合溶液中，在冰水混合的条件下超声1小时，得到混合均匀的溶液；（3）取上述超声后的混合溶液倒入聚四氟乙烯槽中，去除混合溶液中少量的气泡；（4）将上述槽子放入真空烘箱中，在39℃下进行干燥2小时；（5）取出上述槽子，得到未取向的液态金属液晶弹性体材料；（6）将上述未取向的液态金属液晶弹性体材料裁剪成长条状，拉伸至原始长度的2.5倍，放入39℃真空烘箱中16小时，得到液态金属液晶弹性体材料，测得拉伸断裂强度为8.02mpa；（7）将碳纤维丝平铺在步骤（6）中拉伸过后的预交联液态金属液晶弹性体材料上；（8）最后再取与步骤（6）中相同的拉伸过后的预交联液态金属液晶弹性体材料以平行的角度覆盖在步骤（7）中碳纤维丝上，放入39℃真空烘箱中16小时，得到三明治结构的碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料。
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实施例3上述碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将0.3788g1,4-双-[4-(3-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯、0.0144g季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)、0.1075g3,6-二氧杂-1,8-辛烷二硫醇和0.0556g液态金属溶于二氯甲烷溶液中，使其混合均匀；（2）将6.0μl二丙胺加入到上述混合溶液中，在冰水混合的条件下超声1小时，得到混合均匀的溶液；（3）取上述超声后的混合溶液倒入聚四氟乙烯槽中，去除混合溶液中少量的气泡；（4）将上述槽子放入真空烘箱中，在40℃下进行干燥1.5小时；（5）取出上述槽子，得到未取向的液态金属液晶弹性体材料；（6）将上述未取向的液态金属液晶弹性体材料裁剪成长条状，拉伸至原始长度的2.5倍，放入40℃真空烘箱中14小时，得到液态金属液晶弹性体材料，测得拉伸断裂强度为5.31mpa；（7）将碳纤维丝平铺在步骤（6）中拉伸过后的预交联液态金属液晶弹性体材料上；（8）最后再取与步骤（6）中相同的拉伸过后的预交联液态金属液晶弹性体材料以平行的角度覆盖在步骤（7）中碳纤维丝上，放入40℃真空烘箱中14小时，得到三明治结构的碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料。
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实施例4上述碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将0.3788g1,4-双-[4-(3-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯、0.0144g季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)、0.1075g3,6-二氧杂-1,8-辛烷二硫醇和0.0884g液态金属溶于二氯甲烷溶液中，使其混合均匀；（2）将6.0μl二丙胺加入到上述混合溶液中，在冰水混合的条件下超声1小时，得到混合均匀的溶液；（3）取上述超声后的混合溶液倒入聚四氟乙烯槽中，去除混合溶液中少量的气泡；（4）将上述槽子放入真空烘箱中，在40℃下进行干燥1.5小时；（5）取出上述槽子，得到未取向的液态金属液晶弹性体材料；（6）将上述未取向的液态金属液晶弹性体材料裁剪成长条状，拉伸至原始长度的2.5倍，放入40℃真空烘箱中14小时，得到液态金属液晶弹性体材料，测得拉伸断裂强度为6.73mpa；（7）将碳纤维丝平铺在步骤（6）中拉伸过后的预交联液态金属液晶弹性体材料上；（8）最后再取与步骤（6）中相同的拉伸过后的预交联液态金属液晶弹性体材料以平行的角度覆盖在步骤（7）中碳纤维丝上，放入40℃真空烘箱中14小时，得到三明治结构的碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料。
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实施例5上述碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将0.3788g1,4-双-[4-(3-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯、0.0144g季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)、0.1075g3,6-二氧杂-1,8-辛烷二硫醇和0.1669g液态金属溶于二氯甲烷溶液中，使其混合均匀；
（2）将6.0μl二丙胺加入到上述混合溶液中，在冰水混合的条件下超声1小时，得到混合均匀的溶液；（3）取上述超声后的混合溶液倒入聚四氟乙烯槽中，去除混合溶液中少量的气泡；（4）将上述槽子放入真空烘箱中，在40℃下进行干燥1.5小时；（5）取出上述槽子，得到未取向的液态金属液晶弹性体材料；（6）将上述未取向的液态金属液晶弹性体材料裁剪成长条状，拉伸至原始长度的2.5倍，放入40℃真空烘箱中14小时，得到液态金属液晶弹性体材料，测得拉伸断裂强度为4.87mpa；（7）将碳纤维丝平铺在步骤（6）中拉伸过后的预交联液态金属液晶弹性体材料上；（8）最后再取与步骤（6）中相同的拉伸过后的预交联液态金属液晶弹性体材料以平行的角度覆盖在步骤（7）中碳纤维丝上，放入40℃真空烘箱中14小时，得到三明治结构的碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料。
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由图1所示，可以看到碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料的三明治结构图，上下两层为液态金属液晶弹性体材料，中间层为碳纤维丝。
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由图2所示，制备碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料所使用的丙烯酸酯液晶单体、交联剂、扩链剂和催化剂的结构式。
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由图3所示，液态金属含量为5%的碳纤维丝/液态金属液晶弹性体复合材料的应力-应变曲线图，该复合材料的拉伸断裂强度达到10.6mpa、拉伸弹性模量达到199.2mpa，表现出极其优异的力学性能，并且该液晶弹性体复合材料在具有质量轻（质量约为0.5g）的同时还能保持优异的力学性能，这表明在液晶弹性体材料中引入液态金属和嵌入碳纤维丝可大大增强材料的力学性能，使得该复合材料有很大的实际应用价值，能满足软制动器、微型机器人、人造肌肉等领域的应用。