ch26液晶-课件(选用)

1、材料科学基础2大尺寸大尺寸中小尺寸中小尺寸3什么是液晶高分子？什么是液晶高分子？ 高分子液晶是一种性能介于液体和晶体之高分子液晶是一种性能介于液体和晶体之间的一种有机高分子材料，它既有液体的流间的一种有机高分子材料，它既有液体的流动性，又有晶体结构排列的有序性。动性，又有晶体结构排列的有序性。 低温下它是晶体结构，高温时则变为液体，低温下它是晶体结构，高温时则变为液体，在中间温度则以液晶形态存在。在中间温度则以液晶形态存在。4 液晶现象是液晶现象是18881888年奥地利植物学家年奥地利植物学家莱尼茨尔莱尼茨尔（F. ReinitzerF. Reinitzer）在研究在研究胆甾醇苯甲酯胆甾醇苯

2、甲酯时首先观察到时首先观察到的现象。他发现，当该化合物被加热时，在的现象。他发现，当该化合物被加热时，在145145和和179179时有两个敏锐的时有两个敏锐的“熔点熔点”。在。在145145时，晶体时，晶体转变为混浊的各向异性的液体，继续加热至转变为混浊的各向异性的液体，继续加热至179179时，体系又进一步转变为透明的各向同性的液体。时，体系又进一步转变为透明的各向同性的液体。145 179 液晶的历史液晶的历史5 其后在其后在ReinitzerReinitzer和德国物理学家和德国物理学家LehmannLehmann的共同努力的共同努力下，认为胆甾醇苯甲酸酯在固态和液态之间呈现出一种新的

3、下，认为胆甾醇苯甲酸酯在固态和液态之间呈现出一种新的物质相态，将其命名为物质相态，将其命名为液晶液晶，这标志着液晶科学的诞生。这标志着液晶科学的诞生。 液晶之父Reinitzer和Lehmann液晶的历史液晶的历史6 首次有关合成的液晶高分子的报道是首次有关合成的液晶高分子的报道是19561956年年RobinsonRobinson在聚在聚- - - -苯基苯基-L-L-谷氨酸酯（谷氨酸酯（PBLGPBLG）的溶液体系中观察到了与小分子液晶类似的的溶液体系中观察到了与小分子液晶类似的双折射现象，从而揭开了液晶高分子研究的双折射现象，从而揭开了液晶高分子研究的序幕。序幕。 对液晶高分子的认识，首

4、先归功于德国化学对液晶高分子的认识，首先归功于德国化学家家VorlanderVorlander，他提出，他提出能能产生液晶化合物的分产生液晶化合物的分子尽量为直线状子尽量为直线状，这成为设计和合成液晶高，这成为设计和合成液晶高分子的分子的依据依据。液晶高分子科学的发展液晶高分子科学的发展7 19651965年杜邦女科学家年杜邦女科学家KwolekKwolek发现了溶致液发现了溶致液晶高分子聚对氨基苯甲酸（晶高分子聚对氨基苯甲酸（PBAPBA），她的进），她的进一步研究导致了高强度、高模量、耐热性一步研究导致了高强度、高模量、耐热性的的聚对苯二甲酰对苯二胺聚对苯二甲酰对苯二胺KevlarKevl

5、ar纤维纤维的大的大规模商品化。规模商品化。 为表彰她的贡献，美国化学会将为表彰她的贡献，美国化学会将19971997年年度的度的PerkingPerking奖金授予了这位杰出的科学家奖金授予了这位杰出的科学家。液晶高分子科学的发展液晶高分子科学的发展8 1968年美国RCA公司制造世界第一台使用液晶显示的荧屏。 1970年代日本 SONY与 Sharp 两家公司液晶显示技术全面开发与共用。9形成液晶物质的条件1 1、具有、具有刚性的分子结构刚性的分子结构。导致液晶形成的刚性。导致液晶形成的刚性结构部分称为结构部分称为致晶单元致晶单元。2 2、还须具有在液态下维持分子的某种有序排列、还须具有在

