简述高分子液晶材料的结构特点

1、简述高分子液晶材料的结构特点0808010229 金俊摘要：液晶相是不同于固相和液相的一种中介相态。本文系统地阐述了液晶高分子的分类及其结构特点，并用具体例子或者相应结构示意图形象说明。 关键词：液晶高分子、分类、结构引言:液晶高分子（简称LCP）是近几十年年迅速发展起来的新型高性能高分子材 料，因具有独特的结构和优异的性能而引起世界各国的高度重视【1】。与普通高分 子材料不同，其最大特点是在一定条件下能形成液晶态，此时分子排列存在位置 上的无序性，但在取向上仍有某种程度的长程有序性。高分子液晶的研究已成为 高分子学科发展的一个重要方向。随着高分子液晶材料合成研究的迅速发展，人 们对高分子液晶

2、的结构和性能研究产生了极大兴趣，并取得了很大的成就。1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。一般聚合物品体中原子或分 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品，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。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。1.1根据液晶分

3、子结构特征根据刚性部分在分子中的相对位置和连接次序，可将其分成主链型高分子液 品和侧链型高分子液晶。在高分子液晶中，刚性部分如果处于聚合物主链上，即 为主链型液晶；刚性部分如果是由一段柔性链与聚合物主链相连.成梳状，即为 侧链型液晶。在物理化学性质上方面，主链型液晶与侧链型液晶表现出相当大的 差异。1.2根据液晶形态根据刚性分子链堆砌所形成的物理结构，可分为三种织态结构：即向列型液 品、近品型液晶和胆甾型液晶（图1）。在近晶型液晶中，棒状分子形成层状结构，每个分子都垂直于层面或与层面 成一定角度排列。无论取何种排列状态，分子之间都是互相平行排列的。这种排 列的分子层之间的作用力比较弱，相互之间

4、易于滑动，因而近品型液晶呈现二维流体的性质。分子可以前后、左右滑动，但不能在上下层之间移动；分子质心位 置在层内无序，可以自由平移，从而有流动性，但粘滞系数很大。向列型液晶分子沿长轴方向平行排列，分子间保持与近品型液晶相似的平行 关系。分子能上下、左右、前后滑动，呈现一维有序，重心位置无序，有很大流 动性。产生这种流动性的原因主要是由于向列型液晶各个分子容易顺着长轴方向自由移动。按液晶的形成条件，可分为溶致性液晶、热致性液晶、胆甾型液晶是向列型液晶的一种特殊形式。分子排列成层，层内分子排列成 向列型；分子长轴平行于层的平面，层与层间分子长轴逐渐偏转，形成螺旋状。 由于这些扭转作用，可以使反射自

5、光发生色散，透射光发生偏转，具有独特的光 学性质。压致型液晶等等。溶致性液晶是在溶解过程中液晶分子在溶液中达到一定浓度时形成有序排列。产生 各向异性构成液晶。热致性液晶是在加热熔融过程中，不完全失去晶体特征，保 持一定有序性的三维各向异性的晶体所构成的液晶。2液晶高分子的结构液晶高分子的结构应该满足液晶相的取向要求。通常，能够形成液晶的高分 子应由以下结构单元组成。2.1液晶基元能够形成液晶的物质，通常具有刚性结构。其分子长（L）和宽（D）的比 例R1，呈棒状。例如，4,4-二甲氧基氧化偶氮苯（1）液晶，分子的长宽比 R2.6，长厚比RQ5.2。所以，液晶基元通常是由连接官能团（interco

6、nnecting group ）将两个或以上刚性环连接起来形成的。例如，二联苯、三联苯，苯甲酰 氧苯、1,2-二苯基乙烯、1,2-二甲苯基乙快和苯甲亚胺基苯等，具有刚性和棒状 外形，构成了常见的液晶基元。除了芳环以外，刚性环还可以是反式-环己烷、 反式-2,5-双取代基-1,3-二氧环戊烷和1,3-二硫杂环己烷等。连接官能团一般为 CH2=N，N=N，（CH=CH） 和一CH2=NN=CH2等。含有 双键或快基的官能团能限制刚性环的自由旋转，增加分子长度和维持分子的刚 性。由于酯基和酰胺基的共振作用，限制了酯碳氧键（或酰胺的碳氮键）的自由 旋转，也是有效地连接官能团。一般液晶基元通过柔性间隔基

