简论高分子液晶论文范文

1、简论高分子液晶论文范文 简论高分子液晶论文范文 导读： 高分子应用及未来发展方向西安科技大学 材料学院 任伟伟 1011020230 摘要 一些物质的结构受热熔融或被溶剂溶解之后，表观上虽然失去了固 体物质的刚性， 变成了具有流动性的液体物质，但结构上仍然保持着一维或二维 有序排列， 从而在物理性质上呈现出各向异性，形成一种兼有部分晶体和液体性 质的过渡状态，这种中介状态称为液晶态，处在这种状态的物质称为液晶。 关键字 高分子 液晶 研究进展 应用 1液晶的发现从高分子科学本身来讲, 其历史短于液晶研究的历史, 早在1888 年奥地利 植物学家F.Reinitzer就发现了液晶, 但直到194

2、1 年Kar gin 提出液晶态是聚 合物体系的一种普遍存在状态, 人们才开始了对高分子液晶的研究 6 。1966 年, Dupo nt 公司首次使用各向异性的向列态聚合物溶液制备出了高强度、高模 量的商品纤维 Fibre B, 使高分子液晶研究走出了实验室。20 世纪70 年代, Dupont 公司的Kevlar 纤维的问世和商品化开创了高分子液晶的新纪元。接着, 美国人Economy 和前苏联的Plate和Shibaev 分别合成了热熔型主链聚酯液晶和 侧链型液晶聚合物。 20 世纪80 年代后期, 德国的Ringsdorf 合成了盘状主侧链 型液晶聚合物 6 。到目前为止, 高分子液晶的

3、研究已成为高分子学科发展的 一个重要方向。 2液晶高分子的分类液晶是一类具有特殊性质的液体, 既有液体的流动性又有晶体的各向异性 特征。 现在研究及应用的液晶主要为有机高分子材料。一般聚合物晶体中原子或 分子的取向和平移都有序, 将晶体加热, 它可沿着2 个途径转变为各向异性液 体。 一是先失去取向有序而成为塑晶, 只有球状分子才可能有此表现, 另一途径 是先失去平移有序而保留取向有序, 成为液晶 2 。近年来,高分子液晶的开发 已成为当今高分子科学中的一个热门课题。 研究表明, 形成液晶的物质通常具有 刚性的分子结构, 同时还具有在液态下维持分子的某种有序排列所必需的结构 因素, 这种结构特

4、征常常与分子中含有对位次苯基、 强极性基团和高度可极化基 团或氢键相联系。 按照液晶相液晶高分子可分为: 向列型液晶( nematic liquid crystals) : 液晶分子刚性部分平行排列, 重心 排列无序, 保持一维有序性, 液晶分子沿其长轴方向可移动, 不影响晶相结构, 是流动性最好的液晶。 近晶型液晶( smectic liquid crystals) : 在所有液晶中近固体晶体而得名。 分子刚性部分平行排列, 构成垂直于分子长轴方向的层状结构, 具二维有序性。 胆甾型液晶( cholestic liquid crystals) : 构成液晶的分子是扁平型的, 依 靠端基的相互

5、作用 3 4 5 6 7 8 9 简论高分子液晶论文范文 导读： 平行排列成层状结构, 但它们的长轴与层面平行而不是垂直。 在相邻两层之间, 由于伸出平面外的光学活性基团的作用 , 分子长轴取向依次规则地旋转一定角度, 层层旋转构成螺旋结构。 此类液晶可使反射的白光发生色 散而呈现彩虹般颜色。 按照分子中液晶基元的位置可把液晶高分子分为: 主链型液晶高分子: 液晶基元在高分子主链上, 如kelvar 纤维。 侧链型液晶高分子: 液晶基元通过柔性链与主链相连。 大多数功能性液晶高 分子属于此类。 天然高分子液晶: 天然高分子在特定条件下表现为液晶态, 如烟花草病毒、 多肽、蛋白质、核酸、细胞膜和