6、液态下维持分子的某种有序排列所所必需的凝聚力必需的凝聚力。10致晶单元致晶单元 在常见的液晶中，致晶单元通常由在常见的液晶中，致晶单元通常由苯环、脂肪苯环、脂肪环、芳香杂环环、芳香杂环等通过一刚性连接单元（等通过一刚性连接单元（X X，又称中，又称中心桥键）连接组成。心桥键）连接组成。 构 成 这 个 刚 性构 成 这 个 刚 性 连 接 单 元连 接 单 元 常 见 的常 见 的化学结构包括亚氨基（化学结构包括亚氨基（C CN N）、反式偶氮基）、反式偶氮基（N NN N）、氧化偶氮（）、氧化偶氮（NONON N）、酯基）、酯基（COOCOO）和反式乙烯基（）和反式乙烯基（C CC C）等。

7、）等。11致晶单元致晶单元 在致晶单元的端部通常还有一个柔软、易弯曲在致晶单元的端部通常还有一个柔软、易弯曲的基团的基团R R，这个端基单元是各种极性的或非极性的，这个端基单元是各种极性的或非极性的基团，对形成的液晶具有一定稳定作用，因此也是基团，对形成的液晶具有一定稳定作用，因此也是构成液晶分子不可缺少的结构因素。构成液晶分子不可缺少的结构因素。 常见的常见的R R包括包括RR、 OROR、 COORCOOR、 CNCN、 OOCROOCR、CORCOR、 CH=CHCH=CHCOORCOOR、 ClCl、 BrBr、NONO2 2等。等。12 按液晶的形成条件按液晶的形成条件: :溶致性液

8、晶溶致性液晶热致性液晶热致性液晶压致型液晶压致型液晶流致型液晶流致型液晶 按致晶单元与高分子的连接方式，可分为按致晶单元与高分子的连接方式，可分为主链型液晶主链型液晶侧链型液晶侧链型液晶液晶相的分类液晶相的分类13 根据高分子链中致晶单元排列形式和有序性的根据高分子链中致晶单元排列形式和有序性的不同，高分子液晶可分为不同，高分子液晶可分为近晶型近晶型、向列型向列型和和胆甾型胆甾型等。至今为止等。至今为止大部分高分子液晶属于向列型液晶大部分高分子液晶属于向列型液晶。 主链型液晶大多数为高强度、高模量的材料，主链型液晶大多数为高强度、高模量的材料，侧链型液晶则大多数为功能性材料侧链型液晶则大多数为

9、功能性材料。液晶相的分类液晶相的分类14致晶单元与高分子链的连接方式致晶单元与高分子链的连接方式液晶类类型结构结构形式名称称主链链型纵纵向性垂直型星型盘盘型混合型液晶相的分类液晶相的分类15支链链型多盘盘型树树枝型液晶相的分类液晶相的分类16侧链侧链型梳型多重梳型盘盘梳型腰接型结结合型网网型液晶相的分类液晶相的分类17液晶相的分类液晶相的分类 近晶型近晶型 向列型向列型 胆甾型胆甾型 液晶结构示意图液晶结构示意图18 按形成高分子液晶的单体结构，可分为按形成高分子液晶的单体结构，可分为两亲型两亲型和和非两亲型非两亲型两类。两类。 两亲型单体是指兼具亲水和亲油（亲有机溶剂）作两亲型单体是指兼具亲

10、水和亲油（亲有机溶剂）作用的分子。非两亲型单体则是一些几何形状不对称的用的分子。非两亲型单体则是一些几何形状不对称的刚性或半刚性的棒状或盘状分子。刚性或半刚性的棒状或盘状分子。两亲型高分子液晶是溶致性液晶，非两亲型液晶大部分两亲型高分子液晶是溶致性液晶，非两亲型液晶大部分是热致性液晶。是热致性液晶。液晶相的分类液晶相的分类19表表12122 2 按单体结构分类的高分子液晶按单体结构分类的高分子液晶单单体体两亲分子两亲分子非两亲分子非两亲分子棒状棒状盘状盘状聚聚合合物物液液晶晶相相的的性性质质溶致性溶致性热致性或热致性或溶致性溶致性热致性热致性热致性热致性热致性热致性液晶相的分类液晶相的分类20