7、接到高分子主链上，形成液晶高分子。例如，液晶 聚合物2是通过柔性间隔基，六亚甲基将二联苯液晶基元接到聚甲基丙烯酸酯主 链上。该聚合物在温度119136C之间，呈近晶型液晶。若二联苯不通过间隔 基，直接接到高分子主链上，如聚合物3；或者只通过一个亚甲基接到高分子主 链上，如4,均不呈现液晶相，是无定形聚合物。这是由于高分子链的热运动， 趋向于形成无规线团，妨碍了液晶基元取向形成液晶相。柔性间隔基的去耦作用， 是指高分子主链的热运动对液晶基元取向的影响减小了。显然，间隔基的长度对 液晶相的形成和稳定性是有影响的。2.3高分子液晶的结构根据液晶基元在高分子链中的位置，液晶高分子可分为：（1）主链型液

8、晶高分子。是指液晶基元在高分子的主链上的液晶高分子。 它可以是由连接官能团将液晶基元联起来，形成的高分子，如图2 （a）所示。 例如，对苯二甲酰对苯二胺（PPTA），是一溶致型液晶。也可以通过高分子链将 液晶基元连起来，形成高分子液晶，如图2 （b）所示。例如，对二甲酸乙二醇 酯（PET）与对羟基苯甲酸（HBA）的共聚物5。可以看出是高分子链将液晶基 元苯甲酰氧苯连起来形成的。(a)(b)图2主链液晶高分子示意图侧链型液晶高分子。是指液晶基元在高分子的侧链上，如图3所示。例 如，聚甲基丙烯酰氧己基氧联苯腈的侧链上含有液晶基元联苯腈。图3所示的侧 链液晶高分子的主链为线形聚合物。除此之外，也有液

9、晶基元连接到环状齐聚物 上；或者多个液晶基元键联后，通过柔性间隔基，接到高分子主链上。由于这类 高分子液晶的合成相对容易，变化参数较多，例如，主链的种类、相对分子质量、 规整度、柔性间隔基的种类和长度等，所以研究得较为广泛。混合型液晶高分子。这类液晶高分子是指在主链和侧基上，均含有液晶 基元，如图4所示。液晶基元通过柔性间隔基连接到液晶主链的柔性间隔基上见 图4 (a)；或者连接到主链的液晶基元上见图4 (b)；或接到刚性的主链上见 图4(c)，即主链上无柔性间隔基，只有刚性液晶基元。两个相交的液晶基元， 插入到柔性聚合物主链上见图4(d)。图4混合型液晶高分子的结构示意图一般来讲，液晶高分子

10、中应含有液晶基元和柔性间隔基。随着研究的深入， 也发现有的液晶高分子中，并不一定存在明确的液晶基元。例如聚合物6上，并 不包含参见的刚性液晶基元，却能在很广的温度范围内出现液晶相。-t-CJICH5CHSCH3 YCHOCCHaCHjCH；T CJLClbH,一Z- CHMWIL2.4溶致型液晶和热致型液晶溶致型液晶高分子是指聚合物在加热过程中，达到一定浓度时，形成了有序 排列，产出各向异性。例如聚对氨基苯甲酰胺（PpBA）在N,N-二甲基甲酰胺溶 液中（有时要加入一些氯化铝或氯化钙）可以形成液晶。热致型液晶高分子是指聚合物在加热熔融过程中，达到一定温度时，高分子 位置有序逐渐消失，但保留取向

11、有序，具有各向异性，形成液晶相。3结论随着液晶高分子理论的日渐完善，人们对液晶高分子的结构特点也日益清 晰。在高分子液晶应用日益广范的同时，通过对其结构研究改造，人们不仅开发 了大量的高强、高模以及具有显示和信息存储功能的高分子液晶材料，同时还在 不断探索在其他领域的应用。可以肯定的是，作为一门交叉科学，高分子液晶材 料科学在高性能结构材料、信息记录材料、功能膜及非线性光学材料等方面的开 发中必将发挥越来越重要的作用【4】。参考文献:【1】液晶高分子及其原位复合材料研究进展一王宏刚，简令奇，杨生荣一中国 科学院兰州化学物理研究所，固体润滑国家重点实验室，甘肃，兰州,730000高分 子材料科学与工程2003,19(5)【2】高分子液晶材料的应用及发展趋势一王瑾菲，蒲永平，杨公安，杨文虎一 陕西科技大学材料科学与工程学院西安710021陶瓷2009【3】