6、纤维素等。 新型液晶高分子: 甲壳型液晶高分子和树枝状液高分子。 2.1 主链型液晶高分子 主链型液晶高分子是刚性液晶基元位于主链之中的液晶高分子, 它可分为热致 和溶致型两类。 2.1.1 溶致型主链液晶高分子 溶致液晶具有亲酯, 亲水的双极性分子, 如磷酯类:溶致型主链液晶高分子主链中有刚性结构, 它的分子溶解在溶液中达到一定 浓度后, 高分子主链在溶液中呈有序排列, 具有晶体性能。 为了使液晶相在溶液 中容易形成, 溶致型液晶高分子中一般都会有双亲活性结构。 在溶液中当液晶分 子的浓度达到一定时,双亲性分子可在溶液中形成胶束, 形成油包水或水包油的 胶束结构。 当液晶分子浓度进一步增加时

7、, 双亲性分子便可聚集形成排列有序的 液晶结构。溶致型主链高分子主链上液晶基元一般含有芳环和杂环结构,可用于 制造高强度及高模量的高分子纤维和膜材料。 2.1.2 热致型主链液晶高分子 热致型液晶高分子的刚性结构即液晶基元在聚合物主链上, 这些液晶基元多 是芳烃和杂环结构的化合物。 热致型液晶是指高分子在熔化成熔融态时分子的刚 性链仍保持按一定规律排列。刚性分子热稳定性高, 有利于高分子的有序排列, 但若刚性太大, 则很难使其在低于分解温度下熔化。 热致型主链高分子液晶制得 的材料制品, 最大特点是机械性能好 , 拉伸强度高, 热稳定性好, 线性热膨胀 系数小, 适于制造精度高的制品。 另外,

8、 这种液晶透气性低, 有良好的抗水解和 耐有机溶剂的能力。 2.2 侧链型液晶高分子 侧链型液晶高分子是刚性液晶基元位于大分子侧链的高分子, 又称梳形液 晶高分子。 其性质在较大程度上取决于支链液晶基元, 受聚合物主链性质的影响 较小。 液晶基元基本上保持其在小分子时作为液晶基元的尺寸, 主链结构的变化对其影响较小, 同样, 侧链型液晶高分子也可以分为溶致型和热致型两类。 但是 目前按热致和溶致两类进行分类没有什么意义, 而是按液晶基元的结构进行分 类, 即将侧链液晶高分子分成非双亲侧链液晶高分子和双亲侧链液晶高分子 , 非双亲侧链液晶高分子是聚合物与液晶基元组成的杂化系统, 既具有聚合物的

9、性质, 又能较好地 3 4 5 6 7 8 9 简论高分子液晶论文范文 导读： 呈现小分子液晶基元的性质。 正由于这种双重特征使其类似小 分子液晶被用于光电转换、非线性光学和色谱。 侧链液晶聚合物一般由主链、间隔基团、环核、桥键和端基组成。3高分子结构对液晶行为的影响液晶的化学结构直接影响其形成的可能行、相态、转变温度。 3.1 主链型液晶高分子 3.1.1 溶液型主链高分子液晶 其液晶行为是首先在聚( L-谷氨酸-C-苄酯) 体系中发现的。而研究最多的则是聚芳香酰胺类, 如: 聚对苯甲酰胺( PBT ) 和 聚对苯二甲对苯二胺( PPT A) 和聚芳香杂环类聚合物。 要形成溶液型液晶, 无论

10、是小分子还是高分子,都必须具备下述两个条件: ( 1) 必须具有一定尺寸的刚性棒状结构; ( 2) 必须在适当的溶剂中具有超过临 界浓度的溶解度。 对于聚肽一类溶液型主链高分子液晶来说, 其刚性棒状结构来 源于A-螺旋构象, 高分子链上的极性基团又与溶剂水有强烈的相互作用, 使得 上述两个必要条件得到满足。 而对以聚芳香酰胺为代表的一类溶液型高分子液晶 而言, 要满足上述条件, 就必须借助于极强的溶剂, 例如, 通常使用质量分数 大于99%的浓硫酸等。除了聚肽、聚芳香酰胺和聚芳香杂环类溶液主链高分子液 晶以外, 纤维素及其衍生物也能形成溶液型液晶。另外, 近期的研究工作表明, 容易形成热熔型液