11、结构特征结构特征跟小分子相比，跟小分子相比，高分子液晶的特殊性高分子液晶的特殊性： 热稳定性大幅度提高；热稳定性大幅度提高； 热致性高分子液晶有较大的相区间温度；热致性高分子液晶有较大的相区间温度； 粘度大，流动行为与粘度大，流动行为与般溶液显著不同般溶液显著不同21高分子液晶的特性高分子液晶的特性 取向方向的高拉伸强度和高模量取向方向的高拉伸强度和高模量 最突出的特点是在外力场中容易发生分最突出的特点是在外力场中容易发生分子链取向子链取向, ,在取向方向上呈现高拉伸强度和在取向方向上呈现高拉伸强度和高模量。高模量。 如如Kevlar Kevlar 的比强度和比模量均达到钢的比强度和比模量均达

12、到钢的的10 10 倍。倍。22 耐热性突出耐热性突出 由于高分子液晶的刚性部分大多由芳环由于高分子液晶的刚性部分大多由芳环构成构成, ,其耐性相对比较突出。其耐性相对比较突出。 如：如：XydarXydar 的熔点为的熔点为421 ,421 ,空气中的分解空气中的分解温度达到温度达到560 ,560 ,其热变形温度也可达其热变形温度也可达350,350,明显高于绝大多数塑料。明显高于绝大多数塑料。23 阻燃性优异阻燃性优异 高分子液晶分子链由大量芳香环所构成高分子液晶分子链由大量芳香环所构成, ,除了含有酰肼键的纤维外除了含有酰肼键的纤维外, ,都特别难以燃烧。都特别难以燃烧。 如：如：Ke

13、vlar Kevlar 在火焰中有很好的尺寸稳定性在火焰中有很好的尺寸稳定性, ,若在其中添加少量磷等若在其中添加少量磷等, ,高分子液晶的阻燃性高分子液晶的阻燃性能更好。能更好。24 电性能和成型加工性优异电性能和成型加工性优异 高分子液晶的绝缘强度高和介电常数低高分子液晶的绝缘强度高和介电常数低, ,而且两者都很少随温度的变化而变化而且两者都很少随温度的变化而变化, ,并导并导热和导电性能低。热和导电性能低。 由于分子链中柔性部分的存在，其流动由于分子链中柔性部分的存在，其流动性能好性能好, ,成型压力低成型压力低, ,因此可用普通的塑料加因此可用普通的塑料加工设备来注射或挤出成型工设备来

14、注射或挤出成型, ,所得成品的尺寸所得成品的尺寸很精确。很精确。25合成（1 1）芳香族聚酰胺）芳香族聚酰胺 这类高分子液晶是最早开发成功并付诸于应用这类高分子液晶是最早开发成功并付诸于应用的一类高分子液晶材料，有较多品种，其中最重要的一类高分子液晶材料，有较多品种，其中最重要的是聚对苯酰胺（的是聚对苯酰胺（PBAPBA）和聚对苯二甲酰对苯二胺）和聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTAPPTA）。）。 1 1）聚对苯酰胺的合成）聚对苯酰胺的合成 PBAPBA的合成有两条路线：的合成有两条路线： 一条是从对氨基苯甲酸出发，经过酰氯化和成一条是从对氨基苯甲酸出发，经过酰氯化和成盐反应，然后缩聚反应形成盐反

15、应，然后缩聚反应形成PBAPBA，聚合以甲酰胺为，聚合以甲酰胺为溶剂。溶剂。26 用这种这种方法制得的PBA溶液可直接用于纺丝纺丝。H2NCOOH2 SOCl2O2SNCOCl + SO2 + 3 HCl O2SNCOCl 3 HCl H2NCOCl + SO2Cl2HCl nH2NCOCl HCl HCONH2NHCOn+ (2n-1) HCl 27高分子液晶的应用 高强度高模量材料高强度高模量材料 在外力场容易发生分子链取向，在取向方向在外力场容易发生分子链取向，在取向方向上可以得到高强度高模量。上可以得到高强度高模量。 如：如：kelvarkelvar纤维可在纤维可在-45-452002

