[发明专利]无需取向的、非偏正光控制的光致形变偶氮苯聚酰亚胺薄膜材料及其制备方法

说明书

本发明涉及无需取向的、非偏正光控制的光致形变偶氮苯聚酰亚胺薄膜材料及其制备方法。首先合成侧链含偶氮苯基元的二胺单体，之后将单体置于反应器中，除氧后加入极性非质子溶剂，溶解侧链含偶氮苯基元的二胺单体；之后将二酐单体溶解于极性非质子溶剂中，待二酐单体完全溶解后将含有二酐单体的溶液加入反应器中，通过缩合聚合生成聚酰胺酸溶液；反应完成后，将聚酰胺酸溶液涂覆于基板上，进行程序升温完成热亚胺化，得到所述无需取向、非偏正光控制的的光致形变偶氮苯聚酰亚胺薄膜材料。相较于需拉伸取向的体系，本发明方法对材料的限制少，同时解决了拉伸方法无法便捷构筑可形变3D结构的问题。

技术领域

本发明涉及光致形变薄膜材料制备技术领域，尤其是涉及无需取向的、非偏正光控制的光致形变偶氮苯聚酰亚胺薄膜材料及其制备方法。

背景技术

含光敏基团的光致形变材料可将光能转化为机械能输出，由于其具有远程的、无接触、无损伤、易操控等特点，因而在软驱动器、机器人等领域具有潜在的应用价值。

作为一种特种工程材料，聚酰亚胺具有优异的耐热性、机械性能和化学稳定性，因而成为制备高性能光致形变材料的理想材料。偶氮苯在紫外光和可见光照射下能够发生可逆的顺反异构化反应，是目前最常用的光敏基团。将上述二者结合是制备光致形变聚酰亚胺最直接的方法，有望拓宽光致形变在高温驱动器、空间可展开结构等特殊环境下的潜在应用。

光致形变聚酰亚胺结合了优异的热稳定性、机械性能和远程驱动形变的特性，有望逐步应用于高温驱动器、空间可展开结构、特殊环境下服役的软体机器人。在聚酰亚胺分子结构中引入光响应的偶氮苯基团是制备光致形变聚酰亚胺最直接的方法。目前实现偶氮苯聚酰亚胺材料形变的机理可分为两种：光致异构化机理和光致再取向机理。第一种方法是利用机械拉伸使偶氮苯基团沿外力方向取向。在紫外光照射下，沿外力方向排列的偶氮苯基团由长棒状的trans异构体变为弯曲的cis异构体，使薄膜在取向方向形成不对称收缩，从而朝向光源弯曲。这种方法由于材料成型后需要拉伸取向，因此对材料有一定的限制，即材料必须具有可拉伸性，同时该方法无法构筑可形变的3D结构。第二种方法是利用偶氮苯基团在线偏振光的照射下可发生再取向。在偏振光(442nm-532nm)照射下，薄膜表面的偶氮苯基团持续发生trans-cis-trans异构化转变(Weigert effect)，最终使无序排列的偶氮苯基团的长轴逐渐倾向于沿垂直光的偏振方向排列，排列的变化导致薄膜形成不对称收缩或膨胀，从而发生朝向或背向光源弯曲。这种方式产生的形变需要较长时间的光照(几分钟到几十分钟)，以达到重新取向的状态，并且由光取向引起的形变只可通过加热或者光化学反应“擦除”，无法通过不同波长的光照实现形变恢复。与此同时，上述两种产生形变的方法均需要通过分子取向来实现光机械效应的累积及放大，即通过拉伸或光取向的方法将偶氮苯基团输出的机械能集中在某一特定的方向(拉伸方向或光的偏振方向)上以实现薄膜的宏观形变。

发明内容

基于现有中产生形变的方法存在的缺陷，本发明提供一种无需取向的、非偏正光控制的光致形变偶氮苯聚酰亚胺薄膜材料及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明首先提供一种无需取向的、非偏正光控制的光致形变偶氮苯聚酰亚胺薄膜材料，其分子结构通式选择如下结构中的一种；

其中，m，n表示聚合度，为正整数，X为四价的芳香族烃基或脂肪族烃基，Z为带有柔性基团的二胺单体，W为含有三官能团的氨基单体，Y为侧链在间位上含偶氮苯基元的二胺残基，Y的结构通式如下：