11、晶的聚酯通过共聚, 也能获得一些溶液型主链型聚酯液晶。 例 如, 将环己基酯的齐聚物与芳香酯的齐聚物进行嵌段共聚, 即可得到能生成溶 液型液晶的聚酯 4 。溶液型主链高分子液晶, 特别是非聚肽类的合成聚合物, 主要用于制备超高强度、高模量的纤维和薄膜。材料的高强度、高模量于聚 合物链在加工过程中， 在一些特殊的溶剂中形成了各向异性的向列态液晶。这一 应用不仅可用于制备超强材料, 也给高分子液晶研究提供了推动力。 3.1.2 热熔型主链高分子液晶 对于热熔型液晶高分子, 一个重要问题是生成液晶态的温度必须低于聚合 物的分解温度。 从化学结构上看, 热熔型主链高分子液晶多是主链上含有芳香环 的酯基

12、的聚合物。 为了降低这类聚合物的熔点, 以保证在分解温度以下得到热稳 定的液晶态 , 最常采用以下三种方法 :( 1) 为改变规整聚合物链的紧密堆积 , 采用在聚合物链中加入一些萘、 联苯和取代苯等体积不等的基团的方法, 以破坏 刚性聚合物链的规整性, 使其熔点下降 2 5 ; ( 2) 将脂肪族的柔性链段嵌进刚性链的结构单元之间, 使整个聚合物链的刚性下降 25 ; ( 3) 改变刚 性聚合物链的线型结构, 即将间位或邻位取代的亚苯基嵌进结构单元, 使聚合 链不在一条直线上 2 5 。 高分子液晶材料与普通的高分子材料相比, 有较大的性质差别。( 1) 高分 子液晶具有低得多的剪切粘度, 同

13、时在由各向同性 3 4 5 6 7 8 9 简论高分子液晶论文范文 导读：接的作用而不参与液晶相的形成,因此使其能较完全地呈现小分子液晶的性质。侧链高分子液晶的非线性光学性质已经在某些领域中崭露头角,特别是信息储存,由于侧链高分子玻璃化转变的特点,信息可以长久地储存,也可以随时消除。44.1液晶高分子的表征和研究方法偏光显微镜图像偏光显微镜可以观察溶致液晶态的产生和相 至液晶态的相转变处 , 其粘 度会有一个非常明显的降低; ( 2) 由于液晶高分子的取向度增加, 使得它沿取 向方向具有很高的机械强度; ( 3) 由于结晶程度高, 高分子液晶的吸潮率很低, 因此由于吸潮率引起的体积变化也非常小

14、; ( 4) 主链高分子液晶还具有良好的 热尺寸稳定性; ( 5) 热熔型主链高分子液晶的透气性非常低; ( 6) 它还具有对 有机溶剂的良好耐受性和很强的抗水解能力。 3.2 侧链型液晶高分子 3.2.1 溶液型侧链高分子液晶 为了有利于液晶相在溶液中形成, 在溶液型 液晶分子中一般都含有双亲活性结构, 即结构的一端呈现亲水性 , 另一端呈现 亲油性。 在溶液中当液晶分子达到一定浓度时, 这些两亲分子可以在溶液中聚集 成胶囊, 构成油包水,或水包油结构; 当液晶高分子浓度进一步增大时, 分子进 一步聚集, 形成排列有序的液晶结构。 作为溶液型侧链高分子液晶, 就是把双亲 介晶基元接到聚合物链