16、00使用。阿使用。阿波罗登月飞船软着陆降落伞带就是用波罗登月飞船软着陆降落伞带就是用kevlar29 kevlar29 制备的。制备的。kevlarkevlar纤维还可用于防弹背心纤维还可用于防弹背心, ,飞机、飞机、火箭外壳材料和雷达天线罩等火箭外壳材料和雷达天线罩等。28Applications of Kevlar29 液晶高分子在信息储存方面的应用液晶高分子在信息储存方面的应用 带有信息的激光束照射液晶存储介质时，局带有信息的激光束照射液晶存储介质时，局部温度升高，液晶聚合物熔融成各向同性的液部温度升高，液晶聚合物熔融成各向同性的液体，从而失去有序度。激光束消失以后，又凝体，从而失去有序

17、度。激光束消失以后，又凝结成为不透光的固体，信号被记录。结成为不透光的固体，信号被记录。 液晶高分子用于存储显示寿命长、对比度液晶高分子用于存储显示寿命长、对比度高、存储可靠、擦除方便高、存储可靠、擦除方便, ,因此有极为广阔的发因此有极为广阔的发展前景。展前景。高分子液晶的应用30 精密温度指示材料精密温度指示材料 向列型液晶和胆甾型液晶的混合物呈平行向列型液晶和胆甾型液晶的混合物呈平行并顺次扭转的螺旋结构，而且其螺距随温度变并顺次扭转的螺旋结构，而且其螺距随温度变化而发生显著变化。化而发生显著变化。 被测物体的表面温度若有变化，液晶分子被测物体的表面温度若有变化，液晶分子排列的螺距即发生变

18、化，偏振光的旋转角度也排列的螺距即发生变化，偏振光的旋转角度也随之发生变化，因而返回光的强度也会发生变随之发生变化，因而返回光的强度也会发生变化。化。 人们利用此现象制造出微温传感器人们利用此现象制造出微温传感器。高分子液晶的应用31 高分子液晶显示材料高分子液晶显示材料 目前小分子液晶是主要的显示材料。由目前小分子液晶是主要的显示材料。由于高分子的粘度比小分子液晶大得多于高分子的粘度比小分子液晶大得多, ,它的它的工作温度，响应时间都不及小分子液晶。工作温度，响应时间都不及小分子液晶。 但是液晶高分子在电场作用下从无序透但是液晶高分子在电场作用下从无序透明态到有序不透明态的性质使其理论上也明

19、态到有序不透明态的性质使其理论上也可用于显示器件，但目前尚未进入实际应可用于显示器件，但目前尚未进入实际应用阶段。用阶段。高分子液晶的应用32TFTTFT型液晶型液晶显示器的工作原理显示器的工作原理 彩色彩色33高分子液晶的发展前景 液晶学已成为一门新兴科学技术，广泛应液晶学已成为一门新兴科学技术，广泛应用于当代各个工业部门。而且由于物质的液晶用于当代各个工业部门。而且由于物质的液晶态结构普遍存在于生物体中，液晶结构及变化态结构普遍存在于生物体中，液晶结构及变化与生命现象之间的关系，也正在引起人们的重与生命现象之间的关系，也正在引起人们的重视。视。 英国著名生物学家指出英国著名生物学家指出:“

20、:“生命系统实际上生命系统实际上就是液晶就是液晶, ,更精确地说更精确地说, ,液晶态在活的细胞中无液晶态在活的细胞中无疑是存在的疑是存在的”34 细胞膜中的磷脂可形成溶致型液晶细胞膜中的磷脂可形成溶致型液晶; ; 构成生命的基础物质构成生命的基础物质DNA DNA 和和RNA RNA 属于生物性胆甾属于生物性胆甾液晶液晶, ,它们的螺旋结构表现为生物分子构造中的共它们的螺旋结构表现为生物分子构造中的共同特征同特征; ; 植物中起光合作用的叶绿素也表现液晶的特性植物中起光合作用的叶绿素也表现液晶的特性; ; 大多数生物体组织大多数生物体组织, ,如脑、神经、肌肉、血液等和如脑、神经、肌肉、血液等和生命现象关系密切的主要组织是由溶致性大分子生命现象关系密切的主要组织是由溶致性大分子液晶构成的。液晶构成的。高分子液晶的发展前景35液晶液晶对对生物的重要性生物的重要性细细胞具有原生胞具有原生