15、上, 它在溶液中的性质与小分子液晶基本相同。 溶液型侧链高分子液晶最重要的应用在于制备各种特殊性能高分子膜材料, 如: LB 膜、S A 膜和胶囊。这种微胶囊可作为定点释放和缓释药物使用。另外, 溶液型侧链高分子液晶还可用于制作非线性光学器件和显示装置。 3.2.2 热熔型侧链高分子液 同溶液型侧链高分子液晶一样 , 热熔型侧链 高分子液晶的介晶基元通过共价键与聚合物主链相连。 这一主链一般为柔性聚合 物链, 如: 聚丙烯酸酯类、聚硅氧烷、聚苯乙烯以及聚乙烯醇。由于这里聚合物 主链只起到连接的作用而不参与液晶相的形成, 因此使其能较完全地呈现小分 子液晶的性质。侧链高分子液晶的非线性光学性质已

16、经在某些领域中崭露头角, 特别是信息储存 , 由于侧链高分子玻璃化转变的特点 , 信息可以长久地储存 , 也可以随时消除。 4 4.1液晶高分子的表征和研究方法偏光显微镜图像 偏光显微镜可以观察溶致液晶态的产生和相分离过程, 热致液晶的软化温 度、熔点、亮点, 液晶相间的转变以及液晶态织构和取向缺陷等。 4.2 DTA/ DSC 法 差热分析( DTA) 和示差扫描量热法是研究液晶高分子液晶态相变和玻璃 化转变的常用方法。 4.3 X- 射线衍射 可研究液晶分子排布和有序程度的类别。 4.4 表征方法 小角中子衍射。红外光谱( IR) .核磁共振( NMR) 的液晶混溶实验也常用 来鉴定和表征

17、液晶高分子。 5液晶高分子的研究现状及应用5.1 液晶高分子应用方面 5.1.1 液晶显示器件 液晶是具有广泛用途的功能材料, 主要是用来制作电、 光显示器件的, 其应 用范围包括各种类型的显示器和光阀, 生命过程, 生物膜及信息传递等。 液晶已 被广泛应用到高新技术领域中, 在电子工业中作为显示材料 , 液晶显示与其它 显示相比, 3 4 5 6 7 8 9 简论高分子液晶论文范文 导读： 有低耗能、准确性高、灵敏度高、色调柔和、无X 射线、安全可靠的 特点, 由于消耗功率极小, 一般在10 100 LwP的数量级, 因此不需要庞大的 电源就可制造显示面积大而体积小的器件, 可实现大屏幕显示

18、, 也可制造微型 器件。 液晶显示器的早期产品属扭曲向列型( TN -LCD) , 后期产品属超扭曲向列 型( STN- LCD) 。目前广泛应用的LCD 产品被称为像素点阵型, 它又分为两个类 型: 无源型和带开关晶体管的有源型。 后者又有多个品种, 其中以非晶硅TFT 做 有源开关元件类(TFT- LCD) 应用最为广泛。TFT- LCD 的性能明显优于TN- LCD, 常被称作真彩液晶显示器, 而STV- LCD则被称做伪彩液晶显示器。 5.1.2 温度的显示 胆甾液晶膜对温度变化很灵敏, 因此可用来做温度指示器.如测量体温的 电子体温计, 还可用于检查精密器件的裂缝或孔隙 , 因为孔隙

19、或裂缝能使温度 梯度发生变化, 从而使贴在器件表面上的液晶膜发生相应的颜色变化 , 因而可 以测定孔隙的位置和形状.这就是用液晶进行无损探伤。 5.1.3 数字及图象的显示 向列型混合液晶可用于台式电子计算机, 测试和测量仪器上数字面板表上 的显示器, 多色显示器及平面电视显象管 , 体育比赛计分牌的显示器.例如将 茴香叉氨基醋酸酯, 茴香叉氨基酚丁酸酯和对丁氧基苯甲叉氨基苯基醋酸酯等 量混合物, 在120 e 搅拌熔化至透明, 冷至0 e , 即得室温液晶( - 6 90 e ) 可 用于数字显示及黑白电视显示屏.另外, 向列型液晶在电场作用下 , 光的反射 或透射率会发生变化.因此可用来显

20、示具有灰度的黑白单色的图象.与此相反, 胆甾型液晶加上电场时可使光有选择的反射或透射, 故可显示彩 象.此外还 可利用胆甾型液晶对温度的敏感性, 可用来对晶体二极管的焊接温度和超小型 电路内部的过热现象进行测定, 对薄膜电容器进行微孔检验 , 对集成电路接点 的动态测试, 以及整流器的工作温度的测量等.5.1.4 气体的检测 液晶对气体和蒸气污染的灵敏度高于氧, 氮及惰性气体.它能记录有害气 体的浓度, 并能精确测定漏气部位 , 以保证安全.测量的灵敏度可达百万分之 几.这对环境保护监测工作有重要价值.例如胆甾液晶对不同有机溶剂气体可 显示不同的颜色.见表15.1.5 浅层肿瘤的诊断 用涂有胆

21、甾型液晶的黑底薄膜, 贴在病灶区的皮肤上, 则能显示温度不到 一度的彩色温度变化图.利用液晶诊断肿瘤、 动脉血栓和静脉肿瘤, 以提供手术 的准确部位, 并能根据皮肤温度的变化 , 以及交感神经系统的堵塞情况 , 以判 断神经系统及血管系统是否开放.液晶在0 250 e 之间对温度变化都很灵敏 , 根据选用的混合物液晶能显示1 5 e 之间温 3 4 5 6 7 8 9 简论高分子液晶论文范文 导读： 度变化的全谱图, 即使小于0125 e 的温度变化 , 也可以清楚地看出 .目前, 液晶在工业上的应用日益广泛 10, 它作为一种新型显示材料, 具有功耗小, 电压低和明亮环境下显示的独特优点,

22、此外, 还具有尺寸大小灵活 , 平板化, 弯曲化, 显示清晰, 使用范围广, 成本 低等特点.液晶的种种显示装置及其在电视, 传感、印刷、信息等领域的应用正 在迅速展开, 液晶显示手表, 计算器, 甚至高清晰彩色液晶电视机都已商品化, 显示技术领域正在发生着深刻的变化, 液晶的研究和应用必将更加深入。 5.2 液晶高分子的最新研究 高分子液晶是当前高分子科学中颇有吸引力的一个研究领域。 近十几年来, 有关的研究报道日益增多。 从报道的文献看, 高分子液晶材料的研究热点主要集 中在以下几个方面.5.2.1 高分子液晶的合成、表征及性能测试 一种新材料的开发, 其合成和表征应当是首当其冲的, 因此

23、有关这方面的 研究特别多。最近, 李自法等 12 就报道了以2, 5 二( 对烷氧基苯甲酰氧基) 对苯二酚和不同结构的脂肪二酰氯为单体, 采用低温溶液缩聚的方法, 合成了 一系列新的液晶基元垂直于分子主链的近晶C ( Sc) 相串型高分子液晶。赵雄燕 等 13 综述了一种合成嵌段液晶共聚物的新方法大分子引发剂法。这种方 法可以使传统的自由基聚合也具有“准活性”聚合的能力, 从而象阴离子聚合一 样, 也可用来合成预定结构的嵌段共聚物。 但由自由基聚合对杂质敏感性小, 合 成简单并易于控制, 使得在大分子引发剂法在合成嵌段液晶共聚物领域显示出 极好的开发前景。 5.2.2 嵌段液晶共聚物的研究 由

24、于嵌段共聚物的合成技术有较大的可靠性和预见性, 因此能较好地控制诸如序列结构、链段长度及多分散性等重要参数, 准确地达到所要求的结构,这 样便可根据不同的使用要求进行分子裁剪, 设计合成具有特殊性能的高分子材 料。 因此近年有关嵌段液晶共聚物的研究报道逐渐增多, 已成为液晶领域研究的 热点之一 1315 。 嵌段液晶共聚物除了用作液晶原位复合材料的增容剂, 制备高强度、 高模量 及加工性能优异的高性能结构材料外, 还可用于: 制备集光电性、 液晶性及优 异的加工性于一身的高科技光电功能材料; 利用嵌段液晶共聚物相转变的平衡 特性可进行评估聚合物特殊的物理过程和物理性能; 作为半结晶嵌段共聚物

25、还可用来研究总体几何结构与拓扑之间的关系; 嵌段液晶共聚物还可用来研究 不同的相界面条件及相畴尺寸对液晶相的形成、特性及稳定性的影响。总之, 液 晶嵌段共聚物无论是作为高性能材料还是在理论研究方面, 均具有广阔的应用 前景和重要的理论研究价值。 5.2.3 液晶高分子原位复合材料和分子复合材料 液晶高分子与其它高分子的共混物是一类很有生命力和 3 4 5 6 7 8 9 简论高分子液晶论文范文 导读：高分子液晶也不例外。对于高分子液晶材料的开发,在继续加强以上四方面的研究外,还应加强如下几方面的研究开发工作。(1)加强高分子液晶的基础研究和应用基础研究工作，从已报道的大量文献看,合成、表征及其

26、性能测试方面的报道占主要地位,而理论方面探讨性文章较少,因此有必要加强诸如:高分子液晶理论,液晶态结 发展前景的材料 , 它性能优良、价格便宜、品种多样、加工容易, 因而深受国内外重视。如何将棒 状分聚合物分散到柔性链分子基体中 , 使它们尽可能地达到分子分散的水平 , 一直是科学家们努力追求的。刘孝波等 16 指出, 液晶热固性聚合物的研究是 近年来液晶聚合物研究课题中出现的一个新型的研究课题。 它将集液晶特征和热 固性聚合物的性质于一体, 创造出一类新型的特种热固性高分子材料。 液晶环氧 树脂为代表的液晶性X络材料是其中重要的一类, 它为高性能高分子复合材料 的研究开辟了新的途径, 从而拓

27、宽了液晶聚合物和通用热固性聚合物的研究。 5.4.4 功能高分子液晶材料 功能高分子液晶材料包括: 光学非线性高分子液晶, 铁电性和反铁电性高 分子液晶, 光导高分子液晶, 生物性高分子液晶和高分子液晶膜等。 由于它们的 特殊性能将会有非常广阔的重要应用前景。 例如, 吴壁耀等 17 报道了具有肉桂酸酯侧链基的热熔型高分子液晶的 光交联行为。指出在20 min紫外光照射的条件下, 形成液晶相的液晶高分子膜的 光交联凝胶百分率要明显高于尚未形成液晶的同种高分子膜。 由于液晶高分子中 介晶基元的聚集和有序排列形成的微区结构也影响了大分子链铡基肉桂酸酯的 聚集状态, 从而使其光化学性质发生了变化,

28、可望用于光固化涂料的改性。 任何一种材料的开发都必须有完善的理论作基础, 都必须以满足社会的发 展需要为根本目的, 同样, 高分子液晶也不例外。对于高分子液晶材料的开发, 在继续加强以上四方面的研究外, 还应加强如下几方面的研究开发工作。 (1) 加强高分子液晶的基础研究和应用基础研究工作， 从已报道的大量文 献看, 合成、 表征及其性能测试方面的报道占主要地位, 而理论方面探讨性文章 较少 18 , 因此有必要加强诸如: 高分子液晶理论, 液晶态结构, 相变动力学 与热力学, 液晶共聚物的序列结构 , 高分子液晶的结构与功能关系 , 高分子液 晶的分子设计等重要基础理论问题的研究。李敏等 6 报道了一种新型高分子 液晶的分子设计方法,即, 将分子间相互作用( 如分子间氢键、离子间相互作用 及电荷转移相互作用等) 引入高分子液晶体系。 其原理是通过分子间的复合而形 成有序超分子聚集体。 这种新型的高分子液晶体系具有高的热稳定性和高有序性, 可望在导电材料等领域中得到应用。 (2) 发展热熔型高分子液晶结构材料, 特别是共聚酯类